Введение к работе
Актуальность. Основной тенденцией развития современной радиоприемной аппаратуры является повсеместное использование широкополосных цифровых радиоприемных устройств. Это обусловлено значительным развитием элементной базы, внедрением методов цифровой обработки сигналов и активным применением фазированных антенных решеток (ФАР) в системах радиомониторинга и радиосвязи. При этом значительно возрастают требования к динамическим характеристикам радиоприемных устройств, поскольку принимаемый групповой сигнал имеет значительный пик-фактор, то есть необходимо одновременно принимать слабые и мощные радиосигналы, присутствующие в широкой полосе приема. Основная фильтрация принимаемого группового радиосигнала осуществляется в цифровом модуле обработки радиоприемного устройства. Поэтому необходимо обеспечить максимальную линейность аналоговой части радиотракта, включая аналого-цифровой преобразователь (АЦП), до модулей цифровой фильтрации,.
Несмотря на развитие цифровой техники, современные АЦП имеют ограниченное число разрядов при приеме широкополосных сигналов с полосой несколько десятков мегагерц (например, 16 разрядов при тактовой частоте до 300 МГц). Однако, такого уровня разрядности в большинстве случаев (например, при работе в ионосферном канале, или при работе в системах мобильной радиосвязи не достаточно). Поскольку при наличии в принимаемой полосе мощного сигнала даже от одного источника может возникнуть перегрузка АЦП, в результате чего полностью искажается весь групповой сигнал и дальнейшая расфильтровка уже ничем не поможет. Применение аналоговых узкополосных преселекторов практически невозможно, поскольку в современных системах радиомониторинга, особенно при использовании ФАР, необходимо принимать сразу все радиосигналы в широком диапазоне работы радиосистем.
Таким образом, возникает важная актуальная и практически значимая задача повысить динамические характеристики широкополосных цифровых радиоприемных устройств, за счет специальной цифровой обработки группового радиосигнала.
В основном благодаря работам академика В.А. Котельникова сегодня активно применяются цифровые методы и алгоритмы обработки радиосигналов. При этом в основном используются цифровое представление радиосигнала в виде равномерных потоков отсчетов, формируемых АЦП. Для решения поставленной задачи в диссертации предлагается применять неравномерную по времени дискретизацию радиосигналов, получающуюся в результате отбрасывания тех равномерно распределенных отсчетов группового сигнала, при которых было превышение разрядности АЦП. За счет повышения частоты дискретизации и специальной цифровой обработки обеспечивается восстановление группового сигнала.
Теорией и практикой цифровой обработки сигналов с неравномерной дискретизацией занимались известные отечественные и зарубежные специалисты Котельников В.А., Колмогоров А.Н., Тихомиров В.М., Горелов Г.В., S. Kurds, D. Potts, Т. Knopp, J. Yen, A. Dutt, V. Rokhlin, G. Steidl и другие.
Между тем, в известных работах не рассматривалась и не решалась задача восстановления группового радиосигнала при превышении уровня ограничения разрядности АЦП.
Цель диссертационной работы заключается в разработке методов и алгоритмов повышения динамических характеристик широкополосных радиоприемных устройств, за счет использования неравномерной частотной дискретизации и специальной цифровой обработки радиосигналов на выходе АЦП.
Для достижения поставленной цели в диссертации должны быть решены следующие задачи:
1). Разработка методов аппроксимации действительной функции по набору имеющихся ее значений (отсчетов) для некоторых значений аргумента (неравномерно дискретизованных моментов времени), позволяющие восстановить групповой радиосигнал, в точках превышения им разрядности АЦП. 2). Разработка вычислительных алгоритмов, реализующих разработанные методы восстановления группового радиосигнала в промежутках времени превышения разрядности АЦП. 3). Оптимизация разработанных вычислительных алгоритмов для возможности их реализации в современных цифровых модулях радиоприемной аппаратуры (программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС) и цифровых сигнальных микропроцессорах). 4). Оценка условий применения и эффективности разработанных методов и алгоритмов.
Объектом диссертационного исследования являются цифровые широкополосные радиоприемные устройства в системах радиомониторинга, в которых требуется повысить динамические характеристики для последующей цифровой обработки принятого группового сигнала.
Предмет исследования: повышение динамических характеристик широкополосных радиоприемных устройств, за счет использования неравномерной дискретизации и специальной цифровой обработки радиосигналов на выходе АЦП.
Методы исследования. При решении поставленных задач исследования использовались положения теории математического и функционального анализа, теории вероятностей и математической статистики, теории электрической связи и статистической радиотехники, теории схемотехники, методы вычислительного эксперимента.
Научная новизна работы:
-
разработаны новые методы восстановления значений сигнала по его неравномерно распределенным временным отсчетам (метод прямого решения системы линейных уравнений, итеративный метод последовательной фильтрации и восстановления пропущенных отсчетов, универсальный метод, основанный на быстрых вычислениях над тёплицевыми матрицами);
-
для каждого из указанных методов разработан соответствующий вычислительный алгоритм;
3) предложены функциональные схемы цифрового модуля приемника прямого цифрового преобразования, реализующего разработанные алгоритмы вычислений. В результате такой предварительной обработки обеспечивается восстановление значений группового сигнала и последующая сложная цифровая обработка отдельных сигналов;
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Разработанные методы, с использованием неравномерной дискретизации и специальной цифровой обработки (метод прямого решения системы линейных уравнений, или метод итеративной последовательной фильтрации, или метод восстановления пропущенных отсчетов, основанный на быстрых вычислениях над тёплицевыми матрицами) позволяют повысить динамический диапазон широкополосных цифровых радиоприемных устройств при ограниченной разрядности АЦП.
-
Предложенные методы восстановления мгновенных значений сигнала по его неравномерно распределенным временным отсчетам позволяют построить эффективные вычислительные алгоритмы, реализуемые современными средствами микроэлектроники в виде функциональных цифровых блоков широкополосных радиоприёмных устройств.
-
Применение неравномерной дискретизации и технологии восстановления группового сигнала в качестве предварительной обработки данных в системах радиомониторинга обеспечивает возможность последующей сложной цифровой обработки, ранее невозможной, например, демодуляции отдельных радиосигналов в полосе частот принимаемых широкополосным радиоприемником.
Обоснованность и достоверность результатов, выводов и рекомендаций, полученных в диссертации, обеспечены корректностью применения используемых математических методов и совпадением результатов, полученных путем аналитических расчетов, численного моделирования и натурного эксперимента.
Практическая значимость работы. Полученные в работе научные результаты позволяют предложить технические решения для создания широкополосных цифровых радиоприемников, устойчивых к воздействию мощных узкополосных помех при ограниченной разрядности АЦП.
Внедрение результатов работы.
Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в рамках НИР «Папоротник» и ОКР «Москвичка-ТУС». Внедрение результатов работы подтверждено соответствующим актом.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 4-я, 5-я и 6-я отраслевые научные конференции «Технологии информационного общества», МТУСИ г. Москва, 2010, 2011 и2012г.г.
Публикация результатов. Основные результаты исследования опубликованы в 4 статьях в журналах из списка ВАК Министерства образования и науки РФ, материалах 3 отраслевых научных конференций и 2 отчетах о НИОКР в МТУСИ.
Новизна предложенных в диссертации технических решений подтверждена одним патентом на полезную модель и одним патентом на изобретение.
Личный вклад автора. Все выносимые на защиту научные результаты получены соискателем лично. По результатам исследований и разработок, представленных в диссертационной работе, опубликованы 11 печатных работ, в том числе 4 статьи из журналов, рекомендованных списком ВАК. Автор принимал непосредственное участие в планировании и проведении работы, обработке и обсуждении полученных результатов, подготовке публикаций. Лично автором выполнялась разработка методики повышения динамического диапазона радиоприемных устройства, разработка методов восстановления неравномерно дискретизирован-ных сигналов, разработка эффективных вычислительных алгоритмов, реализующих разработанные методы, функциональные схемы цифрового модуля приемника прямого цифрового преобразования, реализующего разработанные алгоритмы вычислений, моделирование и постановку эксперимента. Поименно сотрудники, работавшие совместно с автором по научным направлениям, имеющим отношение к теме диссертации, представлены в качестве соавторов публикаций.
