Підвищення шумової завадостійкості приймального пристрою широкосмугових ЧМ сигналів, модульованих груповим мовним повідомленням

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Станції тропосферного зв'язку широко використовують в Збройних Силах України для забезпечення потреб передавання інформації. Ці станції є унікальними за своїми можливостями щодо забезпечення зв'язку у важкодоступних районах і особливо у так званій "мертвій зоні" поширення радіохвиль. Але попри усі позитивні сторони для станцій тропосферного зв'язку характерне потужне надвисокочастотне електромагнітне випромінювання, яке є шкідливим для здоров'я людини і місцезнаходження джерела якого може бути досить швидко визначено за допомогою сучасних пеленгувальних засобів. Крім того потужне випромінювання створює завади іншій електронній техніці, яка знаходяться на території вузла зв'язку, де використовується дана станція, тобто ускладнює виконання вимог електромагнітної сумісності радіоелектронних засобів. Таким чином постає задача зменшення вихідної потужності передавального пристрою, але це приведе до зменшення напруженості електромагнітного поля в точці приймання, що в свою чергу погіршить відношення сигнал/шум (ВСШ) на вході приймального пристрою і врешті решт до втрати зв`язку.

В тропосферній апаратурі, яка використовує робочі частоти гігагерцового діапазону частот, для передавання мовної інформації застосовують широкосмугову частотну модуляцію (ЧМ) багатоканальним груповим повідомленням. Порівняно з амплітудною така модуляція забезпечує більшу завадостійкість приймання, але це можливо лише при достатньому (ВСШ) на вході пристрою. При збільшені рівня шуму настає поріг завадостійкості ЧМ, тобто явище різкого погіршення ВСШ на виході приймального пристрою при незначному зменшенні цього відношення на вході.

Сучасні методи стеження за частотою сигналу, яка повільно змінюється, дозволяють зменшити шумову смугу приймального тракту і понизити поріг завадостійкості. Поріг шумової завадостійкості при прийманні ЧМ сигналів у ідеального приймача, тобто приймача з максимально досяжною завадостійкістю, і реального, який використовують в серійних зразках станцій тропосферного зв'язку, відрізняться приблизно на 17 дБ, що дало можливість, використовуючи запропонований пристрій фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ) з розрахованими оптимальними параметрами, перемістити поріг приблизно на 6 дБ в сторону зменшення, і відповідно зменшити потужність передавача більш як в 4 рази, чим суттєво наблизило нас до розв'язування актуальної задачі підвищення шумової завадостійкості приймального пристрою і дало можливість зменшити потужність небезпечного надвисокочастотного випромінювання, покращити умови виконання вимог електромагнітної сумісності та технічні характеристики існуючих зразків військової техніки.

Розв`язана у роботі задача, розвинуті і опрацьовані методи ґрунтуються на результатах праць багатьох вчених, таких як Ван Трис Г., Витерби Э.Д., Гостев В.И., Кaнтор Л.Я., Кульман Н.К., Линдсей В., Тіхонов В.И., Шахгильдян В.В. та ін.

Мета і завдання дослідження. Метою даного дослідження є підвищення шумової завадостійкості приймального пристрою, призначеного для приймання сигналів, промодульованих груповим мовним повідомленням, шляхом оптимізації параметрів квазіоптимального пристрою ФАПЧ з урахуванням форми спектру сигналу, який приймається.

Для досягнення цієї мети постали наступні завдання:

- розрахувати потенційну завадостійкість ЧМ приймача, як один із засобів оцінки верхньої границі чутливості, якої можна досягнути при використанні новітніх методів обробки сигналів;

- провести аналіз і виконати оптимізацію параметрів синхронного фазового детектора на основі пристрою ФАПЧ другого порядку при дії сигналу і шуму з урахуванням спектру модулювального сигналу та порівняти досягнуту завадостійкість із раніше відомими результатами оптимізації;

- визначити оптимальні параметри і розрахувати порогові характеристики приймального пристрою на основі нелінійної моделі пристрою ФАПЧ другого порядку;

- розробити експериментальний макет та провести його випробування і відповідні вимірювання;

1. Існуючі на сучасному етапі методи аналізу та синтезу пристроїв фазового автопідстроювання частоти та шляхи підвищення їх завадостійкості

Розглянуто теоретичні основи та стан сучасних наукових досліджень по питаннях, які складають мету даного дослідження.

З відомих варіантів завадостійкого приймання найбільш раціональний можна обрати, базуючись на положеннях теорії оптимальної фільтрації які розглянуті в роботах Міронова М.А., Тихонова В.І., Кульмана Н.К., де розглядаються два напрямки, що відрізняються методами дослідження: гаусівска і марковська теорії.

Із застосуванням теорії марковських процесів в гаусівському наближенні в цих роботах показано, що при модуляції одновимірним марковським процесом оптимальним пристроєм, за критерієм мінімуму сесреднньоквадратичної похибки, є пристрій ФАПЧ другого порядку з пропорційно-інтегруючим фільтром (ПІФ), елементи якої змінюють свої параметри в залежності від ВСШ на вході.

Груповий сигнал мовної інформації є багатовимірним марковським процесом і для нього розв'язок рівняння Стратоновича Р.Л. приводить до системи нескінченно високого порядку. Враховуючи, що така система зі зворотнім зв'язком безумовно нестійка і фізично не реалізується, квазіоптимальним пристроєм можемо вважати пристрій другого порядку.

Інші відомі завадостійкі пристрої зі зворотнім зв'язком описуються диференційними рівняннями, що є частковими випадками рівнянь ФАПЧ, або приводяться до них. Тому слід припустити, що найбільшу завадостійкість може дати оптимізація параметрів пристрою ФАПЧ.

Однією з задач при проектуванні ФАПЧ є вибір оптимальних параметрів із врахуванням характеристик завад і модулювального сигналу. В класичній літературі ці питання переважно висвітлені тільки для умов частотної модуляції марковським процесом. При модуляції багатоканальним груповим повідомленням розподіл амплітудного спектру модулювального процесу не відповідає марковському. Тому необхідно дослідити вплив інших видів кутової модуляції на характеристики пристрою та знайти його оптимальні параметри.

Для приймального пристрою з широкосмуговою ЧМ оптимальним є рівень сигналу, який відповідає порогу завадостійкості. При дослідженні таких пристроїв достатньо лінійної або квазілінійної моделі. Якщо між приймачем і модулювальним пристроєм передавача відсутній зворотній зв'язок, то із зміною рівня сигналу пристрій може стати неоптимальним. Це явище має місце при прийманні ЧМ сигналів в пристроях тропосферного зв'язку, коли при коротких завмираннях сигналу для збереження лінійного режиму демодулятора бажано збільшувати вихідну потужність передавача або зменшувати індекс модуляції.

Частотна модуляція пов'язана з нелінійним перетворенням модулювального повідомлення, тому дослідження повинні базуватися на нелінійних методах. Оптимальні параметри нелінійного пристрою знаходяться з розв'язку стаціонарного рівняння Фокера-Планка-Колмогорова. Методика розв'язку таких рівнянь у літературі наведена лише для гаусівського наближення, при якому обчислена дисперсія фазової похибки в декілька разів відрізняється від фактичної, а аналітичний результат відомий тільки для нелінійного пристрою першого порядку.

На основі проведеного аналізу літературних джерел сформульована задача роботи, а саме одержати більш точний, порівняно з відомими, розв'язок рівнянь для нелінійного пристрою ФАПЧ другого порядку, що дозволить знайти оптимальні параметри і дослідити завадостійкість приймального пристрою в робочій і підпороговій областях.

2. Потенційна завадостійкість ідеального приймача ЧМ сигналів групової мовної інформації

Проведений розрахунок потенційної завадостійкості ідеального приймального пристрою широкосмугових ЧМ сигналів, модульованих груповим мовним повідомленням, а також дана оцінка верхньої границі, якої можна досягти при використанні найсучасніших методів обробки сигналів.

Відомі розрахунки були виконані числовим методом для випадку рівномірних амплітудних спектрів ЧМ коливання і модулювального повідомлення, а аналітичне дослідження проведено лише в першому наближенні для приймача УКХ ЧМ радіомовлення. Тому виникла необхідність більш точного дослідження потенційної завадостійкості ідеального ЧМ приймача при модуляції груповим сингалом мовної інформації з одночасним урахуванням форми амплітудного спектру ЧМ сигналу.

В основу проведеного дослідження покладено, що в ідеальному приймачі пропускні здатності низькочастотного і ЧМ тракту є рівними, звідки можна знайти залежність ВСШ на виході від ВСШ на вході приймального пристрою.

Аналітичний розрахунок пропускної здатності ЧМ тракту проведений більш точно з врахуванням нерівномірності амплітудного спектру ЧМ коливання:

, (1)

при рівномірному амплітудному спектрі групового модулювального повідомлення:

; 0 < < в.

Розподіл амплітуди широкосмугового ЧМ коливання відповідає відомому розподілу амплітуди гармонічного коливання з рівноймовірним розподілом фази , а шумова завада характеризується нормальним розподілом амплітуди .

В основу розрахунків покладено, що в ідеальному приймачі пропускні здатності низькочастотного і ЧМ трактів є рівними, звідки можна знайти залежність ВСШ на виході від ВСШ на вході приймального тракту.

Пропускна здатність визначається за різницею ентропії для суми сигналу і завади та ентропією шумової завади .

Розподіл суми сигналу і завади одержаний як зворотне перетворення Фур`є від добутку характеристичних функцій для складових:

, (2)

який надалі розкладений в ряд ортогональних поліномів Ерміта:

, (3)

де () - частотна залежність відношення амплітудних спектрів сигналу і шуму; - змінна інтегрування у визначенні характеристичної функції; - частота генерації; Hek(z) - поліном Ерміта k -го порядку від аргументу z.

Після громіздких аналітичних викладок отримано кінцевий вираз для пропускної здатності ЧМ тракту:

,(4)

де - ефективний індекс частотної модуляції; в - вища частота модулювання; свх - відношення ВСШ приймального пристрою; Дм - максимальна девіація частоти ЧМ коливання. Цей вираз був перевірений числовим інтегруванням.

При розрахунку пропускної здатності низькочастотного тракту вважаємо, що шум, викликаний пуасонівськими імпульсами від стрибків фази на 2, на виході фільтра низьких частот нормалізується, і використовується відома формула для пропускної здатності низькочастотного тракту:

, (5)

де свих - відношення сигнал/шум на виході приймального пристрою.

Шляхом розв'язку спільно (4) і (5) відносно ВСШ на вході і виході одержано характеристику ідеального приймача групового сигналу.

Поріг потенційної завадостійкості нечіткий, але порівняно з паспортними даними на демодулятор з обмежувачем і частотним дискримінатором він нижче на 17 дБ, що свідчать про доцільність подальшого аналізу методів завадостійкого приймання.

3. Аналіз і оптимізація лінеарізованого пристрою ФАПЧ при різних видах кутової модуляції

Досліджено вплив різних видів кутової модуляції на характеристики приймального пристрою, оптимальні за критерієм мінімальної суми шумової і модуляційної помилок в пристрої.

Основними фізичними параметрами сигналу пристрою є: - стала часу ПІФ; m - коефіцієнт передавання пропорційно-інтегруючого фільтра на високій частоті; Щу - смуга утримання пристрою ФАПЧ; 2 - сумарна дисперсія фазової помилки в лінійній системі; - індекс модуляції та в - верхня частота спектру повідомлення.

З метою скорочення кількості фізичних параметрів і спрощення аналітичних розрахунків введені нормовані параметри, які для широкосмугової ФАПЧ матимуть вигляд:

; ,

і виведені наступні вирази для оптимальних значень нормованих параметрів:

; для ЧМ спектром Батерворта першого порядку;

; для ЧМ груповим сигналом мовного повідомлення;

; для ФМ груповим сигналом мовного повідомлення. За використання оптимальних параметрів утворюється глобальний максимум допустимого шуму на вході пристрою

Виведені також вирази для визначення максимально допустимої спектральної густину вхідного шуму, при якому дисперсія в пристрої не перевищує заданого значення:

для ЧМ сигналом зі спектром Батерворта першого порядку,

для ЧМ груповим сигналом мовного повідомлення,

для ФМ груповим сигналом мовного повідомлення.

З метою спрощення інженерної реалізації всі характеристики пристрою розраховані і в нормованих і у фізичних параметрах.

Результати дослідження дають можливість в лінійному наближенні обрати оптимальні параметри приймача, виконаного на основі пристрою ФАПЧ другого порядку.

4. Нелінійний аналіз та параметричний синтез пристрою ФАПЧ приймача сигналу, модульованого груповим повідомленням мовної інформації

Аналізується нелінійна модель пристрою ФАПЧ другого порядку з пропорційно-інтегруючим фільтром при модуляції груповим сигналом з рівномірним амплітудним спектром.

Якщо на вхід пристрою подаються частотно модульований сигнал і білий шум із спектральною густиною:

,

де свх - ВСШ на вході приймального пристрою в подвійній смузі максимальної девіації частоти 2Дм, а модулювальний процес відповідає білому шуму зі спектральною густиною:

,

який пропущений через ідеальний широкосмуговий фільтр нижніх частот зі смугою пропускання Щв, то робота пристрою ФАПЧ описується системою з двох нелінійних стохастичних диференціальних рівнянь:

,

яким відповідає рівняння Фокера-Планка-Колмогорова.

Раніше для таких рівнянь були відомі розв'язки в лінійному і квазілінійному наближенні (табл. 1).

Таблиця 1. Розв'язки рівнянь

Запропоновані в роботі розв'язки для негаусівського розподілу ймовірності фази:

, (6)

частоти перескоків фази на 2р:

, (7)

та ВСШ в замкненій петлі:

, (8)

яке при великих ВСШ збігається з відомим:

, (9)

одержані методом умовного математичного очікування за критерієм найкращої оцінки середнього квадрата, виявляють порівняно з відомими розв'язками кращій збіг теоретичних результатів з експериментальними даними для малих ВСШ.

ВСШ в нелінійному пристрої (8) монотонно і однозначно залежить від дисперсії фазової помилки в квазілінійному пристрої (9), що при оптимізації параметрів дозволило перейти до квазілінійного пристрою.

Оптимальні у нелінійному наближенні значення нормованих параметрів, отримані в роботі, становлять:

; (10)

, (11)

де І1, І0 - функції Беселя першого та нульового порядку, і суттєво відрізняються від розрахованих в гаусівському наближенні.

Параметри б і ж мають слабку залежність від ВСШ на вході, що показує на недоцільність адаптування параметрів фільтра нижніх частот в пристрої ФАПЧ під це відношення.

Параметри не адаптивного пристрою слід оптимізувати для такого ВСШ на вході, при якому величина цього відношення на виході відповідає порогу розбірливості мовного повідомлення.

Відношення сигнал/шум на виході k-го каналу (при загальній кількості каналів - n) становить:

(12)

і формується з потужності корисного сигналу (чисельник), потужності нормального надпорогового шуму з параболічним амплітудним спектром (ліва частина знаменника), і потужності шуму з рівномірним амплітудним спектром (права сторона знаменника), викликаного аномальними скачками фази на 2р, відповідає роботі пристрою в області нижче порогу завадостійкості.

Використання в приймачі пристрою ФАПЧ другого порядку з оптимальними параметрами при частотній модуляції груповим сигналом мовної інформації забезпечує виграш в завадостійкості близько 6дБ.

Наукова новизна полягає у більш точному визначенні оптимальних параметрів і проргових характеристик приймального пристрою з врахуванням нелінійності характеристики фазового детектора і негаусівського розподілу ймовірності фази в пристрої ФАПЧ другого порядку.

5. Експериментальні дослідження модифікованого приймального пристрою серійної станції тропосферного зв`язку

Після схемотехнічного аналізу елементів структурної схеми пристрою ФАПЧ з огляду на стабільність їх характеристик, які впливають на параметри пристрою, розглядається експериментальний макет модуля УПЧ - 3 - демодулятора на основі пристрою ФАПЧ другого порядку, який може бути складовою частиною модернізованого приймального пристрою ЧМ сигналів групової мовної інформації. Модуль складається з фільтра зосередженої селекції, підсилювача проміжної частоти і фазового детектора, двох емітерних повторювачів, пропорційно-інтегруючого фільтра нижніх частот зі сталою часу 16 мкс, та керованого напругою гетеродина.

Експериментальна перевірка проводилася на двох навчально-стаціонарних станції тропосферного зв'язку. Необхідний рівень сигналу на вході приймального пристрою і рівень вхідного шуму виставлялись зміною взаємної орієнтації приймальної і передавальної антен та ручним регулюванням підсилення в попередньому підсилювачі проміжної частоти.

В груповому модулювальному повідомленні по семи каналам передавалась мовна інформація від семи незалежних джерел, що відповідало типовим умовам експлуатації і забезпечувало нормальний розподіл амплітуди групового модулювального повідомлення. По п'ятому контрольному каналу передавався тональний сигнал. Заміна в одному з каналів мовної інформації на тональний сигнал значно спростила процес вимірювання вихідного ВСШ при одночасному збереженні нормального розподілу для девіації частоти. Вхідне ВСШ вимірювалось на виході фільтру зосередженої селекції за допомогою діодного квадратичного амплітудного детектора і мікровольтметра середніх значень. Фізичні параметри ПІФ були оптимальними для порогового ВСШ на вході, рівного двом і надалі не змінювались, тому що їх теоретичний розкид в робочому діапазоні вхідних ВСШ не перевищує 10%.

Одержана розбіжність результатів вимірювання з теоретичними розрахунками була менше 1 дБ, а виграш у ВСШ в порівнянні з паспортними даними на стандартний частотний демодулятор, який використовується в серійних зразках станцій тропосферного зв'язку, становив 6 дБ, чим підтверджені результати проведених теоретичних розрахунків.

Висновки

модуляція фазовий частотний завадостійкість

Результатом проведеного дисертаційного дослідження є розв'язання актуальної наукової задачі підвищення шумової завадостійкості приймальних пристроїв ЧМ сигналів, промодульованих груповим мовним повідомленням, шляхом оптимізаціі параметрів квазіоптимального пристрою ФАПЧ з урахуванням форми спектру сигналу, який приймається. Найбільш важливими науковими та практичними результатами, які отримані в даній роботі, є наступні.

1. Шляхом застосування квазілінійної моделі ФАПЧ другого порядку вперше одержано уточнений розв'язок системи нелінійних стохастичних рівнянь для пристрою фазового автопідстроювання частоти при дії сигнау і шуму, що дозволило у 4-8 разів збільшити точність розрахунку розподілу ймовірності фазової похибки та її статистичних характеристик в порівнянні з існуючими відомими розв'язками.

2. Вперше проведено аналіз і розрахунок завадостійкості ідеального, серійного та модернізованого приймального пристрою, показано, що завадостійкість серійного пристрою гірша від потенційної на 17 дБ. Здійснено експериментальну перевірку завадостійкості модернізованого приймального пристрою і показано, що запропонована методика розрахунку дає відхилення від експерименту не більше, ніж на 1 дБ.

3. Запропоновані і наведені в дисертаційній роботі аналітичні вирази дозволили удосконалити розрахунок оптимальних значень параметрів пристрою ФАПЧ. Оптимальні значення, отримані з урахуванні фактичної форми спектру у лінійному наближенні, дозволили збільшити виграш по ВСШ в 1.3…2 рази. Нелінійними методами внесені поправки оптимальних значень параметрів на 20-50 %.

4. В запропонованих, реалізованих і апробованих схемотехнічних рішеннях стандартного демодулятора ЧМ сигналів блоку УПЧ-3 приймального пристрою серійної станції тропосферного зв'язку розраховані і вибрані оптимальні параметри фільтру, що дозволило знизити поріг шумової завадостійкості на 6 дБ в порівнянні з серійним зразком.

5. Заміна стандартного блоку УПЧ-3 приймача станції тропосферного зв`язку на запропонований і розроблений автором, в якому вперше використаний пристрій ФАПЧ 2-го порядку з оптимальними параметрами при частотній модуляції груповим мовним повідомленням, дозволяє зменшити потужність шкідливого та демаскуючого надвисокочастотного електромагнітного випромінювання передавача більше як в 4 рази без втрати якості зв`язку.

6. Одержані в дисертації результати дали можливість:

- оцінити верхню межу чутливості приймача ЧМ сигналів, якої можна досягнути при використанні новітніх методів їх обробки, розрахувавши його потенційну завадостійкість;

- в лінійному наближенні обрати оптимальні параметри приймального пристрою з урахуванням фактичної форми спектру, що покращує виграш по ВСШ на 30-100 %;

- використовувати незмінними параметри фільтра нижніх частот в пристрої ФАПЧ незалежно від ВСШ на її вході, які розраховані на основі нелінійного наближення, за методикою і по аналітичних виразах, запропонованих автором.

7. Поставлена при виконанні дисертаційної роботи задача викликана потребами практики. Розроблені практичні рекомендації досить просто реалізуються і перевірені експериментально. Всі рекомендації доведені до інженерних розв'язків, підкріплені графіками і закінчені принциповими схемами.

8. Результати досліджень по підвищенню завадостійкості приймача на основі нелінійного пристрою ФАПЧ вищого порядку можуть бути використані при проектуванні інших завадостійких пристроїв зі зворотнім керуванням, а проведений аналіз і оптимізація параметрів нелінійної ФАПЧ - для розв'язку задач автоматики і телемеханіки.

Література

1. Бондарєв А.П., Давіденко С.В., Павлов Б.О Аналіз лінеарізованого пристрою ФАПЧ при різних видах кутової модуляції. // Радиотехника. Харков. - 2007. - №149. -С.77 - 80.

2. Бондарєв А.П., Давіденко С.В., Павлов Б.О. Параметричний синтез синхронного детектора багатоканального групового сигналу з частотною модуляцією // Комп'ютерні системи в автоматизації виробничих процесів: Реф. зб. наук. праць за результатами міжнародної науково-практ. конф. Хмельницький, 17-19 травня 2007 р. - Хмельницький, 2007. - С.42.

3. Бондарєв А.П., Давіденко С.В., Павлов Б.О. Параметричний синтез синхронного детектора багатоканального групового сигналу з частотною модуляцією. // Вісник Хмельницького Нац. ун-ту. Технічні науки - Хмельницький. - 2007. - Т.2, №2 (90). - С.147-150.

4. Давіденко С.В. Аналіз впливу нелінійності пристрою ФАПЧ на приймання сигналів мовної інформації з груповою модуляцією. // Зб. наук. пр. інституту проблем моделювання в енергетиці НАН України. - Київ. - 2007. - №38. - С.173-180.

5. Бондарєв А.П., Давіденко С.В. Схемотехнічне підвищення завадостійкості детектора цифрових радіосигналів. // Сучасні проблеми радіоелектроніки телекомунікацій та приладобудування: Матеріали ІІІ Міжнародної науково-практ. конф. 31 травня - 2 червня 2007 р. - Вінниця, 2007. - С.121.

6. Бондарєв А.П. Давіденко С.В. Підвищення завадостійкості приймача супутникових навігаційних сигналів. // Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва: Зб. наук. пр. західного геодезичного товариства. - Львів. - 2007. - №1(13). - С.109-114.

Размещено на Allbest.ru