Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

методы и средства проектирования каналов декаметровой радиосвязи

Специальность 05.12.04

«Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

ХAЗAН Виталий Львович

Москва - 2009

Работа выполнена на кафедре “Средства связи и информационная безопасность” Омского государственного технического университета.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

КАРТАШЕВСКИЙ Вячеслав Григорьевич

доктор технических наук, профессор

ПУГОВКИН Алексей Викторович

доктор технических наук, профессор

ФАЛЬКО Анатолий Иванович

Ведущая организация: Воронежский НИИ связи

Защита диссертации состоится 26 февраля 2009 года в 15час.30мин.

на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, Е-250, Красноказарменная улица, дом 17, аудитория A-402.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан «……» января 2009 года

Ученый секретарь

диссертационного совета ДС Д 212.157.05

кандидат технических наук, доцент Т.И. КУРОЧКИНА

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

Несмотря на огромные достижения в области спутниковых систем связи (ССС), декаметровая радиосвязь в настоящее время продолжает играть важную роль при осуществлении передачи данных на дальние и сверхдальние расстояния как объектами гражданских ведомств, так и подразделениями силовых структур РФ.

В военной связи особое место, по-прежнему, принадлежит коротковолновой (КВ) связи как одному из видов резервной связи.

Важно отметить тот факт, что, в отличие от ССС, сотовых и телефонных линий связи, в России до сих пор нет единой КВ сети радиосвязи со свободным доступом пользователей.

Декаметровый канал радиосвязи отличается большой сложностью, обусловленной как многолучевостью, зависимостью рабочей частоты от времени года, времени суток, протяженности трассы, так и присутствием большого числа аддитивных помех от посторонних радиостанций, а также наличием возможных преднамеренных помех, создаваемых противоборствующей стороной.

Особенно большие трудности в КВ канале возникают при двусторонней связи с подвижными объектами (ПО), так как на подавляющем большинстве ПО из-за их ограниченных энергетических ресурсов и малых геометрических размеров невозможно использовать мощные передатчики и высокоэффективные антенны.

Проектирование КВ каналов связи (КС) тесно связано с исследованием явлений, влияющих на надежность передачи сообщений (коэффициент исправного действия (КИД) канала связи) и происходящих как в среде распространения, так и в приемопередающих трактах связной аппаратуры. Под надежностью передачи сообщений в данном случае понимается отношение числа сообщений, которые приняты с заданным уровнем качества, к общему числу переданных сообщений.

Методами и средствами проектирования КС являются исследования в лабораторных и естественных условиях свойств и алгоритмов функционирования приемопередающей аппаратуры, физическое, аналитическое, имитационное и имитационно-аналитическое моделирование среды распространения и технических средств, входящих в состав КВ КС, с целью определения всевозможных факторов, влияющих на надежность передачи сообщений и с целью сравнения надежности передачи сообщений различных вариантов проектируемых КС между собой и с вариантами ранее разработанных и находящихся в эксплуатации систем связи.

Учитывая все вышеизложенное, следует признать актуальной задачей рассматриваемую в диссертации проблему разработки средств проектирования каналов декаметровой радиосвязи и проведенную в целях решения этой проблемы разработку различных методов математического и физического моделирования каналов связи максимально учитывающих сложные условия их функционирования [2-6, 8, 10, 11, 13-15, 18-28, 32, 33, 51, 52 и др.], позволяющих научно обосновывать выбираемые при проектировании технические решения, существенно сокращать время опытно-конструкторских работ, повышать качество этих работ и уменьшать материальные затраты на их проведение.

Целью работы явилось:

Разработка метода исследования тонкой структуры декаметрового КС посредством наклонного зондирования ионосферы с помощью широкополосных сигналов.

Разработка математических методов моделирования [2-6, 8, 10, 11, 13-15, 18, 19, 23-26, 28, 32, 33, 51, 52 и др.] как отдельных элементов приемопередающих трактов аппаратуры, так и декаметрового КС в целом, учитывающих как тонкую структуру среды распространения (многолучевость), так и другие факторы, (различного рода аддитивные помехи, нелинейные явления, происходящие в усилительных трактах (УТ) радиоприемных устройств (РПУ) и т. д.), которые влияют на надежность передачи сообщений.

Разработка математических [16, 20-22, 27, 36-38 и др.] и физических [27, 30] методов моделирования сравнительных трассовых испытаний КВ СС, позволяющих прогнозировать их свойства на ранней стадии проектирования и за счет этого повышать качество разрабатываемых устройств при одновременном сокращении сроков натурных сравнительных трассовых испытаний СС и уменьшении материальных затрат на их проведение за счет лабораторных испытаний в условиях, максимально приближенных к реальным.

Использование разработанных методов математического и физического моделирования КС для проектирования КВ СС с подвижными объектами (ПО), отличающихся высокой надежностью и скрытностью [1, 7, 17, 29-31, 34, 35, 46, 47, 50, 52].

Под высоконадежными КС далее понимаются каналы связи, обеспечивающие энергетический выигрыш не менее чем 10ч20 дБ по сравнению с каналами связи, в которых используются такие наиболее распространенные виды работ, как, например, ОФТ-500 и ЧТ-125.

Предмет исследования

В диссертации решается актуальная научная проблема, которая заключается в разработке методов исследования декаметровых каналов связи посредством наклонного зондирования ионосферы широкополосными сигналами, разработке новых и совершенствовании известных методов математического и физического моделирования как отдельных элементов приемопередающих трактов аппаратуры [3, 6, 8, 10, 12-15, 19-21, 25, 31, 32, 36-38, 51, 52], так и в целом декаметрового КС [2, 4, 5, 11, 17, 22-24, 26-28, 33], позволяющих адекватно воспроизводить все основные особенности его функционирования в различных сечениях, исследовать и научно обосновывать с помощью разработанных моделей технические решения, обеспечивающие повышение надежности передачи сообщений по КВ КС в условиях многолучевости и сложной помеховой обстановки за счет использования наиболее рациональных методов модуляции, разнесенного приема сигналов, интегральной оценки качества принимаемых сообщений [11, 33 и др.], наиболее оптимальных алгоритмов адаптации к условиям связи и наиболее рационального выбора структуры КВ КС, например, с использованием ретрансляторов, удаленных от корреспондентов на оптимальные с точки зрения распространения радиоволн расстояния (2000-3000 км) [1, 7, 34, 46, 47, 52].

В диссертации рассмотрены также отдельные вопросы моделирования КВ КС при работе в условиях функционирования радиоразведки и средств РЭБ противника. Полученные в диссертации результаты имеют большое значение как для успешного развития экономики страны, так и для повышения ее обороноспособности.

Методы исследования

Работа проведена с использованием методов аналитического [3, 6, 8, 10, 18-21, 32, 51, 52], имитационно-аналитического [3, 13, 14, 20-24, 36-38], имитационно-параметрического [2, 4, 5, 15, 16, 25-27], имитационного компьютерного [28] и физического [30] моделирования, а также трассовых испытаний [16, 27, 30].

Алгоритмы компьютерных моделей базируются на статистической теории связи, теории передачи дискретных сообщений, теории случайных процессов и математической статистики, теории цифровой обработки сигналов, теории нелинейных электрических цепей, теории модуляции и теории специальных функций.

В работе использованы результаты исследований, полученные В.А. Котельниковым, А.А. Харкевичем, В.И. Сифоровым, А.М. Заездным, Н.Т. Петровичем, Л.М. Финком, Д.Д. Кловским, Н.П. Хворостенко, В.Д. Челышевым, Д. Миддлтоном, Р. Шенноном и др. отечественными и зарубежными учеными.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Метод аналитического моделирования УТ приемопередатчиков и входящих в них нелинейных элементов.

Разработан метод аналитического моделирования безынерционных УТ приемопередатчиков и входящих в них нелинейных элементов (НЭ) (усилителей, преобразователей частоты, ограничителей и др.), заключающийся в аппроксимации проходных характеристик (ПХ) этих элементов комбинированными функциями [3, 6, 18, 21, 32]. Разработанный метод отличается от общеизвестных тем, что позволяет получить предельно компактные аналитические выражения для отдельных спектральных составляющих сигналов на выходе НЭ, которые дают возможность реализовать имитационно-аналитические модели сравнительных трассовых испытаний РПУ, имеющих различные параметры.

2. Метод аналитического моделирования цифровых РПУ.

Квантователи являются основным элементом аналого-цифровых преобразователей (АЦП) в цифровых РПУ. На основе метода представления ПХ НЭ комбинированными функциями (п. I) разработан новый метод аналитического моделирования квантователей с неограниченным и ограниченным числом шагов квантования. [8, 10, 19, 38, 51, 52]. Разработанный метод позволяет аналитическим путем определять все основные характеристики цифровых РПУ и дает возможность рассчитывать интермодуляционные составляющие спектра выходного сигнала любых сколь угодно высоких порядков при неограниченном количестве воздействий на вход цифрового РПУ, что необходимо при имитационно-аналитическом моделировании трассовых испытаний цифровых РПУ в присутствии станционных помех.

3. Метод имитационно-аналитического моделирования сравнительных трассовых испытаний обычных и цифровых РПУ.

На основе аналитического метода моделирования УТ РПУ (п. I и п. 2) разработан новый метод имитационно-аналитического моделирования сравнительных трассовых испытаний РПУ, отличающихся динамическим диапазоном, алгоритмами адаптации к условиям связи, характеристиками АЦП и другими параметрами, который позволяет оценивать влияние отдельных характеристик радиоприемного тракта на надежность передачи сообщений в условиях замираний сигнала и в присутствии большого числа сосредоточенных по спектру помех от посторонних радиостанций, попадающих в полосу пропускания фильтра предварительной избирательности (ФПИ) РПУ [3, 10, 13, 14, 20-24, 36-38].

4. Методы имитационно-аналитического моделирования одномерных каналов связи.

4.1. Метод имитационно-аналитического моделирования одномерного дискретного канала связи с переменными параметрами без краевых искажений сигнала для сечения “выход кодера” - “вход декодера” [2, 4, 5, 11, 25, 26, 33], который отличается от известных методов Гильберта, Эллиота, Фричмана-Свободы, Попова-Турина и др. тем, что формирование потока ошибок производится с учетом многолучевой структуры КВ КС, замираний как сигнала, так и аддитивных помех, попадающих в полосу пропускания фильтра основной избирательности (ФОИ) РПУ и вида модуляции сигнала. Разработанный метод моделирования дискретного канала связи учитывает явление сдваивания ошибок при относительной фазовой телеграфии (ОФТ). Этот метод моделирования позволяет имитировать сравнительные трассовые испытания различных демодуляторов [2, 4, 16, 27] и кодеков с учетом возможной цикловой рассинхронизации из-за наличия “вставок” и “выпадений” элементов, появляющихся вследствие замираний отдельных лучей в КС при высоких скоростях манипуляции.

4.2. Метод имитационно-аналитического моделирования одномерного дискретного КС с краевыми искажениями элементов сообщения для сечения “выход кодера” - “вход регенератора” [2, 4, 5, 11, 15, 33], который отличается от известного метода моделирования с отклонениями фронтов по нормальному закону тем, что он учитывает многолучевую структуру КВ КС и позволяет одновременно формировать регулярные преобладания, краевые искажения и дробления элементов, происходящие при малых отношениях сигнал/помеха, имеющих место во время глубоких замираний сигнала. Этот метод дает возможность исследовать эффективность алгоритмов функционирования регенераторов, устройств оценки качества принимаемого сообщения по величине телеграфных искажений и т. д.

4.3. Метод имитационно-аналитического моделирования одномерного КС с дискретным входом и континуальным выходом для сечения “выход кодера” - “выход фильтра нижних частот демодулятора”, разработанный на основе метода моделирования КС с краевыми искажениями (п. 4.2) [2, 4, 5, 11, 15, 33]. Этот метод моделирования КС не имеет аналогов и позволяет имитировать сравнительные трассовые испытания устройств разнесенного приема сигналов с последетекторным сложением и устройств оперативной оценки качества принимаемых сигналов по уровню напряжения на выходе фильтра нижних частот (ФНЧ) демодулятора.

5. Метод имитационного математического моделирования двухмерного КС.

Разработан метод имитационного компьютерного моделирования двухмерного непрерывного КС для сечения “выход модулятора” - “выход усилительного тракта РПУ” [2, 4, 5, 28], который учитывает как тонкую структуру КВ канала, так и динамический диапазон УТ РПУ. Он позволяет моделировать в общем случае трех-семипараметрические (в зависимости от вида) замирания сигнала в каждом отдельно взятом луче с учетом изменения как его амплитуды, так и фазы. Отличительной особенностью этого имитационного метода моделирования является то, что он позволяет учитывать влияние нелинейности входных элементов УТ РПУ на отношение сигнал/помеха на его выходе. При моделировании устройств цифровой обработки сигналов этот метод позволяет получить практически полную адекватность их программной реализации.

6. Метод имитационного компьютерного моделирования трехмерного канала связи, позволяющий определять параметры электромагнитного поля в точке приема сигнала, что дает возможность создать пространственно-временную (ПВ) модель трехмерного сигнала с учетом тонкой структуры многолучевого КС и углов прихода индивидуальных лучей, а также с учетом характера поляризации электромагнитной волны в каждом отдельно взятом луче [2, 4, 5]. ПВ модель дает возможность исследовать эффективность пространственно- и поляризационно-разнесенных способов приема сигналов, a также различных методов компенсации станционных помех.

7. Метод физического моделирования трассовых испытаний систем связи, не имеющий аналогов и отличающийся тем, что используется принятый из эфира гармонический сигнал от передатчика, находящегося на заданном удалении от приемника. Данный метод физического моделирования позволяет скрытно имитировать трассовые испытания низкоскоростных систем связи в условиях максимально приближенных к реальным. На данный метод физического моделирования трассовых испытаний систем связи в 1974 году было получено авторское свидетельство на изобретение.

8. Метод наклонного зондирования ионосферы широкополосными сигналами, позволяющий исследовать тонкую структуру многолучевого КВ канала связи, с автоматической регистрацией параметров как общей огибающей его импульсной реакции, так и комплексных коэффициентов передачи индивидуально выбранных лучей, которые являются функциями времени. На разработанную систему наклонного зондирования в 1968 г. и в 1972 г. получены два авторских свидетельства на изобретение.

Результаты исследования ионосферы с помощью системы наклонного зондирования ионосферы были использованы при разработке вышеперечисленных компьютерных моделей.

Практическая ценность

Разработанная под руководством автора диссертации система наклонного зондирования ионосферы с помощью широкополосных сигналов позволила досконально исследовать тонкую структуру многолучевости односкачковой декаметровой широтной трассы Ленинград-Омск и получить все основные характеристики импульсной реакции этой трассы как функций времени, которые в дальнейшем были использованы при физическом и математическом моделировании КВ канала связи.

Разработанные автором диссертации методы моделирования КС дают возможность прогнозировать их свойства на начальной стадии проектирования СС, за счет чего повышается качество разрабатываемых средств связи, обеспечивается высокая надежность передачи сообщений по КВ КС, а также сокращаются сроки проектирования СС и, соответственно, уменьшаются материальные затраты на его проведение.

Результаты, полученные автором с помощью разработанных им методов имитационного компьютерного и физического моделирования трассовых испытаний для исследования максимально достижимых значений КИД КВ КС за счет предельно возможного снижения скорости манипуляции [1, 17, 30 и др.], позволили разработать и внедрить в серийное производство высоконадежные и скрытные от противника системы связи с ПО, которые были приняты на вооружение сухопутными войсками и военно-морским флотом России.

Разработанный имитационно-аналитический метод моделирования трассовых испытаний УТ РПУ в сложных условиях позволил обосновать наиболее оптимальную структуру их построения, алгоритмы адаптации РПУ к условиям связи и необходимый динамический диапазон, при котором реальное РПУ энергетически незначительно проигрывает идеальному [13, 14, 19-24, 36]. Так, например, исследования алгоритмов адаптации РПУ к условиям связи, результаты которых получены под непосредственным руководством автора диссертации и приведены в работах [13, 37], показали необходимость применения в РПУ автоматической регулировки чувствительности, которая и была реализована в Омском НИИ приборостроения при проектировании современных КВ РПУ.

Разработанные автором диссертации методы моделирования КВ КС были использованы при исследовании надежности передачи сообщения, когда функционируют средства радиоразведки и радиопротиводействия противника, что позволило выработать полезные рекомендации для случая эксплуатации КВ СС в этих условиях.

Разработанный метод аналитического моделирования НЭ был использован специалистами ОНИИП при проектировании активных приемных антенн [32].

Разработанные методы математического моделирования КВ каналов связи в настоящее время используются в ОНИИП для исследования помехоустойчивости перспективных высокоскоростных методов передачи сообщений [31].

Результаты компьютерного моделирования КС, базирующиеся на предложенных автором методах, позволили научно обосновать технические решения построения высоконадежных каналов декаметровой мобильной автоматической радиосвязи, которые предполагается использовать для передачи сообщений в КВ сетях связи со свободным доступом пользователей, интегрированных со всеми существующими сетями передачи дискретных сообщений и в территориально-рассредоточенных мониторинговых системах [1, 17, 29, 34, 35, 46, 47, 50, 52].

На основе разработанных автором методов имитационного моделирования каналов связи возможно создание экспертных систем для радиоцентров и тренажеров для операторов радиостанций, где они могут использоваться с целью повышения уровня профессионализма операторов и при аттестации обслуживающего персонала.

Разработанные методы моделирования могут использоваться в высших и средних специальных учебных заведениях при проведении лабораторных, курсовых и дипломных работ по дисциплинам «Радиотехнические цепи и сигналы», «Теория электрической связи», «Основы теории связи с подвижными объектами», «Моделирование систем связи» и др. [11, 12].

Так как декаметровый диапазон радиоволн является наиболее сложным по сравнению со всеми другими, то разработанные в диссертации методы математического моделирования каналов связи могут быть использованы и во многих других диапазонах радиоволн.

Реализация и внедрение результатов

При проведении в ОНИИП НИР "Вега", "Астероид", "Выгон" и др., целенаправленных на создание РПУ нового поколения, использовались методы аналитического моделирования усилительных трактов, разработанных в диссертации, что подтверждается Актом внедрения и использования результатов диссертационной работы в ФГУП ОНИИП.

Предложенный и научно обоснованный в работе способ повышения надежности передачи сообщений в сложных условиях связи за счет предельного снижения скорости манипуляции был исследован под непосредственным руководством автора в Омском НИИ приборостроения в НИР "Шорох-Бурун", "Десна", "Тишина" и др. и был с положительными результатами реализован в ОКР "Бриллиант" и "Околыш", что подтверждается Актом внедрения и использования результатов диссертационной работы в ФГУП ОНИИП.

КВ СС "Бриллиант" была принята на вооружение МО РФ и серийно производилась в течение ряда лет, a изделие "Околыш", также принятое на вооружение МО РФ, с 1979 г. до настоящего времени выпускается серийно Омским приборостроительным заводом, что подтверждается соответствующим Актом внедрения результатов диссертационной работы в ФГУП "Омский приборостроительный завод им. Н.Г. Козицкого".

Система наклонного зондирования ионосферы, разработанная под руководством автора диссертации, была передана в эксплуатацию в Институт солнечно-земной физики СО РАН (г. Иркутск), и дала возможность получить ценные научные результаты о свойствах ионосферы, что подтверждается Актом внедрения и использования результатов диссертационной работы в ИСЗФ СО РАН.

В ОмГТУ на кафедре “Средства связи и информационная безопасность” в курсах “Радиотехнические цепи и сигналы”, “Теория электрической связи” и “Моделирование систем связи” в 27 разработанных непосредственно автором компьютерных лабораторных работах используются рассмотренные в диссертации аналитические, имитационно-аналитические и имитационные методы математического моделирования отдельных элементов и КС в целом [2-4, 7, 8, 48-50, 52]. Эти методы моделирования используются также при выполнении студентами курсовых и дипломных работ по этим и другим дисциплинам. О внедрении результатов диссертационной работы в учебный процесс в Омском государственном техническом университете имеется соответствующий Акт.

Апробация

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались:

- в г. Москве: в 1968 г. на 2-й Научно-технической конференции “Проблемы оптимальной фильтрации”; в 1995 г.на Международной конференции “100-летие начала использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождения радиотехники”; в 2001 г. на VI-ой научной сессии РНТОРЭС им. А. С. Попова; в 2003 г.на 58-й научной сессии, посвященной Дню радио;

- в г. Минске в 1980 г. на 2-м Всесоюзном симпозиуме “Нелинейные искажения в приемно-усилительных устройствах”;

- в г. Горьком в 1981 г. на Всесоюзной научно-технической конференции “Развитие и внедрение новой техники радиоприемных устройств”;

- в г. Калуге в 1989 г. на Всесоюзной научно-технической конференции “Автоматизация исследования, проектирования и испытаний сложных технических систем”;

- в г. Омске: в 1963 г. - 1973 г. на I, II, III, V, VI и VIII научно-технических конференциях в ОНИИП; в 1996 г. на Международной научно-практической конференции “Информационные технологии и радиосети (ИНФОРАДИО `96)”; в 2001 г. на Технологическом конгрессе “Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения”; в 2003 г. на научно-технической конференции на 2-м Международном технологическом конгрессе "Развитие оборонно-промышленного комплекса на современном этапе"; в 2005 г. и 2007 г. на III и IV Международных технических конгрессах "Военная техника, вооружение и технологии двойного применения";

- в г. Ульяновске в 2002 г. на VII международной научно-методической конференции вузов и факультетов телекоммуникаций;

- в г. Воронеже в 2004, 2005, 2007 на 10-й, 11-й и 13-й Международных научно-технических конференциях “Радиолокация, навигация, связь”;

- в г. Томске в 2006 на Международной научно-практической конференции “Актуальные проблемы радиофизики” и др. научно-технических конференциях и семинарах (общим числом 39).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 90 печатных работ (в том числе 74 в открытой печати (10 статей в журналах ВАК [1-10], монография [52]), 16 работ в закрытой печати) и получено 12 авторских свидетельств, в том числе семь открытых [3945]. Подано в 2007 г. и находится на рассмотрении в ФГУ ФИПС 4 заявки на изобретение [46-49], по двум из которых уже приняты решения о выдаче патентов на изобретение.

Структура и объем диссертации

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

Основные положения, выносимые на защиту

1. Метод аналитического моделирования усилительных трактов приемопередатчиков, содержащих безынерционные НЭ (усилители, преобразователи частоты, усилители-ограничители и др.), отличающийся тем, что ПХ НЭ аппроксимируются комбинированными функциями, включающими в себя в общем случае степенные, показательные и тригонометрические функции, что позволяет при относительной простоте аппроксимирующего аналитического выражения и при неограниченно большом количестве входных узкополосных воздействий получить компактные формулы для расчета амплитуд (а в общем случае и фаз) гармоник и интермодуляционных составляющих сколь угодно высоких порядков, являющихся компонентами спектра сигнала на выходе УТ [3, 6, 12, 18, 32].

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

3. Методы имитационно-аналитического моделирования сравнительных трассовых испытаний РПУ с ограниченным динамическим диапазоном и цифровых РПУ, которые позволяют оценить влияние отдельных характеристик РПУ на надежность передачи сообщений (на КИД) в условиях замираний сигнала и в присутствии сколь угодно большого числа сосредоточенных по спектру помех от посторонних радиостанций, попадающих в полосу пропускания ФПИ РПУ [3, 10, 13, 14, 20-24, 36-38, 52].

4. Методы имитационно-аналитического моделирования одномерных дискретных КС без краевых искажений и с краевыми искажениями и КС с континуальным выходом после ФНЧ демодулятора, которые отличаются от известных тем, что при имитации входных воздействий на декодеры, регенераторы, устройства оценки качества принимаемого сообщения, устройства сложения сигналов, устройства адаптации к условиям связи и т. д. учитываются все основные факторы, влияющие на надежность передачи сообщений, а именно, многолучевая структура сигнала, приводящая к появлению “вставок” и “выпадений” элементов сообщения при замираниях отдельных лучей, сдваивание ошибок при передаче сообщений методом ОФТ, наличие дроблений элементов сообщения при малых значениях отношения сигнал/помеха и т. д. [2, 4, 5, 11, 15, 16, 25-27, 33].

5. Метод имитационного компьютерного моделирования двухмерного непрерывного КС, позволяющий сформировать сигналы, адекватные сигналам на входе устройства цифровой обработки РПУ с учетом всех основных мешающих факторов (многолучевости КВ КС, всевозможных аддитивных помех, нелинейности ПХ УТ РПУ) [2, 4, 5, 28], а при моделировании устройств цифровой обработки сигналов позволяет получить практически полную адекватность их программной реализации.

6. Метод имитационного компьютерного моделирования электромагнитного поля в точке приема многолучевых сигналов (пространственно-временная (ПВ) модель КС), позволяющий создать ПВ модель трехмерного сигнала в точке его приема с учетом тонкой структуры многолучевого КС и горизонтальных и вертикальных углов прихода индивидуальных лучей, а также с учетом характера поляризации электромагнитной волны в каждом отдельно взятом луче [2, 4, 5 и др.].

7. Метод наклонного зондирования ионосферы широкополосными сигналами, отличающийся возможностью исследования тонкой структуры КВ КС с одновременной регистрацией общей огибающей импульсной реакции КВ КС и значений комплексных коэффициентов передачи отдельных лучей КВ канала связи как функций времени.

8. Метод физического моделирования трассовых испытаний КВ систем связи, в котором используются специально излучаемые сигналы или гармонические сигналы от посторонних источников, например, станций точного времени, отличающийся скрытностью проводимых исследований, экономичностью, позволяющий сокращать сроки трассовых испытаний и проверять, кроме всего прочего, достоверность результатов компьютерного моделирования [30].

9. Основы построения высоконадежных КВ КС для сети мобильной автоматической радиосвязи со свободным доступом пользователей [1, 7, 9, 17, 29, 30, 34, 35, 46-50, 52], научно обоснованные с использованием разработанных методов математического и физического моделирования.

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

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

Краткое содержание работы

Во введении диссертации отражена актуальность проблем, которым посвящена диссертация, указаны цели и методы исследования, дан обзор новых научных направлений, рассматриваемых в работе, отмечена практическая ценность разработанных методов физического исследования КВ КС и его математического моделирования с учетом линейных случайных [2, 4, 5, 11, 33] линейных и нелинейных детерминированных [3, 6, 8, 10, 11, 18-20, 51, 52] искажений сигнала и различного рода аддитивных помех [2, 4-6, 8, 10, 11, 13, 14, 20-24, 36-38, 44, 51, 52].

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

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

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1. Блок-схема декаметрового канала связи

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

Для проектирования кодеков необходима модель КС, включающая в себя все элементы тракта, содержащиеся между его сечениями AH (имитационно-аналитическая модель одномерного дискретного КС без краевых искажений). Проектирование синхронизаторов, регенераторов, устройств оценки качества принимаемого сообщения по краевым искажениям требует моделирования участка КС между сечениями AG (имитационно-аналитическая модель одномерного дискретного КС с краевыми искажениями). Проектирование устройств оценки качества по уровню континуального сигнала на выходе ФНЧ демодулятора нуждается в моделировании сечения AF (имитационно-аналитическая модель одномерного дискретно-непрерывного КС). Проектирование устройств цифровой обработки сигнала предполагает моделирование тракта на участке АЕ (имитационная модель двухмерного непрерывного КС). Для разработки антенно-фидерных устройств, компенсаторов станционных помех (пространственных фильтров) необходимы имитационные ПВ модели трехмерного непрерывного КС между сечениями AD, BD или СD.

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

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

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

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

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

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

В(n) = ent[R(n) + Pош (n)], (1)

где n - номер элемента, R(n) - случайные числа, Рош(n) - вероятность ошибки при приеме n-го элемента, ent[x] - целая часть числа х.

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

, (2)

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

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

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

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

(3)

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

Получено аналитическое выражение для определения вероятности ошибок квантов Ркв при заданной вероятности ошибок элементов Рош:

. (4)

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

Коэффициент К2 определяется с помощью выражения:

. (5)

Коэффициент К3 можно найти, зная либо Ркв1, либо Ркв2 :

. (6)

сигнал дискретный частота фильтр

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

(7)

Ошибка элемента происходит в том случае, когда число ошибочно принятых квантов превышает порог No = (N - 1)/2. Задавая каких-либо два значения Ркв1 и Ркв2, по формуле (7) можно рассчитать два соответствующих значения вероятности ошибки элемента Рош(Ркв1) и Рош(Ркв2) и, подставляя эти значения вероятности ошибок элементов в формулы (5) и (6), можно найти коэффициенты К2 и К3.

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

Во второй главе описывается метод аналитического моделирования УТ РПУ (п. 1 положений, выносимых на защиту) и метод имитационно-аналитического моделирования сравнительных трассовых испытаний УТ РПУ с ограниченным динамическим диапазоном (п. 3 положений, выносимых на защиту), которые базируются на аппроксимации ПХ НЭ комбинированными функциями. Основное содержание этой главы отражено в работах автора [3, 6, 12, 13, 14, 18-24, 32, 36, 37]. В главе дана краткая характеристика известных методов аппроксимации безынерционных НЭ, указаны особенности моделирования УТ КВ РПУ. Отмечено, что задача определения спектра колебания на выходе НЭ решалась многими исследователями. А.И. Берг определял спектр колебания на выходе НЭ с помощью кусочно-линейной аппроксимации его характеристики. В.А. Котельников, В.Д. Челышев и многие другие пользовались аппроксимацией степенными полиномами. И.В. Басик, Г.В. Добровольский и ряд других исследователей определяли параметры компонентов спектра колебаний на выходе НЭ, аппроксимируя их характеристики показательными полиномами. Ю.Б. Кобзарев, А.М. Заездный и Л.Т. Ким использовали для аппроксимации характеристик НЭ тригонометрические полиномы. Автор предлагает способ сокращения числа членов в аппроксимирующем ПХ НЭ u2 = f(u1) полиноме за счет использования комбинированных функциональных многочленов, в общем случае представляющих собой совокупность степенных, показательных и тригонометрических полиномов:

, (8)

где ?u - половина интервала допустимых значений воздействия u1 на вход НЭ.

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

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

. (9)

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

, (10)

(-u< u1 < u).

Здесь К - коэффициент усиления, а Дu обусловливает динамический диапазон приемного тракта РПУ.

График зависимости u2 от u1 изображен на рисунке 5.

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

При полигармоническом входном воздействии на УТ выражение для u1(t) с учетом возможного начального смещения рабочей точки на ПХ U1,0 запишется в виде:

(11)

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

(12)

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

В случае представления ПХ УТ РПУ выражением (10) для известных параметров модели Кус и ?u, а также заданных параметров многосигнального входного воздействия U1i(t) и 1i(t) (11) в любой момент времени t с помощью выражения (12) можно определить значения параметров (амплитуды и фазы) любого из общего числа компонентов спектра выходного колебания.

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

, (13)

где U1,1 - амплитуда гармонического колебания на входе УТ;

U2,1 - амплитуда 1-ой гармоники колебания на выходе УТ;

U1,0 - постоянное смещение рабочей точки на ПХ;

u - полуинтервал допустимых изменений напряжения на входе УТ.

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

, (14)

а также его интермодуляционная характеристика (ИХ):

. (15)

Здесь дополнительно обозначено:

U1,1 и U1,2 - амплитуды гармонических компонентов бигармонического колебания на входе УТ;

U2,(2-1) - амплитуда интермодуляционной составляющей третьего порядка вида (2f1-f2) или (2f2-f1) на выходе УТ.

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

(16)

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

Таблица

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

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

, (17)

где

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

U1max - максимально допустимое напряжение на входе УО.

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

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

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

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

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

. (18)

Одновременно на выходе УТ РПУ за счет взаимодействия станционных помех образуются интермодуляционные помехи нечетных порядков, часть из которых при выполнении условий (2fr - fp) = fc, (fr + fp - fs) = fc, 3fr - 2f p= f c и т. д. попадает в ФОИ. Уровни интермодуляционных помех, например, третьего порядка определяются следующим образом:

, (19)

. (20)

Определив уровень сигнала и все уровни интермодуляционных помех, которые попадают в полосу пропускания ФОИ, можно найти мощность этих помех как сумму их индивидуальных мощностей совместно с мощностью аддитивного шума и рассчитать отношение сигнал/помеха H. Зная H, можно определить вероятность ошибочного приема элемента в любой заданный момент времени, построить вектор ошибок и определить число этих ошибок, обусловливающих качество сообщения, принятого в проводимом сеансе связи. Для коротких сеансов связи, когда длительность сообщения во много раз меньше интервала корреляции замирания сигнала и помех, оценку качества сеансов связи можно производить непосредственно по отношению сигнал/помеха H.

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

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

В случае предложенной автором аппроксимации проходная характеристика квантователя описывается выражением:

, (21)

где - коэффициент комплексного ряда Фурье, в который разлагается пилообразная функция U2 = U2 - U1U2/U1, U1 - шаг квантования по входу, U2 - шаг квантования по выходу, U1,0 - постоянное смещение (для квантователя с округлением U1,0 = 0).

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

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

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

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

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

...