Розвиток методів параметричного синтезу та схемотехніки частотно-вибіркових пристроїв засобів телекомунікацій

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми дисертаційної роботи визначається необхідністю удосконалювання методів параметричного синтезу частотно-вибіркових пристроїв радіотехніки та засобів телекомунікацій з нетиповими характеристиками.

Мета та задачі дослідження. Розробка методу параметричного синтезу частотно-вибіркових пристроїв з нетиповими характеристиками на основі ідентифікаційних підходів, який дозволяє здійснити перехід від ММ малої розмірності до ТМ більшої розмірності, за якою явно слідкує реалізаційний аспект; розробка рекомендацій по практичній реалізації отриманих ТМ.

Відповідно до цього основними задачами дисертаційної роботи є:

розробка концепції параметричного синтезу частотно-вибіркових пристроїв, що максимально враховує особливості та системний потенціал ідентифікаційних підходів, методів та принципів;

розвити ідентифікаційні методи в контексті параметричного синтезу частотно-вибіркових пристроїв;

розробити методику, що реалізує потенціал ідентифікаційних підходів, який виявлено в ході розв'язання прикладних задачах параметричного синтезу частотно-вибіркових пристроїв;

розробити алгоритми та програми, що реалізують методами автоформалізації отримання ТМ в визначеному сенсі адекватних задачам, що розв'язуються;

провести апробацію запропонованих методів та підходів на конкретних задачах синтезу моделей частотно-вибіркових систем та проектування частотно-вибіркових пристроїв засобів телекомунікацій;

розв'язати проблему оцінки адекватності запропонованих методів, програм та отриманих кінцевих результатів;

розробити рекомендації та методики по застосуванню отриманих результатів в практиці науково-дослідницької та інженерної діяльності.

1. Основи теорії синтезу вибіркових пристроїв

На основі огляду та узагальнення багатьох науково-технічних джерел, сформульована постановка задачі синтезу лінійних електричних кіл, обґрунтована доцільність використання в якості ТМ передатних функцій електричних кіл (у вигляді дрібно-раціональних функцій комплексної змінної p), розглянуті умови фізичної здійсненності цих функцій а також основні підходи до розв'язання задачі апроксимації нетипових характеристик (апроксимація аналітичними методами, за допомогою частотного метода (Боде), ітераційний метод). На підставі проведеного огляду і аналізу були зроблені такі висновки.

1. Більшість задач синтезу частотно-виборчих кіл, що зустрічаються в інженерній практиці досить добре вивчені і вирішені строгими методами. Для цих задач поняття оптимальності зв'язане зі зменшенням перехідної смуги або часу встановлення. Існуючі для них інженерні методи прості, хоча і не елементарні. Вони базуються на графіках, таблицях і схемах, заздалегідь складеними за даними, отриманим з використанням сучасних методів оптимального синтезу електронних схем із широким залученням ЕОМ (поліноми Баттерворта, Чебишева і т.д.).

2. При синтезі пристроїв з нетиповими частотними характеристиками, де критерій оптимальності відмінний від класичних (типових), найбільш прийнятними на сучасному етапі є ітераційні методи апроксимації з застосуванням ЕОМ і наступна реалізація (вибір схем) з урахуванням додаткових вимог (по стабільності, динамічному діапазонові, споживаній потужності і т.д.) і залученням практичного досвіду й інтуїції.

3. При рішенні задачі апроксимації можливий різний запис функціонала якості. Одержувані при цьому рішення будуть оптимальні в тому чи іншому змісті, обумовленому особливостями цього функціонала, причому цей функціонал якості повинний у максимальній мірі врахувати системний аспект розв'язуваної задачі.

4. Для мінімізації функціонала якості, що, як правило, має складний не унімодальний характер, потрібне застосування ефективних алгоритмів пошуку глобального мінімуму багатомірних функцій, що повинно бути враховано при розробці відповідних алгоритмів.

5. При конструюванні передатної функції технологічної моделі необхідне накладення обмежень на коефіцієнти полінома знаменника ТМ для одержання фізично реалізованого кола з заданими властивостями.

6. Задача одночасної апроксимації нетипових АЧХ і ФЧХ кола, як правило, може бути вирішена тільки за допомогою функції немінімальної фази. Найчастіше це зводиться до корекції фазової характеристики фільтра, спроектованого на задану вибірковість.

7. Задачу послідовного ітераційного синтезу частотно-виборчих пристроїв можна розглядати як родинну з задачами ідентифікації систем. Великий досвід, накопичений при синтезі різноманітних систем керування може бути використаний для параметричного синтезу квазілінійних частотно-вибіркових пристроїв.

2. Особливості ідентифікаційних методів в задачах синтезу частотно-вибіркових пристроїв

Здійснена класифікація задач синтезу частотно-вибіркових пристроїв с нетиповими характеристиками, при цьому виділені два класи задач.

Перший клас - це отримання по математичній моделі технологічної моделі. При цьому бажана характеристика об'єкту синтезу (фільтру) задана в аналітичній або в табличній формі.

Другий клас - це отримання по фізичній моделі (по реальному об'єкту) його математичної або технологічної моделі для подальших теоретичних досліджень або імітаційного моделювання відповідно.

На основі проведеного порівняльного аналізу методів розв'язання першого та другого класу задач, можна зробити висновки, що задача апроксимації по методах реалізації й особливостям процедур має багато спільного з проблемою ідентифікації параметрів об'єктів. Тому для задач синтезу квазілінійних частотно-вибіркових пристроїв з нетиповими характеристиками на етапі апроксимації можуть бути використані компенсаційні нестатистичні евристичні методи ідентифікації параметрів об'єктів на основі ітераційних процедур.

Це дозволило сформулювати математичну постановку задачі ідентифікації та втілити її в базовому (загальному) алгоритмі ідентифікації визначення параметрів тої чи іншої моделі в прикладних задачах параметричного синтезу частотно-вибіркових пристроїв радіотехніки та засобів телекомунікацій. Це складний послідовно-паралельний алгоритм, що складається з ряду процедур, які слабо формалізуються. При реалізації цього алгоритму в інженерній практиці можливі деякі його спрощення з урахуванням досвіду реалізації аналогічних пристроїв, кількості апріорної інформації та, звичайно, інтуїції розробника.

Раціональна робота евристичного методу неможлива без ефективної процедури оптимізації. Через складний неунімодальний характер цільової функції, побудова такої процедури доцільно здійснювати шляхом об'єднання випадкового пошуку і регулярного пошуку на основі методу нульового або першого порядку. Це враховано при розробці програми ProjectCosinys, що реалізує відповідні алгоритми (метод штучного відбору та метод Хука-Дживса).

Випробування процедур оптимізації проведені на загальноприйнятих тестових функціях (на унімодальній функції Розенброка (Test1) та на більш складній багато екстремальній поверхні (Test2)) показали достатню ефективність використаних алгоритмів.

3. Синтез технологічних моделей

за допомогою розробленої концепції параметричного синтезу частотно-вибіркових пристроїв (на підставі базового алгоритму) вирішений ряд важливих прикладних задач першого і другого класів з урахуванням специфічних для кожного випадку системних обмежень.

Синтез ТМ фільтра Найквіста. Одна з головних проблем ефективної передачі імпульсних сигналів по каналам радіо - та електрозв'язку - це проблема мінімізації завад, що зобов'язані міжсимвольній інтерференції (МСІ). Частотна характеристика формуючого фільтру (або каналу зв'язку), сигнал на виході якого не має МСІ, повинна задовольняти першому або другому критеріям Найквіста. Одна з характеристик, що задовольняє другому критерію Найквіста та найчастіше застосовується, - це характеристика "піднесений косинус" виду:

(1)

де, період чергування символів в каналі; коефіцієнт скруглення (приймає значення в межах 0…1).

В реальних системах, що використовуються для передачі синхронних прямокутних імпульсів зі швидкістю ( частота Найквіста або частота зрізу ідеального прямокутного ФНЧ), до характеристики фільтру (1) необхідно додати характеристику амплітудного коректора виду х/sin x, де .

Аналітичне перетворення (1) до виду ТМ неможливе. Однак, використовуючи евристичний метод ідентифікації на основі ітераційних процедур, можна отримати ТМ фільтра Найквіста. Щоб забезпечити отримання ТМ, що фізично реалізується, і при цьому уникнути складання громіздких нелінійних нерівностей, ТМ запишемо у вигляді:

, (2)

деК - постійний множник; , та , частоти нулів і полюсів; , добротності нулів і полюсів передатних функцій ланок II порядку.

Якщо в процесі ідентифікації вимагати для усіх ланок >0 та >0, тоді можна отримати ТМ, що фізично реалізується. Банк моделей сформовано з функцій виду (2) різного порядку. Обґрунтована доцільність включення в банк моделей до шостого порядку включно.

Для врахування системних аспектів задачі, що розв'язується, запропоновано формування ТМ проводити в два етапи. На першому етапі, що забезпечує входження в область притягання глобального мінімуму, доцільно використання критерію виду:

, (3)

де визначається виходячи з обмеженої смуги частот (0; fmax), в якій проводиться апроксимація; - АЧХ, розрахована по ТМ.

На другому етапі використано складений критерій виду:

, (4)

де i - вагові коефіцієнти (в даному випадку ),

, ;

, ; , .

Використання критерію I2 спрямовано на мінімізацію МСІ за рахунок більш повного задоволення ТМ, що апроксимує, другому критерію Найквіста тобто отримання частотної характеристики з непарною симетрією відносно точки з координатами .

Критерій I4 в (4) розраховується тільки в тих точках, де ; тим самим допускається можливість отримання частотної характеристики з заданим обмеженим рівнім пульсацій в смузі затримання.

Після другого етапу оцінка адекватності отриманої ТМ проводиться на підставі порівнянь системних характеристик отриманих з використанням ТМ і ММ. В якості таких характеристик використано D-, E-критерії, джиттер J та вигляд "глаз-діаграми", для чого розроблено відповідну процедуру формування й аналізу діаграм.

Отримано нормовану ТМ 4-го порядку з використанням критерію I5=0,8(3)I2+0,08(3)I3+0,08(3)I4; (J=25,68%, D=0,02075 E=0,006618).

, (5)

та нормована ТМ 6-го порядку з використанням критерію I1.

. (6)

На підставі отриманих результатів зроблено висновки, що для ТМ шостого та вищого порядків достатнім є критерій (3), в той час як для ТМ меншого порядку застосування критерію (4) дозволяє покращити D- та Е-критерії приблизно в 1,1…3 рази (для ТМ 4-го порядку з використанням I1 J=19,22%, D=0,06259 E=0,02148).

Доведено, що використання на етапі синтезу передатних функцій полінома особливого виду РФрII дозволило зменшити кінцеве значення функціонала якості, в залежності від вихідних даних, в 1,5…10 раз в порівнянні з використанням поліному типа ФНЧII. В той же час в порівнянні з використанням поліному загального виду (БІКВАД), поліном РФрII дозволяє суттєво спростити схемну реалізацію при деякому погіршенні кінцевого значення функціонала якості, приблизно в 1,05…2,7 рази (в залежності від особливостей заданої характеристики).

При синтезі ТМ еквівалентної передатної функції тракту двубінарної передачі сигналів (ціфрового та ідеального прямокутнього фільтрів):

(7)

одна з отриманих ТМ має вигляд:

 (8)

Запропонована методика може бути використана для синтезу ТМ аналогового передавального фільтру для будь-якої системи зв'язку з частковим відгуком.

Проведено синтез ТМ гаусівського ФНЧ, що визначається характеристикою:

, (9)

деВ - ширина смуги гаусівського ФНЧ по рівню - 3 дБ.

Одна з отриманих ТМ має вигляд:

. (10)

Синтез ТМ формуючого фільтру імітатора завмирань в каналі мережі мобільного зв'язку. АЧХ фільтру апроксимує характеристику виду , де - максимальна допплерівська частота. Вважаючи на складність характеристики, отримано ТМ восьмого порядку:

. (11)

Синтез ТМ системно-погоджених фільтрів передавача та приймача системи з BPSK/QPSK. Для задоволення системних критеріїв:

 (12)

де та - АЧХ, ФЧХ фільтра передавача та приймача відповідно; були розроблені спеціальні критерії для синтезу обох фільтрів:

для синтезу ТМ ФНЧ передавача:

, (13)

для синтезу ТМ ФНЧ приймача:

, (14)

де:

,

,

, ,

.

Синтез ТМ ФНЧ приймача проводиться з урахуванням результатів синтезу ТМ ФНЧ передавача. Були отримані такі ТМ:

. (15)

. (16)

Синтез ТМ імітатора частотно-обмеженого каналу зв'язку. Сформульовано та реалізовано два підходи до розв'язання задачі. Згідно першому методу ідентифікація параметрів проводиться безпосередньо по реалізаціям тестового сигналу та сигналу на виході каналу. Згідно другого метода, ідентифікація параметрів проводиться по попередньо виміряним частотним характеристикам каналу. Так, за результатами вимірювань АЧХ каналу тональної частоти (аналізатором AnCom TDA-5) та наступної ідентифікації отримано ТМ виду:

. (17)

Отримані в цьому розділі результати машинних і натурних експериментів підтвердили адекватність запропонованих методів, програм і одержаних кінцевих результатів.

4. Технологічні особливості оптимізаційних процедур у базовому алгоритмі параметричного синтезу частотно-вибіркових пристроїв

Проведено аналіз результатів синтезу ТМ, проведеного у попередньому розділі. Підтверджено доцільність використання сформованого АІ, що складається з двох етапів (штучного і регулярного відбору).

Узагальнено підходи до формування цільових функцій, що забезпечують облік визначених особливостей вихідних функцій і проектованих систем, причому ці узагальнення характерні для задач, що вирішені, але можуть бути поширені і на інші задачі.

На результат синтезу ТМ крім виду моделей та цільових функцій, що використовуються, впливають також умови проведення моделювання Розглянуто вплив цих умов на результат синтезу ТМ. Коректне порівняння двох ТМ можливо, якщо вони отримані в однакових умовах проведення моделювання.

5. Банк базових схемотехнічних рішень

На підставі огляду методів реалізації АФ високого порядку в якості базової обрана каскадна реалізація фільтрів, до того ж такий метод найбільш адекватний ТМ, що синтезовані на попередньому етапі. Аналіз багатьох схем АФ першого та другого порядку дозволив сформувати банк базових схемотехнічних рішень АФ, в якій увійшли як схеми нескладні в реалізації, так і більш складні високоякісні схеми, що дозволяють найбільш повно задовольнити потреби етапу реалізації. Банк складається з 6 схем першого та 19 схем другого порядку. Крім традиційних схем (Салена-Кея, Рауха, Антоніо, на основі інтеграторів), що реалізують ланки типу ФНЧ, ФВЧ, СФ, РФ та ФФ, в банк увійшли схеми типу РФрІІ та БІКВАД з різними структурами чисельника передатної функції, які найбільш органічно підходять під ідеологію ідентифікаційних підходів, що розвиваються. Для кожної схеми отримано порядок розрахунку номіналів елементів з урахуванням визначених обмежень.

Одна з можливих причин відхилення експериментальних АЧХ від теоретичних - це не врахування неідеальностей ОП. Для випадків, коли висуваються підвищені вимоги до точності реалізації частотних характеристик, розроблено інженерну методику обліку неидеальностей ОП. Методика дозволяє оцінити вплив, що виникає при ігноруванні тих або інших неидеальностей ОП, на параметри пристроїв, що проектуються. Методика базується на використанні при складанні узагальненого сигнального графу схеми топологічних моделей ОП, що враховують певні неідеальності ОП. Аналіз графа дозволяє отримати уточнюючі співвідношення для передатної функції фільтру. Такі співвідношення були отримані для фільтру типа РФрІІ при урахуванні неідеальності за парціальним коефіцієнтом підсилення обох ОП, що використовуються в схемі.

Корекція частотних характеристик є ефективним та порівняно простим засобом підвищення якісних та кількісних показників систем зв'язку. На етапі апроксимації нетипових частотних характеристик іноді доцільно використання характеристик, що відповідають ланкам коректорів Боде. В роботі розглянуто один з варіантів реалізації ланки коректора та отримано уточнюючі співвідношення для передатної функції. Аналіз співвідношень дозволив розробити порядок розрахунку номіналів елементів схеми з потрібними характеристиками (пропорційність величини спаду-підйому АЧХ та співвідношення пліч потенціометру). При цьому, однак, має місто квадратична залежність добротності схеми від положення движка потенціометра. Також показана можливість безіндуктивної реалізації схеми коректора.

Етап реалізації отриманої ТМ є не менш важливішим, ніж етап синтезу ТМ. Формалізований в роботі на інженерному рівні алгоритм практичної реалізації АФ високого порядку на ОП, орієнтований на використання технологічних моделей у якості вихідних, дозволяє отримати максимальну верхню межу динамічного діапазону фільтру, допустиме співвідношення сигнал-шум, запобігти перевантаження підсилювальних елементів ланцюга.

Розроблений банк схемотехнічних рішень базових АФ першого і другого порядків на ОП, співвідношення для їх розрахунку, а також наслідки та висновки з їх аналізу можуть бути використані у відповідних модулях САПР частотно-вибіркових пристроїв радіотехніки і засобів телекомунікацій.

6. Практична реалізація технологічних моделей та оцінка їх системної адекватності

За допомогою розробленої методики практичної реалізації та банку базових схемотехнічних рішень по синтезованим технологічним моделям системно-погоджених фільтрів передавача і приймача BPSK розроблені принципові схеми формуючих фільтрів шостого порядку.

Результати машинного моделювання підтвердили вірність проведених розрахунків. Результати натурного моделювання (в макеті використані ОП типу LT1633CS LINEAR TECHNOLOGY, опори типу 0805, 1% YAGEO та ємності типу 0805 5% NPO MURATA ISO9002) показали, що відхилення АЧХ фільтрів від теоретичних АЧХ, що побудовані по ТМ, знаходяться в межах похибки вимірювальних приладів, тобто експериментальна АЧХ практично точно повторює теоретичну.

Результати моделювання підтвердили правильність запропонованих алгоритмів і високу якість включених у банк схем фільтрів.

Висновки

параметричний частотний автоформалізація ідентифікаційний

В дисертаційній роботі запропоновано нове рішення актуальної наукової задачі параметричного синтезу частотно-вибіркових пристроїв з нетиповими характеристиками засобів радіотехніки та телекомунікацій. Розв'язання задачі ґрунтуються на методах ідентифікації з використанням спеціального виду критеріїв та поліномів, а також на створеному банку високоякісних схемотехнічних рішень, адекватних методам, що розвиваються. Це дозволило здійснити автоматизацію проектування частотно-вибіркових пристроїв з нетиповими характеристиками.

Основні результати дисертації такі:

1. На конкретних прикладах доведена ефективність запропонованих підходів та методів параметричного синтезу частотно-вибіркових пристроїв з нетиповими характеристиками.

2. Використання евристичних методів ідентифікації дозволило здійснити автоформалізацію (узагальнення, систематизацію та акумулювання накопичених раніш знань та досвіду) в області синтезу частотно-вибіркових пристроїв з нетиповими характеристиками, що було втілено в створенні пакета програм для параметричного синтезу ТМ та імітаційного моделювання.

3. Запропоновані рішення по програмним та апаратним засобам продемонстрували свою ефективність на усіх етапах проектування частотно-вибіркових пристроїв радіотехніки та засобів телекомунікацій з нетиповими характеристиками:

- на ряді конкретних прикладів доведена можливість переводу ММ певної розмірності в ТМ другої розмірності (так, були синтезовані ТМ (від 5 до 15 параметрів) по ММ виду "піднесений косинус" (2 параметра), ММ косинусоідального фільтру (1 параметр), ММ гаусівського фільтру (1 параметр) та ін.);

- використання вперше на етапі синтезу передатних функцій частотно-вибіркових пристроїв з нетиповими характеристиками полінома особливого виду (РФрII) дозволило зменшити кінцеве значення функціонала якості, в залежності від особливостей задачі, що розв'язується, в 1,5…10 раз в порівнянні з використанням поліному типа ФНЧII. В той же час в порівнянні з використанням поліному загального виду (БІКВАД), поліном РФрII дозволяє суттєво спростити схемну реалізацію при деякім погіршенні кінцевого значення функціонала якості, приблизно в 1,05…2,7 рази (в залежності від особливостей заданої характеристики);

- доказано експериментально, що використання критеріїв спеціального виду, які враховують прямо чи побічно системний аспект задачі, що розв'язується, дозволяє поліпшити системні показники якості спроектованого пристрою. Так, наприклад, при використанні критерію непарної симетрії АЧХ фільтра Найквіста в перехідній області в складовому критерії, дозволяє поліпшити для ТМ 3…5 порядків D- та Е-критерії приблизно в 1,1…3 рази в порівнянні з традиційним критерієм мінімуму середньоквадратичної похибки;

- розроблений банк ефективних схемотехнічних рішень базових АФ першого та другого порядків на ОП, співвідношення для їх розрахунку, а також наслідки та висновки з їх аналізу можуть бути використані в відповідних модулях САПР частотно-вибіркових пристроїв радіотехніки та засобів телекомунікацій. Банк повністю задовольняє вимогам реалізації ТМ, отриманих на етапі синтезу.

Отримані в дисертаційній роботі результати адекватні меті та задачам, що поставлені на початку досліджень.

Запропоновані методики синтезу ТМ та рекомендації по практичній реалізації можуть служити ефективним інструментом в практиці науково-технічної та інженерної діяльності.

Література

Зеленин А.Н., Костромицкий А.И., Бондарь Д.В. Активные фильтры на операционных усилителях. - Х.: Телетех, 2003. изд. второе, исправ. и доп. - 150с.

Спосіб ідентифікації моделі мережевих каналів зв'язку: Патент України № 50385А, МКИ Н04В3/46 / Зеленін А.М., Костромицький А.І., Бондар Д.В.; Заявл. 29.12.2001; Опубл. 15.10.2002, Бюл. № 10.

Спосіб частотного масштабування параметрів дискретно-аналогових схем з ємностями, що комутируються: Патент України № 54013А, Н03H19/00 / Зеленін А.М., Костромицький А.І., Бондар Д.В., Конотоп С.В., Зеленін М.А.; Заявл. 18.04.2002; Опубл. 17.02.2003, Бюл. № 2.

Бондарь Д.В., Зеленин А.Н., Костромицкий А.И. Анализ активного корректора частотных характеристик // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - Харьков: ХНУРЭ, 2001. - Вып. 118. - С. 33-36.

Зеленин А.Н., Костромицкий А.И., Бондарь Д.В. Синтез формирующего фильтра имитатора замираний в канале сети мобильной связи // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - Харьков: ХНУРЭ, 2003. - Вып. 132. - С. 156-162.

Бондарь Д.В., Зеленин А.Н., Костромицкий А.И., Чуев И.А. Рационализация методики расчета определителей обобщенного сигнального графа линейной электрической цепи // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - Харьков: ХНУРЭ, 2004. - Вып. 136. - С. 31-34.

Костромицкий А.И., Чуев И.А., Бондарь Д.В., Зеленин А.Н. Системные аспекты параметрического синтеза технологических моделей частотно-избирательных устройств // Радиотехника. Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - Харьков: ХНУРЭ, 2004. - Вып. 137. - С. 177-184.

Размещено на Allbest.ru