автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Анализ и синтез цифровых синтезаторов частот и систем синхронизации

^^ На правах рукописи

^ УДК 621.396.

'Ч

Стешенко Владимир Борисович

Лпализ н синтез цифровых синтезаторов частот и систем снихроппзацип.

Специальность 05.12.13 - " Системы и устройства радиотехники и связи "

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва

1997 год

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н.Э.Баумана.

Научные руководители:

Лауреат Государственной премии, Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Б.И.Шахтарин

кандидат физико-математических наук В.В.Сизых.

Унциальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Г.А. Андреев

Член-корреспондент Международной Академии информатизации, кандидат технических наук, доцент В.А.Челышев

Ведущая организация - НИКИРЭТ

Защита состоится «_» _ 1997 г. в _:_ на заседании

диссертационного совета Д.072.05.03 при Московском государственном техническом университете гражданской авиации (МГТУ ГА) по адресу: 125838, Москва, Кронштадтский бульвар, д. 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ ГА.

Автореферат разослан «_»_1997 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.072.05.03 к.т.н., доцент

А.С.Попов

-3 -

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В настоящее время актуальным является решение комплекса задач, связанного с созданием новых типов н совершенствованием существующих средств обнаружения локализованных объектов па фоне подстилающей поверхности, являющихся неотъемлемой частью систем обработки информации и управления подвижными объектами. Диссертация посвящена анализу и синтезу цифровых систем синхроншацаи и синтезаторов частот для применения в радиотехнических системах и устройствах обработки информации.

В качестве модели антенной системы в диссертации рассматривается антенная решетка (АР). Теория и техника АР достаточно исследована и подробно освещена в литературе. Значительный вклад в совершенствование радиолокационных АР внесли работы Д.И.Воскресенского, В.Л.Гостюхина, И.Я.Иммореева, М.Сколника, Т.У .Миллера и других. Также рассматривались вопросы применения АР в гидроакустических и акустических системах. Разработкой теории гидроакустических АР занимались Г.М.Свердлин, М.Д.Смарышев, Л.К.Самойлов, Р.Д.Урик и другие. Однако, несмотря на большое число работ по данной проблеме, остаются недостаточно исследованным ряд вопросов проектирования цифровых систем. Например совершенствование частотных методов управления положением главного максимума диаграммы направленности (ДН) АР, повышение точности пеленгации объекта малых угловых размеров на фоне распределенной в пространстве помехи, применение современных микропроцессорных устройств и методов цифровой обработки сигналов. Существующие в настоящее время методы управления ДН обладают рядом недостатков, в частности, недостаточной точностью и большим шагом перестройки по углу

пеленга, проникновением помех от сигналов управления в приемный канал, сложностью алгоритмов управления и высокой стоимостью реализации систем. Поэтому представляется перспективным применение цифровых синтезаторов частот (ЦСЧ) в качестве управляемого генератора в системах управления и обработки сигнала АР с частотным управлением ДН.

Вопросами разработки и анализа ЦСЧ занимались Ч.Райдер, С.Витли, В.П.Коданев и другие. Однако до сих пор недостаточны исследованы вопросы оценки качества спектра выходного сигнала ЦСЧ, необходима разработка методов подавления побочных дискретных составляющих в спектре ЦСЧ.

Значительный интерес представляют использование широкополосных сигналов в системах обработки и передачи информации, анализ и синтез соответствующих устройств демодуляции и декодирования таких сигналов, а также их применение в системах телеуправления и телеметрии подвижных объектов. В этой связи перспективным является применение цифровых систем синхронизации (ЦСС). Весомый вклад в исследование ЦСС внесли работы У.Линдсея, Д.К.Холмса, Б.И.Шахгариыа, МИ.Жодзишского. Однако до последнего времени недостаточно исследованы некоторые характеристики ЦСС, в частности, спектральная плотность сигнала рассогласования.

Недостаточно разработаны методы вероятностного моделирования функционирования систем при наличии помех, учитывающие особенности работы в реальных условиях.

На этом основании представляется актуальным исследование ЦСЧ и ЦСС для применения в системах обработки информации и управления, с целью создания теоретической базы для создания новых перспективных систем.

Цель диссертации. Целью диссертации является проведение анализа АР с управлением на основе ЦСЧ, разработка методов анализа спектра и подавления побочных составляющих в спектре выходного сигнала ЦСЧ, анализ характеристик ЦСС, построение алгоритмов анализа систем и проверка правильности их функционирования методами машинного моделирования и натурного эксперимента.

Методы исследования. В работе использованы точные аналитические методы решения разностных задач, возникающих при рассмотрении уравнений, описывающих динамику ЦСС, методы теории случайных процессов, полумарковских процессов и теории восстановления, методы матричного анализа, гармонический анализ, методы теории интервального и точечного оценивания, машинного моделирования на ЭВМ, натурного моделирования. Проводилось сравнение результатов, полученных различными методами, в том числе экспериментальным и методами машинного моделирования.

Задачи, решаемые в диссертации. Для достижения поставленной цели, в диссертации сформулированы и решены следующие задачи.

1. Разработка методов анализа и синтеза систем формирования диаграммы направленности (ДН) АР с частотным сканированием на базе ЦСЧ.

2. Исследование аддитивной и мулътишгикатишюй обработки сигналов в АР с частотным сканированием.

3. Оценка максимального уровня и разработка методов компенсации побочных составляющих в спектре выходного сигнала ЦСЧ.

4. Анализ динамики ЦСС и определение спектральной плотности сигнала рассогласования при различной структуре системы.

5. Моделирование на ЭВМ и экспериментальное исследование ЦСЧ и ЦСС.

Положения. выносимые на защиту'. В соответствии с целью и задачами диссертации, на защиту выносятся следующие положения, определяющие научную ноэнзну работы.

1. Принципы построения системы пеленгации объекта на фоке распределенной помехи с помощью АР с управлением на базе ЦСЧ.

2. Методика определения максимального уровня побочных составляющих в спектре выходного сигнала ЦСЧ.

3. Принцип построения ЦСЧ с целью снижения максимального уровня побочных составляющих в спектре выходного сигнала.

4. Новые данные по статистическим характеристикам ЦСС, в частности результаты анализа распределения вероятностей и спектральной плотности сигнала рассогласования ЦСС.

5. Результаты экспериментального исследования и моделирования ЦСЧ.

Практическая ценность работы. Получены новые данные о характеристиках функционирования АР с использованием ЦСЧ, что позволяет более обоснованно осуществлять сравнительный анализ таких систем и синтезировать их структуру. Результаты работы являются частью исследований, проводимых в рамках НИР на кафедре "Автономные информационные и управляющие системы" и учебно-научном центре "Специальное приборостроение" МГТУ им Н.Э.Баумана, в Институте криптографии, связи и информатики (ИКСИ) Академии ФСБ РФ, а также используются в учебном процессе кафедры "Автономные информационные и управляющие системы" МГТУ им Н.Э.Баумана, кафедры № 724 ИКСИ, кафедры "Кибернетические устройства и системы" Пензенского государственного технического университета.

Апробадия работы. Результаты работы докладывались на 2-х всероссийских конференциях, научных семинарах кафедры "Автономные информационные и управляющие системы" МГТУ им Н.Э.Баумана, кафедры

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в работах [1

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (95 наименований), приложения и изложена на 144 листах машинописного текста, включая 40 листов иллюстрации.

Во введении дана постановка задачи исследования, проведен обзор литературы по теме диссертации и перечислены основные результаты работы.

Глава 1 "Системы управления антенными решетками на базе частотного метода сканирования" посвящена исследованию методов формирования диаграммы направленности (ДН) и обработки сигналов в антенных решетках с частотным методов сканированием. Предложены рациональные способы построения приемных трактов радиотехнических систем на базе АР, исследованы различные методы обработки сигнала.

Показано, что для настройки направления главного максимума ДН на направление 6с, необходимо выполнение следующего условия

где - расстояние между элементами АР, 4т - запаздывание сигнала между каналами в гетеродинном тракте, X - длина волны. Из выражения (1) видно,

724 ИКСИ.

13].

Содержание работы

(1)

что изменяя частоту опорного генератора, можно изменять направление настройки главного максимума ДН АР.

Рассмотрена как аддитивная, так и мультипликативная обработка сигналов в АР. Получены выражения, определяющие ДН АР для разных алгоритмов обработки.

Показано, что линейную АР можно проредить таким образом, чтобы сохранились все соотношения с!/Л, присутствующие в нспрореженной АР. Проведен анализ мультипликативной обработки сигналов прореженной АР. При мультипликативной обработке сигналы с выходов канальных усилителей попарно перемножаются и усредняются на интервале принятия решения, затем усредненные сигналы суммируются. В работе показано, что применение мультипликативной обработки сигналов в АР дает лучшие характеристики подавления боковых лепестков, чем АР с аддитивной обработкой.

Рассмотрено применение частотного управления ДН при гауссовом спектре сигнала и помехи. Процессы на входе приёмных элементов рассматривались на интервале обработки Т, на котором их можно считать стационарными. Модель помехи представлялась как совокупность г„ точечных излучателей, равномерно распределенных в горизонтальной плоскости в пределах диапазона сканирования. Получены выражения для множителей АР при гауссовой функции направленности элементов решетки как для аддитивного, так и для мультипликативного алгоритмов обработки.

Глава 2 "Оценка спектра и способы улучшения качества выходного сигнала цифровых синтезаторов прямого синтеза частот" посвящена анализу алгоритмов работы и оценке качества спектра выходного сигнала цифровых синтезаторов прямого синтеза частот. Использование ЦСЧ в системах

формировання ДН АР требует высокой спектральной чистоты выходного сигнала синтезатора, высокой скорости и малого шага перестройки частоты для обеспечения сканирования в широком диапазоне углов.

Как известно, основным узлом синтезатора является накапливающий сумматор (НС), который работает как генератор адреса для адресации постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), содержащего отсчеты синтезируемой функции. Разрешение по частоте определяется как ¿У=/такт / А/, где Л/= ^-емкость НС, /^-разрядность НС, /ттт -тактовая частота. При работе ЦСЧ появляются следующие ошибки: еу-ошибка, вызванная округлением фазы, при адресации ПЗУ; ег-ошибка, связанная с конечной разрядностью шины данных; е3 - ошибка, вызванная шумами и коммутационными помехами ЦАП. В диссертации разработана математическая модель ЦСЧ, учитывающая влияние различных ошибок на выходной сигнал синтезатора.

Установлено, что ошибка округления фазы е1 вносит наиболее значительный вклад в ухудшение спектральных характеристик синтезатора вызывая появление нежелательных составляющих в спектре выходного сигнала.

Показано, что число отсчетов, генерируемых между моментами переполнения НС, непостоянно. Последовательность выходных отсчетов НС в[»'] представлялась как последовательность отсчетов из идеализированной

пилообразной функции в (г) с амплитудой М=Т и периодом Т ~~ (при

А.

нормированной /ттт = 1), К - код синтезируемой частоты. Период в(г) совпадает с периодом сшгтезируемой функции. Однако, период последовательности в[«] определяется как наименьшее целое Л, такое что

наиболышш общин делитель чисел а и Ь. Установлено, что периоды ê(f) и в[<] совпадают в том случае, если К = НОД(А'М), то есть К является целой степенью 2. В этом случае период последовательности отсчетов, выбранных из таблицы T[i] совпадает с периодом б[/]. Тогда спектр выходного сигнала должен содержать L составляющих. С учетом округления фазы выходной сигнал имеет вид

*[/] = sin я: - 2* fJilcos^* (2)

Из (2) видно, что спектр выходного сигнала s[i] состоит из составляющей синтезируемой частоты и побочных составляющих, амплитуда и частота которых определяется ошибкой округления фазы e}[ij. Ошибку округления фазы e,[i] будем представлять как последовательность отсчетов из непрерывной функции £,(f)= ê,(/) — p[t), где é,(г)-пшюобразная функция, /»(^-последовательность коротких прямоугольных импульсов. С использованием разложения в ряд Фурье функции erfi] получено следующее выражение.

«■[']- Z С (3)

л-1

где

С[»]= |i-cosec,[„]- -etg(|£-) .

А= 2* / (2НОД(^2ь)). Подставляя (3) в (2) получим

5 Г'1= 2 лЛ -

Спектр выходного сигнала ЦСЧ состоит из двух последовательностей

к к

составляющих, соответствующих частотам -^у ^ п ■ При этом, число

побочных составляющих полностью определяется только лишь числом составляющих в спектре ошибки округления фазы <?,///. Показано, что амплитуды побочных составляющих в спектре выходного сигнала определяются как

Выражение (4) представляет собой монотонно убывающую функцию п. Тогда при п-1 мы имеем максимальный возможный уровень побочной составляющей

Во второй главе также рассмотрены методы улучшения качества спектра выходного сигнала ЦСЧ. Разработана интерполяционная схема подавления шума, расположена между НС и ПЗУ, осуществляющая задержку ошибки округления на предыдущем шаге и ее суммирование с ошибкой округления в данный момент. Показано, что в этом случае выходной сигнал ЦСЧ имеет вид

(4)

С— = С &]= 2

4- р

тсНОД {К ,2") 2"

s [l ] = sin

• ( , * A

sin 2 к -1

( M J e, D ]- O - 11 í ^ Л

1 L J-!-!=--- eos 2 л- -1

2 v M )

Из выражения (5) видно, что дискретные составляющие в спектре выходного сигнала уменьшаются по сравнению с ЦСЧ без схем компенсации побочных составляющих.

Рассмотрена схема подавления дискретных побочных составляющих по методу Витли. Периодическое добавление псевдослучайного числа к содержимому фазового накопителя позволяет размыть нежелательные дискретные составляющие в спектре выходного сигнала.

Глава 3 "Применение цифровых систем синхронизации в системах обработки сигналов" посвящена исследованию алгоритмов работы и характеристик ЦСС. Показано, что динамика различных ЦСС описывается в виде полумарковской цепи, с вложенной цепью Маркова, характеризуемой матрицей переходных вероятностей к, элементы которой пы равны вероятностям перехода за один шаг из состояния к в состояние /. Как известно, матрица, составленная из вероятностей переходов из состояния к в состояние / (к, I = 1,п) за г шагов, равна матрице я . Установлено, что для системы с прямоугольной нелинейностью среднее время пребывания системы в состоянии j не зависит от этого состояния (распределение времени между регулированиями Р(п) не зависит от состояния, в котором находится

система в данный момент времени), то Следовательно,

статистические моменты сигнала рассогласования в установившемся режиме для всех типов рассматриваемых ЦСС определяется лишь вероятностями р и Ч-

Определено среднее значение и дисперсия сигнала рассогласования в установившемся режиме. Вычислен энергетический спектр сигнала рассогласования.

Глава 4 "Моделирование на ЭВМ и экспериментальное исследование ЦСЧ и ЦСС" посвящена экспериментальной проверке результатов, полученных в предшествующих главах. Сравнение результатов моделирования с данными аналитического исследования позволяет сделать вывод о достаточной степени достоверности принятой математической модели ЦСС.

Для проверки эффективности методов снижения побочных дискретных составляющих в спектре выходного сигнала ЦСЧ было проведено математическое моделирование ЦСЧ с различными системами компенсации. На рис. 1-3 представлены периодограммы выходного сигнала ЦСЧ, полученные в результате моделирования на ЭВМ.

S, дБ »

-20

-40

-60

-10

-100

-120 •140

- 14дБ

1 1 ТОЙ Щ

1|Г и

11111

О 500 1000 1300 N

Рис. 2.

Рис.3.

На рис.1 представлен спектр выходного сигнала синтезатора без систем компенсации, на рис.2 представлен спектр выходного сигнала с системой компенсации Витли, на рис.3 представлен спектр выходного сигнала с

предложенной в работе интерполяционной схемой компенсации побочных составляющих. Как можно видеть из результатов моделирования, наиболее эффективно применение интерполяционной схемы компенсации, дающей снижение максимального уровня побочных составляющих на 8-10 дБ.

В четвертой главе также приведены результаты экспериментального исследования макетного образца синтезатора со следующими параметрами: разрядность НС р~20\ разрядность адреса а=8\ разрядность данных £/=$; /яах* ~ 250 кГц. Результаты эксперимента подтвердили выводы об эффективности предложенного метода подавления побочных составляющих.

В заключении подведены итоги работы.

В приложении приведены акты о внедрении результатов диссертации.

Заключение.

В итоге проведенного в диссертации исследования, получены следующие новые научные результаты.

1. Исследованы АР с управлением ДН на базе ЦСЧ. Показана возможность применения аддитивной и мультипликативной обработки сигналов в таких АР. Показано, что прореженная АР с мультипликативной обработкой сигналов имеет лучшие характеристики подавления боковых лепестков, чем непрореженная АР с аддитивной обработкой. Полученные результаты обобщены на случай сигнала и распределенной помехи, имеющих гауссов спектр.

2. Определены зависимости частоты опорного генератора АР от опорного направления прихода сигнала. Получена зависимость шага сетки частот ЦСЧ от разрешения АР по углу. Показано, что такое управление АР позволяет получить практически значительно лучшее разрешение по углу

сканирования, чем системы с управляемыми фазовращателями и дискретно-аналоговыми линиями задержки.

3. Получены аналитические выражения для определения максимального возможного уровня побочных составляющих в спектре выходного сигнала ЦСЧ, пригодные для использования в инженерных расчетах синтезаторов частот.

4. Предложен способ снижения уровня побочных составляющих в спектре выходного сигнала ЦСЧ. Проведено сравнение предложенного в работе метода с существующими и показана его эффективность.

5. Проведен анализ статистической динамики ЦСС с применением методов полумарковских процессов. Получены зависимости для спектральной плотности сигнала рассогласования ЦСС в стационарном режиме. Проведено сравнение результатов анализа с результатами численного моделирования.

6. Проведено экспериментальное исследование ЦСЧ. Показана эффективность предложенного способа снижения уровня побочных составляющих в спектре выходного сигнала ЦСЧ. Экспериментальные результаты сравнивались с данными моделирования на ЭВМ и аналитически полученными зависимостями.

Результаты работы могут быть использованы при проектировании и расчете элементов и узлов радиотехнических и гидроакустических информационных и управляющих систем.

Результаты диссертации отражены в следующих работах. 1. Шахтарин Б.И., Стешенко В.Б., Сизых В.В. Моделирование цифровой фазовой автоматической системы. // Теория и практика совершенствования радиоэлектронных систем ГА. Сборник научных трудов -М; МГТУ ГА, 1994, с. 38-48.

-172. Шахтарин Б.И., Стешеико В.Б. Исследование фазовой автоматической системы с фильтром на переключаемых конденсаторах. // Радиоэлектронные системы для мониторинга окружающей среды. Сборник научных трудов -М; МГТУ ГА, 1994, с. 83 - 99.

3. Сизых В.В., Стешеико В.Б., Шахтарин Б.И. Исследование динамических характеристик стохастических цифровых фазовых автоматических систем. //Автоматика и телемеханика, № 10, 1996, с. 111 -119.

4. Шахтарин Б.И., Стешеико В.Б. Анализ схем прямого синтеза частот, с. 51-71 // Научно-технический отчет о НИР "Фундаментальные проблемы создания перспективных взрывателей и систем управления боеприпасами". (Направление 'Технические университеты" программы "Университеты России", раздел 2.6 "Фундаментальные проблемы создания спецгехникн",-4.2). Рук. Ефремов АК., -М; МГТУ им. Баумана, 1996,137 с.

5. Шахтарин Б.И., Стешеико В.Б. Исследование ФАЛ с фильтром на переключаемых конденсаторах. // Научно-технический отчет о НИР "фундаментальные проблемы создания перспективных взрывателей и систем управления боеприпасами". (Направление 'Технические университеты" программы "Университеты России", раздел 2.6 "Фундаментальные проблемы создания спецтехники".-Ч.З) Рук. Ефремов А.К., -М; МГТУ им. Баумана, 1997, 151 с.

6. Шахтарин Б.И., Стешеико В.Б., Кобышев A.B. Статистическая динамика одной нелинейной импульсной системы. // Методы и средства дистанционного радиозондирования. Сборник научных трудов. -М; МГТУ ГА, 1995, с. 76-90.

7. Шахтарин Б.И., Стешеико В.Б. Тимофеев A.A. Оценка качества спектра выходного сигнала цифрового синтезатора прямого синтеза частот. // Теория и практика применения и совершенствования радиоэлектронных систем ГА. Сборник научных трудов -М; МГТУ ГА. 1996, с.54-63.

8. Научио-техиическнй отчет о НИР "Исследование систем синхронизации при наличии помех " УНЦ СП 5/16. Раздел 4. Построение схем прямого синтеза частот. Москва, 1996., Per. №01970001718.

9. Научно-технический отчет о НИР "Принципы построения и перспективы применения нетрадиционных систем передачи информации в спецтехннхе связи". Глава 5. Проектирование систем прямого синтеза частот. Академия ФСБ РФ. ИКСИ, К-721,1996, с 160-189.

10. Шахтарин Б.И., Стешет» В.Б. Анализ схем прямого синтеза частот. // Тезисы докладов на конференции "Научно-техническое и информационное обеспечение деятельности спецслужб", Москва, 6-8 февраля 1996 года.

11. Лобов В.И., Стешешсо В.Б., Шахтарнн Б.И. Цифровые синтезаторы прямого синтеза частот // Chip news (Новости о микросхемах), № 1 (10), 1997,

12. Шахтарин Б.И., Стешевко В.Б., Сизых В.В. Методические указания к лабораторным работам по статистической радиотехнике. -М; МГТУ им. Баумана, 1997.

13. Стешецко В.Б. Характеристики систем прямого цифрового синтеза частот для пространственно-временной обработки акустических сигналов // Сборник докладов на конференции "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем", Пенза, Издательство ПГТУ, 1997, с. 42-43.

с. 16-21.

Соискатель

Стешенко В.Б.