Введение к работе
Актуальность темы. На современном этапе развития теории радиотехнических цепей в связи с постоянно возрастающим объемом передаваемой информации и интенсивным освоением ВЧ, ОВЧ и УВЧ диапазонов сложилась ситуация, которая характеризуется острой необходимостью расширения возможностей обработки сигналов за счёт уменьшения искажений основных параметров сигнала, определяющих содержание информации на выходе демодуляторов, и обеспечения заданных временных или частотных форм откликов в модуляторах, с одной стороны, и ограниченными возможностями схемных решений этих вопросов (без определения оптимальных по заданному критерию значений параметров выбранной схемы), с другой стороны. Возможности существующих технических решений построения амплитудных и фазовых модуляторов и демодуляторов ограничены отсутствием математических моделей нелинейных элементов, учитывающих зависимости их сопротивлений или проводимостей от амплитуды управляющего сигнала, модулируемого параметра и частоты несущего сигнала, и алгоритмов использования этих моделей при определении оптимальных значений параметров элементов схем по критерию уменьшения частотных и нелинейных искажений в демодуляторах и увеличения квазилинейных участков модуляционных характеристик в модуляторах. В диссертации это противоречие предлагается разрешить путём разработки математических моделей модуляторов и демодуляторов, построенных на двухполюсных нелинейных элементах за счёт решения ряда задач их параметрического синтеза. При этом амплитудные и фазовые модуляторы и демодуляторы при определенных условиях могут быть отнесены к классу «двухимпедансных» управляющих устройств. Эти условия характеризуются тем, что в качестве исходных данных при синтезе используются два значения импедансов (комплексных сопротивлений) нелинейного элемента, источника сигнала и нагрузки в двух состояниях, определяемых двумя значениями амплитуды низкочастотного управляющего сигнала, модулируемого параметра или частоты несущего сигнала. Использование этого метода по сравнению с использованием известных численных методов оптимизации позволяет сократить время оптимизации примерно на порядок, поскольку на каждом шаге оптимизации обеспечивает заданный закон изменения коэффициента передачи синтезируемого устройства в заданных состояниях.
Основной вклад в развитие теории «двухимпедансных» управляющих устройств внесли S. Kawakami, Д.М. Сазонов, Б.В. Сестрорецкий, Г.Д. Михайлов, А.А. Головков, А.А. Бородулин, В.Г. Шейнкман и другие.
В известной литературе отсутствуют методики синтеза амплитудных и фазовых модуляторов и демодуляторов, позволяющие определить значения параметров схемы, оптимальные по критерию обеспечения заданных модуляционных, демодуляционных и частотных характеристик с учетом вольтамперных и частотных характеристик двухполюсных нелинейных элементов.
Следовательно, тема диссертационной работы, направленная на разрешение указанного выше противоречия и устранения перечисленных недостатков, является актуальной.
Работа выполнена в рамках НИР «Разработка алгоритмов параметрического и структурного синтеза оптимальных согласующе-фильтрующих устройств многофункциональных радиоузлов изделий военной электроники по критериям обеспечения заданных неуправляемых и управляемых во времени АЧХ и ФЧХ при минимальном количестве используемых реактивных, рези-стивных и управляемых элементов» (шифр «Матрица»).
Объектом исследований являются процессы обработки радиотехнических сигналов в амплитудных и фазовых модуляторах и демодуляторах.
Предметом исследований является разработка методик параметрического синтеза амплитудных и фазовых модуляторов и демодуляторов на двухполюсных нелинейных элементах, оптимальных по критериям формирования заданных модуляционных и частотных характеристик в модуляторах путем обеспечения требуемых зависимостей модулей и фаз коэффициентов передачи от амплитуды управляющего воздействия и частоты в двух состояниях и уменьшения нелинейных и частотных искажений путём формирования заданных демо-дуляционных и частотных характеристик демодуляторов за счет реализации заданных зависимостей модулей и фаз коэффициентов передачи высокочастотной части (до фильтра нижних частот) от модулируемых параметров и частоты в двух состояниях.
Цель и задачи исследования. Целью работы является расширение возможностей формирования сигналов с заданными зависимостями модулей и фаз от изменения амплитуды управляющего воздействия и частоты в модуляторах за счет обеспечения требуемых модуляционных и частотных характеристик и уменьшения нелинейных и частотных искажений в демодуляторах при реализации заданных демодуляционных и частотных характеристик, путем разработки методик параметрического синтеза и математических моделей амплитудных и фазовых модуляторов и демодуляторов по критерию обеспечения заданных модуляционных, демодуляционных и частотных характеристик, совпадающих с реальными характеристиками в двух точках, при их отличии друг от друга на величину, не более некоторой заданной при максимальном или минимальном изменении амплитуды управляющего низкочастотного сигнала, величины модулируемого параметра или частоты несущего сигнала.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать методики параметрического синтеза амплитудных и фазовых модуляторов и демодуляторов, включающие методики синтеза их реактивных четырехполюсников и двухполюсных нелинейных элементов;
сформировать математические модели амплитудных и фазовых модуляторов и демодуляторов с различными вариантами включения двухполюсного нелинейного элемента;
получить математические модели реактивных четырехполюсников мани-
пуляторов, модуляторов и демодуляторов при минимальном количестве реактивных двухполюсников СФУ;
предложить математические модели двухполюсных нелинейных элементов в модуляторах и демодуляторах при минимальном количестве реактивных двухполюсников СФУ;
провести математические расчеты параметров и основных характеристик амплитудных и фазовых модуляторов и демодуляторов с различными схемами СФУ и вариантами включения полупроводникового диода и их схемотехническое моделирование в интересах доказательства возможности использования разработанных алгоритмов синтеза и математических моделей для проектирования исследуемых устройств.
Методы исследования. При выполнении работы использовались принцип декомпозиции, теория функции комплексного переменного, методы решения систем алгебраических уравнений, методы теории радиотехнических цепей, схемотехническое моделирование, метод параметрического синтеза «двухим-педансных» управляющих устройств.
Научная новизна результатов состоит в следующем:
методики параметрического синтеза амплитудных и фазовых модуляторов и демодуляторов и предложенные на их основе новые способы, расширяющие возможности модуляции амплитуды и фазы высокочастотного сигнала по заданному закону путем формирования требуемых модуляционных и частотных характеристик и минимизацию искажений параметров принимаемых ампли-тудно-модулированных и фазомодулированных сигналов (АМС и ФМС) за счет формирования заданных демодуляционных и частотных характеристик;
математические модели исследуемых модуляторов и демодуляторов, впервые учитывающие при определении выражений для их передаточных функций, характеристики двухполюсных нелинейных элементов;
математические модели реактивных четырехполюсников, впервые устанавливающие взаимосвязи между элементами матрицы сопротивлений или классической матрицы передачи СФУ манипуляторов, модуляторов и демодуляторов с различными вариантами включения двухполюсного управляемого элемента, оптимальные по критериям обеспечения заданных модуляционных, демодуляционных и частотных характеристик при минимальном количестве реактивных двухполюсников СФУ;
математические модели двухполюсных нелинейных элементов, впервые позволяющие определить аппроксимации характеристик двухполюсных нелинейных элементов в виде зависимостей действительных и мнимых составляющих их сопротивлений или проводимостей от амплитуды управляющего сигнала, модулируемого параметра входного сигнала или частоты несущего сигнала и установить взаимосвязи между элементами классической матрицы передачи СФУ ИССЛедуемых вариантов амплитудных и фазовых модуляторов и демодуляторов оптимальные по указанным критериям.
Основные положения, выносимые на защиту:
методики параметрического синтеза амплитудных и фазовых модуляторов и демодуляторов с различными вариантами включения двухполюсного нелинейного элемента;
математические модели амплитудных и фазовых модуляторов и демодуляторов, обеспечивающие возможность формирования сигналов с заданными временными и частотными характеристиками и минимизацию искажений сигналов;
математические модели реактивных четырехполюсников, учитывающие реальные характеристики нелинейных элементов;
математические модели двухполюсных нелинейных элементов и реактивных четырехполюсников, обеспечивающие заданные модуляционные, демоду-ляционные и частотные характеристики;
результаты математического и схемотехнического моделирования подтверждающие возможность использования разработанных алгоритмов синтеза и математических моделей для проектирования исследуемых устройств.
Практическая значимость работы.
В результате проведенных исследований разработаны методики параметрического синтеза и получены математические модели амплитудных и фазовых модуляторов и демодуляторов, позволяющие расширить возможности формирования заданных модуляционных, демодуляционных или частотных характеристик, при отклонениях реализованных характеристик от заданных не более, чем на ± 10% в максимальных диапазонах изменения амплитуды управляющего сигнала и амплитуды АМС до 20 условных единиц, фазы ФМС до 100'или в полосе частот до 50-60%, что на 40-50% превышает характеристики известных модуляторов и демодуляторов на одном двухполюсном нелинейном элементе.
Внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы в виде методик параметрического синтеза и математических моделей амплитудных и фазовых модуляторов и демодуляторов использовались при выполнении научно-исследовательских работ, проводимых в «Концерне «Созвездие» и ФГНИИЦ РЭБ ОЭСЗ МО РФ, а также в интересах совершенствования лекций по дисциплине «Теория радиотехнических цепей и сигналов» в Военном авиационном инженерном университете (г. Воронеж), о чем свидетельствуют имеющиеся акты внедрения.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационного исследования докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Всероссийской научно-практической конференции «Информатизация образования университетского комплекса Инфобук-2008» (Воронеж, 2008), XVI Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2010) и на постоянно действующих семинарах и научно-технических советах ФГНИИЦ РЭБ ОЭСЗ МО РФ и ВАИУ.
Публикации. По теме диссертации опубликована 31 научная работа, в том числе 5-в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, а также 20 патентов на изобретения. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце
автореферата, лично соискателю принадлежат предложения по разработке новых способов и устройств модуляции и демодуляции высокочастотных сигналов [6-25], вышеуказанные алгоритмы синтеза и математические модели модуляторов и демодуляторов [1-5,27,28] и результаты математического и схемотехнического моделирования различных макетов СФУ, амплитудных и фазовых модуляторов и демодуляторов [26].
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 123 наименований, 8 приложений. Основная часть работы изложена на 177 страницах и содержит 111 рисунков.
