Введение к работе
Актуальность работы. Коротковолновая (KB) связь в России играет важ-гую роль, обеспечивая магистральную и местную связь, сеть радиовещания, лужбу стандартных частот, служебные линии для наземных станций спутни-:овой связи, авиационную связь «земля - воздух», морскую «берег - корабль», лужбы агентств новостей, сеть гидрометеослужбы, представительств за рубежом и др. Однако из-за изменчивости условий распространения радиоволн на [оносферных радиолиниях (суточных, сезонных, геомагнитных, гелиофизиче-ких) KB связь обладает одним существенным недостатком - она неустойчива.
В последнее время в развитых странах мира и в России проводится кореная реконструкция KB связи, в основе которой лежит повышение ее надежно-ти до уровня спутниковой связи. С этой целью линии связи оснащаются сис-емами диагностики, позволяющими в реальном времени оценивать состояние аналов связи и выбирать из них оптимальные. Поскольку системы диагности-и не должны создавать помех действующим системам связи, то существует роблема внедрения в практику ионосферных исследований оптимальных ме-эдов приема и обработки сигналов, позволяющих получить высокое качество рогностнческой информации при минимальной мощности диагностирующего угнала. В этой связи особый интерес представляет так называемый непрерыв-ый сигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), обладающий базой 10 -Э и позволяющий добиться самой низкой мощности излучения для диагно-гирующей системы.
Формирование непрерывного ЛЧМ сигнала с такими базами и его обра-этка представляет техническую проблему, для решения которой в последнее земя в связи с бурным развитием микроэлектроники используется метод пря-ого цифрового синтеза (ПЦС), позволяющий быстро и гибко перестраивать істотно-временньїе параметры сигнала. Поскольку принимаемый диагности-тощий сигнал содержит различные моды распространения (отличающиеся тями распространения сигнала от передатчика к приемнику) со значительно оличающимся уровнем, то для непрерывных ЛЧМ сигналов принципиальным яяется вопрос об уровне шумовых составляющих, возникающих в самом сиг-ше и на выходе системы сжатия из-за применения того или иного метода его армирования.
Характеристики шумовых составляющих при формировании методом ДС гармонических и некоторых других простых сигналов исследовались в ботах Кочемасова В.Н., Кулешова В.Н., Фадеева А.Н., Н. Nicholas, Н Samueli, Kim, V. Kroupa, J. Vankka, M. Holtkamp, однако исследований шумов, возни-
4 кающих при формировании методом ПЦС непрерывных ЛЧМ сигналов, ране не проводилось. Актуальным также является решение проблемы преодоленн ограничений на скорость изменения частоты в ЛЧМ сигнале (она не може быть произвольно заданной при использовании метода ПЦС) и гибкого и быс рого изменения частотно-временных параметров сигнала, для обеспечения реальном времени приема сигналов различных радиолиний.
Цель работы. Разработка программируемого синтезатора непрерывно] ЛЧМ сигнала с базой 108-1010 с заданным уровнем шумов и обеспечивающе; произвольные скорости изменения частоты.
Решаемые задачи:
-
разработка математической модели синтезатора непрерывного ЛЧМ су нала, адекватной реальному устройству и исследование, в рамках модели, ш мовых составляющих в формируемом непрерывном ЛЧМ сигнале, а также сигнале на выходе системы сжатия в частотной области;
-
разработка метода цифровой подстройки скорости изменения частоты \ прерывного ЛЧМ сигнала и исследование шумовых составляющих, возника щих при его использовании;
-
разработка структурной схемы и создание действующих макетов прогрг мируемого синтезатора непрерывного ЛЧМ сигнала для диагностики иоі сферных радиолиний; разработка алгоритмов и пакета прикладных програ для программируемого синтезатора непрерывного ЛЧМ сигнала;
-
лабораторные эксперименты по оценке шумовых характеристик прогр; мируемого синтезатора непрерывного ЛЧМ сигнала;
-
апробация программируемого синтезатора непрерывного ЛЧМ сигнал экспериментальных исследованиях по диагностике ионосферных радиолиі большой протяженности.
Методы исследований. Решение поставленных задач базируется на ш дах математического моделирования, спектрального анализа, математичес статистики и численных методов расчета на ЭВМ с использованием програг* MathCAD. Основные теоретические результаты проверены путем макетирі ния, вычислительных, лабораторных и натурных экспериментов.
Научная новизна работы состоит в следующем: 1. Разработана математическая модель синтезатора непрерывного ЛЧМ нала, учитывающая его структурное построение и алгоритм дискре ступенчатого формирования непрерывного ЛЧМ сигнала. В рамках этой м
5 ли получены аналитические выражения для оценки уровня шумовых составляющих, в том числе на выходе системы сжатия в частотной области. Показано, что ключевым параметром модели является произведение _/ш Тш.
-
Впервые предложен метод цифровой подстройки скорости изменения частоты ЛЧМ сигнала, позволяющий устанавливать ее произвольное значение, и исследованы шумовые составляющие, возникающие при его использовании;
-
Установлено, что ошибки квантования фазы и амплитуды в формируемом ЛЧМ сигнале приводят к «белому» шуму в спектре разностного сигнала, в результате чего спектральная плотность шума определяется не только разрядностью представления данных, но и величиной произведения тактовой частоты синтезатора на время анализа сигнала.
-
Разработан программируемый синтезатор непрерывного ЛЧМ сигнала, позволяющий быстро и гибко изменять частотно-временные характеристики сигнала и реализующий алгоритм цифровой подстройки скорости к заданному значению.
-
Использование разработанного синтезатора в международном эксперименте Австралия - Россия по диагностике трансэкваториальной радиолинии Алис-Ипрингс -Йошкар-Ола протяженностью 12 тыс. км. позволило обнаружить до-юлнительные сигналы аномального распространения радиоволн, связанные с та ракурсным рассеянием в ионосферном волноводном канале на неоднородно-:тях полярной области.
Практическая ценность работы состоит в следующем. I. Полученные выражения для оценки уровня шумовых составляющих в раз-гостном сигнале и формируемом ЛЧМ сигнале позволяют выбрать параметры :интезатора на стадии его проектирования и могут быть использованы при раз-эаботке широкополосных систем радиосвязи и загоризонтной радиолокации, юстроенных с применением метода ПЦС;
!. Разработанные: программируемый цифровой синтезатор непрерывного ТЧМ сигнала; пакет прикладных программ управления синтезатором, в кото-гам реализованы: алгоритм формирования непрерывного ЛЧМ сигнала с за-;анным уровнем побочного радиоизлучения, алгоритм цифровой подстройки корости изменения частоты ЛЧМ сигнала к заданному значению, автоматиче-кое управление работой синтезатора, могут быть использованы в комплексах [иагностики ионосферных радиолиний произвольной протяженности.
Реализация и внедрение результатов исследований.
-
Программируемый синтезатор непрерывных ЛЧМ сигналов совместно пакетом прикладных программ используется в составе станции наклонної зондирования ионосферных радиолиний Марийского государственного техні ческого университета (МарГТУ, г. Йошкар-Ола), входящей в Российскую cei станций наклонного зондирования радиолиний, созданной при участии Ма] ГТУ, с передающими пунктами в гг. Хабаровске, Магадане, Иркутске, Йошка Оле и приемными - в гг. Иркутске, Йошкар-Оле, Н. Новгороде (подтверждает актом на внедрение).
-
Цифровой синтезатор непрерывных ЛЧМ сигналов, разработанный с уч том оценок сделанных в работе на основе полученных аналитических выраж ний для уровня шумовых составляющих в разностном и формируемом ЛЧ сигналах, используется в составе комплекса диагностики ионосферных KB г диоканалов Нижегородского радиофизического института (НИРФИ) (подтве ждается актом на внедрение).
-
Программируемый синтезатор непрерывных ЛЧМ сигналов совместно пакетом прикладных программ по его автоматическому управлению, в котор реализованы разработанные алгоритмы формирования непрерывного ЛЧМ сі нала с заданным уровнем побочного радиоизлучения, цифровой подстроим заданной скорости изменения частоты ЛЧМ сигнала, использованы при диап стике экспериментальных радиолиний КВ-связи в сети полигонов НИИ «Г лет» (подтверждается актом на внедрение.).
Результаты работы использованы в хоздоговорных работах: «Бушел «Барограф», «Опора-КВ»; МНТП «Критические технологии, основанные распространении и воздействии потоков энергии», «ФИЗМАТ»; грантах РФ< 96-02-19575, 96-07-89227, 99-02-17309, а также в дипломном и курсовом про тировании студентов радиотехнического факультета МарГТУ (подтверждае актом на использование).
Личный вклад автора. В работах [1-8] на основании поставленных нг ным руководителем совместно с диссертантом задач были выполнены аналі-ческие выводы и численные расчеты. Автор принимал непосредственное j стие в проведении экспериментов [9-15], обработке и анализе полученных зультатов [13-23], а также их интерпретации. Работа [24] выполнена диссер" том самостоятельно. Автором разработаны структурные схемы и опытные разцы синтезаторов непрерывного ЛЧМ сигнала [25-28], а также алгоритм
7 хрограммное обеспечение для формирования сигналов с различной частотно-зременной структурой [29-31].
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсужда-гась на Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» (Чебоксары 1996), Всероссийской научной конференции «Цифровая обработка многомер-1ых сигналов» (Йошкар-Ола, 1996), 52-й Научной сессии, посвященной дню вдио (Москва, 1997), Международной конференции «Физика ионосферы и атмосферы Земли» (Иркутск, 1998), 21st Annual seminar - Polar Geophysical Insti-ute (Apatity, 1998), XIX Всероссийской научной конференции «Распростране-іие радиоволн» (Казань, 1999), Международной научно-технической конфе-іенции «Радиолокация, навигация и связь» (RLNCC 99) (Воронеж, 1999), 54-й Научной сессии, посвященной Дню радио (Москва, 1999), X научно-ехнической конференции «Проблемы радиосвязи» (Н.Новгород, 1999), XXVI Зепегаї Assembly of the International Union of Radio Science (Toronto, Ontario, Canada, 1999), Millenium Conference on Antennas & Propagation (Davos, Switzer-and, 2000).
Основные положения, представляемые к защите.
Разработанный программируемый цифровой синтезатор непрерывного ІЧМ сигнала и пакет прикладных программ по его автоматическому управле-:ию, в котором реализованы разработанные алгоритмы формирования непре-ывного ЛЧМ сигнала с заданным уровнем побочного радиоизлучения, цифро-ой подстройки к заданной скорости изменения частоты ЛЧМ сигнала;
Математическая модель синтезатора непрерывного ЛЧМ сигнала, учиты-ающая его структурное построение и алгоритм дискретко-ступенчатого фор-іирования непрерывного ЛЧМ сигнала, и ее теоретические следствия;
Метод цифровой подстройки скорости изменения частоты ЛЧМ сигнала, озволяющий устанавливать ее произвольное значение и результаты его иссле-ования;
Аналитические выражения для оценки уровня шумовых составляющих в азностном сигнале и формируемом ЛЧМ сигнале в зависимости от параметров интезатора непрерывного ЛЧМ сигнала;
Результаты теоретических и экспериментальных исследований шумовых арактеристик сигнала на выходе системы сжатия в частотной области;
8 6. Результаты использования программируемого цифрового синтезатора ЛЧМ сигнала в международном эксперименте Австралия - Россия по диагностике трансэкваториальной радиолинии Алис-Спрингс - Йошкар-Ола протяженностью 12 тыс.км.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (112 наименований) и 4 приложений, изложена на 140 страницах машинописного текста, в котором приведено 68 рисунков и 2 таблицы.
