автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Двухкольцевые системы автоматической подстройки частоты

005017982

На правах рукописи

Терещенко Станислава Витальевна

ДВУХКОЛЬЦЕВЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ

Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 9 ДПР 2012

Москва 2012

005017982

Работа выполнена на кафедре радиопередающих устройств ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Каганов Вильям Ильич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Мартнросов Владимир Ервацдович

доктор технических наук, профессор Шахтарнн Борис Ильич

Ведущая организация: ОАО «Московский научно-

исследовательский институт радиосвязи»

Защита состоится «18» мая 2012 года в 15.00 на заседании диссертационного совета Д212.131.01 в ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики» (МГТУ МИРЭА) по адресу: 119454, Москва, проспект Вернадского, д.78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ МИРЭА.

Автореферат разослан « /<% »

2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Д212.131.01 Стариковский Л.И.

к.т.н., доцент "' "

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Устройства автоматического регулирования широко применяются в различных радиотехнических системах для стабилизации и управления частотой автогенератора по эталонному сигналу. Примером являются спутниковые системы определения местоположения объектов, системы гражданской и военной радиолокации, системы подвижной радиосвязи.

Важность исследования и проектирования оптимальных систем автоматической подстройки частоты (сокращенно АПЧ) заключается в том, что ее параметры и характеристики в значительной степени определяют эффективность работы радиотехнической системы в целом. К разнообразным требованиям, предъявляемым к системам АПЧ, относятся: точность, полосы захвата и удержания, динамическая устойчивость, быстродействие и помехоустойчивость. Выполнение этих требований носит, как правило, противоречивый характер. Так, например, повышение быстродействия приводит к снижению динамической устойчивости и помехозащищенности системы.

Для получения высоких показателей по всем параметрам применяются двухкольцевые системы АПЧ. В них первое - широкополосное кольцо - обеспечивает большую полосу захвата, а второе - узкополосное - позволяет получить необходимую точность. При этом в первом кольце, как правило, используется частотная автоподстройка частоты (сокращенно ЧАП) с широкополосным дискриминатором; во втором кольце - система ЧАП с узкополосным дискриминатором или, когда требуется более высокая точность, система фазовой авто подстройки частоты (сокращенно ФАП). В результате выполнение противоречивых требований может быть функционально разделено между обоими кольцами.

Приведем два типичных примера использования двухкольцевых систем АПЧ. Первый пример - применение системы ЧАП-ФАП в доплеров-ских системах измерения скорости подвижных объектов путем высокоточного слежения за изменяющейся текущей фазой или частотой принимаемого сигнала на фоне шумовой помехи. При этом параметры цепи частотного управления выбираются так, чтобы колебания стабилизируемого генератора отслеживали медленные изменения частоты принимаемого сигнала и возможно слабо реагировали на быстрые изменения частоты, обусловленные действием шума.

Второй пример - применение двухкольцевых систем АПЧ, в частности ФАП-ФАП, в синтезаторах при формировании высокостабилыюй сетки частот. При этом благодаря АПЧ помимо синтеза частот обеспечивается низкая спектральная плотность фазовых шумов формируемого сигнала.

В известных работах исследование систем АПЧ обычно ограничивается системами не выше третьего порядка. Однако во многих случаях, особенно при применении двухколъцевых систем АПЧ, требуется провести анализ как линейных, так и нелинейных моделей более высокого порядка, что возможно только при помощи компьютерного моделирования. В зависимости от области применения и вида сигнала в цепи управления системы АПЧ могут быть непрерывного, импульсного и цифрового типа. Теория работы таких систем, особенно с учетом воздействия помех, и создание на ее основе инженерных методик их компьютерного проектирования до сих пор не является завершенной.

В связи с вышесказанным в диссертационной работе рассмотрены вопросы моделирования, анализа, синтеза, расчета и оптимизации двухкольце-вых систем АПЧ с помощью современных компьютерных программ. При этом исследованы как линейные, так и нелинейные двухкольцевые системы АПЧ трех основных типов: аналогового, импульсного и цифрового.

Разработанный в рамках диссертационной работа целый комплекс компьютерных программ и проводимое на их основе моделирование позволяют исследовать влияние параметров звеньев системы АПЧ на ее основные характеристики и наглядно представить в виде таблиц и графиков динамические процессы, протекающие в двухкольцевых системах АПЧ различного типа и назначения. В результате удалось расширить круг решаемых задач в области радиоэлектронных систем автоматического управления, особенно при рассмотрении более сложных, нелинейных систем, в том числе систем с использованием активных и цифровых фильтров.

Разработанные компьютерные методы моделирования, анализа, расчета и оптимизации двухкольцевых систем АПЧ и полученные на их основе результаты можно распространить на более широкий класс радиоэлектронных систем автоматического регулирования. Сказашюе позволяет считать настоящую диссертационную работу актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка эффективных методов моделирования, анализа, расчета и оптимизации двухкольцевых систем АПЧ непрерывного, импульсного и цифрового типа на основе современных компьютерных программ в средах МаЛсай и МайаЪ и использование этих программ при инженерном проектировании радиотехнических устройств.

Задачи диссертационной работы. Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработка алгоритмов и компьютерных программ для расчета динамических процессов и основных характеристик аналоговой двухколь-

цой системы АПЧ в рамках линейной и нелинейной моделей.

2. Разработка алгоритмов и компьютерных программ для расчета динамических процессов и основных характеристик импульсной двух-кольцой системы АПЧ в рамках линейной и нелинейной моделей.

3. Разработка алгоритмов и компьютерных программ для расчета динамических процессов и основных характеристик цифровой двухколь-цевой системы АПЧ.

4. Исследование аналоговых, импульсных и цифровых двухкольце-вых систем АПЧ с активными фильтрами высокого порядка.

5. Разработка алгоритмов и компьютерных программ для проведения анализа помехоустойчивости двухкольцевой системы АПЧ при действии детерминированной и стационарной случайной внутренней и внешней помехи.

Методы исследования. При решении поставленных задач в диссертационной работе использовались: численные методы решения нелинейных дифференциальных уравнений высокого порядка; теория случайных процессов; теория автоматического управления; методы анализа линейных и нелинейных, аналоговых, импульсных и цифровых радиотехнических цепей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. В развитии комплексного подхода к исследованию динамических процессов в радиоэлектронных системах автоматшсского регулирования с помощью комплекта компьютерных программ в средах МаШсас! и МаНаЬ.

2. В развитии комплексного подхода к исследованию помехоустойчивости систем автоматического регулирования при действии внешней и внутренней детерминированной и случайной стационарной помехи.

3. В предложении по использованшо в системе ЧАП-ФАП эллиптического фильтра 3-го порядка в качестве ФНЧ кольца ФАП, что позволяет в целом оптимизировать систему по таким параметрам, как полоса захвата и помехоустойчивость.

4. В разработке новых алгоритмов и соответствующих компьютерных программ исследования динамических процессов и расчета основных характеристик в рамках линейной и нелинейной модели аналоговой двухкольцевой системы АПЧ.

5. В разработке новых алгоритмов и соответствующих компьютерных программ исследования динамических процессов и расчета основных характеристик в рамках линейной и нелинейной модели импульсной двухкольцевой системы АПЧ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Обоснована целесообразность построения двухкольцевых систем

АПЧ, в которых осуществляется перемножение коэффициентов регулирования. При таком построении системы АПЧ одно кольцо обеспечивает увеличенную до двух и более раз полосу захвата, а другое - точность. В варианте ЧАП-ЧАП точность, определяемая остаточной расстройкой, может быть улучшена не менее чем в 100 раз.

2. Предложено применение эллиптического фильтра в качестве петлевого фильтра системы АПЧ, позволившее повысить помехоустойчивость на 12 и более децибел к внешней и внутренней детерминированной и стационарной случайной помехе.

3. Разработанные алгоритмы компьютерного анализа и расчета для аналоговой и импульсной двухкольцевых систем АПЧ позволили определить их быстродействие, точность оценки параметра и устойчивость.

Практическая ценность. Разработанные универсальные алгоритмы и расчетные программы в средах МаЛсас! и МаЙаЬ являются эффективным инструментом для моделирования, анализа, синтеза, расчета и оптимизации аналоговых, импульсных и цифровых двухкольцевых систем АПЧ. Предложенные алгоритмы и комплекс компьютерных программ позволяют в значительной степени сократить объем работы и время проектировашм и оптимизации систем АПЧ по сравнению с общеизвестными методами, особенно в тех случаях, когда рассматриваются системы высокого порядка. Наибольшую практическую ценность указанные алгоритмы и расчетные программы могут принести при проектировании и оптимизации систем АПЧ в приемно-передающих трактах спутниковых радионавигационных систем, например, ГЛОНАСС, и систем гражданской и военной радиолокации.

Проведенные испытания подтвердили на практике, что использование в двухкольцевых системах АПЧ эллиптического фильтра 3-го порядка в качестве ФНЧ в узкополосном кольце позволяет повысить помехоустойчивость системы в целом.

Следует также отметить, что разработашше алгоритмы и расчетные программы для двухкольцевых систем АПЧ могут быть использованы для расчета и исследования других систем автоматического регулирования.

Результаты работы внедрены:

в разработку абонентской навигационной аппаратуры ГНОНАСС/ОР8 в ОАО «Научно-исследовательский институт космического приборостроения» (имеется акт о внедрении);

- в разработку опытно-копструкторских образцов быстродействующих малошумящих синтезаторов частот и производство систем «Перспектива» в ОАО «Концерн «Созвездие» (имеется акт о внедрении);

- в учебный процесс по курсу «Радиоавтоматика» на кафедре «Радио-

передающих устройств» ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики» (имеется акт о внедрении).

Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались и получили одобрение на следующих научно-технических конференциях:

1. 58-я научно-техническая конференция МИРЭА, май 2009г. «Двухкольцевая автоматическая подстройка частоты».

2. 59-я научно-техническая конференция МИРЭА, май 2010г. «Импульсная двухкольцевая система автоматической подстройки частоты».

3. Международная научная школа для молодежи «Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы», 26-30 октября 2010г., г. Зеленоград. «Моделирование двухкольцевой системы автоматической подстройки частоты в среде МаЙаЬ».

4. Международная научно-практическая конференция «Современные вопросы науки - XXI век». 29 мая 2011г., г.Тамбов. «Импульсные системы автоматического регулирования».

5. 60-я научно-техническая конференция МИРЭА, май 2011г. «Цифровая двухкольцевая система автоматической подстройки частоты».

6. Международная заочная научно-практическая конференция «Теоретические и прикладные проблемы науки и образования в 21 веке». 31 января 2012г., г.Тамбов. «Цифровая система автоматического регулирования».

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 9 работ, 4 из которых в изданиях Перечня ВАК, 3 работы в трудах международных НТК, 2 в других научных изданиях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, восьми приложений и списка литературы. Работа изложена на 109 страницах машинописного текста, иллюстрирована 37 рисунками, список литературы включает 48 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определяется научная проблематика и обосновывается ее актуальность. Определена цель и задачи работы. Сформулированы основные научные результаты, выносимые на защиту, указана их научная новизна и практическая значимость.

В главе 1 представлен обзор систем АПЧ, их основные характеристики и методы анализа, области применения в современных радиотехнических системах. Показано, что наиболее универсальным и точным способом ана-

лиза является численное решение рассматриваемого класса дифференциальных уравнений при помощи метода Рунге-Кутгы 4-го порядка. Учитывая сложность и объем требуемых вычислений при проведегаш такого анализа, особенно в случае рассмотрения систем высокого порядка, делается вывод о целесообразности использования современных компьютерных программ и разработки соответствующих эффективных алгоритмов.

Показано, что при оптимизации системы АПЧ одновременно по всем параметрам использование двухкольцевых систем позволяет функционально разделить выполнение возникающих противоречивых требований между кольцами системы. Предлагается рассматривать вопрос оптимизации двухкольцевых систем АПЧ по помехоустойчивости при использовании эллиптического фильтра 3-го порядка.

В главе 2 разработаны алгоритмы и соответствующие программы в средах МаШсас! и МаЙаЬ для расчета динамических характеристик и определения основных параметров аналоговых двухкольцевых систем АПЧ в линейном и нелинейном режиме.

В качестве примера для составления алгоритма рассмотрена система ЧАП-ФАП, структурная схема которой представлена на рис. 1. Управление средней частотой дискриминатора первого кольца - ЧАП - осуществляется при помощи второго кольца - ФАП. В результате система ЧАП-ФАП позволяет получить наибольшую полосу захвата среди других двухкольцевых систем АПЧ при высокой точности автоподстройки частоты стабилизируемого генератора. Особенностью рассматриваемой схемы является то, что в ней осуществляется перемножение коэффициентов регулирования, что повышает точность.

ЭГ Источник

Усилитель Ошибки 1 К.,

ФНЧ1

КфЛ

уэ1

Ку,

[ М)

Усилитель ошибки 2 Ко;

ФНЧ 2

УЭ2 Ки

Рис. 1

На рис. 1: ЭГ - эталонный генератор, СГ - стабилизируемый генератор, ЧД и ФД - частотный и фазовый детектор, ФНЧ1 и ФНЧ2 - фильтры нижних частот, УПЧ1 и УПЧ2 - усилители промежуточной частоты;

УЭ1 и УЭ2 - управляющие элементы 1-го и 2-го кольца соответственно. Дополнительно на схеме показан источник внешней шумовой помехи.

В основе алгоритма составления программы в среде Ма(Ьсас1 лежит уравнение авторегулирования, которое описывает работу двухкольцевой системы АПЧ в виде отклонения частоты стабилизируемого fc^{^) генератора от его номинального значения/сто-

В рамках линейной модели системы ЧАП-ФАП уравнение авторегулирования записывается в операторной форме:

А/ст (Р) = + —д/ (р) —(Р) > (1)

\+кр(р) 1+Кр(Р) ■,эп и 1 + КР(р) 'Й1С

где КР (р) - общий оператор разомкнутой двухкольцевой системы:

КР (Р) = *Р1(Р)[1 + Кп (р)] = Кп (р) + Кп (р)КР2 (р), (2)

где Кр\{р) - оператор первого разомкнутого кольца АПЧ, Кп(р) - оператор второго разомкнутого кольца АПЧ.

С учетом передаточных характеристик отдельных звеньев:

Л'„(р) = 5д^У1А'г11(р) и Кп(р) = -[^-уу2Кф1(р), (3)

где 5у1 и - крутизна УЭ1 и УЭ2 соответственно; - крутизна линейной характеристики ЧД; ит - амплитуда характеристики ФД; КФ\(р) и Кфг(р) - передаточные характеристики ФНЧ1 и ФНЧ2 соответственно.

На основе связи интеграла Фурье с преобразованием Лапласа с учетом выражений (1)-(3) разработана программа в среде МаШсас!, которая позволяет определить основные характеристики и переходный процесс в линейной двухкольцевой системе АПЧ в режимах стабилизации и слежения.

В случае нелинейной модели системы ЧАП-ФАП выводится нелинейное дифференциальное уравнение, характеризующее изменение фазы стабилизируемого генератора от времени. При использовании в кольце ЧАП в качестве ФНЧ интегрирующего звена, а в кольце ФАП - эллиптического фильтра 3-го порядка, такое уравнение имеет вид:

= /7г+#,(! + £,) Д + Ад + У.ЫУ (4)

Л5 Г,/»з /н Тфг Л4 Г,А Л3

Т1 + Д (! + £,) й2<р + К2Ф(<Р(0) й(р

ТА Лг та л

аК1К2

' ТА

^ л <1<р я л (1(р \ а

где К1=Ко\Бд\Бу1; К.2=Ко&уъ К0] - коэффициент усиления сигнала ошибки кольца ЧАП; К02 - коэффициент усиления сигнала ошибки кольца ФАП; Д/я - начальная расстройка; Ф(К0) - характеристика нелинейного ФД; Г] - постоянная времени ИС-фильтра; а, /?ь Ръ Ръ - табличные коэффициенты, определяющие передаточную характеристику эллиптического фильтра 3-го порядка.

Выражение (4) представляется в виде системы из п уравнений первого порядка (в рассматриваемом случае п=5), решение которой находится в среде МаЛсас! при помощи метода Рунге-Кутты 4-го порядка с адаптивным шагом.

Пример расчета системы ЧАП-ФАП при использовании в ней ФД с косинусоидальной характеристикой представлен на рис. 2. На графиках использованы обозначения: - время, мс; и^И^ - переходный процесс фазы выходного колебания, рад; У](Л 0 - первая производная фазы по времени, рад/с.

и,(/й,), рад

У^Чц), рад/с

о 1x10' 2x10* 3x1 о^ ьи?

мс Рис. 2

В качестве оценки влияния помехи используется критерий средне-квадратической ошибки установления частоты, которая при заданном

энергетическом спектре помехи Шпф определяется как

= . (5)

где К2{)2тф - оператор замкнутой системы АПЧ, описьтающий зависимость частоты от собственных колебаний (при воздействии внутренней помехи) или от изменений параметра внешнего сигнала (при воздействии внешней помехи).

Помехоустойчивость можно также определить как отношение сигнал-помеха на выходе системы к такому же отношению на входе:

С = 20\о%{&вых/Даг). (6)

Графики частоты полезного сигнала и случайной помехи на выходе

модели системы ЧАП-ФАП, анализируемой в среде Ма&сас!, приведены на рис. 3, где (1) - частота выходного полезного сигнала при входном воздействии в виде ступенчатой функции; (2) - частота выходного сигнала с учетом действия помехи; (3) - частота помехи. В рассматриваемом примере при использовании эллиптического фильтра 3-го порядка величина С= 12,5 дБ.

УвыгМ. кГц

(1) (2) (3)

О 0.1 02 03 0.4 0.5 0.6 0.7 0Я 05 1

г, мс

Рис. 3

Аналогичный результат можно получить при моделировании линейной системы ЧАП-ФАП в среде БтиИпк программы МаИаЬ при использовании схемы, показанной на рис. 4.

J_I_I_I_I_|_

0.001B+1

Transfer Ten

б.01во-7к2+1

0.00 tS+1

den(a)

Gair.1 Transit« Fcn2 lnteg,atol

Tiansfoi Font

Random Numb or

Рис. 4

В системе ЧАП-ФАП полоса захвата определяется широкополосным кольцом ЧАП, а помехоустойчивость - узкополосным кольцом ФАП. При анализе системы ЧАП-ФАП в линейном режиме проведена сравнительная оценка влияния параметров ФНЧ кольца ФАП на среднеквадратическую ошибку системы. В качестве ФНЧ кольца ФАП рассмотрено использование трех видов фильтров: ЯС-фильтра, пропорционально-интегрирующего фильтра (ПИФ) и эллиптического фильтра 3-го порядка. Как видно из таб-

лицы, при одинаковом изменении внешнего воздействия эллиптический фильтр 3-го порядка в кольце ФАП позволяет получить выигрыш по сред-неквадратической ошибке установления частоты стабилизируемого генератора примерно в 9 раз по сравнению с КС-фильтром и в 3 раза по сравнению с ПИФ.

_Таблица 1

--------- в кольце ФАП Параметр "—•—^^ RC-фильтр ПИФ Элл. фильтр

Постоянная времени фильтра, мс Т= 1 Г,=0,02 Т2= 1 -

Полоса среза фильтра, кГц 0,16 0,16 0,06

Изм. внешнего воздействия, кГц 100

Время переходного процесса, мс 10 1 0,7

Среднеквадратическая ошибка есрм, Гц 10 3,588 1,126

В главе 3 разработаны алгоритмы и соответствующие программы в средах МаЛсас! и МаИаЬ для расчета динамических характеристик и определения основных параметров импульсных двухкольцевых систем АПЧ в линейном и нелинейном режиме.

Импульсный режим работы АПЧ возникает в двух случаях: при автоподстройке стабилизируемого генератора, работающего в импульсном режиме, и при входном импульсном воздействии. Компьютерное моделирование импульсной части системы осуществляется путем ввода в нее специального импульсного генератора, описываемого функцией:

(7)

signf cosí j - cosí л y | ] +1

где Г - период следования импульсов, г - длительность импульса, U - амплитуда. Меняя три последних параметра, можно формировать требуемую последовательность импульсов. Сформированный импульсный сигнал, воздействуя на управляемый параметр, переводит АПЧ в импульсный режим работы.

В случае, когда стабилизируемый генератор работает в импульсном режиме, используя (7) и выражение для оператора непрерывной линейной части системы АПЧ, можно вывести следующее дифференциальное уравнение авторегулирования п-го порядка:

^ dky . _ .. ^ d'u (8)

При рассмотрении нелинейной системы следует составить нелинейное дифференциальное уравнение для аналогичной системы, работающей в непрерывном режиме, а затем ввести в это уравнение функцию Ф(г), описывающую импульсный элемент. Нахождение численного решения (8) позволяет рассчитать переходный процесс в системе и определить условия устойчивости.

Пример расчета по программе, разработанной в среде МаШсас1 на основе выражений (7)-(8), для линейной модели системы ЧАП-ЧАП представлен на рис. 5.

Увы.М, кГц

15

¿0

5

о

0 12 3 4

/, МС

Рис.5

Моделирование импульсной линейной системы ЧАП-ЧАП в среде 81тиПпк согласно схеме рис. 6 дало аналогичный результат.

Pulse Generatot

Рис. б

В главе 4 разработана программа в среде МаШсас! для синтеза цифрового фильтра на основе импульсной характеристики аналогового прототипа. Рассчитанные по программе постоянные коэффициенты звеньев синтезируемого нерекурсивного эллиптического фильтра 3-го порядка, формирующие значения вектора а, приведены на рис. 7.

т

Рис. 7

Импульсная характеристика цифрового нерекурсивного фильтра определяется как

Ни(кТ) = М^аЛ(к-т)Т),

т=О

где 8(к~т)Т - дельта-импульс.

Эквивалентная схема, составленная в среде БшшНпк для проведения моделирования цифровой системы ЧАП-ФАП при использовании в кольце ФАП цифрового эллиптического фильтра 3-го порядка, показана на рис. 8.

Рис. 8

Для осуществления цифровой обработки сигнала в схеме используются блоки аналого-цифрового преобразователя Analog to digital con vector и цифро-аналогового преобразователя Digital to analog convector. Цифровой фильтр реализован в виде блока Digital Filter Desing. Сглаживающий фильтр на схеме не используется. Пример расчета по программе для схемы на рис. 8 представлен на рис. 9.

ysnx(t), кГц

О ю 20 t, мс

Рис.9

В главе 5 описано внедрение результатов исследований. Использование двухкольцевой системы ЧАП-ФАП в доплеровских системах измерения скорости подвижных объектов дало возможность ОАО «Научно-исследовательский институт космического приборостроения» применить описанные в главах 2-4 алгоритмы и программы для расчета и оптимизации двукольцевых систем АПЧ при проектировании и производстве навигационной абонентской аппаратуры ГЛОНАСС и GPS. Указанные материалы диссертационной работы были включены в соответствующие разделы научно-исследовательской работы (НИР) «Перспектива - С».

Опубликованные в статьях результаты диссертационного исследования были рассмотрены ОАО «Концерн «Созвездие». Алгоритмы и соответствующие программы для анализа и определения основных характеристик двухкольцевых систем АПЧ, в том числе когда в качестве ФНЧ в узкополосном кольце используются активные фильтры высокого порядка, были учтены специалистами ОАО «Концерн «Созвездие» в процессе разработки, моделирования и изготовления опытно-конструкторских образцов быстродействующих малопгумящих синтезаторов частот.

Проведенные ОАО «Концерн «Созвездие» исследования подтвердили, что использование в двухкольцевых системах АПЧ эллиптического фильтра 3-го порядка в качестве ФНЧ в одном из колец является оптимальным с той точки зрения, что позволяет повысить помехоустойчивость системы в целом. Материалы глав 2-4 диссертационной работы, связанные с анализом динамических характеристик, а также помехоустойчивости двухкольцевых АПЧ, были включены в соответствующие разделы НИР «Кречет» и используются на предприятии при проектировании и производстве систем «Перспектива».

Следует также отметить, что алгоритмы и расчетные программы в средах МаШсас! и Ма^аЬ для исследования динамических процессов и основных характеристик для аналоговой, импульсной и цифровой двухколь-цевой системы АПЧ в рамках линейной и нелинейной модели были внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики» на кафедре радиопередающих устройств и используются в курсе «Радиоавтоматика» для студентов очной формы обучения по специальности 210300 «Радиотехника».

В заключении обобщены основные научные и практические результаты проведенных исследований.

В приложениях 1-8 приводятся тексты разработанных компьютерных программ в среде МаШсаё для исследования динамических процессов и расчета основных характеристик в рамках линейной/нелинейной модели двухкольцевой системы АПЧ в непрерывном, импульсном и цифровом режимах работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В диссертационной работе рассмотрены вопросы моделирования, анализа, расчета, синтеза и оптимизации аналоговых, импульсных и цифровых двухкольцевых систем АПЧ. Приведен обзор современных систем АПЧ и методов их анализа. В процессе проведения исследований получены следующие основные результаты:

1. Развит комплексный подход к исследовашпо динамических процессов в радиоэлектронных системах автоматического регулирования с помощью комплекта компьютерных программ в средах Ма(Ьсас1 и МаНаЬ.

2. Развит комплексный подход к исследовашпо помехоустойчивости систем автоматического регулирования при действии внешней и внутренней детерминированной и случайной стационарной помех.

3. Обосновано предложение по использованию в системе ЧАП-ФАП эллиптического фильтра 3-го порядка в качестве ФНЧ кольца ФАП, что позволяет оптимизировать систему по таким параметрам, как полоса захвата и помехоустойчивость.

4. Разработаны алгоритмы и соответствующие компьютерные программы исследования динамических процессов и расчета основных характеристик в рамках линейной и нелинейной модели аналоговой двухкольцевой системы АПЧ.

5. Разработаны алгоритмы и соответствующие компьютерные программы исследования динамических процессов и расчета основных характеристик в рамках линейной и нелинейной модели импульсной двухколь-

цевой системы АПЧ.

6. Разработаны алгоритм и соответствующие компьютерные программы исследования динамических процессов и расчета основных характеристик цифровой двухкольцевой системы АПЧ.

7. Обоснован алгоритм и разработана соответствующая компьютерная программа синтеза цифрового фильтра на основе импульсной характеристики аналогового прототипа.

8. Проведено практическое внедрение результатов проведенных теоретических исследований:

при разработке абонентской навигационной аппаратуры ГНОНАСС/GPS в ОАО «Научно-исследовательский институт космического приборостроения»;

- при разработке опытно-конструкторских образцов быстродействующих малошумящих синтезаторов частот, а также при проектировании и производстве систем «Перспектива» в ОАО «Концерн «Созвездие»;

- в учебный процесс по курсу «Радиоавтоматика» на кафедре «Радиопередающих устройств» ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики».

Публикации автора по теме диссертации

Статьи в журналах, входящих в Перечень ВАК:

1. Терещенко C.B. Двухкольцевая система автоматической подстройки частоты с эллиптическим фильтром // Радиотехника,- 2011- №11-С.34-38;

2. Терещенко C.B. Двухкольцевая импульсная система автоматической подстройки частоты // Научно-технический журнал «Теория и техника радиосвязи»,- 2010г.- №4-С.88-92;

3. Каганов В.И., Терещенко C.B. Компьютерный анализ импульсной системы автоматического регулирования И Вестник Воронежского института МВД России,- 2011.- №2-С. 6-13;

4. Каганов В.И., Терещенко C.B. Помехоустойчивость двухкольцевой системы автоматического управления // Радиотехника и электроника. -2012,- Том 57,- №3-С.353-358.

Статьи в других журналах н сборниках трудов:

1. Терещенко C.B. Анализ системы ИФАПЧ с эллиптическим фильтром // Научный вестник МИРЭА.- 2008.- №2(5)-С.56-64;

2. Терещенко C.B. Анализ нелинейной двухкольцевой системы автоматической подстройки частоты в среде MathCad // Научный вестник МИРЭА,- 2011.- №2(11)-С.93-98;

3. Моделирование двухкольцевой системы автоматической под-

стройки частоты в среде Matlab / C.B. Терещенко // Международная научная школа «Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы»: Материалы научной школы. -М.: МИЭТ.- 2010,- С. 130;

4. Импульсные системы автоматического регулирования / С.В.Терещенко // Современные вопросы науки - XXI век: Сб. науч. тр. по материалам VII междунар. науч.-практ. конф. (29 марта 2011г.) - Тамбов: ТОИПКРО, 2011,- Вып.7, Ч. 5.- С. 130-131;

5. Цифровая система автоматического регулирования /C.B. Терещенко // Теоретические и прикладные проблемы науки и образования в 21 веке: Сб. науч. тр. по материалам междунар. науч.-практ. конф. (31 января 2012г.). - Тамбов: ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2012.- Вып.1, Ч. 7.-С.124-125.

Подписано в печать 05.04.2012. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 0,93. Усл. кр.-отт. 3,72. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 173

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики" 119454, Москва, пр. Вернадского, 78

61 12-5/2506

ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики»

На правах рукописи

Терещенко Станислава Витальевна

ДВУХКОЛЬЦЕВЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ

Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства

телевидения

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., проф. Каганов В.И.

Москва 2012

Оглавление

Сокращения и обозначения....................................................................................4

Введение...................................................................................................................5

Глава 1 Обзор современных систем автоматической подстройки частоты, их основные характеристики и методы анализа......................................................13

1.1 Классификация систем автоматической подстройки частоты и обзор существующих систем.......................................................................................13

1.2 Параметры и характеристики систем автоматической подстройки частоты и их влияние на качество работы радиотехнической системы......16

1.3 Методы анализа систем автоматической подстройки частоты............18

1.3.1 Аналитические методы анализа...........................................................19

1.3.2 Численные методы анализа..................................................................19

1.3.3 Использование компьютерных программ для анализа систем автоматической подстройки частоты...........................................................21

Выводы по первой главе....................................................................................27

Глава 2 Аналоговая двухкольцевая система автоматической подстройки частоты....................................................................................................................29

2.1 Структурная схема и область применения................................................29

2.2 Основное уравнение авторегулирования...................................................32

2.3 Анализ линейной двухкольцевой системы автоматической подстройки частоты................................................................................................................33

2.4 Анализ нелинейной двухкольцевой системы автоматической подстройки частоты...........................................................................................38

2.5 Помехоустойчивость аналоговой двухкольцевой системы автоматической подстройки частоты...............................................................42

2.5.1 Анализ помехоустойчивости двухкольцевой системы автоматической подстройки частоты...........................................................42

2.5.2 Оптимизация двухкольцевой системы автоматической подстройки частоты по помехоустойчивости...................................................................48

Выводы по второй главе.................................. ..................................................52

Глава 3 Импульсная двухкольцевая система автоматической подстройки частоты....................................................................................................................53

3.1 Структурная схема и область применения................................................53

3.2 Основное уравнение авторегулирования...................................................55

3.3 Анализ линейной импульсной двухкольцевой системы автоподстройки частоты................................................................................................................58

3.4 Анализ нелинейной импульсной двухкольцевой системы

автоматической подстройки частоты...............................................................62

Выводы по третьей главе................................ ...................................................66

Глава 4 Цифровая двухкольцевая система автоматической подстройки частоты....................................................................................................................67

4.1 Структурная схема и область применения................................................67

4.2 Синтез цифрового фильтра.........................................................................69

4.3 Анализ цифровой системы автоматической подстройки частоты..........72

Выводы по четвертой главе...............................................................................74

Глава 5 Внедрение результатов исследований...................................................75

Заключение. Основные результаты проведенных исследований.....................77

Список литературы................................................................................................79

Приложение А Программа расчета линейной системы ЧАП-ФАП в среде

МаШсаё...................................................................................................................83

Приложение Б Программа расчета нелинейной системы ЧАП-ФАП в среде

МаШсаё...................................................................................................................86

Приложение В Программа расчета нелинейной системы ЧАП-ФАП в среде

МаЛсаё...................................................................................................................89

Приложение Г Программа расчета помехоустойчивости системы ЧАП-ФАП в среде МаШсас! при использовании в кольце ФАП эллиптического фильтра

третьего порядка при заданном энергетическом спектре помехи....................91

Приложение Д Программа расчета помехоустойчивости системы ЧАП-ФАП в среде МаШсас! при использовании в кольце ФАП эллиптического фильтра

третьего порядка при известной функции сигнала помехи..............................94

Приложение Е Программа в среде МаЛсаё по оценке влияния параметров ФНЧ кольца ФАП на помехоустойчивость линейной системы ЧАП-ФАП....98 Приложение Ж Программа расчета линейной импульсной системы ЧАП-

ЧАПвМаШсаё.....................................................................................................Ю1

Приложение И Программа синтеза цифрового нерекурсивного

эллиптического фильтра в среде МаШсас!.........................................................103

Акты внедрения...................................................................................................105

Сокращения и обозначения

АПЧ Автоматическая подстройка частоты

АЧХ Амплитудно-частотная характеристика

БПФ Быстрое преобразование Фурье

НТК Научно-техническая конференция

ПИФ Пропорционально - интегрирующий фильтр

плис Программируемая логическая интегральная схема

сг Стабилизируемый генератор

см Смеситель

УД Узкополосный детектор

УПЧ Усилитель промежуточной частоты

УЧД Узкополосный частотный детектор

УЭ Управляющий элемент

ФАПЧ Фазовая автоподстройка частоты

ФД Фазовый детектор

ФНЧ Фильтр нижних частот

ФЧХ Фазо-частотная характеристика

ЧАП Частотная автоподстройка частоты

ЧД Частотный детектор

шд Широкополосный детектор

шчд Широкополосный частотный детектор

ЭВМ Электронно-вычислительная машина

эг Эталонный генератор

Введение

Актуальность работы. Устройства автоматического регулирования широко применяются в различных радиотехнических системах для стабилизации и управления частотой автогенератора по эталонному сигналу. Примером могут послужить спутниковые системы определения местоположения объектов [5,32], системы гражданской и военной радиолокации [1,7,31,32], системы подвижной радиосвязи [34].

Важность исследования и проектирования оптимальных систем автоматической подстройки частоты (сокращенно АПЧ) заключается в том, что ее параметры и характеристики в значительной степени определяют эффективность работы радиотехнической системы в целом. К разнообразным требованиям, предъявляемым к системам АПЧ, относятся: точность, полосы захвата и удержания, динамическая устойчивость, быстродействие и помехоустойчивость. Выполнение этих требований носит, как правило, противоречивый характер. Так, например, повышение быстродействия приводит к снижению динамической устойчивости и помехозащищенности системы [1,2].

Для получения высоких показателей по всем параметрам применяются двухкольцевые системы АПЧ. В них первое - широкополосное кольцо -обеспечивает большую полосу захвата, а второе - узкополосное - позволяет получить необходимую точность. При этом в первом кольце, как правило, используется частотная автоподстройка частоты (сокращенно ЧАП) с широкополосным дискриминатором; во втором кольце - система ЧАП с узкополосным дискриминатором или, когда требуется более высокая точность, система фазовой автоподстройки частоты (сокращенно ФАП). В результате выполнение противоречивых требований может быть функционально разделено между обоими кольцами.

Приведем два типичных примера использования двухкольцевых систем АПЧ. Первый пример - применение системы ЧАП-ФАП в доплеровских

5

системах измерения скорости подвижных объектов путем высокоточного слежения за изменяющейся текущей фазой или частотой принимаемого сигнала на фоне шумовой помехи [5]. При этом параметры цепи частотного управления выбираются так, чтобы колебания стабилизируемого генератора отслеживали медленные изменения частоты принимаемого сигнала и возможно слабо реагировали на быстрые изменения частоты, обусловленные действием шума.

Второй пример - применение двухкольцевых систем АПЧ, в частности ФАП-ФАП, в синтезаторах при формировании высокостабильной сетки частот. При этом благодаря АПЧ помимо синтеза частот обеспечивается низкая спектральная плотность фазовых шумов формируемого сигнала.

В известных работах исследование систем АПЧ обычно ограничивается системами не выше третьего порядка [6,13,19,24]. Однако во многих случаях, особенно при применении двухкольцевых систем АПЧ, требуется провести анализ как линейных, так и нелинейных моделей более высокого порядка, что возможно только при помощи компьютерного моделирования. В зависимости от области применения и вида сигнала в цепи управления системы АПЧ могут быть непрерывного, импульсного и цифрового типа. Теория работы таких систем, особенно с учетом воздействия помех, и создание на ее основе инженерных методик их компьютерного проектирования до сих пор не является завершенной.

В связи с вышесказанным в диссертационной работе рассмотрены вопросы моделирования, анализа, синтеза, расчета и оптимизации двухкольцевых систем АПЧ с помощью современных компьютерных программ. При этом исследованы как линейные, так и нелинейные двухкольцевые системы АПЧ трех основных типов: аналогового, импульсного и цифрового.

Разработанный в рамках диссертационной работы целый комплекс компьютерных программ и проводимое на их основе моделирование позволяют исследовать влияние параметров звеньев системы АПЧ на ее

основные характеристики и наглядно представить в виде таблиц и графиков динамические процессы, протекающие в двухкольцевых системах АПЧ различного типа и назначения. В результате удалось расширить круг решаемых задач в области радиоэлектронных систем автоматического управления, особенно при рассмотрении более сложных, нелинейных систем, в том числе систем с использованием активных и цифровых фильтров.

Разработанные компьютерные методы моделирования, анализа, расчета и оптимизации двухкольцевых систем АПЧ и полученные на их основе результаты можно распространить на более широкий класс радиоэлектронных систем автоматического регулирования. Сказанное позволяет считать настоящую диссертационную работу актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка эффективных методов моделирования, анализа, расчета и оптимизации двухкольцевых систем АПЧ непрерывного, импульсного и цифрового типа на основе современных компьютерных программ в средах МаЛсаё и Ма1:1аЬ и использование этих программ при инженерном проектировании радиотехнических устройств.

Задачи диссертационной работы. Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработка алгоритмов и компьютерных программ для расчета динамических процессов и основных характеристик аналоговой двухкольцой системы АПЧ в рамках линейной и нелинейной моделей.

2. Разработка алгоритмов и компьютерных программ для расчета динамических процессов и основных характеристик импульсной двухкольцой системы АПЧ в рамках линейной и нелинейной моделей.

3. Разработка алгоритмов и компьютерных программ для расчета динамических процессов и основных характеристик цифровой двухкольцевой системы АПЧ.

4. Исследование аналоговых, импульсных и цифровых двухкольцевых систем АПЧ с активными фильтрами высокого порядка.

5. Разработка алгоритмов и компьютерных программ для проведения анализа помехоустойчивости двухкольцевой системы АПЧ при действии детерминированной и стационарной случайной внутренней и внешней помехи.

Методы исследования. При решении поставленных задач в диссертационной работе использовались: численные методы решения нелинейных дифференциальных уравнений высокого порядка; теория случайных процессов; теория автоматического управления; методы анализа линейных и нелинейных, аналоговых, импульсных и цифровых радиотехнических цепей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. В развитии комплексного подхода к исследованию динамических процессов в радиоэлектронных системах автоматического регулирования с помощью комплекта компьютерных программ в средах МаШсас! и МайаЬ.

2. В развитии комплексного подхода к исследованию помехоустойчивости систем автоматического регулирования при действии внешней и внутренней детерминированной и случайной стационарной помехи.

3. В предложении по использованию в системе ЧАП-ФАП эллиптического фильтра 3-го порядка в качестве ФНЧ кольца ФАП, что позволяет в целом оптимизировать систему по таким параметрам, как полоса захвата и помехоустойчивость.

4. В разработке новых алгоритмов и соответствующих компьютерных программ исследования динамических процессов и расчета основных характеристик в рамках линейной и нелинейной модели аналоговой двухкольцевой системы АПЧ.

5. В разработке новых алгоритмов и соответствующих компьютерных программ исследования динамических процессов и расчета основных характеристик в рамках линейной и нелинейной модели импульсной двухкольцевой системы АПЧ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Обоснована целесообразность построения двухкольцевых систем АПЧ, в которых осуществляется перемножение коэффициентов регулирования. При таком построении системы АПЧ одно кольцо обеспечивает увеличенную до двух и более раз полосу захвата, а другое -точность. В варианте ЧАП-ЧАП точность, определяемая остаточной расстройкой, может быть улучшена не менее чем в 100 раз.

2. Предложено применение эллиптического фильтра в качестве петлевого фильтра системы АПЧ, позволившее повысить помехоустойчивость на 12 и более децибел к внешней и внутренней детерминированной и стационарной случайной помехе.

3. Разработанные алгоритмы компьютерного анализа и расчета для аналоговой и импульсной двухкольцевых систем АПЧ позволили определить их быстродействие, точность оценки параметра и устойчивость.

Практическая ценность. Разработанные универсальные алгоритмы и расчетные программы в средах МаШсаё и Ма^аЬ являются эффективным инструментом для моделирования, анализа, синтеза, расчета и оптимизации аналоговых, импульсных и цифровых двухкольцевых систем АПЧ. Предложенные алгоритмы и комплекс компьютерных программ позволяют в значительной степени сократить объем работы и время проектирования и оптимизации систем АПЧ по сравнению с общеизвестными методами, особенно в тех случаях, когда рассматриваются системы высокого порядка. Наибольшую практическую ценность указанные алгоритмы и расчетные программы могут принести при проектировании и оптимизации систем АПЧ

в приемно-передающих трактах спутниковых радионавигационных систем, например, ГЛОНАСС, и систем гражданской и военной радиолокации.

Проведенные испытания подтвердили на практике, что использование в двухкольцевых системах АПЧ эллиптического фильтра третьего порядка в качестве ФНЧ в узкополосном кольце позволяет повысить помехоустойчивость системы в целом.

Следует также отметить, что разработанные алгоритмы и расчетные программы для двухкольцевых систем АПЧ могут быть использованы для расчета и исследования других систем автоматического регулирования.

Результаты работы внедрены:

- в разработку абонентской навигационной аппаратуры ГПОНАССЛЗРЗ в ОАО «Научно-исследовательский институт космического приборостроения» (имеется акт о внедрении);

- в разработку опытно-конструкторских образцов быстродействующих малошумящих синтезаторов частот и производство систем «Перспектива» в ОАО «Концерн «Созвездие» (имеется акт о внедрении);

- в учебный процесс по курсу «Радиоавтоматика» на кафедре «Радиопередающих устройств» ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики» (имеется акт о внедрении).

Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались и получили одобрение на следующих научно-технических конференциях:

1.58-я научно-техническая конференция МИРЭА, май 2009г. «Двухкольцевая автоматическая подстройка частоты».

2.59-я научно-техническая конференция МИРЭА, май 2010г. «Импульсная двухкольцевая система автоматической подстройки частоты».

3. Международная научная школа для молодежи «Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы», 26-30 октября 2010г.,

г.Зеленоград. «Моделирование двухкольцевой системы автоматической подстройки частоты в среде Matlab».

4. Международная научно-практическая конференция «Современные вопросы науки - XXI век». 29 мая 2011г., г.Тамбов. «Импульсные системы автоматического регулирования».

5. 60-я научно-техническая конференция МИРЭА