Міністерство освіти І науки України Національний університет “Львівська політехніка”

Вид материала

Автореферат

Содержание Дисертацією є рукопис Мандзій Богдан Андрійович Лісовий Іван Павлович Кичак Василь Мартинович Коваль Валерій Вікторович 25 ” березня Актуальність теми. Зв’язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами і темами. Мета роботи Об’єктом дослідження Методи дослідження. Наукова новизна Практичне значення отриманих результатів. Особистий внесок автора в отриманні описаних результатів. Апробація результатів роботи. Структура та обсяг дисертаційної роботи. Основний зміст роботи Перший розділ ДС першого порядку Рис. 1. Представлення випадкових процесів перетинами. ... Полное содержание

Подобный материал:

• Міністерство Освіти І Науки України Національний університет “Львівська політехніка”, 2021.84kb.
• Міністерство освіти І науки україни національний університет «львівська політехніка», 1080.17kb.
• Міністерство освіти І науки україни національний університет «львівська політехніка», 1068.44kb.
• Міністерство освіти І науки україни національний університет «львівська політехніка», 1259.1kb.
• Національний університет «львівська політехніка» алзаб аєд хамдан, 385.08kb.
• Міністерство освіти І науки україни національний університет «львівська політехніка», 1563.62kb.
• Міністерство освіти І науки україни національний університет «львівська політехніка», 208.38kb.
• Міністерство освіти І науки україни національний університет «львівська політехніка», 723.06kb.
• Міністерство освіти І науки України Національний університет "Львівська політехніка", 526.12kb.
• Міністерство освіти І науки України Національний університет "Львівська політехніка", 305.54kb.

Міністерство освіти і науки України


Національний університет “Львівська політехніка”


БОНДАРЄВ Андрій Петрович

УДК 621.391.82.016.35:621.372

Теоретичні засади та методи забезпечення завадостійкості

пристроїв фазової синхронізації

на етапі проектування


05.12.13 – радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікації

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Львів – 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному університеті "Львівська політехніка"
Міністерства освіти і науки України.


Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Мандзій Богдан Андрійович,

професор кафедри
теоретичної радіотехніки і радіовимірювань
Національного університету "Львівська політехніка"


Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Лісовий Іван Павлович,

професор

Одеської національної академії зв’язку

ім. О.С.Попова (м. Одеса)


доктор технічних наук, професор

Кичак Василь Мартинович,

директор інституту радіотехніки, зв’язку та приладобудування
Вінницького національного технічного
університету (м. Вінниця)


доктор технічних наук, доцент

Коваль Валерій Вікторович,

завідувач кафедри радіомоніторингу та радіочастотного менеджменту Державного університету інформаційно–комунікаційних технологій (м. Київ).


Захист відбудеться “ 19 ” травня 2008 р. о 13.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.10 у Національному університеті "Львівська політехніка" за адресою: 79013, м. Львів, вул. С. Бандери, 12, ауд. 218, ХІ навчального корпусу.


З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Національного університету „Львівська політехніка” (79013, м.Львів-13, вул. Професорська, 1) .


Автореферат розісланий “ 25 ” березня 2008 р.


В.о. вченого секретаря

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор Рицар Б.Є.


Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Пристрої фазової синхронізації широко застосовують у прий­мачах систем радіозв’язку, радіолокації та навігації. У сучасних приймачах цифрових сигналів такий пристрій є невіддільною складовою частиною, котра визначає якість і саму можливість функціонування приймача.

З теорії оптимальної нелінійної фільтрації випливає, що оптимальним фільтром для вузько­сму­гового сигналу з частотними та фазовими флуктуаціями на фоні широко­смугового шуму є власне пристрій фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ). У теоретичному плані пристрій ФАПЧ є представником класу динамічних систем із пері­одичною нелінійністю і результати його аналізу без втрати загальності можна перенес­ти на інші системи класу (схеми стеження за доріжкою лазерного диску, пристрої на контакті Джозефсона, синхронні машини тощо). Це обумовлює значний інтерес до дослідження пристроїв ФАПЧ. Великий внесок у розвиток теоретичних засад фазових систем, ме­то­дів оптимального синтезу ФАПЧ, методів забезпечення завадостійкості синхронних фазових вимірювачів, методів аналізу впливу детермінованих та випад­ко­вих збурень на­лежить таким вченим: Белюстина Л.М., Бест Р., Ван Тріс Г., Вітербі Е.Д., Ґарднер Ф., Еґан В., Жодзішський М.І., Зюко А.Г., Кроупа В., Пєстряков В.Б., Стеклов В.К., Шахґільдян В.В.

У працях зазначених та багатьох інших вчених визначені структури та значення па­ра­метрів пристроїв, які реалізують потенційну завадостійкість, максимальну точність та швидкодію. Розроблені аналітичні та числові методи аналізу, які дозволяють вра­хо­вувати випадкові або детерміновані завади, аналізувати пристрої високих порядків.

Ве­лика кількість робіт сучасних зарубіжних авторів присвячена розробці керова­них генераторів НВЧ діапа­зо­ну та інженерному розрахунку фільтрів. З початку ХХІ сторіччя кількість публікацій, присвячених методам проектування ФАПЧ, помітно зросла, що зумовлено появою мікросхем НВЧ діапазону, у яких реа­лізовані основні функціональні елементи ФАПЧ.

Однак, залишились невирішеними проблеми, які обмежують можливості застосу­вання пристроїв фазової синхронізації у складній сигнально-завадовій обстановці та можливості застосування існуючих методів аналізу цих пристроїв. Існуючі методи оптимізації параметрів ФАПЧ забезпечують підвищення завадостійкості виключно за рахунок погіршення динамічних характеристик пристрою. Ці методи вимагають від проектувальника апріорно задавати параметри завад і не гарантують збереження працездатності за умов зміни цих параметрів на етапі експлуатації. Крім того, методи аналізу впливу детермінованих і випадкових завад є несумісними як за постановкою задачі, так і за формою подання результатів.

Таким чином, подальше проведення теоретичних і прикладних досліджень для розробки методів підви­щен­ня завадостійкості пристроїв синхронізації зі збере­жен­ням їх динамічних властивостей є актуальною науково-прикладною проблемою.

Дисертаційна робота є розвитком та узагальненням досліджень завадостійкості при­строїв ФАПЧ, які проводились автором з 1982 року, у напрямку аналізу завадо­стій­кості за умов дії складніших за структурою завад, а також не тільки параметричного, а і схемотехнічного синтезу завадостійких пристроїв.

Зв’язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами і темами. Задачі, які розглядаються в даній дисертаційній роботі, є складовою частиною науко­вих проектів, які здійснюються на кафедрі теоретичної радіотехніки та радіовимі­рю­вань Національного університету "Львівська політехніка", відповідають науково­му напряму та тематиці досліджень кафедри.

Дослідження, висвітлені в дисертаційній роботі, проводилися згідно з планом на­уково-дослідних робіт Національного університету "Львівська політехніка" в рам­ках держбюджетної теми ДБ "КРОКІТ" ("Розробка комп’ютерних макромоделей радіо­е­лек­тронних систем та їх функціональних вузлів, адаптованих до задач надійнісного проектування", державний реєстраційний номер 0107U000836), де ав­тор брав участь як виконавець.

Мета роботи. Метою роботи є розвинення теоретичних засад та розроблення ефек­тивних методів підвищення завадостійкості пристроїв фазової синхронізації зі збере­жен­ням їх динамічних властивостей.

Для досягнення цієї мети в роботі вирішувались такі основні задачі:

1. Створення теоретичних передумов для формування єдиного математичного та ал­го­ритмічного підходу до аналізу процесів у пристроях ФАПЧ під впливом де­тер­мінованих і випадкових збурень.
   
2. Побудова математичної моделі пристрою ФАПЧ, яка враховує дію широкосму­гової завади, кутової модуляції або маніпуляції, зміну носійної частоти сигналу у процесі синхронізації, фазову та частотну нестабільності носійного коливання.
   
3. Параметричний синтез пристроїв синхронізації за критерієм забезпечення пра­це­здатності в умовах максимальних відхилень параметрів сигналу і завад від апрі­ор­но заданих.
   
4. Схемотехнічне підвищення завадостійкості та аналіз можливостей його засто­су­ван­ня у прикладних задачах радіозв’язку, локації і навігації.
   
5. Створення програмного забезпечення, яке реалізує розроблені методи аналізу за­ва­достійкості та параметричного синтезу пристроїв синхронізації.
   

Об’єктом дослідження є процес синхронізації пристроїв фазового автопід­стро­ю­ван­ня частоти (ФАПЧ), призначених для обробки сигналів у радіоприймачах.

Предметом дослідження є методи забезпечення завадостійкості пристроїв ФАПЧ за умов одночасного впливу детермінованих і випадкових збурень.

Методи дослідження. В роботі використано методи і основні положення теорії елек­тричних кіл, теоретичної радіотехніки, теорії випадкових проце­сів, методи числового інтегрування рівнянь у звичайних та часткових похідних, мето­ди якісної теорії диференціальних рівнянь, кумулянтний метод аналізу випадкових про­цесів.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

1. Набула подальшого розвитку теорія випадкових процесів (ВП) у динамічних си­стемах (ДС) в напрямку виявлення якісних змін характерних особливостей ВП при не­пе­рервних змінах значень параметрів випадкового збурення та динамічної системи (сто­хастичних біфуркацій) на відміну від переважно кількісних оцінок у сучасній теорії ВП. Це дало можливість виявити та означити якісні відмінності статистичної ди­на­міки, біфуркаційні значення початкових умов та параметрів ДС і збурення.

2. Вперше запропонований опис статистичної динаміки систем другого порядку поведінкою перетину двовимірного розподілу (еліпсу) на фазовому портреті незбу­реної системи, на відміну від існуючих описів нестаціонарним розподілом імовірності або ансамблем реалізацій. Це дало можливість значно скоротити обчислювальну складність аналізу та виявити якісні відмінності статистичної динаміки, аналогічні до біфуркаційних явищ у детермінованих динамічних системах.

3. Вперше виявлені якісно відмінні типи статистичної динаміки ФАПЧ другого по­рядку. На основі цих якісних відмінностей запроваджено означення шумової смуги схоплення (ШСС), як нової характеристики працездатності пристроїв фазової синхро­ні­зації. Уточнено раніше запроваджене означення шумової смуги утримання (ШСУ).

4. Розроблено новий метод аналізу статистичної динаміки нелінійного ФАПЧ, який відрізняється від існуючих можливістю урахування впливу детермінованих і випад­ко­вих збурень з однакових позицій – визначення границь працездатності пристрою. Ме­тод і його програмна реалізація не вимагають апріорно задавати параметри завади і дають можливість використовувати на етапі проектування відомий критерій мінімуму фазової похибки, а крім того, вперше запропоновані для такого використання критерії максимальної граничної інтенсивності завад та максимального діапазону стеження.

5. Вперше обґрунтована та розроблена структура пристрою, який забезпечує значне підвищення завадостійкості пристрою ФАПЧ зі збереженням його динамічних властивостей шляхом локального зменшення рівня сигналу розузгодження фазового детектора. Це дає можливість роздільного регулювання фільтруючих властивостей пристрою ФАПЧ та його завадостійкості.

6. Вперше розроблена та досліджена математична модель модифікованого при­строю ФАПЧ, аналіз якої показав можливість підвищення завадостійкості ФАПЧ з інтегруючим фільтром на 4-10 дБ, а ФАПЧ першого порядку – на 14-18 дБ .

7. Вперше визначена область простору параметрів модифікованого пристрою ФАПЧ, в межах якої пристрій є глобально стійким. Це дає можливість проектування завадостійких пристроїв синхронізації з широкою смугою схоплення.

Практичне значення отриманих результатів. Розвинуті у роботі теоретичні по­ложення, отримані математичні моделі та методи утворюють теоретичну базу для забезпечення на етапі проектування підвищеної завадостійкості пристроїв фазової син­хронізації приймачів радіосигналів.

Розроблене прикладне математичне забезпечення аналізу та параметричного син­те­зу пристроїв синхронізації базується на алгоритмах, які мають обчислювальну склад­ність на 2-4 порядки мен­шу, ніж відомі алгоритми, що уможливлює пе­ребір параметрів пристрою, сигналу і завад у широкому діапазоні. Математичне за­безпе­чен­ня дає можливість розробнику оптимізувати пристрої синхронізації за відомим крите­рієм мінімуму середньоквадратичного відхилення (СКВ), а також за кри­теріями мак­си­маль­ної граничної завадостійкості та максимального діапазону сте­ження з міні­маль­ним обсягом апріорних даних про заваду.

Вперше досліджено структурну схему модифікованого пристрою ФАПЧ (патент України № 66435. Бюл. №5, 2004), яка реалізує підвищення завадостійкості зі збе­ре­женням динамічних властивостей пристрою, та розраховані границі діапазонів значень пара­мет­рів, за яких проявляються корисні властивості модифікованого пристрою. До­слід­жена схема знайшла застосування при виконанні науково-дослідних і кон­струк­торських робіт у Львівському науково-дослідному радіотехнічному інституті, ВАТ НДКІ РЕМА та Запорізькому державному під­приємстві "Радіоприлад", що підтверд­жено відпо­від­ними актами про впровад­ження.

На тестових прикладах здійснено вибір структури і параметрів пристрою фазової синхронізації, які на 8-10 дБ підвищують завадостійкість приймання ЧМ сигналів та навігаційних сигналів GPS, а також розраховані параметри приймача радіолока­цій­но­го сигналу, за яких необхідний рівень відношення сигнал/шум (ВСШ) на вході прий­ма­ча зменшуєть­ся у 3-4 рази, а діапазон стеження розширюється у 2,5 рази.

Особистий внесок автора в отриманні описаних результатів. Основні резуль­та­ти дисертаційної роботи отримані автором самостійно.

У роботах, написаних у співавторстві, автору належать розробка кумулянтної мо­делі ФАПЧ [2, 31] та її модифікації для випадку фазової модуляції [18, 39], фа­зо­вої маніпуляції [28], урахування кумулянтів вищих порядків [17, 19, 36]. У роботі [1] автор розробив і дослідив математичну модель ФАПЧ у диференціальних рівняннях у часткових похідних. У всіх вказаних вище працях автору належить виявлення гра­ничної завадостійкості пристрою ФАПЧ у різних умовах, у праці [10] – для різних ви­дів фазових детекторів, а у працях [25, 44] – для модифікованого ФАПЧ.

У працях, написаних у співавторстві з М.С. Мартинівим [30, 32], автору належить спосіб узгодження параметрів вузькосмугового фільтра (ВСФ) та фільтра верхніх час­тот (ФВЧ), а також математичне моделювання та виявлення умов реалізації но­вих корисних властивостей пристрою, що у сукупності із запропонованою співавто­ром евристичною схемою модифікованого ФАПЧ стало предметом винаходу. В ро­бо­тах [24, 42] автором крім того надані конкретні рекомендації щодо вибору пара­метрів модифікованого ФАПЧ.

В роботах [3, 13, 43, 45], написаних у співавторстві зі студентами, аспірантами і здобувачами, автору належать постановка задачі та інтерпретація результатів. Крім того, у роботах [4, 29] автор розробив математичну модель, а у [26] – провів порів­няльний аналіз отриманих результатів.

Апробація результатів роботи. Представлені в даній дисертаційній роботі ре­зуль­тати теоретичних досліджень, аналізу, обчислювальних експериментів і проек­ту­вання доповідалися автором на 15 наукових конференціях, переважно міжна­род­них. Серед них: Всес. науч.-техн. конференции "Развитие и совер­шен­ство­вание устройств син­хрони­зации в системах связи" (Горький, 1988, Ярославль, 1993); TCSET (Львів–Слав­сько, 2004, 2006 та 2008); "Сучасні проблеми радіо­елек­тро­ніки, те­леко­мунікацій та при­ладобуду­ван­ня” (Вінниця, 2005, 2006 та 2007); Міжву­зів­ська науково-технічна кон­ференція науково-педа­гогіч­них працівни­ків (Львів, 2006); "Радио­электроника и молодежь в ХХІ веке" (Харків, 2006); "Modelowanie i symulacja komputerowa w techni­ce" (Łódź, 2006); "ELECTRONICS" (Kaunas, 2006); "Глобаль­ные информационные сист­емы. Проблемы и тенденции развития" (Харьков-Туапсе, 2006); "Сучасні пробле­ми телекомунікацій" (Львів, 2006); "Комп’ютерні системи в автоматизації виробничих процесів" (Хмельницький, 2007).

Публікації. Результати теоретичних досліджень, проведених аналізів, обчислень і проектування, що описані у дисертаційній роботі, опубліковані автором у 45 наукових працях, серед яких 27 – у фахових виданнях, включених до переліку ВАК України, 15 – матеріали конференцій, 1 патент України на винахід, 22 одноосібних.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел з 239 найменувань на 21 сторінці та 5 додатків на 32 сторінках. Повний обсяг роботи становить 306 сто­рінок тексту, серед яких 238 сторінок основної частини, 134 рисунки (1 на окремій сторінці) i 17 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність проблематики і теми дисертаційної ро­боти. Описано також взаємозв’язок роботи з науковими програмами, планами і те­ма­тикою досліджень. Описано мету роботи, головні ідеї, на яких вона ґрунтується, да­єть­ся перелік розв’язаних в ній задач. Далі обговорюється особистий внесок авто­ра, прак­тичне значення отриманих результатів і дані про їх застосування. Наведено та­кож дані про презентацію цих результатів на семінарах, симпозіумах і наукових кон­ференціях, а також про публікації в наукових журналах. В кінці вступу описано загальну структуру дисертаційної роботи.

Перший розділ дисертаційної роботи містить огляд літературних джерел за те­мою дисертації, з’ясування стану розробки проблеми та формулювання напрямків до­слід­жень. За результатами огляду зроблено висновки, що, попри широку дослідженість за­вадостійкості процесу синхронізації, залишились невирішеними проблеми, які обме­жу­ють можливості застосу­вання пристроїв фазової синхронізації у складній сигналь­но-завадовій обстановці та можливості застосування існуючих методів аналізу цих прис­троїв. Існуючі методи оптимізації параметрів ФАПЧ забезпечують підвищення завадо­стійкості виключно за рахунок погіршення динамічних характеристик прис­трою. Ці ме­тоди вимагають від проектувальника апріорно задавати параметри завад і не гаран­тують збереження працездатності за умов зміни цих параметрів на етапі екс­плу­атації. Крім того, методи аналізу впливу детермінованих і випадкових завад є несу­місними як за постановкою задачі, так і за формою подання результатів. При­датні для практич­но­го застосування результати оптимізації пристроїв ФАПЧ отри­ма­ні лі­не­аризованими методами, тобто передбачають низький рівень ви­пад­ко­вих та де­тер­мінованих збурень. У зв’язку з викладеним вище виникає необ­хідність теоретичних до­сліджень по ство­ренню універсальних методів аналізу ФАПЧ та методів підвищення зава­до­стій­кості пристроїв синхронізації зі збереженням їх дина­мічних властивостей.

Другий розділ дисертаційної роботи присвячений розвитку теорії випадкових про­цесів (ВП) у динамічних системах (ДС) з метою наближення понятійного апа­рату опи­су ВП до досконало розвинутої теорії біфуркацій детермінованих ДС.

Розглянуто ВП x(t) у ДС першого порядку, описаний стохастичним рівнянням

dx/dt = – F(x) + n(t) = – dU(x)/dx + n(t), (1)

де F(x) – коефіцієнт зносу, – потенціальна функція, n(t) – білий шум з інтенсивністю енергетичного спектру N. Нестаціонарна густина імовір­но­сті P(x,t) такого ВП задовольняє рівняння Фокера-Планка

, (2)

стаціонарним розв'язком якого є

, (3)

де A – нормуючий множник. Поведінка ДС під впливом випадкового збурення екві­валентна до поведінки важкого газу з температурою N/2 на потенціальній поверхні U(x), причому рівняння (1) описує броунівський рух молекул, а рівняння (2) – гус­ти­ну газу. Розподіл густини імовірності так само повно, як набір значень P(x) (рис. 1 а), описує набір перетинів прямими P(x)=const (рис. 1 б).