Введение к работе
Теория радиотехнических цепей изучает канонические структуры (модели), стационарные режимы и переходные процессы, анализ и синтез схем, проблему устойчивости, классификации, удобные для ее развития и т.д. Её раздел теория нестационарных цепей (ТНЦ) с изменяющимися во времени параметрами удовлетворительно проработана для цепей с медленно (по отношению к сигналам) изменяющимися параметрами. Другой раздел теория параметрических цепей (ТПЦ) определяется как теория линейных цепей с периодически изменяющимися (с любой скоростью) параметрами; усилительные и информационные возможности отличают её от теорий стационарных и нестационарных цепей. Параметрические многополюсники с метрикой (метрикаторы) выгодно использовать в информационных схемах вместо стационарных многополюсников (аффиноров). При этом образуется новая ветвь теория информационных структур (ТИС), в которой оперируют детерминистскими подходами; её развитие приводит при вероятностном подходе к известной теории передачи сигналов.
В отечественной и зарубежной литературе сравнительно мало отражены результаты в указанных областях. Отсутствие единого подхода к этим задачам определяет актуальность указанных проблем.
Теория электрических цепей успешно моделирует сложные физические приборы, она связана с энергетикой процессов и меньше с информационной стороной. Ее основы заложены и развиты крупными отечествеными учеными Г. Е. Пуховым, Э.В. Зеляхом, Ю. Т. Величко, В. П. Сигорским, Б. И. Блажке-вичем, Н. Г. Максимовичем, Ю. М. Калниболотским, А. И. Петренко, Л. А. Синицким и другими. Велик вклад многих русских и зарубежных ученых. Но теория и практика параметрических моделей для радиотехнических устройств разработана недостаточно.
Актуальность темы.
Данная работа связана с актуальной проблемой создания общей теории параметрических цепей (усилительно-информационный подход). Для её решения сначала была поставлена первая задача создать расширенные ТНЦ и ТПЦ с пополняемой системой определений (в духе идей А. Г. Ивахненко).
Для этого требовалось разработать ряд общих вопросов теории нестационарных цепей высшего порядка, в частности, найти пути дальнейшего развития указанной теории.
Вторая задача заключалась в поиске перехода от теории энергетических цепей к информационным структурам; цель - найти основные структуры для распознавания сигналов: по заданному бинарному отношению вход-выход (для замкнутых систем), возможные структуры для открытых систем (например, для радиотехнической разведки) типа Хаусдорфовых, с нелинейными преобразователями на входе и выходе.
Третья задача связана с применением разработанной теории в телевизионных устройствах. Актуальной задачей является построение и моделирование малошумящих параметрических видеоусилителей (ПВУ) для передающих телевизионных камер, использующих видиконы (вещательные, рентгено- и пировидиконы, специальные видиконы высокого разрешения и т.п.). Уже в обычном стандарте (т.е. при полосе передаваемого сигнала порядка 7 МГц) проблема повышения отношения сигнал/шум (с/ш), т. е. чувствительности, решается путем применения повышенной освещенности в студии. При нестудийной передаче (например, спектакля из театра), в спецсистемах (например, высокого разрешения, при формировании видеосигнала с полосой более 12...20 МГц), а также в некоторых системах высокой четкости недостаточное отношение с/ш становится барьером при реализации нужного качества изображения.
Связь работы с научными программами, планами, темами.
Разработка теорий параметрических цепей и информационных структур, представление на их основе теории параметрических видеоусилителей, связаны с общим планом развития отрасли связи и академии связи.
Цель и задачи исследований.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
1. Разработать расширяющуюся систему определений нестационарных цепей, на основе которой создать теорию алгебраических параметрических двухполюсников и четырехполюсников. Разработать теорию иммитансных параметрических цепей.
-
Предложить теорию цепей высшего порядка и обобщить теорему Менли-Роу, разработать спектрометрию для них.
-
Предложить Тейлора- и Фурье-модели параметрических двухполюсников, удобные для расчета сложных схем на ЭВМ.
-
Разработать метод синтеза некоторых важных типов нестационарных четырехполюсников (гираторов и трансформаторов).
-
Разработать методы синтеза параметрических моделей для безинер-ционных (резистивных) устройств.
-
Предложить основы теории информационных структур. Её содержание состоит в следующем: ввести новый параметрический элемент метрика-тор и предложить канонические структуры, а также варианты построения моделей для замкнутых и открытых систем; предложить нелинейно-параметрическую структуру для реализации заданного бинарного отношения в синхронной замкнутой системе связи.
-
Разработать общую теорию параметрических видеоусилителей для передающих телевизионных камер. Теорию снабдить тест-примерами для контроля отдельных этапов моделирования. Разработать и внедрить в ТВ-системы действующие образцы параметрических видеоусилителей, улучшающие отношение с/ш в видеокамерах; выполнить научное руководство полным конструированием серии видеоусилителей.
Научная новизна получениях результатов.
Научная новизна исследования состоит в решении теоретико-экспериментальных проблем построения инженерной теории параметрических цепей, получении новых обобщений, применении этой теории к разработкам целого класса параметрических видеоусилителей и экспериментальном подтверждении научной и практической целесообразности их применения (в малошумящих телевизионных измерительных стендах и камерах на видиконах различного назначения).
Новыми являются следующие результаты работы:
1. Впервые предложена полная система определений нестационарных и параметрических двухполюсников и четырехполюсников, позволяющая расширить теорию на обобщенные нестационарные многополюсники.
-
Введены алгебраические параметрические цепи, для которых характерны свойства, задаваемые мультипликаторами. Методом разностных уравнений получены новые точные спектры отклика для важных тест-моделей. Предложен метод синтеза алгебраических нелинейно-параметрических моделей.
-
Предложена теория иммитансных нестационарных и параметрических двухполюсников.
-
Предложен метод эквивалентных преобразований нестационарных и параметрических двухполюсников с помощью оригинальных управляемых источников; это Г- и F-модели (Тейлора и Фурье) замещения. Метод не меняет топологии схемы и удобен при использовании мировых стандартных САПР типа SPICE при моделировании.
-
Предложен расширенный спектральный метод анализа стационарных режимов параметрических преобразователей. Обобщена теорема Менли-Роу.
-
Предложена оригинальная теория нестационарного четырехполюсника, инверторов и конверторов, мутатора, нестационарных и параметрических гираторов и идеальных трансформаторов.
-
Предложена теория нестационарных и параметрических цепей высшего порядка: оригинальная классификация, спектроскопия изомеров, их реализация.
-
Показана некорректность некоторых моделей параметрических двухполюсников со скачкообразно изменяющимися параметрами; введены каталоги схем и откликов для спектроскопии моделируемых устройств.
-
Предложен метод синтеза информационных структур, реализующих заданное бинарное отношение. Предложена теория информационных структур (детерминистский подход) типа метрикатор-информатор.
10. Предложена общая теория параметрического видеоусилителя (ГТВУ):
классификация, технические требования, предельные характеристики. Пред
ложена теория параметрических модуляторов для высокоимпедансных ис
точников видеосигнала. Теория снабжена необходимым количеством тест-
моделей.
Исследованы варианты ПВУ для передающих телевизионных камер на видиконе; оптимизированы их усилительные и шумовые характеристики,
спектральное и интегральное отношение сигнал/шум, температурные характеристики.
Выполнено конструирование серии малошумящих ПВУ. Проведены многочисленные испытания ПВУ в различных радиотехнических системах в ряде организаций Львова, Киева, Санкт-Петербурга, Москвы, Новгорода.
Практическое значение полученных результатов.
Предложена инженерная теория параметрических цепей, ориентированная на актуальные приложения. Предложенные Т- и ^-модели позволяют использовать лучшие мировые программы САПР для расчета схем, моделируемых нестационарными и параметрическими цепями.
Предложен путь расширения ТПЦ путем применения цепей высшего порядка для моделирования произвольных объектов, используя приемы спектроскопии и обобщение теоремы Менли-Роу в новой информационной форме. Это позволяет быстро определить предельные усилительные и информационные свойства выбранного варианта преобразователя.
Предложены методы синтеза для реализации систем синхронной связи и системы распознавания стилизованных образов. Выделены основные структуры на базе метрикаторов и информаторов.
На основании теоретических и экспериментальных результатов выполнен ряд научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию малошумящих видеоусилителей для передающих видиконных телевизионных камер. Результаты и рекомендации этих НИР и ОКР определили разработку новой аппаратуры для телевизионных систем с повышенной чувствительностью.
Реализация результатов работы осуществлялась путем их внедрения в промышленность и учебно-исследовательский процесс.
Параметрические видеоусилители (ПВУ) для передающих телевизионных камер, работающих с видиконом с обратным пучком, прошли полный цикл конструирования (ОКР) и внедрены на предприятиях: ВНИИТ и ВНИИЭЛП для телевизионных стендов и систем с высоким разрешением, на предприятии ЛОМО для ТВ-камер, на предприятии "Астрофизика" (г. Москва) и некоторых других. Выполнен ОКР на предприятиях "Волна" (г. Новгород), ЛОМО и "Электрон" (г. Санкт-Петербург) для использования ПВУ в телевизионных камерах с видиконом.
Особый вклад соискателя.
Первые четыре раздела автор написал сам. В пятом разделе пункты 5.4...5.6 он написал в соавторстве с П. Я. Нудельманом, причем автору принадлежит идея, параметрический анализатор и связь с нелинейным блоком пересчета коэффициентов; автору принадлежит схема с нелинейными преобразователями на входе и выходе макромодели; задачу Ланнэ автор решил сам. По шестому разделу следует сказать, что автор был научным руководителем группы по исследованию параметрических видеоусилителей. Ему принадлежат постановки задач и теоретические исследования, а также совместное участие во всех экспериментах.
Апробация результатов диссертации.
Основные теоретические положения и практические результаты диссертации докладывались и обсуждались:
на 2-й Международной конференции по радиосвязи, звуковому и телевизионному вещанию 19-22 сентября 1995 г. UkrTeleCom95, г. Одесса; на Международной научно-методической конференции "Вища технічна освіта проблеми магістратури" 18-19 мая 1995 г., г. Киев; на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Разработка и применение САПР ВЧ и СВЧ электронной аппаратуры", г. Владимир, 1994г.; на Международной научно-методической конференции "Методические и организационные проблемы подготовки специалистов по направлению "Телекоммуникации", г. Одесса, 1994 г.;
на Всесоюзной научно-технической школе "Радиоприемные и усилительные устройства", 1989 г., Москва, ВДНХ; на Всесоюзной научно-технической конференции "Развитие технических средств телевизионного вещания", г. Вильнюс, 1980 г.; на 2-й Всесоюзной научно-технической конференции по телевизионной технике, г. Ленинград, 1970 г.;
на Республиканской научно-практической конференции "Техника телевидения и современность: этапы развития и основные направления совершенствования", г. Ташкент, 1988 г.; на Республиканской научно-технической конференции "Улучшение технического качества телевизионного вещания", г. Киев, 1977 г.; на 21-й Украинской Республиканской научно-технической конференции, посвященной Дню радио, г. Киев, 1972 г.; на 19-й Украинской Республиканской научно-технической конференции, посвященной Дню ра-
дио и Дню связиста, г. Киев, 1970 г.; на 18-й Украинской Республиканской научно-технической конференции, посвященной Дню радио и Дню связиста, г. Киев, 1968 г.;
- на семинарах (Школах) Научного Совета АН УССР по проблеме "Тео
ретическая электротехника, электроника и моделирование" во Львове, Шап
ке и Мукачево, 1972-1984 гг.); на Республиканских семинарах "Цепи и поля
в устройствах радиоэлектроники" Научного Совета АН УССР по проблеме
"Теоретическая электротехника, электроника и моделирование", г. Одесса
(1971-1990 гг.);
- на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-
преподавательского состава Одесского электротехнического института связи
(1970-1996 гг.); на научных семинарах кафедр "Теория нелинейных электри
ческих цепей" и "Теория линейных электрических цепей" (1968-1990 гг.).
Публикации. По теме диссертации автор опубликовал более 50 работ; в их числе: 24 статьи, 1 авторское свидетельство, 7 тезисов конференций, 6 депонированных рукописей и 11 комплектов многоэтапных отчетов по НИР.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, выводов, списка использованных источников и приложения. Общий объём диссертации 440 страниц. Из 300 страниц основного материала -180 страниц машинописного текста, 40 страниц рисунков, 80 страниц таблиц. Список использованных источников насчитывает 1102 наименований.
