Х a з a нвиталийЛьвови ч методы и средства проектирования каналов декаметровой радиосвязи специальность 05. 12. 04 «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения» автореферат

Вид материала

Автореферат

Содержание Методы аналитического моделирования Методы имитационно-аналитического моделирования сравнительных трассовых испытаний РПУ с ограниченным динамическим диапазоном и ц Методы имитационно-аналитического моделирования одномерных дискретных КС Метод имитационного компьютерного моделирования двухмерного непрерывного КС Метод имитационного компьютерного моделирования электромагнитного поля Метод наклонного зондирования ионосферы широкополосными сигналами Метод физического моделирования трассовых испытаний КВ систем связи Основы построения высоконадежных КВ КС для сети мобильной автоматической радиосвязи со свободным доступом пользователей Первая глава B(n) формируется последовательно во времени, например, по алгоритму: В(n) = ent[R(n) + P М = 4 при амплитудной телеграфии (АТ), М Во второй главе U1,1 - амплитуда гармонического колебания на входе УТ; U U2,(2-1) - амплитуда интермодуляционной составляющей третьего порядка вида (2f U1,ог - порог ограничения по входу, К В третьей главе Четвертая глава В пятой главе В заключении

Подобный материал:

• Алгоритмы и устройства обнаружения и оценки параметров сигналов сО скачкообразным изменением, 259.41kb.
• Программы кандидатских экзаменов 05. 09. 03 «Электротехнические комплексы и системы», 4777.38kb.
• Программа вступительного экзамена для направления «Радиотехника», 79.79kb.
• Направление – радиотехника профиль Радиоэлектронные системы Радиотехника, 22.68kb.
• Рабочая программа дисциплины основы компьютерного проектирования и моделирования радиоэлектронных, 255.77kb.
• Аннотация программы дисциплины «Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства, 494.1kb.
• Учебная программа для высших учебных заведений по специальностям: 1-45 01 01 Многоканальные, 68.97kb.
• Методология анализа и проектирования распределительных каналов, 59.46kb.
• Аннотация примерной программы дисциплины «Распространение радиоволн и антенно-фидерные, 524.58kb.
• Для сотовых сетей связи (мобильные телефоны, а также модемы, применяемые в сотовых, 307.64kb.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 90 печатных работ (в том числе 74 в открытой печати (10 статей в журналах ВАК [1-10], монография [52]), 16 работ в закрытой печати) и получено 12 авторских свидетельств, в том числе семь открытых [3945]. Подано в 2007 г. и находится на рассмотрении в ФГУ ФИПС 4 заявки на изобретение [46-49], по двум из которых уже приняты решения о выдаче патентов на изобретение.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, содержащего 282 наименований, пяти текстовых приложений и двух программных приложений, разработанных автором на языке QBASIC,. Основной текст диссертации изложен на 293 страницах и содержит 80 рисунков и 12 таблиц.


Основные положения, выносимые на защиту

1. Метод аналитического моделирования усилительных трактов приемопередатчиков, содержащих безынерционные НЭ (усилители, преобразователи частоты, усилители-ограничители и др.), отличающийся тем, что ПХ НЭ аппроксимируются комбинированными функциями, включающими в себя в общем случае степенные, показательные и тригонометрические функции, что позволяет при относительной простоте аппроксимирующего аналитического выражения и при неограниченно большом количестве входных узкополосных воздействий получить компактные формулы для расчета амплитуд (а в общем случае и фаз) гармоник и интермодуляционных составляющих сколь угодно высоких порядков, являющихся компонентами спектра сигнала на выходе УТ [3, 6, 12, 18, 32].
   
2. Методы аналитического моделирования цифровых РПУ, отличающиеся тем, что характеристики квантователей, являющихся неотъемлемыми элементами АЦП, представляются комбинированными функциями. Разработанные методы позволяют аналитическим путем получать все основные характеристики цифровых РПУ и определять интермодуляционные составляющие спектра на выходе ЦАП РПУ при неограниченном числе воздействий на вход АЦП [3, 8, 10, 19, 38, 51, 52].
   
3. Методы имитационно-аналитического моделирования сравнительных трассовых испытаний РПУ с ограниченным динамическим диапазоном и цифровых РПУ, которые позволяют оценить влияние отдельных характеристик РПУ на надежность передачи сообщений (на КИД) в условиях замираний сигнала и в присутствии сколь угодно большого числа сосредоточенных по спектру помех от посторонних радиостанций, попадающих в полосу пропускания ФПИ РПУ [3, 10, 13, 14, 20-24, 36-38, 52].
   
4. Методы имитационно-аналитического моделирования одномерных дискретных КС без краевых искажений и с краевыми искажениями и КС с континуальным выходом после ФНЧ демодулятора, которые отличаются от известных тем, что при имитации входных воздействий на декодеры, регенераторы, устройства оценки качества принимаемого сообщения, устройства сложения сигналов, устройства адаптации к условиям связи и т. д. учитываются все основные факторы, влияющие на надежность передачи сообщений, а именно, многолучевая структура сигнала, приводящая к появлению “вставок” и “выпадений” элементов сообщения при замираниях отдельных лучей, сдваивание ошибок при передаче сообщений методом ОФТ, наличие дроблений элементов сообщения при малых значениях отношения сигнал/помеха и т. д. [2, 4, 5, 11, 15, 16, 25-27, 33].
   
5. Метод имитационного компьютерного моделирования двухмерного непрерывного КС, позволяющий сформировать сигналы, адекватные сигналам на
   

входе устройства цифровой обработки РПУ с учетом всех основных мешающих факторов (многолучевости КВ КС, всевозможных аддитивных помех, нелинейности ПХ УТ РПУ) [2, 4, 5, 28], а при моделировании устройств цифровой обработки сигналов позволяет получить практически полную адекватность их программной реализации.

6. Метод имитационного компьютерного моделирования электромагнитного поля в точке приема многолучевых сигналов (пространственно-временная (ПВ) модель КС), позволяющий создать ПВ модель трехмерного сигнала в точке его приема с учетом тонкой структуры многолучевого КС и горизонтальных и вертикальных углов прихода индивидуальных лучей, а также с учетом характера поляризации электромагнитной волны в каждом отдельно взятом луче [2, 4, 5 и др.].
   
7. Метод наклонного зондирования ионосферы широкополосными сигналами, отличающийся возможностью исследования тонкой структуры КВ КС с одновременной регистрацией общей огибающей импульсной реакции КВ КС и значений комплексных коэффициентов передачи отдельных лучей КВ канала связи как функций времени.
   
8. Метод физического моделирования трассовых испытаний КВ систем связи, в котором используются специально излучаемые сигналы или гармонические сигналы от посторонних источников, например, станций точного времени, отличающийся скрытностью проводимых исследований, экономичностью, позволяющий сокращать сроки трассовых испытаний и проверять, кроме всего прочего, достоверность результатов компьютерного моделирования [30].
   
9. Основы построения высоконадежных КВ КС для сети мобильной автоматической радиосвязи со свободным доступом пользователей [1, 7, 9, 17, 29, 30, 34, 35, 46-50, 52], научно обоснованные с использованием разработанных методов математического и физического моделирования.
   

Перечисленные положения, выносимые на защиту, в совокупности решают важную научную проблему проектирования высоконадежных, а при необходимости и скрытных, каналов декаметровой радиосвязи, обеспечивающих передачу сообщений в сложных условиях многолучевого распространения радиоволн и при наличии большого числа сосредоточенных по спектру помех, попадающих в полосу пропускания ФПИ РПУ. Они дают возможность с минимальными материальными затратами за короткое время научно обосновывать наиболее рациональные новые технические решения, позволяющие обеспечивать предельно достижимые уровни надежности передачи сообщений по КВ КС.

Решение всех вышеперечисленных задач имеет важное значение для развития экономики и повышения обороноспособности страны, что удовлетворяет основным требованиям ВАК к докторским диссертациям.


Краткое содержание работы

Во введении диссертации отражена актуальность проблем, которым посвящена диссертация, указаны цели и методы исследования, дан обзор новых научных направлений, рассматриваемых в работе, отмечена практическая ценность разработанных методов физического исследования КВ КС и его математического моделирования с учетом линейных случайных [2, 4, 5, 11, 33] линейных и

нелинейных детерминированных [3, 6, 8, 10, 11, 18-20, 51, 52] искажений сигнала и различного рода аддитивных помех [2, 4-6, 8, 10, 11, 13, 14, 20-24, 36-38, 44, 51, 52].

Дана краткая характеристика известных методов математического моделирования КС и показано отличие и преимущество разработанных автором методов моделирования декаметровых КС.

Во введении приведена блок-схема декаметрового КС, изображенная на рисунке 1, включающая в себя среду распространения сигнала в совокупности с источниками помех и основные элементы трактов передающей и приемной аппаратуры, которая поясняет предназначение разработанных автором математических моделей для проектирования различных устройств, входящих в состав линии радиосвязи.




Рисунок 1. Блок-схема декаметрового канала связи

На рисунке обозначено: ИС – источник сообщений; КУ – кодирующее устройство; М – модулятор сигнала; ТП – тракт передатчика; ФПИ – фильтр предварительной избирательности; ТПр – тракт приемника; ФОИ – фильтр основной избирательности; Д – детектор; ФНЧ – фильтр нижних частот; ТР – триггер; РГ – регенератор; ДКУ – декодирующее устройство; ПС – получатель сообщения; ДМ – демодулятор; ЛЗ – линия задержки; K_i – комплексный коэффициент передачи по частоте для i – го луча; ИШ – источник шума; ИСП – источник станционных помех; ИИП – источник импульсных помех; СР – среда распространения сигнала; A, B, C, D, E, F, G, H – границы между функциональными элементами передающей и приемной аппаратуры канала связи.

Для проектирования кодеков необходима модель КС, включающая в себя все элементы тракта, содержащиеся между его сечениями AH (имитационно-аналитическая модель одномерного дискретного КС без краевых искажений). Проектирование синхронизаторов, регенераторов, устройств оценки качества принимаемого сообщения по краевым искажениям требует моделирования участка КС между сечениями AG (имитационно-аналитическая модель одномерного дискретного КС с краевыми искажениями). Проектирование устройств оценки качества по уровню континуального сигнала на выходе ФНЧ демодулятора

нуждается в моделировании сечения AF (имитационно-аналитическая модель одномерного дискретно-непрерывного КС). Проектирование устройств цифровой обработки сигнала предполагает моделирование тракта на участке АЕ (имитационная модель двухмерного непрерывного КС). Для разработки антенно-фидерных устройств, компенсаторов станционных помех (пространственных фильтров) необходимы имитационные ПВ модели трехмерного непрерывного КС между сечениями AD, BD или СD.

Во введении рассмотрены проблемы моделирования КВ КС, перечислены реализации и внедрения в производство результатов исследований, проведенных в диссертации, приведено краткое ее содержание по отдельным главам.

Первая глава диссертации посвящена рассмотрению разработанных автором диссертации методов имитационно-аналитического моделирования одномерных дискретных КС без краевых искажений и с краевыми искажениями, а также дискретно-непрерывных КС с выходом после ФНЧ, которые составляют п. 4 положений, выносимых на защиту. Содержание этой главы изложено в работах [2, 4, 5, 11, 15, 16, 25, 26].

Разработанные автором имитационные модели одномерных дискретных КС, в отличие от известных феноменологических моделей Гильберта, Эллиота, Фричмана-Свободы, Попова-Турина, Пуртова и др., учитывают тонкую физическую структуру КС, позволяющую производить группирование ошибок элементов в зависимости от мгновенных значений отношения сигнал/помеха. Разработанные модели одновременно учитывают такие явления, как смещение фронтов за счет изменения времени распространения сигнала от передатчика до приемника, появление “вставок” и “выпадений” элементов сообщения при смене лучей в случае их замирания, сдваивание ошибок при приеме ОФТ сигналов, краевые искажения, регулярные преобладания и дробления элементарных посылок сообщения. Оригинальная модель дискретно-непрерывного канала позволяет получать аналог напряжения на выходе ФНЧ демодулятора.

Описан алгоритм формирования двухмерного семипараметрического (матожидания двух квадратурных процессов, их дисперсии, коэффициенты автокорреляции и коэффициент взаимной корреляции этих процессов) нормального марковского случайного процесса. Этот алгоритм может быть использован для получения широкого круга законов замираний сигнала, в том числе часто физически реализующихся в природе и широко используемых многими исследователями релеевского, райсовского, одностороннего нормального и др.

Суть метода имитационно-аналитического моделирования однолучевого дискретного КС с замираниями сигнала и помех поясняется на рисунке 2.

Поток ошибок B(n) формируется последовательно во времени, например, по алгоритму:

В(n) = ent[R(n) + P_ош (n)], (1) где n - номер элемента, R(n) - случайные числа, Р_ош(n) - вероятность ошибки при приеме n-го элемента, ent[x] - целая часть числа х.

Вероятность ошибки Р_ош при некогерентном приеме дискретных сигналов определяется по известной формуле:

, (2) где М = 4 при амплитудной телеграфии (АТ), М = 2 при частотной телеграфии (ЧТ), М = 1 при относительной фазовой телеграфии (ОФТ), k - коэффициент энергетических потерь, обусловленный уровнем оптимальности реализации демодулятора, H² - отношение мощности активного элемента сообщения к спектральной плотности мощности шума.

В многолучевой модели КС одновременно с потоком ошибок с помощью дискретной линии задержки с переключаемыми отводами имитируется изменение времени распространения сигнала при переходе с одного луча на другой, что на высоких скоростях манипуляции приводит к появлению на выходе демодулятора “вставок” и “выпадений” элементов. На рисунке 3 изображена блок-схема такого рода модели КС. Подробно модель многолучевого дискретного КС описана в [26].




Рисунок 2. Имитационно-аналитическое моделирование дискретного канала связи с замираниями




Новым является метод моделирования бинарной последовательности с краевыми искажениями, дроблениями и регулярными преобладаниями на выходе демодулятора, основанный на принципе представления элементарных посылок сообщения совокупностью нечетного числа N отдельных квантов. Кванты трансформируются с соответствующей вероятностью, обусловленной вероятностью ошибки текущего элемента, то есть отношением сигнал/помеха в данный момент времени. Напряжение, адекватное напряжению на выходе ФНЧ, в этой модели получается путем скользящего суммирования общего числа нетрансформированных и трансформированных квантов на интервале одной элементарной посылки сообщения. Модель с краевыми искажениями одновременно способна имитировать дробления элементов и наличие регулярных преобладаний. Функционирование модели, имитирующей континуальный сигнал на выходе ФНЧ, дискретный сигнал с краевыми искажениями на выходе триггера и окончательно принятое дискретное решение на выходе регенератора демонстрируется на рисунке 4.




Рисунок 4. Формирование напряжения на выходе фильтра нижних частот (с), сигнала на выходе триггера демодулятора (d) и регенератора (f)

С учетом зоны нечувствительности триггера U и возможного постоянного смещения U_o, которое приводит к регулярным краевым искажениям, алгоритм модели дискретного КС с временными искажениями записывается в виде:

(3)

Здесь S₁(i) – значение элемента на выходе кодера для i - го кванта а S₂(m) – принятое триггером решение для m – го кванта.

Получено аналитическое выражение для определения вероятности ошибок квантов Р_кв при заданной вероятности ошибок элементов Р_ош:

. (4)

Из физических соображений при Р_ош = 0,5 следует, что К₁ = 0,5.

Коэффициент К₂ определяется с помощью выражения:

. (5)

Коэффициент К₃ можно найти, зная либо Р_кв1, либо Р_кв2 :

. (6)

Вероятность ошибки элементов в зависимости от конкретно заданных значений вероятности ошибки квантов описывается биномиальным законом распределения:

(7)

Ошибка элемента происходит в том случае, когда число ошибочно принятых квантов превышает порог N_o = (N - 1)/2. Задавая каких-либо два значения Р_кв1 и Р_кв2, по формуле (7) можно рассчитать два соответствующих значения вероятности

ошибки элемента Р_ош(Р_кв1) и Р_ош(Р_кв2) и, подставляя эти значения вероятности ошибок элементов в формулы (5) и (6), можно найти коэффициенты К₂ и К₃.

Модели без краевых искажений могут быть использованы для разработки оптимальных алгоритмов кодеков, цикловых синхронизаторов, устройств позначного сложения разнесенных сигналов и т. д., а модели с краевыми искажениями - при оптимизации алгоритмов работы регенераторов, устройств оценки качества сигналов, устройств адаптации к условиям связи и т. п. Модель дискретно-непрерывного КС требуется при проектировании устройств оценки качества принимаемого сообщения, устройств последетекторного сложения разнесенных сигналов, декодеров и др.

Во второй главе описывается метод аналитического моделирования УТ РПУ (п. 1 положений, выносимых на защиту) и метод имитационно-аналитического моделирования сравнительных трассовых испытаний УТ РПУ с ограниченным динамическим диапазоном (п. 3 положений, выносимых на защиту), которые базируются на аппроксимации ПХ НЭ комбинированными функциями. Основное

содержание этой главы отражено в работах автора [3, 6, 12, 13, 14, 18-24, 32, 36, 37]. В главе дана краткая характеристика известных методов аппроксимации безынерционных НЭ, указаны особенности моделирования УТ КВ РПУ. Отмечено, что задача определения спектра колебания на выходе НЭ решалась многими исследователями. А.И. Берг определял спектр колебания на выходе НЭ с помощью кусочно-линейной аппроксимации его характеристики. В.А. Котельников, В.Д. Челышев и многие другие пользовались аппроксимацией степенными полиномами. И.В. Басик, Г.В. Добровольский и ряд других исследователей определяли параметры компонентов спектра колебаний на выходе НЭ, аппроксимируя их характеристики показательными полиномами. Ю.Б. Кобзарев, А.М. Заездный и Л.Т. Ким использовали для аппроксимации характеристик НЭ тригонометрические полиномы. Автор предлагает способ сокращения числа членов в аппроксимирующем ПХ НЭ u₂ = f(u₁) полиноме за счет использования комбинированных функциональных многочленов, в общем случае представляющих собой совокупность степенных, показательных и тригонометрических полиномов:

, (8)

где ∆u – половина интервала допустимых значений воздействия u₁ на вход НЭ.

Выражение (8) обобщает все вышеперечисленные частные типовые аналитические модели НЭ, за исключением кусочно-линейной. Так, случай С_m = A_r = B_r = 0 имеет место при аппроксимации ПХ степенным многочленом, случай a_n = A_r = B_r = 0 соответствует аппроксимации ПХ экспоненциальным полиномом, а случай a_n = С_m = 0, соответственно, тригонометрическим полиномом.

Рассмотрим, например, УТ РПУ. Если он является идеальным, то его ПХ является линейной функцией: u₂ = Кu₁. Разностную функцию, характеризующую отклонение реальной ПХ от линейной, можно представить в виде любой функциональной зависимости. Для УТ РПУ наиболее удобной формой представления разностной функции является синусоидальная, что приводит в результате к аппроксимации ПХ УТ суммой линейной и тригонометрической функций:

. (9)

Параметры такого рода аналитической модели a, B и ∆u подлежат определению. В случае, когда а = Вπ/2Δu, ПХ УТ имеет горизонтальный участок при глубоком ограничении сигнала. С учетом этого в работе получено максимально простое выражение для ПХ УТ РПУ следующего вида [3, 6, 12, 18, 21 и др.]:

, (10)

(-u< u₁ < u).

Здесь К – коэффициент усиления, а Δu обусловливает динамический диапазон приемного тракта РПУ.

График зависимости u₂ от u₁ изображен на рисунке 5.





Уровень входного напряжения не может превышать предельно допустимого значения Δu, т. е. всегда должно выполняться неравенство (|u₁| ≤ Δu).

При полигармоническом входном воздействии на УТ выражение для u₁(t) с учетом возможного начального смещения рабочей точки на ПХ U_1,0 запишется в виде:

(11)

В этом случае на выходе УТ будет иметь место колебание u₂(t):

(12)

где J_n(x) - функции Бесселя 1-го рода, n-го порядка.

В случае представления ПХ УТ РПУ выражением (10) для известных параметров модели К_ус и ∆u, а также заданных параметров многосигнального входного воздействия U_1i(t) и _1i(t) (11) в любой момент времени t с помощью выражения (12) можно определить значения параметров (амплитуды и фазы) любого из общего числа компонентов спектра выходного колебания.

При моногармоническом входном воздействии из выражения (12) можно получить амплитудную характеристику (АХ) УТ РПУ:

, (13) где U_1,1 - амплитуда гармонического колебания на входе УТ;

U_2,1 - амплитуда 1-ой гармоники колебания на выходе УТ;

U_1,0 - постоянное смещение рабочей точки на ПХ;

u - полуинтервал допустимых изменений напряжения на входе УТ.

В случае бигармонического входного воздействия может быть получена характеристика блокирования (ХБ) УТ РПУ:

, (14)

а также его интермодуляционная характеристика (ИХ):


. (15)

Здесь дополнительно обозначено:

U_1,1 и U_1,2 - амплитуды гармонических компонентов бигармонического колебания на входе УТ;

U_2,(2-1) - амплитуда интермодуляционной составляющей третьего порядка вида (2f₁-f₂) или (2f₂-f₁) на выходе УТ.

В работе приведен алгоритм синтеза ПХ УТ РПУ (10) по его основным параметрам К_ус и динамическому диапазону D. К_ус задается изначально как коэффициент усиления УТ, а параметр ∆u определяется следующим образом через динамический диапазон УТ D, заданный в дБ по отношению к 1мкВ:

(16)

В таблице приведены результаты расчетов с помощью выражения (16) значений u[B] в зависимости от значений динамического диапазона D дБ.

Таблица

Зависимость полуинтервала ∆u допустимых уровней воздействия на вход УТ РПУ от его динамического диапазона D
D дБ	60	70	80	90	100
u [B]	0,035	0,197	1,11	6,25	35,12

В другом примере с целью апробации предложенного аналитического метода моделирования НЭ исследован усилитель-ограничитель (УО) с кусочно-линейной ПХ, аппроксимированной суммой линейной функции и ряда Фурье, которым представлена разностная функция. В этом случае аналитическое выражение для ПХ УО имеет вид:

, (17)

где

U_1,ог - порог ограничения по входу, К - коэффициент усиления при U₁<U_1,ог,

U_1max - максимально допустимое напряжение на входе УО.

Сравнение результатов, полученных при аппроксимации предложенным методом в случае моногармонического входного воздействия, с результатами, рассчитанными с помощью функций Берга, показало их полную адекватность. В отличие от модели Берга, предложенный метод аппроксимации кусочно-линейной ПХ УО комбинированными функциями позволяет получать аналитические выражения не только для АХ гармоник сигнала на выходе УО, но и АХ любых интермодуляционных компонентов при полигармоническом входном воздействии.

Из вышеприведенных примеров видна простота аналитических выражений для основных характеристик НЭ которые, в отличие от полученных другими методами, дают возможность легко анализировать характер изменения функциональных зависимостей при изменении их аргументов.

В работе проведен анализ многокаскадного УТ РПУ и получены аналитические выражения для его основных характеристик. Исследован вопрос зависимости динамического диапазона УТ от числа содержащихся в нем усилительных каскадов.

Имитационно-аналитическая модель трассовых испытаний РПУ учитывает всю совокупность аддитивных помех, которые попадают в полосу пропускания его ФПИ, и их взаимодействие на НЭ усилительного тракта как с сигналом, так и между собой. Если известна вероятность поражения канала связи станционной помехой, то их общее число М_i в i-м сеансе в заданной полосе Δf фильтра предварительной избирательности находится по закону Пуассона. Уровень напряжения j-й помехи U_пj определяется из предположения, что уровни станционных помех распределены по логарифмически-нормальному закону. Уровни сигналов в различных сеансах связи также считаются распределенными по логарифмически-нормальному закону. Законы замирания сигнала и помех принимаются релеевскими, райсовскими, односторонне-нормальными и др. с учетом статистики, приведенной, например, Е.А. Хмельницким в книге “Оценка реальной помехозащищенности приема сигналов в КВ диапазоне”, результатов исследований, приведенных В.Ф Комаровичем и В.Н. Сосуновым в книге “Случайные радиопомехи и надежность КВ связи” и В.Е. Бухвинером в книге "Оценка качества радиосвязи".

Предполагается, что вдоль оси частот в пределах полосы пропускания фильтра предварительной избирательности станционные помехи распределены равномерно. С учетом формулы (12), уровень напряжения сигнала U_с(вых)(t) на выходе УТ РПУ описывается выражением

. (18)

Одновременно на выходе УТ РПУ за счет взаимодействия станционных помех образуются интермодуляционные помехи нечетных порядков, часть из которых при выполнении условий (2f_r - f_p) = f_c, (f_r + f_p - f_s) = f_c, 3f_r - 2f _p= f _c и т. д. попадает в ФОИ. Уровни интермодуляционных помех, например, третьего порядка определяются следующим образом:

, (19)

. (20)


Определив уровень сигнала и все уровни интермодуляционных помех, которые попадают в полосу пропускания ФОИ, можно найти мощность этих помех как сумму их индивидуальных мощностей совместно с мощностью аддитивного шума и рассчитать отношение сигнал/помеха H. Зная H, можно определить вероятность

ошибочного приема элемента в любой заданный момент времени, построить вектор ошибок и определить число этих ошибок, обусловливающих качество сообщения, принятого в проводимом сеансе связи. Для коротких сеансов связи, когда длительность сообщения во много раз меньше интервала корреляции замирания сигнала и помех, оценку качества сеансов связи можно производить непосредственно по отношению сигнал/помеха H.

Аналогичным образом исследовано влияние параметров смесителей в преобразователях частоты РПУ на КИД КС [20].

В третьей главе диссертации развиваются приложения метода аналитического моделирования проходных характеристик нелинейных элементов в отношении цифровых РПУ (п. 2 положений, выносимых на защиту), в состав АЦП которых, наряду с дискретизаторами, входят квантователи. Квантователи - нелинейные элементы, и в связи с этим АЦП вносят определенные искажения в преобразуемые в цифровую форму сигналы. Предложенный метод аппроксимации ПХ НЭ комбинированными функциями является удобным инструментом для анализа работы квантователей в условиях большого количества помех, воздействующих на вход АЦП. Результаты третьей главы изложены в работах [3, 4, 8, 10, 19, 38, 51, 52].

В случае предложенной автором аппроксимации проходная характеристика квантователя описывается выражением:

, (21)

где - коэффициент комплексного ряда Фурье, в который разлагается пилообразная функция U₂ = U₂ – U₁U₂/U₁, U₁ - шаг квантования по входу, U₂ - шаг квантования по выходу, U_1,0 - постоянное смещение (для квантователя с округлением U_1,0 = 0).

В работе рассмотрены варианты моделей квантователей с ограниченным числом уровней [10] и с неравномерным шагом квантования.

Результаты аналитического моделирования квантователя при увеличении числа членов в аппроксимирующем его ПХ ряде Фурье сходятся к результатам детерминированной модели квантователя [19] и результатам, полученным имитационным путем.

Предложенный метод аналитического моделирования ПХ квантователей дал возможность разработать модель трассовых испытаний цифровых РПУ и с помощью нее определить зависимость КИД КС от параметров устройства цифровой обработки сигнала [38].

Четвертая глава диссертации посвящена компьютерному имитационному методу моделирования двухмерного КС (п. 5 положений, выносимых на защиту), методу моделирования трехмерного ПВ КС (п. 6 положений, выносимых на защиту), методу наклонного зондирования ионосферы широкополосными сигналами (п. 7 положений, выносимых на защиту), методу физического моделирования КВ КС (п. 8 положений, выносимых на защиту), методу моделирования трассовых испытаний КВ СС в условиях воздействия преднамеренных помех.

Описана имитационная модель двухмерного многолучевого КС, учитывающая всевозможные аддитивные помехи и их взаимодействие друг с другом и с сигналом в УТ РПУ с заданными характеристиками [2, 28].

Описан новый метод имитационного компьютерного моделирования вектора напряженности электромагнитного поля в точке приема, позволяющий создать ПВ модель трехмерного сигнала с учетом тонкой структуры многолучевого КС и углов прихода индивидуальных лучей, а также с учетом характера поляризации электромагнитной волны в каждом отдельно взятом луче [2, 4, 5].

Описан метод наклонного зондирования ионосферы широкополосными сигналами, отличающийся возможностью одновременной регистрации огибающей импульсной реакции КВ КС и значений комплексных коэффициентов передачи отдельных лучей КВ канала связи как функций времени.

Дано описание различных методов имитационного физического моделирования КВ КС. Новой, отражающей творческий вклад автора в эту область, является физическая модель КВ КС с использованием реальных гармонических сигналов собственных или посторонних радиостанций, например, станций точного времени [30] (метод “ЭКВИВАЛЕНТ”), позволяющая скрытно производить трассовые испытания низкоскоростных систем связи. Блок-схема рабочего места для исследования систем связи методом “ЭКВИВАЛЕНТ” приведена на рисунке 6, на котором обозначено: УПФ - узкополосный фильтр; ИС - источник сообщения; М - манипулятор; АТТ- аттенюатор; В - возбудитель; ДМ- демодулятор; УА- устройства анализа.

Суть метода “ЭКВИВАЛЕНТ” заключается в том, что принимается гармонический сигнал (в нашем случае от станции точного времени), который отражает истинные замирания сигнала на данной трассе. Этот сигнал, используемый в качестве несущего колебания, подается с выхода ФОИ РПУ на промежуточной частоте на вход КВ возбудителя, манипулируется соответствующим способом и переизлучается на заданной частоте, на которую настроен рабочий приемник. На антенне этого приемника происходит суммирование переизлученного возбудителем сигнала с реальными аддитивными помехами, присутствующими на этой частоте. Таким образом, учитываются и реальные замирания сигнала, и реальные помехи в точке его приема. На метод физического моделирования трассовых испытаний КВ СС получено авторское свидетельство на изобретение.





Рисунок 6. Блок-схема рабочего места для сравнительных трассовых испытаний КВ систем

связи методом “ЭКВИВАЛЕНТ” с использованием сигналов станций точного времени


Моделирование КВ КС в условиях воздействия преднамеренных помех показало, что с целью повышения скрытности СС, целесообразно снижение мощности излучаемого КВ передатчиком сигнала до значений, обеспечивающих достаточное для декодирования качество принимаемых сообщений.

В пятой главе приведены результаты вычислительных экспериментов и натурных испытаний КВ систем связи, которые были проведены лично автором и под его непосредственным руководством и отражены в его работах [2, 5, 16, 20-22, 30, 36-38], а также в соответствующих отчетах по НИР и ОКР.

В главе приведены результаты трассовых сравнительных испытаний предложенной и разработанной под непосредственным руководством автора и внедренной в СС низкоскоростной высоконадежной системы связи ЧТ-20, имеющей скорость манипуляции 4 Бода, с базовой системой ОФТ-500. Результаты этих испытаний приведены на рисунке 7.

Полученные результаты показали, что за счет снижения скорости манипуляции, введения избыточного кодирования и частотно-временного разнесения мощность передатчика для КС с ЧТ-20 может быть уменьшена на 40 дБ по сравнению со штатным видом манипуляции ОФТ-500. При сохранении мощности передатчика значительно увеличивался КИД КС с ЧТ-20, достигая, практически, значений близких к 100%.

Вычислительные эксперименты с использованием разработанных имитационно-аналитических моделей дискретных каналов связи для вышеуказанных систем показали практически те же самые результаты, что и трассовые испытания. На рисунке 8 приведены результаты натурного и вычислительного экспериментов. Результаты вычислительных экспериментов приведены пунктирными линиями.

Изображенные на рисунке 8 результаты исследований позволяют сделать вывод об адекватности разработанных в диссертации математических моделей реальным КВ каналам связи.

П
Рисунок 9. Распределение телеграмм по количеству не принятых знаков в случае

использования автовыбора телеграмм при временном и частотном разнесении

риведены результаты исследования надежности передачи сообщений с использованием метода “ЭКВИВАЛЕНТ” [30] для случая ретрансляции сообщений

через удаленный ретрансляционный пункт. Показано, что разнесение по частоте позволяет достичь значения КИД КВ КС при круглосуточной работе порядка 8090%. Результаты этих исследований приведены на рисунке 9.










Результаты вычислительных экспериментов с использованием имитационно-аналитических моделей дискретных КС показали, что передачу сообщений в

режиме ЧТ целесообразно производить с большой девиацией частоты. При этом прием сигналов на поднесущих частотах нужно осуществлять индивидуально, как прием двух АТ сигналов с автовыбором наиболее достоверных элементов. Зависимости КИД от мощности передатчика, полученные в ходе вычислительного эксперимента, приведены на рисунке 10.




Из рисунка 10 видно, что энергетический выигрыш при приеме ЧТ сигналов с большой базой как двух АТ, по сравнению с методом приема обычных ЧТ сигналов, достигает значений 10-30 дБ и более в зависимости от уровня надежности связи.

Результаты имитационно-аналитического моделирования трассовых испытаний УТ РПУ подтвердили большое влияние значений динамического диапазона РПУ и их чувствительности на надежность передачи сообщений.

Было проведено имитационно-аналитическое моделирование трассовых испытаний цифрового РПУ с использованием предложенной аналитической модели квантователя. Показано, что, если число шагов квантования равно или превышает значение 8 при полосе пропускания фильтра предварительной избирательности РПУ

100 КГц, то при наличии регулируемого входного аттенюатора цифровое РПУ вынесенного приемного центра энергетически проигрывает идеальному РПУ не более 2 дБ [38].

Последняя шестая глава посвящена основам проектирования КВ КС и имеющей двойное применение высоконадежной системы континентальной КВ мобильной автоматической радиосвязи со свободным доступом пользователей (п. 9 положений, выносимых на защиту), технические решения в которой научно обоснованы с помощью разработанных автором методов математического и физического моделирования. Основное содержание этой главы опубликовано в работах [1, 7, 9, 17, 29, 30, 34, 35, 50, 52].

Повышение надежности передачи сообщений достигается в основном за счет уменьшения скорости манипуляции, значение которой снизу ограничено возможным уходом частоты сигнала за счет явления Доплера, вызванного нестабильностью ионосферы и достигающего величины 1,5 Гц. В этом случае электрическая скорость манипуляции может быть снижена до 4-х Бод.

Положительным моментом при этом является то, что на низкой скорости передачи сообщений нивелируется явление многолучевости. При принятии дополнительных мер повышения надежности связи (избыточное кодирование, адаптация приемного устройства к условиям связи, частотно-, пространственно- и территориально-разнесенный прием сигналов и т. п.) результирующий энергетический выигрыш КС с ЧМ и низкой скоростью манипуляции (4 бода) по сравнению со случаем передачи сообщений на высокой скорости порядка 500 бод методом ОФТ может составить 40-60 дБ т. е. на низкой скорости передача сообщений может вестись без ухудшения надежности связи мощностью порядка 10 мВт – 1 Вт. Естественно, что обнаружить сигналы, передаваемые такой мощностью очень проблематично. Это нашло практическое подтверждение при эксплуатации СС, принятой МО СССР на вооружение сухопутных войск, в условиях боевых действий.

В другой скрытной системе связи, разработанной по инициативе и под непосредственным руководством автора диссертации и принятой на вооружение ВМФ, также используется минимальная скорость манипуляции 4 Бода. Дополнительно с целью противодействия радиоразведке противника и ухода от выставляемых им преднамеренных помех в этой СС использована квазислучайная перестройка по частоте. Каждый очередной знак в этой СС передается на новой не известной противнику частоте. Передача ведется мощностью порядка 1 Вт, что обеспечивает высокую скрытность передачи сообщений. Одновременно, в чрезвычайных ситуациях, предусмотрена возможность работы полной мощностью (10 кВт), что обеспечивает, как следует из результатов трассовых испытаний, приведенных в пятой главе, надежность связи близкую к 100%.

В шестой главе указаны важные проблемы КВ каналов двухсторонней радиосвязи с подвижными объектами, расположенными на значительном (за пределами прямой видимости) удалении от источника информации. Приведены аргументы в пользу того, что параллельно с организацией ССС, обеспечивающими связь с далеко находящимися подвижными объектами, актуально создание в России автоматической КВ сети передачи данных со свободным доступом абонентов, в которой используются удаленные базовые ретрансляционные радиоцентры, интегрированные как с ССС, так и с другими системами связи (сотовыми, проводными и т. п.).

В части использования вынесенных за пределы обслуживаемой зоны КВ ретрансляторов в диссертации развиты научно-технические концепции построения такого рода КВ сети связи, известные по работам Каменева Е.Ф., Головина О.В., Чистякова Н.И., Петровича Н.Т. (Головин О.В. Декаметровая радиосвязь. – М.: Радио и связь, 1990, Головин О.В., Чистяков Н.И., Петрович Н.Т. и др. Использование коротковолнового диапазона во взаимоувязанной сети связи Российской федерации // Корпоративные системы спутниковой и КВ связи. – М.: Эко-Тренз, 1998 и др.), Шарова А.Н. (Автоматизированные сети радиосвязи. – Л.: ВАС, 1988 и др.), Семисошенко М.А. (Формирование оптимальных маршрутов передачи информации в условиях высоких широт // Электросвязь, № 5, 2005) и других исследователей.

В разработанном автором проекте для обслуживания территории всего евразийского континента необходимо 12 ретрансляторов, 9 из которых, как показано на рисунке 11, могут быть размещены на территории России.

Передача сообщений со стороны ПО в сторону ретранслятора ведется в режиме ЧТ-3000÷9000 со скоростью 4 Бода, a со стороны ретранслятора - в режиме уплотнения во времени со скоростью манипуляции равной 5001000 бит/с (ОФТ, ДОФТ или ФТ [49]). Таким образом, производится согласование пропускной способности каналов связи в сторону ретранслятора и от ретранслятора.

Все основные технические решения построения высоконадежной мобильной автоматической КВ системы радиосвязи научно обоснованы с помощью разработанных автором компьютерных моделей каналов связи, результатами физического моделирования и натурных испытаний [16, 27, 30].




Рисунок 11. Зоны России и остальной части евразийского континента, обслуживаемые мобильной автоматической КВ системой радиосвязи


Подробно предлагаемый автором вариант мобильной автоматической КВ системы связи описан в [1, 7, 9, 17, 29, 34, 35, 46, 47, 50, 52].

В заключении освещены полученные в диссертации научные и практические результаты и указаны наиболее перспективные на взгляд автора диссертации направления продолжения работ в части совершенствования математических моделей и в части дальнейшей модернизации разработанного проекта высоконадежной КВ системы мобильной автоматической радиосвязи.


Основные результаты диссертационной работы:

1. Разработан метод аналитического моделирования безынерционных УТ РПУ и входящих в них элементов (усилителей, преобразователей частоты, ограничителей и др.) комбинированными функциями, включающими в себя в общем случае степенные, показательные и тригонометрические функции [3, 6, 10, 11, 18, 32; 52].

Разработанный метод отличается от известных тем, что позволяет получить предельно компактные и наглядные аналитические выражения для различных характеристик НЭ. Данный метод дает возможность определять интермодуляционные составляющие спектра выходного сигнала любых сколь угодно высоких порядков при сколь угодно большом количестве воздействий на вход нелинейного элемента, что необходимо при моделировании трассовых испытаний СС в условиях, максимально приближенных к реальным.

2. Разработаны методы аналитического моделирования цифровых РПУ, отличающиеся тем, что характеристики квантователей, являющихся неотъемлемыми элементами АЦП, представляются комбинированными функциями. Данные методы позволяют аналитическим путем получать все основные характеристики цифровых РПУ и определять интермодуляционные составляющие спектра на выходе ЦАП РПУ при неограниченном числе воздействий на вход АЦП [3, 8, 10, 19, 38, 51, 52].

3. На основе аналитических моделей п. 1 и п. 2 разработаны новые методы имитационно-аналитического моделирования сравнительных трассовых испытаний аналоговых и цифровых РПУ [3, 10, 13, 14, 20-24, 36-38, 52].

4. Разработан метод имитационно-аналитического моделирования одномерного дискретного КС без краевых искажений для сечения “выход кодера” - “вход декодера” [2, 4, 5, 11, 16, 25-27, 33], который отличается от известных тем, что формирование потока ошибок производится с учетом многолучевой структуры КВ КС и замираний как сигнала, так и станционных помех, попадающих в полосу пропускания ФОИ РПУ. Кроме того, разработанный метод моделирования дискретного КС учитывает явление сдваивания ошибок при ОФТ. Этот метод моделирования позволяет имитировать сравнительные трассовые испытания различных демодуляторов [2, 4, 16, 26] и кодеков с учетом возможной на высокой скорости манипуляции цикловой рассинхронизации из-за наличия “вставок” и “выпадений” элементов вследствие замираний отдельных лучей в КС.

5. Разработан новый метод имитационно-аналитического моделирования одномерного дискретного КС с краевыми искажениями элементов сообщения для сечения “выход кодера” - “вход регенератора” [2, 4, 5, 11, 15, 33], который отличается тем, что учитывает многолучевую структуру КВ КС и позволяет одновременно формировать регулярные преобладания, краевые искажения и дробления, происходящие в элементах сообщения.

6. На основе модели п. 5 разработан не имеющий аналогов метод имитационно-аналитического моделирования одномерного КС с дискретным входом и континуальным выходом для сечения “выход кодера” - “выход ФНЧ демодулятора” [2, 4, 5, 11, 15, 33]. Этот метод моделирования позволяет имитировать сравнительные трассовые испытания устройств разнесенного приема сигналов с последетекторным сложением и устройств оперативной оценки качества принимаемых сигналов по уровню напряжения на выходе ФНЧ демодулятора.

7. Разработан метод имитационного компьютерного моделирования двухмерного непрерывного КС для сечения “выход модулятора”-“выход усилительного тракта РПУ” [2, 4, 5, 28], который учитывает тонкую структуру КВ канала и позволяет моделировать в общем случае трех-семипараметрические (в зависимости от характера) замирания сигнала в каждом отдельно взятом луче.

Отличительной особенностью этого метода является то, что он, имея на выходе отсчеты сигнала в квадратурах, позволяет учитывать влияние нелинейности элементов УТ РПУ на отношение сигнал/помеха и при моделировании устройств цифровой обработки сигналов дает возможность реализовать практически полную адекватность их программной реализации.

8. Разработан новый метод имитационного компьютерного моделирования вектора напряженности электромагнитного поля в точке приема, позволяющий создать пространственно-временную модель трехмерного сигнала с учетом тонкой структуры многолучевого канала связи и с учетом как углов прихода лучей, так и характера поляризации электромагнитной волны в каждом из них [2, 4, 5].

9. Разработан метод наклонного зондирования ионосферы широкополосными сигналами, отличающийся возможностью исследования тонкой структуры КВ КС. Разработанная система наклонного зондирования ионосферы с использованием этого метода эксплуатировалась в течение 1973-1976 г. в ИСЗФ СО РАН, что подтверждается соответствующим Актом внедрения результатов диссертационной работы.

10. Разработан новый, не имеющий аналогов, метод физического моделирования трассовых испытаний систем связи, отличающийся тем, что, используя принятый из эфира гармонический сигнал, имеющий реальные замирания, производят манипуляцию его параметров, преобразуют с помощью возбудителя в заданный диапазон частот, в котором присутствуют необходимые станционные помехи, излучают преобразованный по частоте сигнал с заданным уровнем и через внешнюю среду принимают приемником, настроенным на частоту этого сигнала. Данный метод физического моделирования позволяет скрытно имитировать трассовые испытания низкоскоростных систем связи в условиях, практически ничем не отличающихся от реальных.

11. Разработан метод моделирования трассовых испытаний КВ КС в условиях воздействия преднамеренных помех, который позволил дать ряд полезных рекомендаций для проектировщиков скрытных систем передачи сообщений.

12. С помощью разработанных методов математического и физического моделирования научно обоснованы основные технические решения обеспечивающие высокую надежность и одновременно скрытность передачи дискретных сообщений со стороны ПО по декаметровому КС. Эти технические решения были положены в основу разработанных в интересах сухопутных войск и ВМФ СС, которые производились и производятся серийно, что подтверждается Актом внедрения результатов диссертационной работы.

13. Разработаны и научно обоснованы с использованием предложенных в работе методов математического и физического моделирования принципы построения высоконадежных КВ КС, в том числе для сети мобильной автоматической КВ радиосвязи со свободным доступом пользователей, использующей удаленные ретрансляторы [1, 7, 9, 17, 29, 30, 34, 35, 46-50, 52].

14. Разработанные методы моделирования используются в производстве при проектировании радиоприемных устройств в ОНИИП и в учебном процессе в ОмГТУ, что подтверждается соответствующими Актами внедрения результатов диссертационной работы.

Естественно, что данная работа явилась плодом многолетних научно-технических изысканий автора, и большое число идей родилось у него в сотрудничестве и в ходе обмена мнениями со многими повлиявшими на формирование его мировоззрения учеными: В.С. Дулицким, В.А. Краусом, Н.И. Чистяковым, Н.Т. Петровичем, В.Д. Челышевым, Е.А. Голубевым, Н.Н. Фоминым, О.В. Головиным, Н.П. Хворостенко, А.И. Фалько, Л.И. Филипповым, В.М. Смольяниновым, Н.Е. Кирилловым, Б.Н. Павловым, А.Д. Петровым, П.А. Герастовским, В.А. Шапцевым, В.А. Майстренко, В.И. Теаро, В.М. Едвабным, Н.А. Сартасовым, А.В. Куликовским, Е.С. Побережским, Ю.С. Лузаном, Н.П. Хмыровой, Г.К. Хазан, М.С. Подлубным, Г.И. Вальдманом, В.Б. Шульманом, Д.Е. Зачатейским , Д.В. Федосовым и многими другими специалистами, которым автор считает необходимым выразить свою глубокую признательность.