Введение к работе
Актуальность проблемы. В современных спутниковых навигационных и связных системах широко используются сложные псевдошумовые сигналы и сигналы с многопозиционной модуляцией. Система синхронизации по несущей (ССН) является неотъемлемой частью приемников сигналов в таких системах. Системы синхронизации по несущей могут работать как в режиме фазовой автоподстройки (ФАП), так и в режиме частотной (ЧАП). Современные ССН являются почти полностью цифровыми. Аппаратная часть ССН выполняется, как правило, в сверх больших интегральных схемах (СБИС). Другая часть функций ССН выполняется программно, на микропроцессоре. Использование микропроцессоров позволяет применять сложные алгоритмы дискриминаторов, для которых коэффициент передачи не зависит от отношения сигнал-шум, что дает возможность использовать ФАП более высоких порядков астатизма. Использование более высоких порядков астатизма (особенно п навигационных приемниках) позволяет уменьшить динамическую ошибку без увеличения флуктуационной.
Много работ посвящено исследованию аналоговых систем синхронизации несущей. Цифровые ССН исследованы значительно в меньшей степени. Так как микропроцессорные системы ФАП 3-го порядка астатизма стали использоваться сравнительно недавно, их теоретический расчет в предшествующих работах проведен лишь в квазинепрерывном приближении, то есть без учета ограниченности частоты обмена информацией между программной и аппаратными частями. Несмотря на появлении более быстродействующих микропроцессоров, частота обмена данными между программной и аппаратной частями остается сравнительно небольшой, т.к. в современных навигационных приемниках один микропроцессор обслуживает системы синхронизации по несущей и системы слежения за задержкой (ССЗ) псевдослучайной последовательности (ПСП кода) по двенадцати и более каналам, а также выполняет вычисления вторичной обработки. Поэтому при расчете таких систем необходимо учитывать импульсный характер работы.
В навигационных приемниках в системы GPS некоторые ФАП работают по сигналу, модулированному неизвестным ПСП кодом (т.н. Y-код). Такие следящие системы работают в режиме, близком к пороговому. Анализ схем дискриминаторов в нелинейном режиме и выбор более оптимального варианта дискриминатора позволяет повысить эффективность таких систем ФАП.
-*-
В навигационных системах при определении местоположения актуальным является контроль за качеством работы ФАЛ - индикация перескоков фазы и срыва слежения. Хотя индикации срыва слежения ФАЛ посвящено много работ, индикация перескоков фазы и срыва слежения в навигационных системах имеет ряд особенностей, не позволяющих применить известные методы контроля.
Все большее применение в космических навигационных и связных системах находят сигналы с двойной фазовой модуляцией - ФМ-4. Многими авторами подробно рассмотрены следящие системы для приема ФМ-4 в режиме слежения. Однако отсутствует достаточно подробный анализ этих систем в режиме вхождения в связь, когда расстройка по частоте в несколько раз превышает эквивалентную полосу ФАЛ. Между тем важным условием повышения эффективности работы следящих систем в целом является повышение эффективности на этапе вхождения в связь.
Одним из способов повышения эффективности режима вхождения в связь является использование в этом режиме комбинаций систем ФАЛ и ЧАЛ. Для ССН в системах с ФМ-4 в предшествующих работах этот вопрос, несмотря на его актуальность, не рассмотрен.
Необходимо отметить, что цифровые системы с микропроцессорами приобретают свойства, которые не всегда удается полностью описать аналитически. Следовательно, большую роль при создании и исследовании таких систем играют машинное моделирование и эксперимент.
Цель работы состоит в повышении эффективности цифровых программно-аппаратных систем синхронизации несущей:
в режиме малых ошибок;
в пороговом режиме;
на этапе вхождения в связь.
В соответствии с поставленной целью в диссертации рассматриваются следующие задачи:
- составление разностного уравнения программно-аппаратной
системы ФАП 3-го порядка астатизма для режима малых ошибок;
- получение выражений флуктуационной и динамической ошибок
для программно-аппаратной системы ФАП 3-го порядка астатизма в
импульсном приближении, необходимые для расчета коэффициентов
передачи пропорциональной и интегрирующей петель, определение
области устойчивости (например, для приемников Ashtech G-12,
Ashtech G-24, Ashtech Z-18 при программировании сигнального
процессора TMS-320-31);
-5"-
- составление разностного уравнения и получение выражений флуктуационной и динамической ошибок черезтактной программно-аппаратной ЧАП с фазовым алгоритмом дискриминатора, определение области устойчивости;
- сравнительный анализ полученных выражений с аналогичными выражениями для ФАП и ЧАП, вычисленными квазинепрерывным методом;
разработка имитационной модели для исследования пороговых свойств программно-аппаратных ФАП, работающих по сигналу, модулированному Y-кодом;
анализ пороговых свойств микропроцессорных систем ФАП с различными вариантами построения дискриминаторов, использованных в приемнике Ashtech Z-18;
обработка экспериментальных данных и исследование на модели причин, вызывающих перескоки фазы ФАП в навигационных приемниках (например, Ashtech Z-12, Ashtech Z-18);
разработка имитационной модели и проверка на ней качества работы блока контроля перескоков фазы;
экспериментальная проверка работоспособности полученного блока контроля перескоков;
сравнительный анализ, с помощью разработанной модели, различных алгоритмов ФАП и ЧАП для быстрого вхождения в связь по синхропосылке и без нее;
- оптимизация алгоритма быстрого вхождения в связь ССН для
конкретной спутниковой информационно-связной системы.
Методы исследования. Анализ программно-аппаратных систем ССН проводился с помощью аппарата теории разностных уравнений, метода Z-преобразования, статистической теории дискретных импульсных систем. При составлении и анализе имитационных моделей использовались методы статистического эквивалента и методы статистического моделирования. Использовались статистические методы обработки экспериментальных данных с применением современной вычислительной техники.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- получены аналитические выражения условия устойчивости,
флуктуационной и динамической ошибок программно-аппаратной
системы ФАП 3-го порядка астатизма и черезтактной ЧАП с фазовым
алгоритмом в импульсном приближении;
- проведено сравнение помехоустойчивости и пороговых свойств
схем дискриминаторов ФАП, работающих по сигналу,
модулированному закрытым ПСП-кодом;
- проведено исследование блока контроля перескока фазы программно-аппаратной ФАП;
- проведен сравнительный анализ различных алгоритмов системы
вхождения в связь по времени вхождения в синхронизм по сигналу
ФМ-4.
Практические результаты работы:
рекомендован и внедрен в приемник Ashtech Z-18 улучшенный алгоритм работы ФАП по сигналу, модулированному неизвестным Y-кодом;
разработан, испытан и реализован в приемниках Ashtech Z-18, Ashtech G-24, Ashtech G-12 трехступенчатый блок контроля перескоков;
разработаны два алгоритма системы вхождения в связь в радиолинии с ФМ-4:
а) замкнутый алгоритм при использовании синхропосылки;
б) разомкнутый алгоритм без использования синхропосылки.
Апробация результатов работы.
Основные результаты работы обсуждались и получили положительную оценку на следующих научно-технических конференциях и семинарах: - на Всесоюзной НТК «Развитие и совершенствование устройств синхронизации в системах связи» в г. Горький в 1988 г.;
на Всесоюзной НТК «Цифровая обработка сигналов в системах связи и управления» в г. Суздаль в 1988 г.;
на ВНТК «Современные проблемы фазоизмерителыюй техники» в г. Красноярск в 1989 г.;
на ВНТК «Компьютерные методы исследования проблем теории и техники передачи дискретных сигналов по радиоканалам» в г. Москва в 1990 г.;
- на научно-технической школе-семинаре «Цифровая обработка
сигналов в системах связи и управления в г. Ростов-Великий в 1991г.;
- на научно-технических семинарах профессорско-преподавательского
состава, сотрудников и аспирантов МАИ;
Внедрение результатов подтверждено актом в котором отражены перечисленные практические результаты работы.
~7-~
Основные положения, выносимые на защиту :
1. В диссертаидонной работе впервые аналитически получены
условия устойчивости и выражения динамической и флуктуационной
ошибок микропроцессорных систем ФАП 3-го порядка астатизма в
импульсном приближении. Полученные результаты позволяют
производить выбор параметров этих систем на несколько порядков
быстрее по сравнению с имитационным моделированием.
2. Алгоритм ФАП по сигналу системы GPS с Y-кодом с
суммированием синфазных компонент обеспечивает выигрыш в
пороговом режиме на 2 дБ по сравнению с ранее применявшимся
алгоритмом взаимно-перекрестной обработки.
3. Трехступенчатый блок контроля перескоков фазы обеспечивает (при энергетическом потенциале не менее 37 дБ/Гц и при вероятности ложной тревоги на "спокойных" участках работы не более 10"3 ) вероятность пропуска коротких перескоков не более 5.10"3 , если оценивать пропуск на одном 200 мс интервале, и не более 10'4, если оценивать пропуск за три 200 мс интервала.
4. Целесообразно использовать разработанный в диссертации
замкнутый алгоритм вхождения в связь в системе связи с сигналом
ФМ-4 при наличии синхропосылки, при ее отсутствии - разомкнутый
алгоритм. При наличии синхропосылки выигрыш разработанного
замкнутого алгоритма по сравнению с разомкнутым на порядок и
более в зависимости от начальной расстройки по частоте и
энергетического потенциала. Детальный расчет предложенных систем
и алгоритмов целесообразно производить с помощью разработанной в
диссертации модели.
5. Основной причиной перескоков фазы в системах ФАП
навигационных приемников является многолучевость, а так же в
меньшей степени повышенные флуктуации опорного генератора. Ранее
применявшиеся алгоритмы индикации перескоков фазы не позволяют
надежно индицировать одиночные перескоки. Надежную индикацию
этих перескоков обеспечивает 3-х ступенчатый блок контроля
перескоков.
