Содержание к диссертации
Введение
1. Методы имитационно-аналитического моделирования одномерных каналов связи 54
1.1. Особенности имитационных математических моделей одномерных КС 54
1.2. Имитационно-аналитическое моделирование дискретного КС с постоянными параметрами 58
1.3. Феноменологические имитационные модели однолучевого дискретного КС с переменными параметрами 60
1.4. Структурно-функциональное имитационно-аналитическое моделирование однолучевого дискретного КС с переменными параметрами 63
1.5. Имитационно-аналитическое моделирование многолучевого дискретного КС без краевых искажений 74
1.6. Имитационно-аналитическое моделирование дискретного канала связи с краевыми искажениями и дискретно-непрерывного канала связи 76
1.7. Имитационно-аналитическое моделирование трассовых испытаний KB КС при передаче сообщений на случайных частотах 85
1.8. Имитационно-аналитическое моделирование трассовых испытаний KB КС с разнесенными сигналами 88
1.9. Основные результаты первой главы 91
2. Методы аналитического моделирования усилительных трактов радиоприемных устройств 94
2.1. Особенности моделирования главных трактов KB радиоприемных устройств 94
2.2. Метод аналитического моделирования безынерционных нелинейных элементов комбинированными функциями 96
2.3. Аналитическая модель главного тракта KB радиоприемного устройства 96
2.4. Синтез проходной характеристики главного тракта радиоприемного устройства по его параметрам 105
2.5. Модель многокаскадного усилительного тракта 109
2.6. Аналитическая модель усилителя-ограничителя 117
2.1. Общая аналитическая модель преобразователя частоты 127
2.8. Типовые аналитические модели преобразователей частоты 130
2.9. Синтез передаточной характеристики преобразователя частоты по его параметрам 136
2.10. Аналитические модели ограниченно-идеальных преобразователей частоты 139
2.11. Имитационно-аналитическое моделирование трассовых испытаний РПУ 147
2.12. Основные результаты второй главы 149
3. Методы аналитического моделирования цифровых РПУ 154
3.1. Задачи и методы моделирования цифровых РПУ 154
3.2. Моделирование идеальных квантователей кусочно-линейными функциями 155
3.3. Моделирование реальных квантователей кусочно-линейными функциями 159
3.4. Моделирование идеального квантователя совокупностью линейной функции и ряда Фурье 160
3.5. Аналитическая модель квантователя с ограниченным числом шагов квантования 164
3.6. Аналитическая модель квантователя с неравномерным шагом квантования 168
3.7. Имитационно-аналитическое моделирование трассовых испытаний цифровых РПУ 169
3.8. Основные результаты третьей главы 174
4. Методы физического и компьютерного имитационного моделирования kb канала радиосвязи 176
4.1. Задачи имитационного моделирования KB каналов радиосвязи 176
4.2. Система наклонного зондирования ионосферы широкополосными сигналами 178
4.3. Физическое моделирование KB канала связи 184
4.4. Физическое моделирование воздействия на вход РПУ с использованием реальных гармонических радиосигналов 187
4.5. Имитационная модель канала связи с использованием результатов трассовых испытаний 189
4.6. Компьютерная имитационная модель двухмерного КС для усилительных трактов РПУ и устройств цифровой
обработки сигналов 191
4.7. Компьютерное имитационное моделирование трехмерного пространственно-временного канала связи 196
4.8. Компьютерная имитационная модель КС для пространственно-разнесенного приема радиосигналов 202
4.9. Компьютерная имитационная модель КС для
компенсаторов помех 206
4.10. Моделирование трассовых испытаний KB СС в условиях воздействия преднамеренных помех 209
4.11. Основные результаты четвертой главы 211
5. Результаты натурных испытаний и вычислительных экспериментов по определению надежности передачи сообщений по kb каналам связи 213
5.1. Результаты исследования на реальной трассе надежности передачи буквенно-цифровых сообщений ограниченного объема с использованием высокой и низкой скоростей манипуляции 213
5.2. Результаты исследования надежности передачи сообщений на широтных трассах с использованием метода "ЭКВИВАЛЕНТ" 215
5.3. Результаты исследования надежности передачи сообщений с использованием имитационных моделей дискретных каналов связи 222
5.4. Результаты исследования с использованием имитационно-аналитических моделей трассовых испытаний зависимости
надежности передачи сообщений от параметров приемного устройства и
помеховой обстановки 226
5.5. Исследование эффективности адаптивной регулировки чувствительности радиоприемных устройств 234
5.6. Исследование влияния на надежность связи квантования сигналов по уровню 237
5.7. Основные результаты пятой главы 238
6. Системы высоконадежной kb мобильной автоматической радиосвязи 244
6.1. Радиосвязь с подвижными объектами 244
6.2. Система KB высоконадежной мобильной автоматической радиосвязи (МАРС) для России и евразийского континента 248
6.3. Сравнительный анализ вариантов построения системы автоматической KB радиосвязи с подвижными объектами 253
6.4. Функционирование системы МАРС в пейджинговом режиме 269
6.5. Функционирование ретрансляционных пунктов
системы МАРС в режиме двусторонней связи. 274
6.6. Функционирование абонентской аппаратуры системы МАРС в режиме двусторонней связи 277
6.7. Оценка основных характеристик пейджинговой сети МАРС 280
6.8. Оценка характеристик сети МАРС при двусторонней связи 284
6.9. Скрытные высоконадежные системы связи 286
6.10. Основные результаты шестой главы 287
Заключение 289
Список литературы
- Структурно-функциональное имитационно-аналитическое моделирование однолучевого дискретного КС с переменными параметрами
- Метод аналитического моделирования безынерционных нелинейных элементов комбинированными функциями
- Моделирование реальных квантователей кусочно-линейными функциями
- Моделирование трассовых испытаний KB СС в условиях воздействия преднамеренных помех
Введение к работе
Актуальность проблемы
Несмотря на огромные достижения в области спутниковых систем связи (ССС), декаметровая радиосвязь в настоящее время продолжает играть важную роль при осуществлении передачи данных на дальние и сверхдальние расстояния как объектами гражданских ведомств, так и подразделениями силовых структур РФ.
В военной связи особое место, по-прежнему, принадлежит коротковолновой (КВ) связи как одному из видов резервной связи.
Важно отметить тот факт, что, в отличие от ССС, сотовых и телефонных линий связи, в России до сих пор нет единой КВ сети радиосвязи со свободным доступом пользователей.
Декаметровый канал радиосвязи отличается большой сложностью, обусловленной как многолучевостью, зависимостью рабочей частоты от времени года, времени суток, протяженности трассы, так и присутствием большого числа аддитивных помех от посторонних радиостанций, а также наличием возможных преднамеренных помех, создаваемых противоборствующей стороной.
Особенно большие трудности в КВ канале возникают при двусторонней связи с подвижными объектами (ПО), так как на подавляющем большинстве ПО из-за их ограниченных энергетических ресурсов и малых геометрических размеров невозможно использовать мощные передатчики и высокоэффективные антенны.
Проектирование КВ каналов связи (КС) тесно связано с исследованием явлений, влияющих на надежность передачи сообщений (коэффициент исправного действия (КИД) канала связи) и происходящих как в среде распространения, так и в приемопередающих трактах связной аппаратуры. Под надежностью передачи сообщений в данном случае понимается отношение числа сообщений, которые приняты с заданным уровнем качества, к общему числу переданных сообщений.
Методами и средствами проектирования КС являются исследования в лабораторных и естественных условиях свойств и алгоритмов функционирования приемопередающей аппаратуры, физическое, аналитическое, имитационное и имитационно-аналитическое моделирование среды распространения и технических средств, входящих в состав КВ КС, с целью определения всевозможных факторов, влияющих на надежность передачи сообщений и с целью сравнения надежности передачи сообщений различных вариантов проектируемых КС между собой и с вариантами ранее разработанных и находящихся в эксплуатации систем связи.
Учитывая все вышеизложенное, следует признать актуальной задачей рассматриваемую в диссертации проблему разработки средств проектирования каналов декаметровой радиосвязи и проведенную в целях решения этой проблемы разработку различных методов математического и физического моделирования каналов связи максимально учитывающих сложные условия их функционирования [2-6, 8, 10, 11, 13-15, 18-28, 32, 33, 51, 52 и др.], позволяющих научно обосновывать выбираемые при проектировании технические решения, существенно сокращать время опытно-конструкторских работ, повышать качество этих работ и уменьшать материальные затраты на их проведение.
Целью работы явилось:
-
Разработка метода исследования тонкой структуры декаметрового КС посредством наклонного зондирования ионосферы с помощью широкополосных сигналов.
-
Разработка математических методов моделирования [2-6, 8, 10, 11, 13-15, 18, 19, 23-26, 28, 32, 33, 51, 52 и др.] как отдельных элементов приемопередающих трактов аппаратуры, так и декаметрового КС в целом, учитывающих как тонкую структуру среды распространения (многолучевость), так и другие факторы, (различного рода аддитивные помехи, нелинейные явления, происходящие в усилительных трактах (УТ) радиоприемных устройств (РПУ) и т. д.), которые влияют на надежность передачи сообщений.
-
Разработка математических [16, 20-22, 27, 36-38 и др.] и физических [27, 30] методов моделирования сравнительных трассовых испытаний КВ СС, позволяющих прогнозировать их свойства на ранней стадии проектирования и за счет этого повышать качество разрабатываемых устройств при одновременном сокращении сроков натурных сравнительных трассовых испытаний СС и уменьшении материальных затрат на их проведение за счет лабораторных испытаний в условиях, максимально приближенных к реальным.
-
Использование разработанных методов математического и физического моделирования КС для проектирования КВ СС с подвижными объектами (ПО), отличающихся высокой надежностью и скрытностью [1, 7, 17, 29-31, 34, 35, 46, 47, 50, 52].
Под высоконадежными КС далее понимаются каналы связи, обеспечивающие энергетический выигрыш не менее чем 1020 дБ по сравнению с каналами связи, в которых используются такие наиболее распространенные виды работ, как, например, ОФТ-500 и ЧТ-125.
Предмет исследования
В диссертации решается актуальная научная проблема, которая заключается в разработке методов исследования декаметровых каналов связи посредством наклонного зондирования ионосферы широкополосными сигналами, разработке новых и совершенствовании известных методов математического и физического моделирования как отдельных элементов приемопередающих трактов аппаратуры [3, 6, 8, 10, 12-15, 19-21, 25, 31, 32, 36-38, 51, 52], так и в целом декаметрового КС [2, 4, 5, 11, 17, 22-24, 26-28, 33], позволяющих адекватно воспроизводить все основные особенности его функционирования в различных сечениях, исследовать и научно обосновывать с помощью разработанных моделей технические решения, обеспечивающие повышение надежности передачи сообщений по КВ КС в условиях многолучевости и сложной помеховой обстановки за счет использования наиболее рациональных методов модуляции, разнесенного приема сигналов, интегральной оценки качества принимаемых сообщений [11, 33 и др.], наиболее оптимальных алгоритмов адаптации к условиям связи и наиболее рационального выбора структуры КВ КС, например, с использованием ретрансляторов, удаленных от корреспондентов на оптимальные с точки зрения распространения радиоволн расстояния (2000-3000 км) [1, 7, 34, 46, 47, 52].
В диссертации рассмотрены также отдельные вопросы моделирования КВ КС при работе в условиях функционирования радиоразведки и средств РЭБ противника. Полученные в диссертации результаты имеют большое значение как для успешного развития экономики страны, так и для повышения ее обороноспособности.
Методы исследования
Работа проведена с использованием методов аналитического [3, 6, 8, 10, 18-21, 32, 51, 52], имитационно-аналитического [3, 13, 14, 20-24, 36-38], имитационно-параметрического [2, 4, 5, 15, 16, 25-27], имитационного компьютерного [28] и физического [30] моделирования, а также трассовых испытаний [16, 27, 30].
Алгоритмы компьютерных моделей базируются на статистической теории связи, теории передачи дискретных сообщений, теории случайных процессов и математической статистики, теории цифровой обработки сигналов, теории нелинейных электрических цепей, теории модуляции и теории специальных функций.
В работе использованы результаты исследований, полученные В.А. Котельниковым, А.А. Харкевичем, В.И. Сифоровым, А.М. Заездным, Н.Т. Петровичем, Л.М. Финком, Д.Д. Кловским, Н.П. Хворостенко, В.Д. Челышевым, Д. Миддлтоном, Р. Шенноном и др. отечественными и зарубежными учеными.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Метод аналитического моделирования УТ приемопередатчиков и входящих в них нелинейных элементов.
Разработан метод аналитического моделирования безынерционных УТ приемопередатчиков и входящих в них нелинейных элементов (НЭ) (усилителей, преобразователей частоты, ограничителей и др.), заключающийся в аппроксимации проходных характеристик (ПХ) этих элементов комбинированными функциями [3, 6, 18, 21, 32]. Разработанный метод отличается от общеизвестных тем, что позволяет получить предельно компактные аналитические выражения для отдельных спектральных составляющих сигналов на выходе НЭ, которые дают возможность реализовать имитационно-аналитические модели сравнительных трассовых испытаний РПУ, имеющих различные параметры.
2. Метод аналитического моделирования цифровых РПУ.
Квантователи являются основным элементом аналого-цифровых преобразователей (АЦП) в цифровых РПУ. На основе метода представления ПХ НЭ комбинированными функциями (п. I) разработан новый метод аналитического моделирования квантователей с неограниченным и ограниченным числом шагов квантования. [8, 10, 19, 38, 51, 52]. Разработанный метод позволяет аналитическим путем определять все основные характеристики цифровых РПУ и дает возможность рассчитывать интермодуляционные составляющие спектра выходного сигнала любых сколь угодно высоких порядков при неограниченном количестве воздействий на вход цифрового РПУ, что необходимо при имитационно-аналитическом моделировании трассовых испытаний цифровых РПУ в присутствии станционных помех.
3. Метод имитационно-аналитического моделирования сравнительных трассовых испытаний обычных и цифровых РПУ.
На основе аналитического метода моделирования УТ РПУ (п. I и п. 2) разработан новый метод имитационно-аналитического моделирования сравнительных трассовых испытаний РПУ, отличающихся динамическим диапазоном, алгоритмами адаптации к условиям связи, характеристиками АЦП и другими параметрами, который позволяет оценивать влияние отдельных характеристик радиоприемного тракта на надежность передачи сообщений в условиях замираний сигнала и в присутствии большого числа сосредоточенных по спектру помех от посторонних радиостанций, попадающих в полосу пропускания фильтра предварительной избирательности (ФПИ) РПУ [3, 10, 13, 14, 20-24, 36-38].
4. Методы имитационно-аналитического моделирования одномерных каналов связи.
4.1. Метод имитационно-аналитического моделирования одномерного дискретного канала связи с переменными параметрами без краевых искажений сигнала для сечения “выход кодера” - “вход декодера” [2, 4, 5, 11, 25, 26, 33], который отличается от известных методов Гильберта, Эллиота, Фричмана-Свободы, Попова-Турина и др. тем, что формирование потока ошибок производится с учетом многолучевой структуры КВ КС, замираний как сигнала, так и аддитивных помех, попадающих в полосу пропускания фильтра основной избирательности (ФОИ) РПУ и вида модуляции сигнала. Разработанный метод моделирования дискретного канала связи учитывает явление сдваивания ошибок при относительной фазовой телеграфии (ОФТ). Этот метод моделирования позволяет имитировать сравнительные трассовые испытания различных демодуляторов [2, 4, 16, 27] и кодеков с учетом возможной цикловой рассинхронизации из-за наличия “вставок” и “выпадений” элементов, появляющихся вследствие замираний отдельных лучей в КС при высоких скоростях манипуляции.
4.2. Метод имитационно-аналитического моделирования одномерного дискретного КС с краевыми искажениями элементов сообщения для сечения “выход кодера” - “вход регенератора” [2, 4, 5, 11, 15, 33], который отличается от известного метода моделирования с отклонениями фронтов по нормальному закону тем, что он учитывает многолучевую структуру КВ КС и позволяет одновременно формировать регулярные преобладания, краевые искажения и дробления элементов, происходящие при малых отношениях сигнал/помеха, имеющих место во время глубоких замираний сигнала. Этот метод дает возможность исследовать эффективность алгоритмов функционирования регенераторов, устройств оценки качества принимаемого сообщения по величине телеграфных искажений и т. д.
4.3. Метод имитационно-аналитического моделирования одномерного КС с дискретным входом и континуальным выходом для сечения “выход кодера” - “выход фильтра нижних частот демодулятора”, разработанный на основе метода моделирования КС с краевыми искажениями (п. 4.2) [2, 4, 5, 11, 15, 33]. Этот метод моделирования КС не имеет аналогов и позволяет имитировать сравнительные трассовые испытания устройств разнесенного приема сигналов с последетекторным сложением и устройств оперативной оценки качества принимаемых сигналов по уровню напряжения на выходе фильтра нижних частот (ФНЧ) демодулятора.
5. Метод имитационного математического моделирования двухмерного КС.
Разработан метод имитационного компьютерного моделирования двухмерного непрерывного КС для сечения “выход модулятора” - “выход усилительного тракта РПУ” [2, 4, 5, 28], который учитывает как тонкую структуру КВ канала, так и динамический диапазон УТ РПУ. Он позволяет моделировать в общем случае трех-семипараметрические (в зависимости от вида) замирания сигнала в каждом отдельно взятом луче с учетом изменения как его амплитуды, так и фазы. Отличительной особенностью этого имитационного метода моделирования является то, что он позволяет учитывать влияние нелинейности входных элементов УТ РПУ на отношение сигнал/помеха на его выходе. При моделировании устройств цифровой обработки сигналов этот метод позволяет получить практически полную адекватность их программной реализации.
6. Метод имитационного компьютерного моделирования трехмерного канала связи, позволяющий определять параметры электромагнитного поля в точке приема сигнала, что дает возможность создать пространственно-временную (ПВ) модель трехмерного сигнала с учетом тонкой структуры многолучевого КС и углов прихода индивидуальных лучей, а также с учетом характера поляризации электромагнитной волны в каждом отдельно взятом луче [2, 4, 5]. ПВ модель дает возможность исследовать эффективность пространственно- и поляризационно-разнесенных способов приема сигналов, a также различных методов компенсации станционных помех.
7. Метод физического моделирования трассовых испытаний систем связи, не имеющий аналогов и отличающийся тем, что используется принятый из эфира гармонический сигнал от передатчика, находящегося на заданном удалении от приемника. Данный метод физического моделирования позволяет скрытно имитировать трассовые испытания низкоскоростных систем связи в условиях максимально приближенных к реальным. На данный метод физического моделирования трассовых испытаний систем связи в 1974 году было получено авторское свидетельство на изобретение.
8. Метод наклонного зондирования ионосферы широкополосными сигналами, позволяющий исследовать тонкую структуру многолучевого КВ канала связи, с автоматической регистрацией параметров как общей огибающей его импульсной реакции, так и комплексных коэффициентов передачи индивидуально выбранных лучей, которые являются функциями времени. На разработанную систему наклонного зондирования в 1968 г. и в 1972 г. получены два авторских свидетельства на изобретение.
Результаты исследования ионосферы с помощью системы наклонного зондирования ионосферы были использованы при разработке вышеперечисленных компьютерных моделей.
Практическая ценность
Разработанная под руководством автора диссертации система наклонного зондирования ионосферы с помощью широкополосных сигналов позволила досконально исследовать тонкую структуру многолучевости односкачковой декаметровой широтной трассы Ленинград-Омск и получить все основные характеристики импульсной реакции этой трассы как функций времени,
которые в дальнейшем были использованы при физическом и математическом моделировании КВ канала связи.
-
Разработанные автором диссертации методы моделирования КС дают возможность прогнозировать их свойства на начальной стадии проектирования СС, за счет чего повышается качество разрабатываемых средств связи, обеспечивается высокая надежность передачи сообщений по КВ КС, а также сокращаются сроки проектирования СС и, соответственно, уменьшаются материальные затраты на его проведение.
-
Результаты, полученные автором с помощью разработанных им методов имитационного компьютерного и физического моделирования трассовых испытаний для исследования максимально достижимых значений КИД КВ КС за счет предельно возможного снижения скорости манипуляции [1, 17, 30 и др.], позволили разработать и внедрить в серийное производство высоконадежные и скрытные от противника системы связи с ПО, которые были приняты на вооружение сухопутными войсками и военно-морским флотом России.
-
Разработанный имитационно-аналитический метод моделирования трассовых испытаний УТ РПУ в сложных условиях позволил обосновать наиболее оптимальную структуру их построения, алгоритмы адаптации РПУ к условиям связи и необходимый динамический диапазон, при котором реальное РПУ энергетически незначительно проигрывает идеальному [13, 14, 19-24, 36]. Так, например, исследования алгоритмов адаптации РПУ к условиям связи, результаты которых получены под непосредственным руководством автора диссертации и приведены в работах [13, 37], показали необходимость применения в РПУ автоматической регулировки чувствительности, которая и была реализована в Омском НИИ приборостроения при проектировании современных КВ РПУ.
-
Разработанные автором диссертации методы моделирования КВ КС были использованы при исследовании надежности передачи сообщения, когда функционируют средства радиоразведки и радиопротиводействия противника, что позволило выработать полезные рекомендации для случая эксплуатации КВ СС в этих условиях.
-
Разработанный метод аналитического моделирования НЭ был использован специалистами ОНИИП при проектировании активных приемных антенн [32].
-
Разработанные методы математического моделирования КВ каналов связи в настоящее время используются в ОНИИП для исследования помехоустойчивости перспективных высокоскоростных методов передачи сообщений [31].
-
Результаты компьютерного моделирования КС, базирующиеся на предложенных автором методах, позволили научно обосновать технические решения построения высоконадежных каналов декаметровой мобильной автоматической радиосвязи, которые предполагается использовать для передачи сообщений в КВ сетях связи со свободным доступом пользователей, интегрированных со всеми существующими сетями передачи дискретных сообщений и в территориально-рассредоточенных мониторинговых системах [1, 17, 29, 34, 35, 46, 47, 50, 52].
-
На основе разработанных автором методов имитационного моделирования каналов связи возможно создание экспертных систем для радиоцентров и тренажеров для операторов радиостанций, где они могут использоваться с целью повышения уровня профессионализма операторов и при аттестации обслуживающего персонала. -
Разработанные методы моделирования могут использоваться в высших и средних специальных учебных заведениях при проведении лабораторных, курсовых и дипломных работ по дисциплинам «Радиотехнические цепи и сигналы», «Теория электрической связи», «Основы теории связи с подвижными объектами», «Моделирование систем связи» и др. [11, 12].
-
Так как декаметровый диапазон радиоволн является наиболее сложным по сравнению со всеми другими, то разработанные в диссертации методы математического моделирования каналов связи могут быть использованы и во многих других диапазонах радиоволн.
Реализация и внедрение результатов
-
При проведении в ОНИИП НИР "Вега", "Астероид", "Выгон" и др., целенаправленных на создание РПУ нового поколения, использовались методы аналитического моделирования усилительных трактов, разработанных в диссертации, что подтверждается Актом внедрения и использования результатов диссертационной работы в ФГУП ОНИИП.
-
Предложенный и научно обоснованный в работе способ повышения надежности передачи сообщений в сложных условиях связи за счет предельного снижения скорости манипуляции был исследован под непосредственным руководством автора в Омском НИИ приборостроения в НИР "Шорох-Бурун", "Десна", "Тишина" и др. и был с положительными результатами реализован в ОКР "Бриллиант" и "Околыш", что подтверждается Актом внедрения и использования результатов диссертационной работы в ФГУП ОНИИП.
-
КВ СС "Бриллиант" была принята на вооружение МО РФ и серийно производилась в течение ряда лет, a изделие "Околыш", также принятое на вооружение МО РФ, с 1979 г. до настоящего времени выпускается серийно Омским приборостроительным заводом, что подтверждается соответствующим Актом внедрения результатов диссертационной работы в ФГУП "Омский приборостроительный завод им. Н.Г. Козицкого".
-
Система наклонного зондирования ионосферы, разработанная под руководством автора диссертации, была передана в эксплуатацию в Институт солнечно-земной физики СО РАН (г. Иркутск), и дала возможность получить ценные научные результаты о свойствах ионосферы, что подтверждается Актом внедрения и использования результатов диссертационной работы в ИСЗФ СО РАН.
-
В ОмГТУ на кафедре “Средства связи и информационная безопасность” в курсах “Радиотехнические цепи и сигналы”, “Теория электрической связи” и “Моделирование систем связи” в 27 разработанных непосредственно автором компьютерных лабораторных работах используются рассмотренные в диссертации аналитические, имитационно-аналитические и имитационные методы математического моделирования отдельных элементов и КС в целом [2-4, 7, 8, 48-50, 52]. Эти методы моделирования используются также при выполнении студентами курсовых и дипломных работ по этим и другим дисциплинам. О внедрении результатов диссертационной работы в учебный процесс в Омском государственном техническом университете имеется соответствующий Акт.
Апробация
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались:
- в г. Москве: в 1968 г. на 2-й Научно-технической конференции “Проблемы оптимальной фильтрации”; в 1995 г.на Международной конференции “100-летие начала использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождения радиотехники”; в 2001 г. на VI-ой научной сессии РНТОРЭС им. А. С. Попова; в 2003 г.на 58-й научной сессии, посвященной Дню радио;
- в г. Минске в 1980 г. на 2-м Всесоюзном симпозиуме “Нелинейные искажения в приемно-усилительных устройствах”;
- в г. Горьком в 1981 г. на Всесоюзной научно-технической конференции “Развитие и внедрение новой техники радиоприемных устройств”;
- в г. Калуге в 1989 г. на Всесоюзной научно-технической конференции “Автоматизация исследования, проектирования и испытаний сложных технических систем”;
- в г. Омске: в 1963 г. – 1973 г. на I, II, III, V, VI и VIII научно-технических конференциях в ОНИИП; в 1996 г. на Международной научно-практической конференции “Информационные технологии и радиосети (ИНФОРАДИО ‘96)”; в 2001 г. на Технологическом конгрессе “Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения”; в 2003 г. на научно-технической конференции на 2-м Международном технологическом конгрессе "Развитие оборонно-промышленного комплекса на современном этапе"; в 2005 г. и 2007 г. на III и IV Международных технических конгрессах "Военная техника, вооружение и технологии двойного применения";
- в г. Ульяновске в 2002 г. на VII международной научно-методической конференции вузов и факультетов телекоммуникаций;
- в г. Воронеже в 2004, 2005, 2007 на 10-й, 11-й и 13-й Международных научно-технических конференциях “Радиолокация, навигация, связь”;
- в г. Томске в 2006 на Международной научно-практической конференции “Актуальные проблемы радиофизики” и др. научно-технических конференциях и семинарах (общим числом 39).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 90 печатных работ (в том числе 74 в открытой печати (10 статей в журналах ВАК [1-10], монография [52]), 16 работ в закрытой печати) и получено 12 авторских свидетельств, в том числе семь открытых [3945]. Подано в 2007 г. и находится на рассмотрении в ФГУ ФИПС 4 заявки на изобретение [46-49], по двум из которых уже приняты решения о выдаче патентов на изобретение.
Структура и объем диссертации
Структурно-функциональное имитационно-аналитическое моделирование однолучевого дискретного КС с переменными параметрами
Наиболее полно аналитические математические модели декаметровых линейных КС описаны В.И. Коржиком, Л.М. Финком и К.Н. Щелкуновым [79]. Полученные авторами этой книги результаты ценны тем, что определяют потенциально достижимые границы помехоустойчивости для широкого круга сигналов, которые используются на практике. Однако данные модели, в отличие от разработанных автором диссертации, не учитывают нелинейных явлений, происходящих в УТ РПУ в присутствии множества станционных помех, и, в отличие от динамических моделей, имитирующих трассовые испытания, не способны дать оценку коэффициента исправного действия (КИД) канала связи в зависимости от выбранных характеристик аппаратных средств в условиях, максимально приближенных к реальным (в условиях многолучевости и в присутствии большого числа аддитивных помех).
В отличие от известных имитационных моделей КС, например, описанных Ю.Г. Полляком и В.А. Филимоновым [135], в разработанных автором диссертации двухмерных имитационных моделях в индивидуальных сеансах связи при заданном динамическом диапазоне РПУ (с гладкой, а не только кусочно-линейной ПХ) одновременно учитываются как мультипликативные (линейного и нелинейного происхождения), так и аддитивные (станционные, попадающие непосредственно в ФОИ и интермодуляционные, появляющиеся за счет ограниченности динамического диапазона УТ РПУ) помехи. При этом в разработанной в диссертации имитационной модели используется более универсальная семипараметрическая (а не только четырехпараметрическая) модель среды распространения каждого индивидуального луча.
Модели ПВ каналов, описанные Д.Д. Кловским, В.Я. Конторовичем и СМ. Широковым [67], являются феноменологическими. ПВ модель КС, описанная Н.Е. Кирилловым [66], не учитывает углы падения лучей, что ограничивает возможности ее использования. В отличие от указанных моделей, предложенная автором ПВ модель трехмерного КС учитывает структуру сигнала в любой точке пространства на приемной стороне и позволяет исследовать зависимость характеристик напряженности электромагнитного поля как от азимутальных углов прихода, так и от углов падения отдельных лучей сигнала, а также от характера поляризации электромагнитной волны в каждом отдельно взятом луче.
Разработанная автором физическая модель KB КС для проведения скрытных испытаний СС использует или специально излучаемые не манипулированные несущие, или посторонние гармонические сигналы, принятые из эфира. Эта модель не имеет аналогов и защищена авторским свидетельством на изобретение [284]. Важным является также то, что она, с одной стороны, позволяет сократить сроки натурных трассовых испытаний, а, с другой стороны, дает возможность оценить достоверность и адекватность результатов, которые получены с помощью математических моделей.
Отличительной особенностью всех разработанных автором диссертации методов моделирования декаметрового КС является то, что они целенаправлены на возможность имитации трассовых испытаний систем связи с учетом всех основных мешающих факторов (многолучевости, станционных помех, ограниченного динамического диапазона УТ РПУ и др.) с определением КИД КС и оценкой энергетического выигрыша-проигрыша одних систем связи по отношению к другим, например, базовым.
Блок-схема декаметрового КС, изображенная на рисунке 1, включает в себя среду распространения в совокупности с источниками помех и основные элементы трактов передающей и приемной аппаратуры, которая поясняет предназначение разработанных автором математических моделей для проектирования различных устройств, входящих в состав линии радиосвязи.
На рисунке обозначено: ИС - источник сообщений; КУ - кодирующее устройство; М - модулятор сигнала; ТП - тракт передатчика; ФПИ - фильтр предварительной избирательности; ТПр - тракт приемника; ФОИ - фильтр основной избирательности; Д - детектор; ФНЧ - фильтр нижних частот; ТР - триггер; РГ -регенератор; ДКУ - декодирующее устройство; ПС - получатель сообщения; ДМ -демодулятор; ЛЗ - линия задержки; К, - комплексный коэффициент передачи по частоте для і - го луча; ИШ - источник шума; ИСП - источник станционных помех; ИИП - источник импульсных помех; СР - среда распространения сигнала; А, В, С, D, Е, F, G, Н - границы между функциональными элементами передающей и приемной аппаратуры канала связи.
Для проектирования кодеков необходима модель КС, включающая в себя все элементы тракта, содержащиеся между его сечениями АН (имитационно-аналитическая модель одномерного дискретного КС без краевых искажений). Проектирование синхронизаторов, регенераторов, устройств оценки качества принимаемого сообщения по краевым искажениям требует моделирования участка КС между сечениями AG (имитационно-аналитическая модель одномерного дискретного КС с краевыми искажениями). Проектирование устройств оценки качества по уровню континуального сигнала на выходе ФНЧ демодулятора нуждается в моделировании сечения AF (имитационно-аналитическая модель одномерного дискретно-непрерывного КС). Проектирование устройств цифровой обработки сигнала предполагает моделирование тракта на участке АЕ (имитационная модель двухмерного непрерывного КС). Для разработки антенно-фидерных устройств, компенсаторов станционных помех (пространственных фильтров) необходимы имитационные ПВ модели трехмерного непрерывного КС между сечениями AD или BD.
Все разработанные модели KB КС позволяют проводить вычислительные эксперименты, имитируя отдельные сеансы связи, и дают возможность определять качество сообщений, принятых в этих сеансах. Отношение числа сообщений, принятых с удовлетворительным качеством, к общему числу переданных при различных условиях, так же как и при чисто натурных испытаниях, дает значение КИД КС. Исследование зависимости КИД КС от мощности передатчика позволяет при проведении как натурных сравнительных трассовых испытаний, так и при их имитационном моделировании, производить оценку энергетического выигрыша-проигрыша одной системы связи по отношению к другой. Достоверность результатов обеспечивается обязательным участием в сравнительных испытаниях уже хорошо известных базовых систем связи, результаты работы которых могут прогнозироваться. Такого рода системами связи обычно являются системы с видами работ ЧТ-125, ОФТ-500 и т. п.
Первая глава диссертации посвящена рассмотрению разработанных автором диссертации методов имитационно-аналитического моделирования одномерных дискретных КС без краевых искажений и с краевыми искажениями, а также дискретно-непрерывных КС с выходом после ФНЧ, которые составляют п. 4 положений, выносимых на защиту. Содержание этой главы изложено в работах [111, 112,172,174,175, 187, 188,189, 190-192,193,202,218,221,243,275].
В главе дано краткое описание известных методов моделирования дискретных КС. Отличительной особенностью разработанных автором диссертации методов имитационно-аналитического моделирования дискретных КС по сравнению с известными является то, что все предложенные методы учитывают физическую структуру КС. Число различных состояний этих КС может быть сколь угодно велико, а значения параметров соседних состояний могут отличаться на сколь угодно малую величину и изменяться во времени по известным физическим законам.
Описан алгоритм формирования двухмерного семипараметрического (матожидания двух квадратурных процессов, их дисперсии, коэффициенты автокорреляции и коэффициент взаимной корреляции этих процессов) нормального марковского случайного процесса. Этот алгоритм может быть использован для получения широкого круга законов замираний сигнала, в том числе часто физически реализующихся в природе и широко используемых исследователями релеевского, райсовского и одностороннего усеченного нормального.
Описаны разработанные лично автором программы моделей дискретных КС для следующих частных случаев: - модель однолучевого дискретного КС с замираниями и станционными помехами; - имитационная модель трассовых испытаний KB систем связи при работе на случайных частотах; - имитационная модель трассовых испытаний KB систем связи с приемом разнесенных сигналов;
Суть метода имитационно-аналитического моделирования однолучевого дискретного КС с замираниями сигнала и помех поясняется на рисунке. Поток ошибок В(п) формируется последовательно во времени по алгоритму:
Метод аналитического моделирования безынерционных нелинейных элементов комбинированными функциями
Ошибка элемента происходит в том случае, когда число ошибочно принятых в нем квантов превышает порог N0 = (N - 1)12. Задавая каких-либо два значения Ркв1 и РКВ2, по формуле (7) можно рассчитать два соответствующих значения вероятности ошибки элемента Рош(Ркві) и Р0ш(Ркв2) и, подставляя эти значения вероятности ошибок элементов в формулы (5) и (6), можно найти коэффициенты К.2 и К3.
Модели без краевых искажений могут быть использованы для разработки оптимальных алгоритмов кодеков, цикловых синхронизаторов, устройств сложения разнесенных сигналов и т. д., а модели с краевыми искажениями - при оптимизации алгоритмов работы регенераторов, устройств оценки качества сигналов, устройств адаптации к условиям связи и т. п. Модель дискретно-непрерывного КС требуется при проектировании устройств оценки качества принимаемого сообщения, устройств сложения разнесенных сигналов, декодеров и др.
Во второй главе описывается метод аналитического моделирования УТ РПУ (п. 1 положений, выносимых на защиту и метод имитационно-аналитического моделирования сравнительных трассовых испытаний УТ РПУ с ограниченным динамическим диапазоном (п. 3 положений, выносимых на защиту), которые базируются на аппроксимации ПХ НЭ комбинированными функциями. Основное содержание этой главы отражено в работах автора [102, 109, 110, 113,173, 176, 194, 195, 199, 204, 205]. В главе дана краткая характеристика известных методов аппроксимации безынерционных НЭ, указаны особенности моделирования УТ KB РПУ. Отмечено, что задача определения спектра колебания на выходе НЭ решалась многими исследователями. А. И. Берг [13] определял спектр колебания на выходе НЭ с помощью кусочно-линейной аппроксимации его характеристики. В. А. Котельников [88], В. Д. Челышев [261] и многие другие пользовались аппроксимацией степенными полиномами. И. В. Басик [11], Г. В. Добровольский [46] и ряд других исследователей определяли параметры компонентов спектра колебаний на выходе НЭ, аппроксимируя их характеристики показательными полиномами. Ю. Б. Кобзарев [72], A.M. Заездный [54] и Л.Т. Ким [65] использовали для аппроксимации характеристик НЭ тригонометрические полиномы. Однако вышеперечисленные методы аппроксимации имеют те или иные недостатки. Так, кусочно-линейная аппроксимация пригодна только для моногармонического входного воздействия на НЭ, степенные полиномы ограничивают порядок интермодуляций на выходе НЭ своей наивысшей степенью, показательные и тригонометрические полиномы во многих случаях требуют для достижения приемлемой точности большого числа членов аппроксимирующего функционального ряда. Автор предлагает способ сокращения числа членов в аппроксимирующем ПХ НЭ иг = f(uj) полиноме за счет использования комбинированных функциональных многочленов, в общем случае представляющих собой совокупность степенных, показательных и тригонометрических полиномов: половина интервала допустимых значений воздействия ui на вход НЭ. Выражение (8) обобщает все вышеперечисленные частные типовые аналитические модели НЭ, за исключением кусочно-линейной. Так, случай Ст = Аг = Д. = 0 имеет место при аппроксимации ПХ степенным многочленом, случай ап = Аг = Вг = 0 соответствует аппроксимации ПХ экспоненциальным полиномом, а случай ап -Ст = 0, соответственно, тригонометрическим полиномом.
Рассмотрим, например, УТ РПУ. Если он является идеальным, то его ПХ является линейной функцией: и2 = Кщ. Разностную функцию, характеризующую отклонение реальной ПХ от линейной можно представить в виде любой функциональной зависимости. Для УТ РПУ наиболее удобной формой представления разностной функции является синусоидальная, что приводит в результате к аппроксимации ПХ УТ суммой линейной и тригонометрической функций:
Параметры а, В и Аи такого рода аналитической модели подлежат определению. В случае, когда а=В, ПХ УТ имеет горизонтальный участок при глубоком ограничении сигнала. С учетом этого в работе получено максимально простое выражение для ПХ УТ РПУ следующего вида [173,176, 194, 205 и др.]:
В случае представления ПХ УТ РПУ выражением (10) для известных параметров модели Кус и Аи, а также заданных параметров U\\(t) и 0\\{t) многосигнального входного воздействия (11) в любой момент времени t с помощью выражения (12) можно определить значения параметров (амплитуды и фазы) любого из общего числа компонентов спектра выходного колебания.
При моногармоническом входном воздействии из выражения (12) можно получить амплитудную характеристику (АХ) УТ РПУ: амплитуда гармонического колебания на входе УТ; Ui,\ - амплитуда 1-ой гармоники колебания на выходе УТ; U\fi - постоянное смещение рабочей точки на ПХ; Аи - полуинтервал допустимых изменений напряжения на входе УТ; В случае бигармонического входного воздействия может быть получена характеристика блокирования (ХБ) УТ РПУ:
Сравнение результатов, полученных при аппроксимации предложенным методом в случае моногармонического входного воздействия, с результатами, рассчитанными с помощью функций Берга, показало их полную адекватность. В отличие от модели Берга, предложенный метод аппроксимации позволяет получать аналитические выражения не только для АХ гармоник сигнала на выходе УО, но и АХ любых интермодуляционных компонентов при полигармоническом входном воздействии.
Моделирование реальных квантователей кусочно-линейными функциями
В случае, когда продуктами нелинейного взаимодействия колебаний в преобразователе частоты можно пренебречь, целесообразно пользоваться наиболее простой его моделью (2.8.2), для синтеза передаточной характеристики которой достаточно знать коэффициент передачи К. Например, для К = 1 и при Ur = 1 для указанной модели имеем а = 0,5.
Однако, при полигармоническом входном воздействии относительно большого уровня требуется учитывать нелинейные явления, которые происходят в преобразователе частоты. В этом случае необходимо, как минимум, пользоваться моделями (2.8.4) или (2.8.17).
За пределами заданного интервала [-b, Ь] передаточные характеристики полуветвей могут быть продолжены произвольно, в частности, например, так, как показано на рис. 2.10.1, или так, как изображено на рис. 2.10.2. И в том, и в другом случае ПХ являются периодическими функциями и могут быть на интервале [-b, Ь] представлены рядами Фурье.
Рассмотрим первую модель, которая соответствует рис. 2.10.1. Можно показать, что при полигармонических входных воздействиях (2.8.8) и (2.8.9), колебание на выходе такого преобразователя описывается следующим выражением;
У второй же модели ПХ является гладкой функцией, качественно мало отличающейся от гармонической. Возможность использования такого рода представления ПХ позволяет во много раз сократить время вычислений на ЭВМ. На рисунке 2.10.4 приведены рассчитанные амплитудные характеристики для первой и второй моделей. При использовании второй модели можно допускать увеличение значений амплитуд входных воздействий более, чем в два раза по сравнению с первой моделью.
На рисунке 2.10.5 приведены характеристики блокирования моделей. Первая модель не позволяет превышать совокупностью входных воздействий границу заданного интервала [-b, Ь]. Вторая модель мало отличается от идеального преобразователя даже при значительных превышениях уровнями входного воздействия заданных границ.
На рисунке 2.10.6 приведены рассчитанные значения амплитуд интермодуляционных составляющих третьего порядка. Первая модель дает резкое увеличение роста амплитуд этого вида интермодуляций при превышении входным воздействием допустимых границ. Вторая модель более соответствует реальным условиям с плавным нарастанием уровня интермодуляции третьего порядка при увеличении уровней входного воздействия.
Таким образом, по всем практически важным параметрам необходимо отдать предпочтение второй модели ограниченно-идеального преобразователя. Однако обе описанные модели одинаково крайне важны как полигоны, позволившие произвести апробацию предлагаемого метода при заранее известных результатах с оценкой скорости сходимости к ним в зависимости от числа членов в аппроксимирующем ряде Фурье. Такого рода проверка, результаты которой приведены выше, показала эффективность представления заранее известной ПХ преобразователя частоты в виде ряда Фурье. Полученные результаты показали целесообразность представления ПХ таким образом, чтобы за пределами допустимого уровня входных воздействий избегать ее резких изломов, что позволяет сократить время вычислений.
Имитационно-аналитическая модель трассовых испытаний РПУ учитывает всю совокупность аддитивных помех, которые попадают в полосу пропускания его ФПИ, и их взаимодействие на НЭ усилительного тракта как с сигналом, так и между собой. Если известна вероятность поражения канала связи станционной помехой, то их общее число М; в і-м сеансе в заданной полосе А/ фильтра предварительной избирательности находится по закону Пуассона. Уровень j-й помехи 1/щ определяется из предположения, что уровни станционных помех распределены по логарифмически-нормальному закону. Уровни сигналов в различных сеансах связи также считаются распределенными по логарифмически-нормальному закону. Законы замирания сигнала и помех принимаются релеевскими, райсовскими, односторонне-нормальными и др. с учетом статистики приведенной, например, в
Одновременно на выходе УТ РПУ за счет взаимодействия станционных помех образуются интермодуляционные помехи нечетных порядков, часть из которых при выполнении условий (2fr-fp) =fc, (fr+fp- fs) =fc, 3/r - 2/p=/c и т. д. попадает в ФОИ. Уровни наиболее значимых интермодуляционных помех третьего порядка определяются следующим образом:
Моделирование трассовых испытаний KB СС в условиях воздействия преднамеренных помех
На следующем этапе исследований изучалось влияние динамического диапазона смесителя частот на надежность приема сообщений [196]. Для этого использовалась модель, блок-схема которой приведена на рисунке 5.4.3.
Методика исследований соответствовала вышеописанной. Все внешние и внутренние исходные данные, за исключением тех, которые влияют на смеситель частот, были оставлены без изменения. Коэффициент усиления УВЧ был принят равным 2. УВЧ считался линейным. Предполагалось, что спектр шума гетеродина занимает полосу частот, равную полосе ФПС, а частоты паразитных дискретных составляющих также находятся только в пределах этой полосы частот. Уровень шума гетеродина варьировался в широких пределах. Уровни паразитных дискретных составляющих полагались распределенными по логарифмически
Блок-схема модели радиоприемного тракта с нелинейным смесителем частот Для моделирования работы смесителя была выбрана балансная кольцевая схема, широко используемая на практике. Характеристика смесителя аппроксимировалась функцией вида (2.8.5). В предположении ограниченности по полосе спектра помех гетеродина следует, что в полосу пропускания ФОС попадают комбинационные составляющие только четного порядка. Эти комбинационные, как было показано в разделе 2.8, порождаются четной частью нелинейной характеристики и появляются даже при полной симметрии характеристики. Поэтому проводились исследования смесителя с симметричной характеристикой. Напряжение гетеродина задавалось равным половине от максимально допустимого при данном виде аппроксимации. Уровень шумов гетеродина задавался постоянным во всей полосе частот и менялся в соответствии со следующими значениями отношения сигнал/шум в полосе пропускания ФОС: 54, 64, 74 и оо дБ. Среднее количество паразитных дискретных составляющих гетеродина принималось равным 3, математическое ожидание их уровней бралось равным 30 дБ, а среднеквадратическое отклонение 3 дБ.
Моделировались смесители с динамическими диапазонами 66, 70, 74 и 84 дБ, определенными относительно 1 мкВ.
Приведенные на рисунке 5.4.4 графики показывают, что для заданной модели помеховой обстановки приемник, имеющий смеситель частоты с динамическим диапазоном 84 дБ, незначительно проигрывает по мощности приемнику с идеальным смесителем. Можно оценить зависимость энергетического проигрыша в зависимости от динамического диапазона смесителя частоты. Полученные зависимости говорят о том, что уменьшение динамического диапазона смесителя на 1 дБ при достаточно мощных станционных помехах может привести к энергетическим потерям в 3 дБ. Таким образом, энергетические потери более критичны к динамическому диапазону смесителя, нежели к динамическому диапазону преселектора приемного устройства.
Имитация паразитных комбинационных составляющих гетеродина с вышеуказанными параметрами смесителя частоты с динамическим диапазоном 70 дБ и отношением сигнал/шум гетеродина 74 дБ не привела к заметному снижению надежности связи.
Анализируя полученные результаты, можно видеть, что в случае, когда отношение сигнал/шум гетеродина превышает значение динамического диапазона смесителя, влияние шума гетеродина на надежность связи практически не ощущается.
Можно допускать наличие паразитных дискретных составляющих в спектре напряжения гетеродина в ограниченном количестве и ограниченного уровня без существенного ухудшения надежности связи.
Так как интенсивность станционных помех в KB диапазоне с годами увеличивается, то актуально исследование зависимости надежности передачи сообщений от интенсивности станционных помех. С этой целью были проведены вычислительные эксперименты, результаты которых изложены в [6]. Испытания проводились с преселектором, имеющим динамический диапазон 72 дБ. Коэффициенту загрузки KB канала связи помехами придавались значения 0,3; 0,45; 0,6 и 0,9. Аттенюатор имел два положения, которые соответствовали затуханиям 0 дБ и 20 дБ. Ослабление аттенюатором сигнала на 20 дБ соответствовало условию согласования уровней атмосферного шума с чувствительностью РПУ.
На рисунке 5.4.6 приведены зависимости надежности передачи сообщений от коэффициента загрузки KB канала связи станционными помехами.
На рис. 5.4.7 приведены кривые зависимости от коэффициента загрузки станционными помехами энергетического проигрыша РПУ с динамическим диапазоном 72 дБ по отношению к идеальному. кид% Q] /_ - 2 70 60 50 40 3020105 4з, І- "" "1 1— - 3 / ш " 4 \ - 5 ч - f 1 - динамический диапазон 84 дБ; сигнал/шум - оо дБ;2 - динамический диапазон 84 дБ; сигнал/шум = 74 дБ;3 - динамический диапазон 84 дБ; сигнал/шум = 64 дБ;4 - динамический диапазон 84 дБ; сигнал/шум = 54 дБ;5 - динамический диапазон 70 дБ; сигнал/шум = 74 дБ;6 - динамический диапазон 70 дБ; сигнал/шум = 54 дБ. - -10 0 10 РдБ Рис. 5.4.5. Результаты компьютерного моделирования зависимости надежности передачи сообщений от динамического диапазона смесителя и отношения сигнал/шум гетеродина
Из приведенных графиков следует, что при работе без входного аттенюатора в заданной помеховой обстановке проигрыш РПУ с динамическим диапазоном преселектора 72 дБ по отношению к идеальному существенно зависит от загрузки KB диапазона (при К3=0,3 энергетический проигрыш составляет порядка 11 дБ, при К3=0,9 он соответственно равен 22 дБ). При работе с согласованным аттенюатором энергетический проигрыш относительно мало зависит от загрузки KB диапазона помехами (при К3=0,3 энергетический проигрыш составляет 1,2 дБ, а при К3=0,9 он соответственно равен 3 дБ). Г/-ТІП ft/ КИД/о 70 50 Г 1 2 1 - идеальное РПУ;2 - динамический диапазон 72 дБ;аттенюатор - 20 дБ;3 - динамический диапазон 72 дБ;аттенюатор - 0 дБ. 30- ч 3 10 0 0,3 0,6 0,9 Кз
В предыдущем разделе была продемонстрирована возможность повышения надежности передачи сообщений за счет адаптивной регулировки чувствительности (АРЧ) РПУ. Однако использованный при этом метод автовыбора положения аттенюатора, являясь наиболее оптимальным, не может быть применен на практике, так как требует параллельного включения большого числа РПУ. С целью определения наиболее оптимального алгоритма АРЧ, пригодного для реальных РПУ, были проведены вычислительные эксперименты, имитирующие сравнительные трассовые испытания РПУ с различными устройствами АРЧ [33]. Блок-схема обобщенной функциональной модели, с которой проводились испытания, приведена на рисунке 5.5.1.
Методика испытаний ничем не отличалась от методики, описанной в разделе 5.4. Сравнение эффективности различных схем АРЧ производилось по энергетическому проигрышу реального (нелинейного) приемника с АРЧ по отношению к идеальному (линейному) приемнику. На рисунке 5.5.2 приведены зависимости энергетических проигрышей от динамического диапазона РПУ.
Развитие цифровых методов обработки сигналов и элементной базы для их реализации позволило внедрить эти методы в современные РПУ. В связи с этим актуально исследование влияния отдельных параметров АЦП на надежность приема сообщений. Используемое в АЦП квантование сигналов по сути своей есть нелинейное явление, которое приводит к взаимной модуляции сигналов и к возникновению интермодуляционных составляющих в спектре выходного сигнала. Это может снижать надежность связи в каналах, использующих РПУ с цифровой обработкой сигналов. В работе [92] приведены результаты исследования влияния квантования сигналов по уровню в приемном устройстве на надежность связи, проведенные под непосредственным руководством автора работы. Для аппроксимации нелинейной характеристики идеального квантователя по уровню было использовано выражение (3.2.3).
Результаты исследований подтвердили очевидный факт зависимости надежности связи от числа уровней квантования (шага квантования). Оказалось, что при полосе пропускания преселектора равном 100 кГц, достаточно иметь 8 уровней квантования для каждой полярности напряжения в заданном интервале уровней сигнала и помех даже для большой загрузки станционными помехами. Исследования проводились при использовании автоматической регулировки усиления (АРУ) на входе квантователя, с помощью которой величина линейной суммы всех сигналов, действующих на входе цифрового приемника, не превосходила предельно допустимого значения.
Зависимость надежности связи от относительной мощности передатчиков приведена на рисунке 5.6.1. Она показывает, что при числе уровней квантования равном 8 и использовании АРУ, энергетический проигрыш цифрового РПУ по сравнению с идеально линейным в заданных условиях не превышает 2 дБ.
