Оптимізація динамічних характеристик активних непрямих синтезаторів частот пристроїв телекомунікацій

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Оптимізація динамічних характеристик активних непрямих синтезаторів частот пристроїв телекомунікацій

Спеціальність 05.12.13 - радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій

Сировєтнік Владислав Сергійович

Харків 2011

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Зеленін Анатолій Миколайович, Харківський національний університет радіоелектроніки, професор кафедри мереж зв'язку

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Коваль Юрій Олександрович, Харківський національний університет радіоелектроніки, професор кафедри основ радіотехніки

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Красноруцький Андрій Олександрович, Харківський університет Повітряних Сил, доцент кафедри бортового обладнання та аерокосмічної розвідки

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Оптимізація характеристик та параметрів компонентів складної системи можлива тільки в рамках загальносистемних критеріїв оптимальності, що являють собою показники, які відображають якість функціонування системи в цілому. Не є винятком і той випадок, коли подібним компонентом складної системи є синтезатор частот (СЧ) непрямого типу на основі контуру фазового автопідлаштування частоти (ФАПЧ). Незважаючи на велику кількість робіт, присвячених дослідженням систем ФАПЧ та СЧ непрямого типу, ці дослідження проводилися в основному для автономних пристроїв цієї категорії. При цьому єдиним критерієм оптимальності була швидкодія. Це показує недостатність освітленості питань оптимізації СЧ з точки зору загальносистемних критеріїв.

У сучасних телекомунікаційних системах, заснованих на відкритих стандартах, дуже часто визначаються обмеження, яким повинна задовольняти система, щоб стати повноцінною частиною інфраструктури зв'язку. Щодо використання СЧ в рамках реалізації схем синхронізації за частотою, такими обмеженнями повною мірою можуть виступати обмежувальні шаблони для кривої перехідного процесу за частотою. Причому ця крива може попадати в заданий обмежувальний шаблон різним чином, задовольняючи умовам стандарту. Це дозволяє виконувати оптимізаційні процедури СЧ за деяким системним критерієм в умовах існування визначених обмежень.

СЧ можуть бути використані для синтезу сигналів з метою переносу інформації. Зокрема, СЧ непрямого типу з дільником частоти у колі зворотного зв'язку може використовуватись для формування частотно-маніпульованих сигналів. Однак таке технічне рішення неминуче буде впливати на показники отриманого інформаційного сигналу. Таким чином, з'ясування якісних показників подібних сигналів може обґрунтувати можливість використання цих пристроїв у даному випадку.

Також залишилися в тіні і ті питання, що пов'язані з використанням самих динамічних режимів для забезпечення потрібних характеристик синтезуємих сигналів. Тому є актуальною тема дисертаційної роботи, спрямованої на вирішення проблем оптимізації характеристик СЧ непрямого типу та ФАПЧ структур, що складають складну технічну систему, для потреб ефективного використання цих пристроїв в телекомунікаційних системах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні результати дисертації пов'язані з науковими дослідженнями, виконаними в ХНУРЕ. Це дослідження за держбюджетною НДР № 240-5 “Розробка прикладних методів цифрової обробки інформації та синтезу сигналів в інтегрованих мережах мобільного зв'язку” (№ ДР 0109U001636), яка виконувалася у відповідності до наказу Міністерства освіти та науки України № 1043 від 17.11.2008 (в цій роботі здобувач був виконавцем).

Мета роботи. Метою даної дисертаційної роботи є подальший розвиток методів оптимізації динамічних характеристик синтезаторів частот, принципи яких засновані на ФАПЧ структурах, з точки зору загальносистемних критеріїв, що визначаються конкретним системним застосуванням СЧ, а саме, їх застосуванням в пристроях синхронізації прийомопередавачів за частотою та в пристроях синтезу сигналів із заданими корисними властивостями.

У відповідності до цього, основними задачами дисертаційної роботи є: фільтр синтезатор частота передавач

1. Розробка концепції оптимізації динамічних характеристик СЧ непрямого типу, що в максимальній мірі враховує системні аспекти тих телекомунікаційних пристроїв, що реалізовані на базі цих СЧ.

2. Вибір математичної моделі СЧ та, відповідно, ФАПЧ, що адекватно відображає принципи функціонування самого СЧ та забезпечує можливість вирішення існуючих проблем оптимізації їх застосування.

3. В рамках запропонованої концепції оптимізації та вибраної матема-тич-ної моделі розробити методику оптимізаційних процедур, що орієнтована на досягнення оптимальних в тому чи іншому смислі динамічних характеристик СЧ непрямого типу без використання зовнішніх корегуючих та формуючих пристроїв та фільтрів.

4. Призвести апробацію запропонованої методики на конкретних задачах системної оптимізації динамічних характеристик СЧ непрямого типу в модуляторах і пристроях синхронізації прийомопередавачів за частотою.

5. Розробити рекомендації по використанню запропонованої методики, прикладних програм оптимізації та отриманих результатів у практиці науково-дослідницької та інженерної діяльності.

Об'єктом дослідження у роботі є процес оптимізації динамічних характеристик спеціалізованих ФАПЧ структур пристроїв телекомунікацій.

Предметом дослідження є взаємозв'язок та взаємообумовленість процедур, критеріїв, цільових функцій, параметрів та характеристик СЧ непрямого типу із загальносистемними характеристиками та параметрами відповідних телекомунікаційних пристроїв.

Методи досліджень - математичний апарат диференційних рівнянь, спектрально-часових перетворювань та статистичної теорії завадостійкості, моделювання на ЕОМ за допомогою чисельних методів.

Наукова новизна одержаних результатів в дисертаційній роботі складається у наступному:

1. Вперше розроблені методи пошуку режимів перехідного процесу, що забезпечують оптимальність внутрішніх системних параметрів СЧ непрямого типу при умові наявності обмежень, що пред'являють вимоги до кривої перехідного процесу за частотою вихідного сигналу у відповідності до складного обмежувального шаблону. Запропоновані методи відрізняються від існуючих тим, що обмеження можуть задаватися у вигляді багатокаскадного обмежувального шаблону з довільною кількістю складових частин, а задовольняння його вимогам виконується при наявності одного СЧ непрямого типу шляхом визначення його необхідних характеристик.

2. Подальшого розвитку набула методика аналізу показників якості ЧМн-2 сигналу, що формується за допомогою СЧ непрямого типу, а саме визначені їх залежності від тривалості і типу режиму перехідного процесу за частотою, що виникає в системі ФАПЧ. Визначені умови, яким повинен задовольняти даний СЧ, для забезпечення якісних показників отриманого таким чином маніпульованого сигналу не нижче заданого рівня.

3. Вперше запропонований метод маніпуляції, що лежить в формуванні двохпозиційних ансамблів маніпульованих сигналів та відрізняється від існуючих тим, що одна, або дві складові цих ансамблів представляють прямокутні радіоімпульси з кутовою модуляцією складної форми, що синтезуються за допомогою СЧ непрямого типу в ході перехідного процесу за частотою, що виникає у відповідь на стрибкоподібну зміну параметрів СЧ. Для даних методів маніпуляції запропоновані функціональні схеми відповідних формуючих пристроїв.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані в роботі результати можуть бути використані при проектуванні схем синхронізації за частотою на основі непрямого СЧ в системах радіозв'язку зі змінними значеннями носійної частоти і систем передачі дискретної інформації через канал зв'язку.

Практичні результати роботи знайшли відображення в матеріалах науково-технічних звітів за держбюджетними НДР кафедри мереж зв'язку № 240-5 “Розробка прикладних методів цифрової обробки інформації та синтезу сигналів в інтегрованих мережах мобільного зв'язку” за 2009-2010 роки та в об'єктах інтелектуальної власності [7-10]. Матеріали дисертаційної роботи використані в лекційному курсі другої частини дисципліни “Основи схемотехніки” та включені у вигляді підрозділів до другого тому підручника “Схемотехніка пристроїв телекомунікацій”. Використання результатів дисертаційної роботи підтверджується двома актами про впровадження.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є закінченим виконаним самостійно науковим дослідженням. Всі розрахунки в дисертаційній роботі виконані автором особисто. В наукових працях, що написані у співавторстві, здобувачеві належить: у статтях [1, 2] виконано моделювання та отримання кін-цевих результатів; в патентах [7-10] запропонована та обґрунтована змістовна основа ідеї для способів та пристроїв, розроблена методика отримання результатів та отримані кінцеві результати.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації обговорювались на міжнародних науково-технічних конференціях і форумах та наукових семінарах кафедри мереж зв'язку: міжнародна конференція “Радіоелек-троніка та молодь у XXI столітті” (Харків 2008, 2009, 2010); міжнародний форум “Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций” (Севастополь, 2009).

Публікації. За тематикою дисертаційної роботи опубліковано 14 наукових праць, в тому числі: 6 статей в науково-технічних збірниках, що включені у перелік рекомендованих ВАК України (2 у співавторстві), 4 тезиси в збірниках міжнародних конференцій та форумів, та 4 патенти України (у співавторстві).

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, трьох додатків і містить 135 сторінок тексту, 67 рисунків, 4 таблиці, список використаних джерел, що включає 90 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність проведених у дисертаційній роботі наукових досліджень, сформульовані мета та задачі дослідження, зазначені наукова новизна та практичне значення одержаних в роботі результатів.

В першому розділі дисертаційної роботи був здійснений короткий огляд існуючої проблематики навколо СЧ непрямого типу. Зазначено, що існує велика кількість робіт, присвячених методикам розрахунку швидкодії ФАПЧ структур та зменшенню часу перехідного режиму в них за різних умов абстракції та ідеалізації при складанні математичної моделі цих пристроїв. Не менша кількість робіт присвячена підвищенню швидкодії систем ФАПЧ та СЧ, заснованих на них, за рахунок введення до контуру додаткових пристроїв, що порушують природну форму траєкторій перехідних процесів під час перехідних режимів. Проте в будь-якому разі оптимізація проводилася виключно за критерієм швидкодії, що визначалася тим чи іншим способом.

Однак в реальних застосуваннях, коли СЧ являє собою складову частину деякої системи, критерії оптимізації повинні визначатися у контексті роботи саме цієї системи та її показників. Тому і оптимізація таких СЧ повинна відбуватися вже не відокремлено для самої схеми синтезатора, а в цілому для всієї системи. При цьому максимальна швидкодія СЧ вже не свідчить про оптимальність і не є її еквівалентом.

Безпосередньо СЧ непрямого типу використовуються для синтезу набору частот сигналів. Був здійснений огляд функціональних схем сучасних моделей СЧ непрямого типу найбільших виробників, таких як Analog Devices, National Semiconductor, Phillips Semiconductor. Архітектура цих СЧ та особливості їх використання в якості складових частин систем синхронізації за частотою, що виражаються в наявності певних стандартів, які висувають деякі вимоги до цих систем, вносять специфіку до проведення оптимізаційних процедур.

Також СЧ непрямого типу знаходять застосування в задачах синтезу сигналів, що використовуються для передачі інформації по каналам зв'язку, тобто в задачах модуляції. Зокрема для випадку двох обраних частот СЧ може являти собою двійковий частотний маніпулятор. Двійкова частотна маніпуляція використовується у модемному зв'язку, наприклад в протоколі V.23, що застосовується для низькошвидкісної передачі даних на низькоякісних лініях зв'язку с високим рівнем шуму. Також двійкова частотна маніпуляція використовується в узкополосній технології PLC, що надає змогу передачі даних по ЛЕП. Крім цього цей засіб передачі інформації знаходить застосування у ряді моделей професійних цифрових радіостанцій та промислових прийомопередавачах.

Застосування в даних областях в якості двійкових частотних маніпуляторів саме СЧ непрямого типу забезпечує такі переваги, як малі габарити та вагу, невисоку вартість, а також простоту переходу до інших носійних частот в разі зміни специфікацій стандарту. До недоліків подібних двійкових частотних маніпуляторів слід віднести інерційність, що може приводити до серйозних спотворень синтезуємих сигналів та, відповідно до цього, до погіршення показників якості всієї системи зв'язку.

Ще один аспект застосування СЧ непрямого типу, що й досі зостається недостатньо вивченим, - це синтез особливих сигнальних конструкцій. Зокрема, за допомогою СЧ непрямого типу можна отримувати такі сигнали, в яких знаходять застосування побічні ефекти інерційності системи, дозволяючи досягати деяких корисних властивостей цих сигналів.

Таким чином, перший розділ дисертації дає обґрунтування актуальності системного підходу при проведенні оптимізаційних процедур цих пристроїв та їх системних застосувань.

У другому розділі наводиться опис обраної математичної моделі СЧ непрямого типу на основі контуру ФАПЧ другого порядку. На рис. 1 представлена узагальнена структурна схема такого СЧ. Тут прийняті наступні позначення: ЕГ - еталонний генератор; ФД - фазовий детектор; Ф - фільтр; ПГ - генератор, що підлаштовується; ДЗКД - дільник частоти зі змінним коефіцієнтом ділення . Також на рисунку позначені частоти сигналів у відповідних точках системи.

Рис. 1. Узагальнена структурна схема СЧ непрямого типу

Контур ФАПЧ являє собою систему з негативним зворотним зв'язком, дія якого направлена на зрівняння частот сигналів на обох входах ФД. Тому в усталеному режимі буде виконуватись рівність

, (1)

Через завдання різних значень величини можна отримувати різні значення частоти сигналу на виході пристрою. Однак цей метод синтезу частоти має той недолік, що система ФАПЧ є інерційною, а це означає, що зміна частоти вихідного сигналу внаслідок стрибкоподібної зміни значення величини буде відбуватися в ході перехідного процесу за частотою. Робота системі, що приведена на рис. 1, описується інтегрально-диференційним рівнянням

, (2)

де - різність фаз сигналів, що подаються на входи ФД; - передатний коефіцієнт ФД; - крутизна ПГ; - імпульсна характеристика Ф; - зсув між частотами сигналу ЕГ та вільних коливань ПГ. Якщо у схемі СЧ прийняти, що Ф - це інтегруючий ФНЧ першого порядку, тоді з (2) через проміжне перетворення Лапласу можна отримати наступну форму диференційного рівняння, що описує роботу схеми

,(3)

де - коефіцієнт передачі ФНЧ при рад/с, - частота зрізу.

Рішення цього диференційного рівняння описує закон зміни в часі частоти вихідного сигналу, що приведена до входу 2 ФД. Якщо система є стійкою, тоді перехідні процеси можуть відбуватися в одному з трьох режимів, що показані на рис. 2: аперіодичному (1), критичному (2), квазіперіодичному (3).

Оскільки теоретично перехідні процеси нескінчені в часі, то для визначення практичного значення тривалості перехідного процесу вводиться допустимий інтервал відхилення частоти вихідного сигналу від його цільового значення. Тоді останній момент перетину цього інтервалу кривою перехідного процесу буде визначати момент закінчення перехідного процесу. За допомогою чисельних розрахунків в першому розділі показано, що за умови фіксації значення частоти зрізу фільтру найменша тривалість перехідного процесу забезпечується в квазіперіодичному режимі, що показаний на рис. 3.

Далі в другому розділі розглядається задача мінімізації коефіцієнта підсилення проміжного частотно-залежного фільтра при умові виконання вимог, які задаються деяким шаблоном, що обмежує закон зміни частоти вихідного сигналу. Цей обмежувальний шаблон може складатися з декількох частин, кожна з яких задається часом свого початку та величиною допустимого відносного відхилення частоти вихідного сигналу від свого цільового значення по відношенню до значення всього стрибка по частоті. Сукупність цих параметрів повинна задовольняти наступним вимогам:

, (4а)

. (4б)

В якості параметра, що мінімізується, обраний загальний коефіцієнт підсилення СЧ за замкнутим контуром

. (5)

Для кожного з режимів перехідного процесу була отримана цільова функція, що визначає залежність величини параметру від параметрів, що визначають форму кривої перехідного процесу:

, , , (6)

де ; ; ; ; .

Цільові функції для аперіодичного та квазіперіодичного режимів є двопараметричні, однак наявність обмежувань шаблону надає змогу звести цю двопараметричну оптимізацію до однопараметричної, що виконується в алгоритмічному порядку. Для кожного з режимів перехідного процесу визначені ітераційні алгоритми отримання оптимальних за даним критерієм режимів. На рис. 4 приведені приклади результатів роботи цих алгоритмів для всіх трьох режимів (а - аперіодичний, б - критичний, в - квазіперіодичний).



Рис. 4. Результати роботи оптимізаційних алгоритмів

Третій розділ дисертаційної роботи присвячений аналізу характеристик двійкових частотно-маніпульованих сигналів, що одержуються за допомогою непрямого СЧ. Сам принцип синтезу частот на основі контуру ФАПЧ з ДЗКД у колі зворотного зв'язку призводить до того, що СЧ непрямого типу дозволяє отримувати дискретну множину частот, відстань між якими визначається ЕГ. Тоді, якщо з цієї множини обрати, наприклад, дві частоти, та переключати стан ДЗКД у відповідності до деякого двійкового інформаційного сигналу, то СЧ, таким чином, перетворюється на двійковий частотний маніпулятор. Це призводить до того, що двом символам маніпулюючої послідовності буде відповідати чотири типи радіоімпульсів на виході СЧ, як показано на рис. 5, де та - радіоімпульс та відповідний йому закон зміни частоти заповнювання, що починається зі значення та закінчується значенням , .

0	1

Рис. 5. Типи радіоімпульсів на виході СЧ в режимі ЧМн-2

У розділі виконується оцінка спектральних та завадостійких характеристик такого сигналу. В якості спектральної характеристики використовується спектральна щільність потужності (СЩП), що одержується за наближеною оціночною формулою

, (7)

де - ймовірність появи -го типу радіоімпульсу ; - спектральна щільність енергії радіоімпульсу ; - тривалість радіоімпульсів.

На рис. 6 зображена СЩП комплексної обвідної вихідного сигналу по відношенню до частоти носійної, рівної меншому з двох значень усталених частот, як для прикладу, в квазіперіодичному режимі перехідного процесу. В якості девіаціі частоти обрано значення

. (8)

Наявність в маніпульованому сигналі радіоімпульсів з перехідними процесами перерозподіляє середню потужність сигналу по спектру таким чином, що тепер більша її частина зосереджується в області частот, відповідній до девіації частоти. На рис. 7 для всіх трьох режимів приведена залежність відношення частини середньої потужності, що приходиться на ту частину СЩП, що містить два головних пелюстки ідеального ЧМн-2 сигналу, , до повної середньої потужності сигналу від відносного значення тривалості перехідного процесу по відношенню до тривалості радіоімпульсу .

Рис. 6. СЩП комплексної обвідної для квазіперіодичного режиму

Рис. 7. Залежності для всіх трьох режимів перехідного процесу

В табл. 1 зведені оптимальні значення тривалості перехідного процесу та відповідні максимально досяжні значення величин для всіх режимів перехідного процесу. З неї видно, що величини максимумів однакові, але мають різне положення.

Таблиця 1

Оптимальні значення величини для різних режимів

режим
аперіодичний	0.412	0.939
критичний	0.345	0.939
квазіперіодичний	0.275	0.939

Наступна характеристика, яка має велике значення для методів маніпуляції - це завадостійкість сигналів. У даному розділі вона визначається для випадку каналу з АБГЗ та рівними апріорними ймовірностями маніпулюючих кодових символів. Розглянуто два методи прийому: одиночний когерентний прийом двох та чотирьох сигналів, при яких приймач має відповідно два та чотири канали обробки вхідної суміші сигналу із завадою.

Для випадку когерентного прийому двох сигналів, коли приймач має два канали обробки вхідного сигналу, що відповідають двом еталонним сигналам, ймовірність помилки визначається виразом

, (9)

де ;

;

- відношення енергії сигналів до односторонньої СЩП шуму; - коефіцієнт кореляції сигналів та . На рис. 8 а) показана залежність для всіх режимів перехідного процесу, причому вісь функції прологарифмована, а вісі аргументів змінюються у границях ; .

Рис. 8. Залежності

Для випадку когерентного прийому чотирьох сигналів, коли приймач має чотири канали обробки вхідного сигналу, що відповідають всім чотирьом еталонним сигналам, ймовірність помилки визначається виразом

, (10)

де

,

;

,

;

- коефіцієнт кореляції сигналів и .

Відповідна залежність зображена на рис. 8 б).

Результати розділу свідчать про те, що наявність перехідних процесів знижує завадостійкість результуючого сигналу, але може дещо підвищити спектральну ефективність. Також отримані результати дозволяють сформулювати вимоги, яким повинен задовольняти формувач сигналів розглянутого типу, щоб завадостійкість не зменшувалася нижче заданого рівня.

Четвертий розділ дисертаційної роботи присвячений синтезу нових ансамблів двійкових маніпульованих сигналів за допомогою СЧ непрямого типу. Причому перехідний режим, який взагалі є негативним ефектом, в даному випадку виконує корисну сигналостворюючу функцію.

З набору сигналів (рис. 5) можна сформувати шість двопозиційних ансамблів маніпульованих сигналів, один з яких, - , являє собою ансамбль ідеального ЧМн-2 сигналу, а інші п'ять можна поділити на два класи:

1. ансамблі сигналів І класу , , , ;

2. ансамблі сигналів ІІ класу .

Для виявлення потенціалу даних ансамблів як методів маніпуляції знову оцінюються основні показники якості - характеристики завадостійкості та спектральні характеристики.

Ймовірність помилки визначається для умови одиночного когерентного прийому сигналів, що передаються по каналу з АБГЗ та рівними апріорними ймовірностями маніпулюючих кодових символів, за виразом

, (11)

де - коефіцієнт взаємної кореляції сигналів з ансамблю. Оскільки залежність є монотонно-зростаючою, оптимізацію за критерієм можна замінити оптимізацією за критерієм коефіцієнта . Аналіз залежностей для всіх ансамблів сигналів з обох класів показує, що можливість перевершення характеристик завадостійкості ідеального ЧМн-2 сигналу існує лише для ансамблю сигналів ІІ класу в квазіперіодичному режимі та для двох ансамблів сигналів І класу, а саме - та , в усіх трьох режимах.

Потенційно досяжні характеристики завадостійкості для двох сигналів І класу приведені в табл. 2. Відповідні залежності для всіх трьох режимів показані на рис. 9 разом з аналогічними залежностями для двох еталонних сигналів (ЧМн-2 та ФМн-2) для порівняння. Для ансамблю сигналів ІІ класу мінімальне значення коефіцієнту досягається при значенні . Відповідна залежність для квазіперіодичного режиму перехідного процесу показана на рис. 10 також разом із еталонними сигналами.

Таблиця 2

Потенційно досяжні характеристики для сигналів I класу в різних режимах

режим
аперіодичний	1.000	-0.546
критичний	0.880	-0.685
квазіперіодичний	0.647	-0.700

Рис. 9. Залежності для сигналів I класу в різних режимах

Рис. 10. Залежність для сигналу II класу в квазіперіодичному режиму

Для розглянутих ансамблів маніпульованих сигналів та їх оптимальних з точки зору завадостійкості характеристик отримані оцінки спектральних характеристик, а саме спектральної ефективності, що визначається

, (12)

де - швидкість передачі інформації; - ширина ефективної смуги частот маніпульованого сигналу, що містить в собі 90% середньої потужності сигналу.

Значення спектральної ефективності для розглянутих випадків ансамблів зведені до табл. 3 разом із аналогічними характеристиками для двох еталонних ансамблів.

Таблиця 3

Спектральна ефективність еталонних та досліджуваних ансамблів сигналів

сигнал
ЧМн-2	0.313
ФМн-2	0.589
запропоновані ансамблі І класу	аперіодичний режим	0.367
	критичний режим	0.335
	квазіперіодичний режим	0.327
ансамбль ІІ класу	квазіперіодичний режим	0.310

Завершується четвертий розділ розглядом процедури формування сигналів з ансамблів I та II класу.

Результати досліджень, що проведені в четвертому розділі, підтверджують припущення про можливість застосування перехідних процесів у якості корисного сигналостворюючого ефекту, коли наявність цих перехідних процесів наділяє результуючі сигнали властивостями, що дозволяють використовувати ці сигнали для створення методів передачі інформації з метою підвищення показників якості передачі.

ВИСНОВКИ ПО РОБОТІ

У дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-прикладна задача, яка полягає у розвитку та удосконаленні методів підвищення ефективності використання СЧ непрямого типу як складової частини пристроїв телекомунікацій, що виконують функції синхронізації радіосистем за частотою та передачі інформації. Основними результатами дисертації є:

1. Для СЧ непрямого типу на базі системи ФАПЧ другого порядку визначений оптимальний режим перехідного процесу за частотою за критерієм швидкодії при фіксованій величині частоти зрізу ФНЧ. Таким режимом є квазіперіодичний режим, за якого крива перехідного процесу своїм першим екстремумом торкається границі допустимого інтервалу відхилення за частотою, що протилежна до початку переходу по відношенню до значення цільової частоти. Якщо величина допустимого відхилення від цільової частоти складає 1% від величини девіації частоти, тоді тривалість перехідного процесу в оптимальному режимі буде майже на 48% меншою, ніж аналогічна характеристика в критичному режимі.

2. Вперше запропоновані алгоритми визначення оптимальних режимів перехідних процесів за критерієм мінімуму загального коефіцієнту підсилення системи за замкнутим контуром ФАПЧ для кожного типу режиму в умовах наявності складних обмежувальних шаблонів, що пред'являють вимоги до кривої перехідного процесу. Результати рішення оптимізаційної задачі залежать від абсолютно усіх параметрів цих обмежувальних шаблонів.

3. Розглянуті особливості ЧМн-2 сигналів, сформованих за допомогою СЧ непрямого типу, що виявляються в наявності перехідних процесів за частотою у вихідному сигналі. Досліджений вплив наявності перехідних процесів за частотою, їх режиму та тривалості на характеристики ЧМн-2 сигналу, що отримується в результаті. Визначені спектральні характеристики такого неідеального ЧМн-2 сигналу та характеристики його завадостійкості для різних способів прийому. Визначено, що за критерієм долі середньої потужності, що відноситься до ефективної смуги частот, між різними режимами не існує суттєвих переваг, тому що в кожному з них існує така тривалість перехідного процесу за частотою, при якій цільова функція досягає максимуму, що має однакове значення для усіх режимів, що дорівнює 0.939, але різне положення. Щодо завадостійкості, яка визначається ймовірністю помилки одиночного когерентного прийому для каналу з АБГЗ при умові рівної апріорної ймовірності та незалежності двійкових кодових символів маніпулюючої послідовності, визначено наступне. При когерентному прийомі двох сигналів ймовірність помилки суттєво збільшується при затягуванні перехідного процесу, а оптимальним режимом є аперіодичний, найгірші результати дає квазіперіодичний режим. При когерентному прийомі чотирьох сигналів чутливість ймовірності помилки до тривалості перехідного процесу суттєво знижена по відношенню до попереднього способу прийому, а найкращий режим перехідного процесу визначається для конкретної величини його тривалості. При будь-якому режимі перехідного процесу найкращі результати дає використання когерентного способу прийому чотирьох сигналів, причому виграш, від його використання по відношенню до когерентного прийому двох сигналів зростає при збільшенні тривалості перехідного процесу. Отримані результати надають змогу визначити в конкретному випадку застосування ЧМн-2 сигналів, допустиму тривалість перехідного процесу для того, щоб ймовірність помилки не була вище заданого рівня.

4. Вперше запропонований метод маніпуляції, що складається в формуванні ансамблів двійкових маніпульованих сигналів, одна або дві складові яких є радіоімпульсами з кутовою модуляцією складної форми. Отримання цих радіоімпульсів відбувається в результаті перехідного процесу за частотою у вихідному сигналі СЧ непрямого типу у відповідь на стрибкоподібну зміну одного з його параметрів, наприклад, коефіцієнта ДЗКД.

5. Висунута ідея та показана принципова спроможність використання принципово неминучого ефекту перехідного процесу за частотою, що виникає у СЧ непрямого типу при стрибкоподібній зміні значення коефіцієнту ДЗКД, як позитивного ефекту з метою синтезу сигналів із заданими властивостями, зокрема, радіоімпульсів з кутовою модуляцією складної форми, як складових ансамблів двійкових маніпульованих сигналів.

6. Для запропонованих ансамблів виконана їх оптимізація за тривалістю перехідного процесу за частотою у відповідності до критерію завадостійкості, що визначається ймовірністю помилки одиночного когерентного прийому при передачі по каналу з АБГЗ в умовах рівної апріорної ймовірності та незалежності маніпулюючих кодових символів з інформаційної послідовності для всіх типів режимів. Для оптимальних варіантів за критерієм завадостійкості визначена їх спектральна ефективність. Встановлені наступні результати. За критерієм завадостійкості в оптимальному випадку деякі запропоновані ансамблі маніпульованих сигналів першого класу в усіх режимах та ансамбль маніпульованих сигналів другого класу в квазіперіодичному режимі перевершують характеристики ідеального ЧМн-2 сигналу, та поступаються ФМн-2 сигналу. Потенційно досяжні характеристики завадостійкості такі: І клас, аперіодичний режим - ; І клас, критичний режим - ; І клас, квазіперіодичний режим - ; ІІ клас, квазіперіодичний режим - . За критерієм спектральної ефективності запропоновані ансамблі маніпульованих сигналів першого класу в усіх режимах перевершують характеристики ідеального ЧМн-2 сигналу, та поступаються ФМн-2 сигналу, а ансамбль маніпульованих сигналів другого класу поступається ЧМн-2 та ФМн-2 сигналам. В цьому випадку показники такі: І клас, аперіодичний режим - ; І клас, критичний режим - ; І клас, квазіперіодичний режим - ; ІІ клас, квазіперіодичний режим - .

7. Приведені узагальнені функціональні схеми маніпуляторів, що формують запропоновані ансамблі сигналів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Сыроветник В.С. Особенности использования относительной нестабильности частоты VCO в оценке динамических характеристик FS на основе PLL / В.С. Сыроветник, Д.В. Бондарь, А.Н. Зеленин // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2007. - № 5/2 (29). - с. 68-71.

2. Сыроветник В.С. Оптимизация динамических характеристик FS на основе PLL в рамках двухинтервального шаблона на параметры VCO / В.С. Сыроветник, Д.В. Бондарь, А.Н. Зеленин // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2008. - № 1/2 (31). - с. 63-65.

3. Сыроветник В.С. Оценка спектральных характеристик ЧМн-2 сигналов, формируемых с помощью синтезатора частот косвенного типа // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2009. - № 4/3 (40). - с. 48-51.

4. Сыроветник В.С. Определение помехоустойчивости ЧМн-2 сигналов, формируемых с помощью синтезатора частот косвенного типа // Радиотехника. - 2009. - № 158. - с. 127-133.

5. Сыроветник В.С. Синтез ансамбля двоичных манипулированных радиосигналов сложной формы с помощью косвенных синтезаторов частот (часть I) // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2010. - № 1/5 (43). - с. 29-33.

6. Сыроветник В.С. Синтез ансамбля двоичных манипулированных радиосигналов сложной формы с помощью косвенных синтезаторов частот (часть II) // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2010. - № 2/7 (44). - с. 53-57.

7. Сыроветник В.С. Спосіб формування ансамблів двійкових маніпульованих радіосигналів складної форми за допомогою синтезаторів частот непрямого типу / В.С. Сыроветник, А.Н. Зеленин // Патент Украины на полезную модель № 53574.

8. Сыроветник В.С. Пристрій для формування ансамблів двійкових маніпульованих радіосигналів складної форми за допомогою синтезаторів частот непрямого типу / В.С. Сыроветник, А.Н. Зеленин // Патент Украины на полезную модель № 53575.

9. Сыроветник В.С. Спосіб формування ансамблів двійкових маніпульованих радіосигналів складної форми за допомогою синтезаторів частот непрямого типу / В.С. Сыроветник, А.Н. Зеленин // Патент Украины на полезную модель № 54438.

10. Сыроветник В.С. Пристрій для формування ансамблів двійкових маніпульованих радіосигналів складної форми за допомогою синтезаторів частот непрямого типу / В.С. Сыроветник, А.Н. Зеленин // Патент Украины на полезную модель № 54437.

11. Сыроветник В.С. Оптимизация динамических характеристик косвенного СЧ аппаратуры связи // Сб. материалов 12 международной конференции
“Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке”. - Харьков: ХНУРЭ. - 2008. - с. 168.

12. Сыроветник В.С. Исследование характеристик ЧМн-2 сигналов, формируемых с помощью синтезатора частот косвенного типа // Сб. материалов 13 международной конференции “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке”. - Харьков: ХНУРЭ. - 2009. - с. 208.

13. Сыроветник В.С. Оценка характеристик сигналов частотного модулятора на основе косвенного синтезатора частот // Сб. материалов 5 международного форума “РТ-2009. Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций”. - Севастополь: СевНТУ. - 2009. - с. 46.

14. Сыроветник В.С. Синтез ансамбля двоичных манипулированных радиосигналов сложной формы с помощью косвенных синтезаторов частот // Сб. материалов 14 международной конференции “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке”. - Харьков: ХНУРЭ. - 2010. - с. 242.

АНОТАЦІЯ

Сировєтнік В.С. Оптимізація динамічних характеристик активних непрямих синтезаторів частот пристроїв телекомунікацій. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.13 - радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій. Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2011.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню задач підвищення ефективності застосування синтезаторів частот непрямого типу в телекомунікаційних пристроях та системах, що виконують синхронізацію прийомопередавачів за частотою та синтез радіосигналів. Актуальність рішення подібних задач визначається як безсумнівною поширеністю саме цього способу синтезу частот, так і його універсальністю.

В роботі вирішена задача оптимізації СЧ непрямого типу за критерієм мінімуму загального коефіцієнту підсилення контуру ФАПЧ при наявності зовнішніх обмежень, що накладаються стандартами, за якими працює система, складовою частиною якої є цей СЧ. Ці обмеження виражаються у вигляді обмежувальних шаблонів, що пред'являють вимоги до кривої перехідного процесу.

Досліджений вплив наявності, типів режимів та тривалості перехідного процесу на характеристики неідеального ЧМн-2 сигналу, що формується за допомогою СЧ непрямого типу. Це спектральні характеристики та характеристики завадостійкості.

Крім того, в роботі запропоновані методи маніпуляції, що складаються в формуванні ансамблів двійкових маніпульованих сигналів, одна або дві складові яких є радіоімпульсами з кутовою модуляцією складної форми. Отримання цих радіоімпульсів відбувається в результаті перехідного процесу за частотою у вихідному сигналі СЧ непрямого типу у відповідь на стрибкоподібну зміну одного з його параметрів, наприклад, коефіцієнта ДЗКД. Дослідженні та оптимізовані характеристики завадостійкості цих ансамблів, а для оптимальних варіантів визначені показники їх спектральної ефективності. Для досліджених ансамблів запропоновані схеми формування відповідних маніпульованих сигналів.

Ключові слова: синтезатор частот, фазове автопідлаштування частоти, системи синхронізації, радіозв'язок, методи маніпуляції сигналів.

Сыроветник В.С. Оптимизация динамических характеристик активных косвенных синтезаторов частот устройств телекоммуникаций. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.13 - радиотехнические устройства и средства телекоммуникаций. Харьковский национальный университет радио-электроники, Харьков, 2011.

Данная диссертационная работа посвящена решению задач повышения эффективности применения синтезаторов частот косвенного типа на основе контура ФАПЧ в телекоммуникационных устройствах и системах, выполняющих синхронизацию приемопередатчиков по частоте и синтез радиосигналов. Актуальность решения подобных задач определяется как несомненной распространенностью именно этого способа синтеза частот, так и его универсальностью. Распространенность косвенного метода синтеза частот обосновывается теми преимуществами, которые предоставляются этим типом СЧ, а универсальность выражается в ширине спектра задач, в которых находят свое применение косвенные СЧ.

В контексте использования косвенных СЧ в режиме синтеза частот в работе разработаны алгоритмы их технической системной оптимизации при наличии внешних ограничений, накладываемых определенными требованиями стандартов, в соответствии с которыми работают системы на основе СЧ. В качестве критерия в данном случае выбран минимум величины, представляющей общий коэффициент усиления по замкнутому контуру ФАПЧ. Уменьшение этого параметра обеспечивает как снижение энергопотребления схемы, так и снижение вероятности нежелательного перехода системы за пределы рабочего диапазона в нелинейный режим в результате воздействия случайных дестабилизирующих факторов, что может привести к наличию сбоев функционирования. Что же касается ограничений, накладываемых стандартами связи, то большинство из них определяют максимально допустимую величину нестабильности частоты и момент времени, начиная с которого вступает в силу данное ограничение. Обычно подобные ограничения задаются в виде шаблонов, которые могут быть также составными и содержать несколько составных частей со все более жесткими требованиями.

Предлагаемые в работе алгоритмы обеспечивают для каждого возможного режима переходного процесса получение целевых функций для оптимизации и оптимальных по выбранному критерию режимов.

Также в работе рассмотрены особенности ЧМн-2 сигналов, формируемых с помощью СЧ косвенного типа. Данные особенности связаны с инертностью системы ФАПЧ, что приводит к наличию переходных процессов по частоте в выходном сигнале синтезатора, а, следовательно, и к наличию соответствующих переходных процессов в самом ЧМн-2 сигнале. Естественно эти особенности формирования сигналов не могут не сказаться на их характеристиках. Поэтому в работе определяется влияние наличия, длительности и типа режима переходных процессов по частоте на спектральные характеристики и характеристики помехоустойчивости формируемых данным способом сигналов. Это позволяет сделать определенные выводы в отношении допустимой степени неидеальности ЧМн-2 сигналов для обеспечения некоторого минимального уровня показателей качества методов манипуляции. Полученные результаты могут быть использованы для проектирования систем передачи, использующих данный метод манипуляции, в частности, работающих по протоколам модемной связи V.23 и в технологии передачи информации по ЛЭП - PLC.

В работе предложены методы манипуляции, которые заключаются в формировании двоичных ансамблей манипулированных сигналов, одна или две составляющие которых представляют собой радиоимпульсы с угловой модуляцией сложной формы. Формирование таких радиоимпульсов осуществляется в результате переходного процесса по частоте, возникающего в контуре ФАПЧ в ответ на скачкообразное изменение коэффициента ДПКД. Проведена оптимизация предлагаемых ансамблей по критерию помехоустойчивости и для оптимальных вариантов по данному критерию определены характеристики их спектральной эффективности. Некоторые из вариантов ансамблей в оптимальных режимах превосходят аналогичные характеристики идеального ЧМн-2 сигнала. Для рассмотренных методов манипуляции предложены схемы формирования соответствующих сигналов. Кроме того, при решении данной задачи показана принципиальная возможность использования неустранимого для данного случая явления переходного процесса по частоте как полезного сигналообразующего эффекта.

Ключевые слова: синтезатор частот, фазовая автоподстройка частоты, системы синхронизации, радиосвязь, методы манипуляции сигналов.

V.S. Syrovetnik Optimization of dynamic characteristics of indirect type frequency synthesizers of telecommunications devices. - The manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.12.13 - radio-engineering devices and telecommunications techniques. Kharkov National University of Radioelectronics, Kharkov, 2011.

Dissertation work is devoted to decision of tasks of increase indirect type frequencies synthesizers application efficiency in telecommunication devices and systems, which perform synchronization of transceivers by the frequency and forming of radiosignals. Actuality of decision of similar tasks is determined by both undoubted prevalence exactly of this method of synthesis of frequencies and his universality.

In the dissertational work is decided the task of indirect type FS optimization by the criterion of a minimum of the PLL contour general gain coefficient at presence of external limitations, which are laid on by the standards, which the system component part of which is this FS works after. These limitations are expressed as restrictive templates which produce requirements to the curve of transient.

There is researched the influence of presence, mode types and duration of transient on the characteristics of non-ideal BFSK signal which is formed by the PLL FS. It is spectral characteristics and characteristics of noise stability.

In addition, in work there are the offered methods of manipulation, which are folded in forming of binary manipulated signals assembles, one or two constituents of which is radiopulses with the angle modulation of complex form. The forming of these radiopulses takes place as a result of frequency transient in the output signal of indirect type FS in reply to the saltatory change of one of it parameters. There are researched and the optimized the characteristics of noise stability of these assembles, and for the optimum variants determined their spectral efficiency. For researched assembles there are offered the devices of proper manipulated signals forming.

Keywords: frequency synthesizer, phase locked loop, synchronization systems, wireless connection, signal manipulation methods.

Размещено на Allbest.ru

...