автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Формирование и исследование математических и схемотехнических моделей приемных систем спутникового телевидения

На правах рукописи ^ 1 1 г

Абдельтауаб Сейф Хазза

ФОРМИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ И СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРИЕМНЫХ СИСТЕМ СПУТНИКОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Специальность

05 12.04 — Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Таганрог-2007

□03064360

003064360

Работа выполнена на кафедре радиоприемных устройств и телевидения Таганрогского технологического института Южного федерального университета

Научный руководитель- - доктор технических наук,

профессор Галустов Г. Г. (ТТИ ЮФУ, г Таганрог)

Официальные оппоненты - доктор технических наук

профессор Федосов В П (ТТИ ЮФУ, г Таганрог)

- кандидат технических наук Перевощиков И В (НИИ Радиосвязи, г.Ростов н/Д)

Ведущая организация - ФГУП «Таганрогский НИИ Связи»

Защита состоится " августа 2007г в часов на заседании

диссертационного совета Д 212 208 20 в Таганрогском технологическом институте Южного федерального университета по адресу 347928, г Таганрог, Ростовской области, пер Некрасовский, 44, ауд Д-406

С диссертацией можно ознакомится в Зональной научной библиотеке Южного федерального университета

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью организации, просим

направлять по адресу ТТИ ЮФУ, ученому секретарю диссертационного совета Д212 208 20, пер Некрасовский, 44, г Таганрог, Ростовская область, ГСП-17А, 347928

Автореферат разослан "_" _ 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Наблюдаемый в настоящее время прогресс науки и техники, постоянно возрастающие потребности общества обуславливают необходимость выполнения проектных работ большого объема Сказанное в полной мере относится к быстро развиваемым информационно-коммуникационным технологиям

(инфокоммуникациями), включающим в себя спутниковые сети связи и телевизионного вещания По утверждению Президента Международной Академии Связи доктора технических наук профессора Л Е Варакина индустрия создания и предоставления услуг инфокоммуникаций является основой развитой информационной среды, и именно на ней строится социально экономическая база перехода к информационному обществу Возникшее в настоящее время противоречие между ростом сложности инфокоммуникаций и необходимостью проектирования их в сжатые сроки обусловило создание и быстрое развитие ряда систем автоматизированного проектирования

Под автоматизацией проектирования понимается способ проектирования, при котором часть проектных операций и процедур осуществляются взаимодействием человека и электронно-вычислительной машины (ЭВМ) Методы автоматизированного проектирования появились, как результат стремления заменить дорогостоящее и длительное физическое моделирование математическим Под моделированием понимается получение модели, способной замещать реальный объект в нужных исследователю отношениях, и оперирование этой моделью с целью получения полезной информации об объекте При математическом моделировании вместо макета используют его математическую модель

Таким образом, разработка математических моделей, методов и алгоритмов, в достаточной степени учитывающих возможности ЭВМ и позволяющих достичь новых рубежей в точности, универсальности, степени оптимальности получаемых результатов обусловлено как актуальностью проблем автоматизированного проектирования, так и развитием и распространением инфокоммуникаций

Цель работы. Осуществить моделирование приемных систем спутникового телевидения, содержащих цифровые тракты формирования и обработки сигналов, и на основе полученных результатов исследовать варианты схемотехнических решений конкретных устройств, оптимальных с позиций заданных критериев

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи

1 Сформировать систему компонентных уравнений, образующих шумовую модель антенны приемной системы спутникового телевидения, с достаточной степенью полноты отражающей свойства атмосферы Земли в 14-ти климатических зонах мира, в том числе и над территорией Республики Йемен

2 Провести исследование шумовой математической модели приемной антенны Полученные результаты сравнить с известными и сделать выводы о

применимости полученных результатов в инженерной практике как при разработке приемных телевизионных систем, так и при их эксплуатации

3 Сформировать шумовую математическую модель обобщенного варианта схемотехнического решения высокочастотного тракта приемной системы спутникового телевидения

4 Провести исследование сформированной шумовой математической модели конкретного варианта высокочастотного тракта приемной телевизионной системы, и основываясь на полученных результатах, обоснованно предложить, один из вариантов схемотехнического решения высокочастотного тракта, ориентированного на применение современной компонентной базы

5 Сформировать макромодель высокочастотного тракта приемного телевизионного устройства, позволяющую учитывать влияние шумовой температуры антенны на динамический диапазон по блокированию и провести исследование данной макромодели

6 Провести моделирование устройств формирования и обработки сигналов цифрового тракта спутниковых телевизионных систем и исследовать влияние шума на качество приема сигналов цифровыми системами

Методы исследования базируются на теоретических методах формирования функциональных аналитических моделей, а также использовании математически ориентированных универсальных систем компьютерной математики Lab View 7 1, MATLAB 5 2 и Micro-Cap 7

Объектом исследования являются наземные антенны приемных телевизионных систем спутникового вещания, их высокочастотные тракты, а также цифровые тракты передачи сигналов изображения, включая их устройства формирования и обработки сигналов

Научная новизна работы

1 Решен комплекс методологических задач по формированию компонентных уравнений шумовой температуры наземных антенн приемных систем спутникового телевидения и последующего построения их конкретных шумовых математических моделей

2 Предложена шумовая математическая модель высокочастотного тракта приемной телевизионной системы, учитывающая влияние зеркального канала приема

3 Предложены два варианта схемотехнических решений конверторов приемных телевизионных систем, в которых используются сверхвысокочастотные малошумящие усилители на транзисторах с высокой подвижностью электронов (НЕМ-транзисторах)

4 Предложена макромодель высокочастотного тракта приемного телевизионного устройства, учитывающая влияние шумовой температуры антенны на динамический диапазон по блокированию

5 Разработаны компьютерные модели, используемые как для схемотехнического моделирования модуляторов ОРБК, цифровых частотных детекторов, генераторов шума и помех, так и для исследования влияния шума на качество приема сигналов цифровыми системами

Практическая ценность данной диссертационной работы заключается

• в формировании и исследовании шумовой модели наземной антенны, позволяющей рассчитывать значение температуры антенны для каждой из 14-ти климатических зон мира с относительной погрешностью менее 6 %,

• в формировании и исследовании шумовой модели высокочастотного тракта приемной системы с учетом влияния шумов зеркального канала приема,

• в результатах моделирования предложенного варианта схемотехнического решения сверхвысокочастотного конвертора, позволяющего получать шумовые температуры на входе менее 100 К,

• в результатах схемотехнического моделирования устройств формирования и обработки сигналов цифрового тракта спутниковых телевизионных систем и исследовании влияния шума на качество приема сигналов, позволяющих выявлять пороговые уровни шума, при которых прием цифровых сигналов становится невозможным, несмотря на увеличение потока данных

Достоверность результатов

Исследования подтверждаются сопоставлением экспериментальных данных ослаблений телевизионного сигнала в атмосфере с расчетными данными, апробацией результатов исследования на научных конференциях, актами их внедрения

Основные положения, выносимые на защиту

1 Система компонентных уравнений шумовой температуры наземных антенн приемных систем спутникового телевидения, учитывающая особенности атмосферы в 14-ти климатических зонах мира

2 Методика формирования шумовых моделей высокочастотных трактов приемных устройств с учетом зеркального канала приема

3 Предлагаемые варианты схемотехнических решений сверхвысокочастотных конверторов приемных систем спутникового телевидения, содержащие малошумящие усилители на транзисторах с высокой подвижностью электронов

4 Макромодель высокочастотного тракта приемного телевизионного устройства, учитывающая влияние шумовой температуры антенны на динамический диапазон по блокированию

5 Результаты схемотехнического моделирования устройств формирования и обработки сигналов цифровых трактов спутниковых телевизионных систем и результаты исследования влияния шума на качество приема сигналов цифровыми системами

Внедрение результатов работы. Результаты моделирования приемных систем спутникового телевидения, содержащих цифровые тракты формирования и обработки сигналов, используются в учебном процессе на кафедре РПрУ и ТВ Таганрогского технологического института Южного Федерального Университета, НКБ ВС, о чем свидетельствуют акты внедрения

Апробация работы

Материалы диссертации обсуждались на следующих конференциях международной научной конференции "Цифровые методы и технологии (ЦМТ -2005), Таганрог, ТРТУ, 2005г, международной научной конференции "Статические методы в естественных, гуманитарных и технических науках", Таганрог, ТРТУ, 2006г, десятом юбилейном международном молодежном форуме "Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке", Харьков, 2006г, второй ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН, Ростов-на-Дону, 2006г, международной научной конференции "Информационные технологии в современном мире", Таганрог, ТРТУ, 2006г, третьей ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН, Ростов-на-Дону, 2007г, международной научной конференции "Проблемы развития естественных, технических и социальных систем", Таганрог, ТТИ ЮФУ 2007г, тринадцатой всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых ВНКСФ-13, Ростов-на-Дону, Таганрог, ТТИ ЮФУ 2007г,

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из которых 7 статей, 7 тезисов докладов

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений Материал работы изложен на 141 странице и содержит 7 таблиц, 34 рисунков, 122 библиографических источников и 5 страниц приложений

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и основные задачи, решаемые в диссертации Представлены основные положения, выносимые на защиту и приведено краткое содержание глав диссертации

В первой главе представлен анализ особенностей моделирования радиотехнических устройств и задачи математического моделирования телевизионных систем Рассмотрены особенности математических моделей объектов исследования и методов их формирования, а также сделан обзор и представлен краткий сравнительный анализ моделирования телевизионных систем при помощи современных пакетов математического и схемотехнического моделирования

Во второй главе представлены сформированная система компонентных уравнений шумовой температуры наземной антенны приемной системы спутникового телевидения, шумовая математическая модель самой приемной системы и макромодель высокочастотного тракта приемного телевизионного устройства, учитывающая влияние шумовой температуры антенны на динамический диапазон по блокированию

Система компонентных уравнений шумовой температуры наземной антенны является по сути дела ее шумовой математической моделью Степень универсальности данной шумовой модели характеризуется полнотой учитываемых свойств, а адекватность правильностью их отображения

Преследуя цель наиболее полно отобразить шумовые свойства антенны, учтены такие факторы как космические излучения, характеризуемые усредненной по небесной сфере яркостной температурой Тя к(/), излучение атмосферы с учетом гидрометеоров, характеризуемое яркостной температурой Тя „„ (/), излучение земной поверхности, проникающее через боковые лепестки антенны и характеризуемое температурой Тя,(/), излучение атмосферы, отраженное от поверхности Земли и характеризуемое температурой Тя „,,_-,(/), влияние обтекателя антенны при его наличии, учитываемое температурой ТОЕТ(/), собственные шумы антенны, создаваемые ее элементами и характеризуемые температурой Т,я(/)

Перечисленные факторы обуславливают шумы, создаваемые антенной и учитываемые ее шумовой моделью Температуры ТЛА.(/), ТЛЛ7Л1 (/), Тяз(/), Т;лги-э(/)> То;т(/) и Т,„(/) являются компонентами шумовой температуры Т,(/) наземной антенны Для каждого компонента сформировано свое конкретное аналитическое выражение - уравнение Совокупность компонентных уравнений образует шумовую математическую модель наземной приемной антенны Ее характерной особенностью является то, что она, не являясь чрезмерно сложной, в тоже время не основывается на упрощенном использовании данных, взятых из таблиц и графиков расчетных зависимостей, представленных в справочной литературе Основываясь на современных представлениях о распределении интенсивности дождя с конкретными значениями доверительной вероятности в каждой из 14-ти климатических зон мира, сформированная шумовая математическая модель приемной антенны по сложности занимает промежуточное положение между моделями, сформированными на основе строгого учета затухания радиоволн в соответствии с моделью Крейна, и простейшими моделями, базирующимися на допущении однородности свойств атмосферы Земли

Представленная в диссертации система компонентные уравнений позволяет осуществлять построение математических шумовых моделей приемных наземных антенн, отражающих ситуации распространения радиоволн наиболее приближенных к реальным в 14-ти климатических зонах мира, в том числе и в атмосфере над территорией Республики Йемен

Шумовая математическая модель приемной системы спутникового телевизионного вещания представляет собой систему уравнений, в явном виде

устанавливающих взаимосвязь параметров функциональных узлов наружного блока приемной системы с компонентами ее рабочей шумовой температуры

ТщРАБ — ТАОКП +Тпр, (1)

где ТА0КП - абсолютная интегральная температура антенны, характеризующая создаваемые ею шумы в полосе основного канала приема (ОКП), ТПР - абсолютная интегральная шумовая температура на входе высокочастотного тракта (ВЧТ) приемного устройства, характеризующая его собственные шумы, приведенные к входу

При формировании шумовой математической модели приемной телевизионной системы для установления явных функциональных зависимостей рабочей шумовой температуры Тш Р4Е от параметров функциональных узлов ВЧТ приемной системы использовалась схема замещения, представленная на рис 1

Рис 1 Схема замещения высокочастотного тракта приемной телевизионной

системы

Сечения, показанные на схеме, отделяют функциональные узлы и каскадные группы функциональных узлов с указанием шумовых полос, ими формируемых Так, шумовая полоса птУич1 формируется кабелем снижения и последующими за ним вторым усилителем промежуточной частот (УПЧ2), который на схеме не показан Полоса ПШ(ПЧ^ПЧ1 ,„,,2) формируется каскадным соединением гетеродинного преобразователя частоты ПЧ, первого усилителя промежуточной частоты УПЧ\ и УПЧ2, полоса и1Ч1) формируется N -м и всеми последующими за ним функциональными узлами ВЧТ, аппроксимированных четырехполюсниками, а полоса Я ,„(,,„,/2) - вторым и также всеми последующими за ним четырехполюсниками

С учетом влияния шумов зеркального канала приема (ЗКП) шумовая математическая модель приемного устройства, являющаяся по сути дела аналитическим выражением для Тпг, сформирована в виде

т

т _ 1лзкп т

>ПР - +1о

°ПРЕС ЗКП (

+

1

°ПРЕС ЗЩ

tan-l)-

1/71 Псг,

^Ч(/>);/о\/0о)

\ 1

as

Кщх ^ | I ^ ill ^

^r) VhnPEC ) ЖпРЕС\Р) HOl/Оо)

[]K,{p)no\i

где

абсолютная интегральная шумовая температура антенны в полосе

ЗКП,Г0 =293 К- стандартная температура в Кельвинах, аПРССЖП =П<т,жп- параметр,

характеризующий избирательность по ЗКП каскадной группы из N функциональных узлов, образующих устройство предварительной селекции (преселектор), ег|ЖЯ - параметр, характеризующий избирательность по ЗКП /-го функционального узла в составе преселектора, Кш,, кшг К,„,,- нормальные интегральные коэффициенты шума функциональных узлов преселектора,

л

аппроксимированных линеиными четырехполюсниками, к „ ПР1,Г = Я| к „ , -коэффициент сужения шумовой полосы для преселектора, к п , - коэффициент сужения шумовой полосы для ¡-го функционального узла преселектора, А',„,„,,-нормальный интегральный коэффициент шума каскадного соединения гетеродинного ПЧ и УПЧ1 в режиме узкополосного преобразования частоты, KwrrtP),m,(j0)=nKilF)lim,(J0) - номинальный коэффициент передачи по мощности

преселектора, К1(г),юи(/0) -номинальный коэффициент передачи по мощности ;-го функционального узла преселектора,

Шумовая математическая модель (2) является обобщенной Она позволяет формировать шумовые модели ВЧТ приемных устройств с конкретной структурой В диссертации рассматривался ВЧТ однодиапозонной приемной системы спутникового телевидения, функциональная схема наружного блока которой представлена на рис 2

Преселектор

ПЧ

Вход W А1 21 и Z2

р !> /х

А2

Выход

Рис 2 Функциональная схема наружного блока приемной телевизионной

системы

Схема содержит следующую совокупность узлов IV - поляризатор, А\ — сверхвысокочастотный малошумящий усилитель (МШУ), 2\ — полосовой фильтр, обеспечивающий избирательность по ЗКП, ПЧ-гетеродинный преобразователь частоты, образованный совокупностью смесителя и, полосового фильтра 22 и гетеродина в, А2 - первый усилитель тракта первой промежуточной частоты (УПЧ1)

В соответствии с (2) шумовая температура на входе наружного блока приемной системы определится как

т

т _ 'АЗКЛ Т

1+-

К,„и-1 +

^Ai ЗКП иг\ ЗКП J К ¡г (/> ) fio\t

uZl ЗКП )

к»

'II (Р )!Ю\1

ifo)^M(p)//ouifo)

-+1

-1

2К

ПРЕС (Р )}Ю\!

(А)

(3)

где

^ л\(р):ю\1 if О А\(!')ПО\1 С/з7 )' а

Z 1 ЗКП ' Z 1 злл

г II ЗКП ~~ К ||/ (/> )цо\1 С/о Г (Р )/й?1/

(/зч),

(/о)/* Z\(P)HO\I ifv,), i/o),

к

W(P)HOU '

(/зч)-> ^,и(р)1ю\/i/o)-, Ktl,P-.Hm,(/",,,), А'21(,,);Ю1/(/0), К2цр)/юи(/,,,) — номинальные

коэффициенты передачи по мощности поляризатора W, усилителя Al и фильтра 21 на средних частотах ОКП и ЗКП, КПРЬС (р),т„ ш — ^¡y{p)//0\f С/о)^Ai(P)HO\f (j"o)^Zl{p)HO\f i/o)-номинальный коэффициент передачи преселектора на средней частоте ОКП,

^ П W ~~ Н Ш (II \ПЧ 2 ) / П Ш (41 УПЧ 2 ) ' & П -11

п

Ш (41 УПЧ 2 )

/п

Ш (Z 1 УПЧ 2 ) '

кп г\ ~ П Ш(гчпч ш (пч + упч I >пч 2)1 кши> К ицпч^ПЧ1) — нормальные

интегральные коэффициенты шума функциональных узлов преселектора и каскадного соединения ПЧиУПЧ1

Если допустить, что шумовые температуры антенны в полосах ОКП и ЗКП одинаковы (Г, ок„ = Т, жп = Тл) и что коэффициенты сужения шумовых полос для всех функциональных узлов преселектора равны единице (кп„ = к„ (1 = кпп =1), а также учесть, что поляризатор IV и усилитель А\ являются устройствами

широкополосными (ег„

ЗКП M ЗКП'

■■ 1 ), то выражение для шумовой температуры на

входе наружного блока приемной телевизионной системы принимает вид

т

т — л

1ПР~

& Чк

+ 1+-

1+-

К„ -1)н

1+-

Г ! Г —1

' ZI ЗКП)

X»

I (Р)НО\/

ш

К,

ИЦПЧ+Ш'П)

-1

а;,

I {Р)ИО

uifo)^iilp)nouifo) К,

ПРЕС (Р)НОМ

ш

(4)

Шумовые математические модели (2) - (4) получены автором диссертации впервые

Макромодель высокочастотного тракта приемного телевизионного устройства, позволяющая учитывать влияние шумовой температуры антенны на динамический диапазон по блокированию, представляет собой фрагмент полной математической модели ВЧТ приемного устройства В диссертационной работе эта макромодель представлена в виде аналитического выражения для динамического диапазона по блокированию, соответствующего предельной чувствительности приемного устройства

' ! ( * ~ gl 7Р )

4 4 7;

-„Rc^jffa, kMt(f)

cvv(wJ/G(WJ

[,л+кШ1-\Г, (5)

где е,, ег - параметры, характеризующие шумовые свойства группы линейных устройств ВЧТ, устанавливаемых до первого нелинейного устройства, самого нелинейного устройства и ВЧТ в целом, к^1ТР - коэффициент блокирования, выраженный через отношение сигнал-шум на выходе тракта промежуточной частоты при наличии мешающего сигнала к отношению сигнал-шум также на

выходе, но в отсутствии помехового сигнала, ¿4 - внутреннее сопротивление источника сигнала, аппроксимирующего антенну, Пш — шумовая полоса

приемного устройства, к(,>)(/)- коэффициент передачи по напряжению каскадной группы линейных устройств, устанавливаемых в ВЧТ до первого нелинейного

элемента в первом нелинейном устройстве, Gvv(um), G(um) — вторая производная

передаточной характеристики и сама передаточная характеристика нелинейного элемента в составе типового радиотехнического звена (РТЗ), аппроксимирующего нелинейное устройство, в котором осуществляется блокирование, tA=T,/T0 -относительная шумовая температура приемной антенны, Кшг - результирующий нормальный интегральный коэффициент шума ВЧТ приемного устройства

Макромодель (5) позволяет рассчитывать значения DE10 для конкретно заданных параметров, характеризующих ВЧТ В виде аналитического выражения (5) данная макромодель представлена впервые

В третьей главе представлены как результаты исследования ранее сформированных шумовых моделей, так и результаты моделирования предлагаемого варианта схемотехнического решения сверхвысокочастотного конвертора приемной системы спутникового телевидения

Исследование шумовой модели наземной антенны приемной системы проводилось в частотном диапазоне спутникового вещания 10,7-14,8 ГГц Для проведения исследований использовалось математически ориентированная универсальная система компьютерной математики Lab View 7 1 Программирование

самой шумовой модели антенны и образующих ее компонентных уравнений осуществлялось с использованием структура Formula Node

Для установления степени достоверности проводимых расчетов, полученные результаты в виде результирующего ослабления LA z (/) для климатической зоны Е на частоте / = 14,4 ГГц были сопоставлены с данными, полученными на главной телевизионной станции Республики Йемен "Yemen TV" за период с 1992 по 2004 гг Эти данные получены при проведении плановых проверок и совмещены с данными государственной гидрометеослужбы Республики Йемен

Рассчитанные и экспериментальные данные представлены в таблице 1

Таблица 1

Интенсивность осадков мм/ч 6 8 12 1 5 17 19 2Л 20 37

1~А тСО лБ (эксперимент) 1 79 1 81 1 91 2 33 2 A3 2 62 2 9-4 3 17 3 e-t

и А дБ (расчет) 2 О 2 2 1 2 2-4 2 37 2 -49 2 S7 2 83 3 11 3 63

Сравнение данных, представленных в таблице 1, свидетельствует о достаточной степени достоверности расчетных значений затухания в атмосфере с учетом гидрометеоров Это дает основание полагать правомочным использование сформированной системы компонентных уравнений в дальнейших исследованиях шумовой математической модели на земных приемных антенн спутниковых систем телевизионного вещания

Результаты расчетов шумовой температуры антенны Т4(/) для конкретных значений интенсивности дождя и доверительной вероятности, соответствующих климатической зоне, охватывающей территорию Аравийского полуострова, представлены на рис 3

TV. К 2SO

200

1 SO

юо во

Ю 11 12 13 14 1в Г ГГц

ЮТ 14 8

Рис 3 Расчетные (сплошные) и эталонные (пунктир) зависимости шумовой температуры антенны для углов места 5° < р < 30° (кривые I и IЛ) и р > 30°(кривые

2 и 2Л)

Для сопоставления расчетных значений ТА(/) с эталонными, на рис 3 представлены кривые 1Л и 2Л, взятые из технической литературы Эти кривые соответствуют климатической зоне, значения параметров которой, взятые из

технической литературы, близки к значениям параметров, характеризующих климатическую зону, охватывающую территорию Республики Йемен

Графики на рис 3 позволяют определить значение модуля максимальной относительной погрешности, которое, как показывают расчеты, не превышает 0,05(5), т е менее 6 %

Обобщая результаты исследования шумовой модели наземной приемной антенны можно сделать вывод о адекватности сформированной системы компонентных уравнений, используемой при проведении расчетов шумовых температур наземных антенн в 14- ти климатических зонах мира

Результаты расчетов шумовой температуры Т 4 (/) для климатической зоны, в пределах которой расположена территория Республики Йемен, получены впервые и представляют несомненную практическую полезность

Исследование шумовой модели приемной системы спутникового телевидения проводилось в среде математически ориентированной универсальной системы компьютерной математики МАТЬАВ 5 2 Исследованию подвергались функциональные зависимости шумовой температуры на входе наружного блока от параметра, характеризующего избирательность по ЗКП, и от номинального коэффициента передачи МШУ по мощности при различных значениях коэффициента шума МШУ, а также исследовалась функциональная зависимость вклада в Тш,, вносимого каскадным соединением ПЧ+УПЧ1, от номинального коэффициента передачи МШУ по мощности

Результаты исследований представлены графиками расчетных зависимостей на рис 4

Тпр, К>-------------------

Тпр, К 500 400 300 200 100 0

* ■ -....... X **1~4х$

К*Л1ш$ж£ ■

® ^ 0 о о о «» а «■> о о оо-о«>оч><»-о ->

О ?я$

10 12 14 16 18 20 22 2* 2ВСТЦЗШ, дБ а

юоо \ 800 \ 600' 400 200 о

- » _ 5«» 4*8 - - - _ Кяи-згБ

* - . . - 2аГ,

^ А Л*г — I ЛК

10 1 2 1 4 16 1 8 20 22 24 26 Клтнот, дБ б

йГш/пч*УпЧ1), К 600

500 400 300 200 100 о

Рис 4 Расчетные зависимости Т,

10 12 14 18 18 20 22 24 26 КлтНОЩО, ПБ

в

' ("Г! ЗЛя) (а)> Тпр = ф

(/о)] (б) и

А 7",

Ш(ПЧ+Н1Ч1) ■

= V Ш] (в)

Анализ расчетных зависимостей показывает, что с точки зрения снижения шумов ЗКП достаточное их ослабление достигается, при <тПРКЗКП >14 дБ Поэтому требования, предъявляемые к избирательности наружного блока приемной системы по ЗКП, целесообразнее предъявлять с позиций обеспечения требуемого уровня восприимчивости приемного устройства к помехам, частоты которых попадают в полосу ЗКП

Из рис 4, а, б, видно, что шумовая температура на входе наружного блока приемной телевизионной системы уменьшается при уменьшения коэффициента шума МШУ и увеличении его номинального коэффициента передачи по мощности Существенное уменьшение шумовой температуры ТПР достигается при малых (менее 1 дБ) коэффициентах шума МШУ Значениями шума менее 1 дБ обладают МШУ, выполненные на транзисторах с высокой подвижностью электронов (в англоязычной литературе — НЕМТ от High Electronic Mobility Transistor)

Из анализа графика, представленного на рис 4, в, следует, что с ростомКм^нт,(/0) вклад в Тш,, вносимый каскадным соединением ПЧ+УПЧ1, уменьшается Если обратится к расчетным графикам на рис А,а,б, то можно убедиться, что при коэффициентах шума МШУ более 2 дБ и при его номинальном коэффициенте передачи по мощности более 26 дБ вкладом в шумовую температуру ТПР, вносимым каскадным соединением ПЧ+УПЧ1, можно пренебречь, так он составляет менее 3% Это подтверждает положения ряда работ, в которых при расчете шумовых параметров приемной системы рекомендуется учитывать шумы только первых двух или трех функциональных узлов высокочастотного тракта

Однако ситуация изменяется, если коэффициент шума МШУ равен или меньше одного децибела Как видно из расчетных графиков на рис 4,а, б при Кm „ < 1 дБ и к.,]{р)„0,, (f0)> 26 дБ вклад в Тш,, вносимый каскадным соединением ПЧ+УПЧ1, составляет 10% и более Получается, что стремление уменьшить значение шумовой температуры на входе наружного блока за счет снижения коэффициента шума МШУ ограничивается шумами, вносимыми каскадным соединением ПЧ+УПЧ1 При малых коэффициентах шума МШУ шумами, вносимыми каскадным соединением ПЧ+УГГЧ1, пренебрегать нельзя Этот вывод получен в результате интерпретации результатов исследования шумовой модели приемной системы спутникового телевидения, характеризующих их научную новизну и полезность

Суть предлагаемого схемотехнического решения сверхвысокочастотного конвертора заключается в том, что с целью снижения вклада в ТПР, вносимого каскадным соединением ПЧ+УПЧ1, в структуру конвертора, содержащего в преселекторе МШУ на НЕМ-транзисторах, дополнительно вводится второй МШУ, включаемый так, как показано на рис 5

Преселектор ™ А1 ТЛ А2

Вход ! [> О

Рис 5 Функциональная схема предлагаемого варианта сверхвысокочастотного конвертора приемной системы спутникового телевидения

Выражение для шумовой температуры на входе предлагаемого варианта, являющееся его шумовой моделью, имеет вид

т

О":

21 3/07

Г1+_Ц(Дш, _1) + (и-Ц

V зни ) V зкп)

Кц (Р)1Юи (/о)

г\ зкп ) {р)/юи

1 1 ~ К-шАг-1 (6)

+ 1+—— - "Г -7—\ +2-

(/о) Кш (Р)1Ю\1 о)^А\(Р)110М 0о)^21 (Р)1Ю\1 С/о)

+ К[Ц(ПЧ+Ь77'Л)

^и (р)но\1 ^/о)^л\{р)1!о\1 (Гог\(р)ио\г С/о42(р)ио\1

ш

где Кш 42, К,2(р)1юи (/о) - коэффициент шума и номинальный коэффициент передачи по мощности дополнительно устанавливаемого МШУ

Сопоставление моделей (4) и (6) позволило получить условие

Млг = (Кш А1 - 0/ [' - К |!(/<)т:д/ (/о)] < 0,5 [Кш1пч^ш)) -1] (7)

Условие (7) ограничивает значение шумового числа (меры шума) М и дополнительного МШУ, при котором шумовая температура на входе предложенного варианта меньше шумовой температуры на входе варианта, представленного на рис 2

Исследование шумовой модели (6) проводилось в среде МАТЬАВ 5 2 Результаты в виде графиков расчетных зависимостей ТПР = <р ,]{г,)11т1 (/0)\ и ЬТш{ПЧмт) = <р\к.„(,,)„„„{/0)] представлены на рис 6 Сравнение графиков

расчетных зависимостей ТПР —<р\кА^Рую^,{/0)\ и (/"„)], представленных на рис 4 и рис 6, наглядно иллюстрирует эффект, достигаемый при включении дополнительного МШУ

Из анализа шумовой модели (6) следует, что дальнейшее снижение Тпр возможно также за счет дополнительного включения в состав преселектора второго полосового фильтра 22 так, как показано на рис 7

II

15011 140 130 120 110

100 90.

-20 дБ

'«о,

0 в- О <5- О -О

Кии =0,7

10 12 14 16 18 20 22 24 щК*1тщеБ

¿Тщпчгтц, К .

543 2 ■ 1

О .

Кл2пнон(Г,)*20»Б

_1-1_

'„±± + *

10 12 14 16 18 20 22 24 26 К*цгщ>т,дБ

а б

Рис 6 Расчетные зависимости Тпр = 'р\КщР)1КЛ1{/0)\ и АТа«пч+\пч\) ~ Ч> \к,](Р)нт, (Л)] предложенного варианта схемотехнического решения сверхвысокочастотного конвертора

Преселектор

Вход

\л/ А1 г1 А2 77

р [>

и г

[>

Выход

Рис 7 Второй вариант предлагаемого схемотехнического решения сверхвысокочастотного конвертора приемной системы спутникового телевидения

Включение полосового фильтра 12 приводит к уменьшению в два раза вклада в ТПР, вносимого усилителем А2 Это следует из анализа предпоследнею слагаемого в квадратных скобках правой части выражений (2) и (6) С другой стороны, наличие двух полосовых фильтров 21 и 22 позволяет снизить жесткие требования, предъявляемые к частотной избирательности по ЗКП каждого из фильтров, так как требуемое значение избирательности можно легко обеспечить двумя фильтрами

Исследование макромодели высокочастотного тракта приемного устройства, учитывающей влияние шумовой температуры антенны на динамический диапазон по блокированию, также проводилось в среде МАТЬ А В 5 2 Оно заключалось в расчете значений динамического диапазона по блокированию £>,л а, соответствующего предельной чувствительности приемного устройства Установлено, что при увеличении шумовой температуры антенны динамический диапазон 0К70 уменьшается Это уменьшение тем ощутимее, чем больше нормальный интегральный коэффициент шума высокочастотного тракта и меньше его частотная избирательность в полосах блокирования

Результаты исследований макромодели подтверждают выводы, представленные во второй главе диссертации Сама макромодель и результаты ее исследования получены впервые Данный факт подтверждает научную полезность проведенных исследований

В четвертой главе представлены результаты схемотехнического моделирования цифрового тракта передачи сигналов изображения, его устройств формирования и временной обработки сигналов, а также результаты исследования влияния шума на качество приема и зависимости величины потока данных от отношения сигнал-шум при фиксированном допустимом числе сбоев в единицу времени

Моделирование проводилось в среде Micro-Cap 7 Установлено, что процесс формирования модулятором сигналов квадратурной фазовой манипуляции (QPSK) сопровождается появлением скачков фазы на 180° Данный факт обуславливает паразитную амплитудную модуляцию огибающей выходного сигнала модулятора QPSK, что является крайне нежелательным В целом результаты схемотехнического моделирования модулятора QPSK подтверждают вывод о целесообразности использования в цифровых системах спутникового вещания квадратурной фазовой манипуляции со сдвигом (OQPSK)

В результате схемотехнического моделирования цифрового частотного детектора установлено, что максимальное отклонение демодулированного цифрового сигнала от модулирующего не превышает 1,6% и что его уровень не зависит от амплитуды поднесущей

Построение в среде схемотехнического моделирования Micro-Cap 7 модели генератора шума и помех позволило провести исследование влияния шума на качество приема сигналов цифровыми системами Установлено, что цифровые системы устойчивы к воздействию шума, однако при достижении им некоторого порогового уровня прием цифровых сигналов становится невозможным, несмотря на увеличение потока данных

В заключении приведены основные научные и практические результаты, а также выводы по результатам выполненных исследований

Приложения к диссертации содержат программы моделирования, представляющие собой рабочие документы пакета математического моделирования MATLAB 5 2 Программы могут быть использованы как в учебно-методических целях, так и непосредственно при анализе конкретных вариантов схемотехнических решений конверторов приемных систем спутникового телевидения

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Сформирована система компонентных уравнений, представляющая собой функциональную шумовую модель наземных приемных антенн, которая учитывает особенности атмосферы Земли в 14-ти климатических зонах мира Сопоставление результатов исследования сформированной шумовой модели с

экспериментальными данными, взятыми из архивов главной телевизионной станции Республики Йемен "Yemen TV", свидетельствует о достоверности расчетных данных, полученных с учетом особенностей атмосферы климатической зоны, охватывающей Республику Йемен

2 Сформирована функциональная шумовая модель высокочастотного тракта приемной системы спутникового телевидения, позволяющая учитывать влияние шумов зеркального канала приема Исследование данной шумовой модели позволило выявить особенности, проявляемые при использовании в конверторах приемных систем малошумящих усилителей на транзисторах с повышенной подвижностью электронов (НЕМ-транзисторах)

3 Сформирована и исследована макромодель высокочастотного тракта приемного телевизионного устройства, позволяющая учитывать влияние шумовой температуры антенны на динамический диапазон по блокированию

4 Предложен конкретный вариант схемотехнического решения сверхвысокочастотного конвертора наружного блока приемной системы спутникового телевидения Сформирована и исследована его шумовая модель Установлено, что применение предложенного варианта конвертора наиболее эффективно при использовании малошумящих усилителей на НЕМ-транзисторах

5 Проведено схемотехническое моделирование устройств формирования и обработки сигналов цифрового тракта спутниковых телевизионных систем, а также исследовано влияние шума на качество приема сигналов цифровыми системами Установлено, что цифровые системы устойчивы к воздействию шума, однако при достижении им некоторого порогового уровня прием цифровых сигналов становится невозможным, несмотря на увеличение потока данных

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 ХаззаА С Моделирование цифрового частотного детектора в среде Micro-Cap7 // М Телекоммуникации, № 9, 2005 - с 25-27

2 Хазза А С Исследование искажений сигнала при частотной демодуляции //М Телекоммуникации, № 9, 2005 -с 27-29

3 Хазза А С Методы оценки искажений в тракте модулятор/демодулятор канала связи спутникового телевидения//М Телекоммуникации, №10, 2005 -с 21-22

4 Хазза А С Построение модели квадратурного фазового модулятора в среде Micro-Cap7 // Материалы Международной научной конференции «Цифровые методы и технологии» (цмт-2005) - часть 3 - Таганрог Изд-во «Антон», ТРТУ, 2005 -с72-73

5 Хазза А С Оценка погрешности формирования модулированной несущей телевизионного сигнала в модели Micro-Cap7 // Материалы Международной научной конференции «Цифровые методы и технологии» (цмт-2005) - часть 3 -Таганрог Изд-во «Антон», ТРТУ, 2005 - с 73-74

6 Хазза А. С Моделирование в среде Lab View7 влияния атмосферы на распространение сигналов спутникового телевидения // Материалы Международной научной конференции «Цифровые методы и технологии» (цмт-2005) - часть 3 - Таганрог Изд-во «Антон», ТРТУ, 2005 - с.75.

7. Хазза А С Исследование модели квадратурного фазового модулятора в среде Micro-Cap7 // Материалы Международной научной конференции «Статистические методы в естественных, гуманитарных и технических науках» -частьт 3 - Таганрог. Изд-во «Антон», ТРТУ, 2006 - с 91-95,

8 Хазза А С Исследование влияния шумов на качество приема сигналов для цифровых систем // Материалы 10-го Юбилейного Международного Молодежного форума «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке » Харьков Изд-во Харьковский национальный университет радиоэлектроники 2006 -с 131.

9 Хазза А С Исследование телевизионных изображений на компьютерном мониторе // Вторя ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН Материалы молодежной конференции(Ростов-на- Дону, 5-26 апреля 2006 г) Ростов н/Д Изд-во ЮНЦ РАН, 2006 -с 148

10 Бровченко С П , Хазза А С Шумовая математическая модель приемной системы спутникового телевизионного вещания // Материалы Международной научной конференции «Информационные технологии в современном мире» - часть 5 -Таганрог Изд-во «Антон», ТРТУ, 2006г - с 10-17

11 Бровченко С П , Хазза А С Учет влияния шумовой температуры антенны на динамический диапазон по блокированию телевизионных приемников // Материалы Международной научной конференции «Информационные технологии в современном мире» - часть5 - Таганрог Изд-во «Антон», ТРТУ, 2006г - с 17-22

12 Галустов Г Г, Бровченко СП, Хазза АС, Кравец А В Особенности способов улучшения шумовых параметров сверхвысокочастотных супергетеродинных приемных устройств И Материалы международной научной конференции "Проблемы развития естественных, технических и социальных систем"- часть 5, Таганрог Изд-во «Антон», ТТИ ЮФУ2007 г,- с 9-15

13 Хазза АС Исследование шумовой математической модели приемной системы спутникового телевизионного вещания // Третья ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН Материалы молодежной конференции (Ростов-на-Дону, 5-24 апреля 2007 г) Ростов н/Д Изд-во ЮНЦ РАН, 2007 - с 128-130

14 Галустов Г Г, Хазза АС Об улучшении предельной чувствительности телевизионных приемников при влиянии шумовой температуры антенны // Материалы Тринадцатой Всероссийской Научной Конференции Студентов-Физиков и молодых ученых Научная Конференция ВНКСФ-13, Ростов-на-Дону, Таганрог Изд-во АСФ России, 20-26 апреля 2007 года - с 578-579

В работах, опубликованных в соавторстве, лично Хазза А С. принадле результаты

в работе [10] разработка методики учета влияния шумов зеркального кан приема,

в работе [11] разработка методики учета влияния шумовой температ антенны на динамический диапазон по блокированию, соответствуют предельной чувствительности приемного устройства,

в работе [12] разработка схемотехнического решения конкретного вари< сверхвысокочастотного конвертора приемной системы спутникового телевидени улучшенными шумовыми параметрами, а также исследование его шумовой моде в работе [14] разработка методики учета влияния шумовой температ антенны на предельную чувствительность приемного устройства

Типография Технологического института Южного федерального университета в г.Таганроге 347928, Таганрог, ГСП-17А, ул Энгельса, I

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ МОДЕЛИРОВАНИЯ

РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИЕМНЫХ

ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ.

1.1. Особенности математических моделей объектов исследования и методов их формирования.

1.2. Сравнительный анализ возможностей моделирования телевизионных систем при помощи современных пакетов математического и схемотехнического моделировании.

1.3. Постановка задач математического моделирования приемных телевизионных систем.

1.4. Выводы.

ГЛАВА 2. ФОРМИРОВАНИЕ ШУМОВЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ АНТЕНН И ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ТРАКТОВ ПРИЕМНЫХ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ.

2.1. Формирование системы компонентных уравнений шумовой температуры антенн приемных систем спутникового телевидения.

2.2. Формирование математической шумовой модели приемной системы спутникового телевидения.

2.3. Формирование макромодели высокочастотного тракта приемного телевизионного устройства, позволяющей учитывать влияние шумовой температуры антенны на динамический диапазон по блокированию.

2.4. Выводы.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ШУМОВЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ АНТЕНН И ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ТРАКТОВ

ПРИЕМНЫХ СИСТЕМ СПУТНИКОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ.

3.1. Исследование шумовой модели антенны приемной системы спутникового телевидения.

3.2. Исследование шумовой модели приемной системы спутникового телевидения.

3.3. Исследование шумовой модели, предложенного варианта схемотехнического решения конвертора приемной системы спутникового телевидения.

3.4. Исследование макромодели высокочастотного тракта приемного телевизионного устройства, учитывающей влияние шумовой температуры антенны на динамический диапазон по блокированию.

3.5. Выводы.

ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ ФОРМИРОВАНИЯ И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ЦИФРОВОГО ТРАКТА СПУТНИКОВЫХ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ.

4.1. Обзор методов обработки и передачи цифровых сигналов изображения.

4.2. Построение модели модулятора QPSK.

4.3. Построение модели цифрового частотного детектора.

4.4. Построение модели генератора шума и помех.

4.5. Исследование влияния шумов на качество приема сигналов цифровыми системами.

4.6. Выводы.

Диссертационная работа представляет собой результаты моделирования приемных систем спутникового телевидения, содержащих цифровые тракты формирования и обработки сигналов.

Актуальность проблемы

Наблюдаемый в настоящее время прогресс науки и техники, постоянно возрастающие потребности общества обуславливают необходимость выполнения проектных работ большого объема. Сказанное в полной мере относится к проектированию приемных систем спутникового телевизионного вещания [1-15]. В настоящее время требования к качеству проектирования систем спутникового телевизионного вещания оказываются все более жесткими по мере увеличения сложности этих систем и повышения ответственности выполняемых ими функций [5-43]. Возникшее противоречие между ростом сложности телевизионных систем и необходимостью проектирования их в сжатые сроки обусловило создание и быстрое развитие ряда систем автоматизированного проектирования.

Под автоматизацией проектирования понимается способ проектирования, при котором часть проектных операций и процедур осуществляются взаимодействием человека и электронно-вычислительной машины (ЭВМ). Методы автоматизированного проектирования появились, как результат стремления заменить дорогостоящее и длительное физическое моделирование математическим [44-50]. Под ним понимается получение модели, способной замещать реальный объект в нужных исследователю отношениях, и оперирование этой моделью с целью получения полезной информации об объекте. При математическом моделировании вместо макета используют его математическую модель [51,52].

Таким образом, разработка математических моделей, методов и алгоритмов, в достаточной степени учитывающих возможности ЭВМ и позволяющих достичь новых рубежей в точности, универсальности, степени оптимальности получаемых результатов, обусловлено актуальностью проблем автоматизированного проектирования.

Цель работы

Осуществить моделирование приемных систем спутникового телевидения, содержащих цифровые тракты формирования и обработки сигналов, и на основе полученных результатов предложить варианты схемотехнических решений конкретных устройств или их совокупности, оптимальных с позиций конкретных критериев.

Поставленные задачи

1. Сформировать систему компонентных уравнений, образующих шумовую модель антенны приемной системы спутникового телевидения, с достаточной степенью полноты отражающей свойства атмосферы Земли в 14-ти климатических зонах мира, в том числе и над территорией Республики Йемен.

2. Провести исследование шумовой математической модели приемной антенны. Полученные результаты сравнить с известными и сделать выводы о применимости полученных результатов в инженерной практике как при разработке приемных телевизионных систем, так и при их эксплуатации.

3. Сформировать шумовую математическую модель обобщенного варианта схемотехнического решения высокочастотного тракта приемной системы спутникового телевидения.

4. Провести исследование сформированной шумовой математической модели конкретного варианта высокочастотного тракта приемной телевизионной системы, и основываясь на полученных результатах, обоснованно предложить, по крайней мере, один из вариантов схемотехнического решения высокочастотного тракта, ориентированного на применение современной компонентной базы.

5. Сформировать макромодель высокочастотного тракта приемного телевизионного устройства, позволяющую учитывать влияние шумовой температуры антенны на динамический диапазон по блокированию и провести исследование данной макромодели.

6. Провести моделирование устройств формирования и обработки сигналов цифрового тракта спутниковых телевизионных систем и исследовать влияние шума на качество приема сигналов цифровыми системами.

Методы исследования

Базируются на теоретических методах формирования функциональных аналитических моделей, а также использовании математически ориентированных универсальных систем компьютерной математики Lab View 7.1, MATLAB 5.2 и Micro-Cap 7.

Объект исследования

Объектом исследования являются наземные антенны приемных телевизионных систем спутникового вещания, их высокочастотные тракты, а также цифровые тракты передачи сигналов изображения, включая их устройства формирования и обработки сигналов.

Научная новизна работы

1. Решён комплекс методологических задач по формированию компонентных уравнений шумовой температуры наземных антенн приёмных систем спутникового телевидения и последующего построения их конкретных шумовых математических моделей.

2. Предложена шумовая математическая модель высокочастотного тракта приёмной телевизионной системы, учитывающая влияние зеркального канала приёма.

3. Предложены два варианта схемотехнических решений конверторов приёмных телевизионных систем, в которых используются сверхвысокочастотные малошумящие усилители на транзисторах с высокой подвижностью электронов (НЕМ-транзисторах).

4. Предложена макромодель высокочастотного тракта приёмного телевизионного устройства, учитывающая влияние шумовой температуры антенны на динамический диапазон по блокированию.

5. Разработаны компьютерные модели, используемые как для схемотехнического моделирования модуляторов QPSK, цифровых частотных детекторов, генераторов шума и помех, так и для исследования влияния шума на качество приёма сигналов цифровыми системами.

Практическая ценность

Данной диссертационной работы заключается:

• в формировании и исследовании шумовой модели наземной антенны, позволяющей рассчитывать значение температуры антенны для каждой из 14-ти климатических зон мира с относительной погрешностью менее 6 %;

• в формировании и исследовании шумовой модели высокочастотного тракта приемной системы с учётом влияния шумов зеркального канала приёма;

• в результатах моделирования предложенного варианта схемотехнического решения сверхвысокочастотного конвертора, позволяющего получать шумовые температуры на входе менее 100 К;

• в результатах схемотехнического моделирования устройств формирования и обработки сигналов цифрового тракта спутниковых телевизионных систем и исследовании влияния шума на качество приёма сигналов, позволяющих выявлять пороговые уровни шума, при которых приём цифровых сигналов становится невозможным, несмотря на увеличение потока данных.

Достоверность результатов

Исследования подтверждаются сопоставлением экспериментальных данных ослаблений телевизионного сигнала в атмосфере с расчетными данными, апробацией результатов исследования на научных конференциях, актами их внедрения.

Основные положения выносимые на защиту

1. Система компонентных уравнений шумовой температуры наземных антенн приемных систем спутникового телевидения, учитывающая особенности атмосферы в 14-ти климатических зонах мира.

2. Методика формирования шумовых моделей высокочастотных трактов приемных устройств с учетом зеркального канала приема.

3. Предлагаемые варианты схемотехнических решений сверхвысокочастотных конверторов приемных систем спутникового телевидения, содержащие малошумящие усилители на транзисторах с высокой подвижностью электронов.

4. Макромодель высокочастотного тракта приемного телевизионного устройства, учитывающая влияние шумовой температуры антенны на динамический диапазон по блокированию.

5. Результаты схемотехнического моделирования устройств формирования и обработки сигналов цифровых трактов спутниковых телевизионных систем и результаты исследования влияния шума на качество приема сигналов цифровыми системами.

Внедрение результатов работы

Результаты моделирования приемных систем спутникового телевидения, содержащих цифровые тракты формирования и обработки сигналов, используются в учебном процессе на кафедре РПрУ и ТВ Таганрогского технологического института Южного Федерального Университета, НКБ ВС, о чём свидетельствуют акты внедрения.

Апробация работы

Материалы диссертации обсуждались на следующих конференциях:

• международной научной конференции "Цифровые методы и технологии (ЦМТ - 2005), Таганрог, ТРТУ, 2005 г.;

• международной научной конференции "Статические методы в естественных, гуманитарных и технических науках", Таганрог, ТРТУ, 2006г.;

• десятом юбилейном международном молодежном форуме "Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке", Харьков, 2006 г.;

• второй ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН, Ростов-на-Дону, 2006 г.;

• международной научной конференции "Информационные технологии в современном мире", Таганрог, ТРТУ, 2006 г.;

• третьей ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН, Ростов-на-Дону, 2007 г.;

• тринадцатой всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых ВНКСФ-13, Ростов-на-Дону, Таганрог, ТТИ ЮФУ 2007 г.;

• международной научной конференции "Проблемы развития естественных, технических и социальных систем", Таганрог, ТТИ ЮФУ 2007 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из которых 7 статей, 7 тезисов докладов.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Материал работы изложен на 141 страницах и содержит 7 таблиц, 34 рисунков, 122 библиографических источников и 5 страниц приложений.

- результаты исследования потенциальной помехоустойчивости цифрового тракта обработки сигналов спутниковых телевизионных систем.

Использование указанных результатов способствовало дальнейшему развитию методов объективного контроля качества телевизионного изображения на выходе цифровых трактов обработки сигналов спутниковых телевизионных систем и методов цифровой обработки многомерных сигналов.

Заместитель главного конструкт» по направлению, к.т.н.

J Г. at. fif

Начальник отдела 25, к.т.н.

И.К.Боровков

2S-.OC.O?

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена моделированию приемных систем спутникового телевидения и её основные научные и практические результаты могут быть представлены в следующем виде:

1. Представлен анализ особенностей моделирования радиотехнических устройств, заключающийся в рассмотрении особенностей математических моделей объектов исследования, методов их формирования и проведении сравнительного анализа возможностей моделирования при помощи современных пакетов математического и схемотехнического моделирования. Результаты проведенного анализа позволили сформировать задачи математического моделирования приемных телевизионных систем.

2. Проведено формирование системы компонентных уравнений, представляющих собой функциональную шумовую модель наземных приемных антенн, учитывающую особенности атмосферы Земли при наличии гидрометеоров в 14-ти климатических зонах мира, и функциональной шумовой модели высокочастотного тракта приемной системы спутникового телевидения, позволяющей учесть влияние шумов зеркального канала приема. Сформирована макромодель высокочастотного тракта приемного телевизионного устройства, позволяющая учитывать влияние шумовой температуры антенны на динамический диапазон по блокированию.

Сформированные математические модели не отличаются чрезмерной сложностью, затрудняющей их использование в инженерной практике, а также предельной простотой, не позволяющей считать их достаточно универсальными. В диссертации сформированные модели представлены впервые и характеризуются своей научной.

3. Проведено исследование шумовых моделей наземных приемных антенн и высокочастотных трактов приемных систем спутникового телевидения.

Сопоставление результатов исследования шумовой модели приемной антенные экспериментальными данными, полученными на главной телевизионной станции Республики Йемен "Yemen TV", позволили сделать вывод о достоверности расчетных данных.

1. Тепляков И. М. и др. Радиосистемы передачи информации. М.: Радио и связь; 1982 с. 264.

2. Бушминский К. П., Тюхтин М. ф. Приемные системы спутникового телевидения. М.: Радио и связь, 1993. 3. INTEL SAT. Digital satellite communications technology handbook. Revision 2, April 1995.

3. Akylidiz I. F., Jeong S. Satellite ATM networks: A survey. -IEEE Communication Magazine, vol. 35,1997, pp. 30-44.

4. Hubbel Y. A comparison of the Iridium and AMPS systems. IEEE Network, vol. 11, N2, March 1997, pp. 52-59.

5. Спутниковая связь и вещание: Справочник под ред. Л. Я. Кантора. М.: Радио и связь, 1997, с. 528.

6. Crami А., Cordon К. Multimedia Satellite: А high-level assessment. Workshop on Satellite Communication in the Clobal Information Infrastructure. June, 1977. Jet Propulsion Laboratory (JPL), Pasadena, California,

7. Лисовский Я. Л. Архитектура систем спутниковой связи. Технологии и средства связи, 6,1998.

8. Лсвиенко В. Н. Спутниковое телевидение. СПб.: BHV, 1998.

9. Хаджинс Бонафилд К. Небесные высокоскоростные сети. Сети и системы связи. М.: 0 0 0 Антонюк Колсалтинг, 1998, 7,8.

10. Джакония В. Е. и др. Телевидение. М.: Радио и связь, 1998. с. 480.

11. Кривошеев М. И., Бэрон Н. Цифровая передача изображения и звука. М.: Радио и связь, 1998. с. 400.

12. Clobal Satellite Technology and Systems. WTEC panel Repot, communications International Technology Research Institute/ WTEC Division, 1998. 126

13. Hadjitheolosion M. H., Ephremides A., Friedman D. Broadband access vie satellite. Technology Research Report CSHCN T. R. 99-2 (ISR T. R. 999). Материалы сервера wwvy. isr. umd.

14. Назаров H. C, Симонов M. B. ATM: Технология высокоскоростных сетей. М.: Эко-Трен 93,1998. с. 234.

15. Камнев В. Е. Основные принципы, определяющие технический облик спутниковой ATM сети. Вкн. Современные инфокоммутационные технологии в мегаполисах, Москва, 1998 г., с. 56-62.

16. Камнев В. Е. Перспективы использования спутников связи для ускорения внедрения услуг глобальных ATM сетей. Вкн. Форум MAC 98 "Глобализация и персонализация инфокоммутационных услуг и технологий".-М.: 1998,-с. 18-22.

17. Эйнджел Дж. Спутниковые сети: ключ на старт. LAN/ журнал сетевых решений. М.: Открытые системы, 7,1999.

18. Материалы сервера www, lsi. usp. br.

19. Эйдус A. Г., Гладких А., Антилогов В. Р. Спутниковая связь: ситуация в мире и России. ВИСАТ-ТЕЛ. Материалы сервера www, vsat-tel. ru.

20. Материалы сервера www, eutelsat. com.

21. Материалы сервера www, boeing. com.

22. Материалы сервера www, lochheed. com.

23. Мамаев H. C. Спутниковое телевизионное вещание: приемные устройства. 2-е изд. -М.: Радио и связь. Горячая линия телеком, 1999.

24. Анпилогов В. Р. Спутниковое вещание тенденции развития рынка. М.: ВИСАТ-ТЕЛ. Спутниковые сети связи VSAT. Материалы сервера www, vsattel. ш.

25. Материалы сервера www, inmarsat. ru

26. Материалы сервера www, global star, ru 127

27. Тимофеев В. В. Спутниковая связь и вещание в России Радио. 2000. }|о1.-с.68-69.

28. Большова Г., Невдяев Л. Корпоративные VSAT-сети. М.: сети, 4, 2000.

29. Анпилогов В. Р., Эйдуе А. Г. Сети VSAT: обзор технологий и сфер применения. М.: ВИСАТ-ТЕЛ. Материалы сервера www, vsat-tel. ru 33. VSAT спешит на помощь. М.: Технологии и средства связи, 2 6, Г 2000.

30. Материалы сервера www, hughessapace. com.

31. Материалы сервера www, lockheedmartin. com.

32. Робинсон Б и др. Станет ли АС е S азиатским Iridium ОМ Теле Multy Media, 4(4). 2

33. Материалы сервера www, tetcmultymedis. ru.

34. Диденко М. Г., Столяров И. Н. Магистральная спутниковая связь: проблемы и решения. Спутниковая связь, 1, 2001/ приложение к журналу Технологии и средства связи, с. 18-24.

35. Дорнан Э. Последние пятьсот миль. LAN, NS, 2001. М.: Открытые системы.

36. Камнев В. Е. Место негеостационарных спутниковых сетей в глобальной информационной инфраструктуре. М.: Электосвязь, 4, 2001. 40. спутниковое телевидение. Справочник под ред. Н. Орлова. СПб.: Телеспутник, 2001.

37. Псхтерев В., Андреев А. В., Ермаков Е. Ю. Выбор технологии и системы спутниковой связи для корнофативной или ведомственной сети. М.: Сети и системы связи, 2(80), март 2002.

38. Приемные системы спутникового телевидения И. П. Бушминский, Д. И. Кузнецов, А. А. Романов, М. Ф. Тюхтин под ред. М. Ф. Тюхтина.М.: Изд-во МГУ им. Н. Э. Баумана, 2002. с. 320. 128

39. Проектирования автоматизированное. Термины и определения.

40. Глориозов Е. Л., Ссорин В. Г., Сыпчук П. П. Введение

41. Борисов Ю. П. Математическое моделирование радиосистем. М.: Советское радио, 1976.

42. Автоматизация проектирования в радиоэлектронике и вычислительной технике. М.: МДПТП, 1981. с. 170.

43. Проектирование приемо- усилительных устройств с применением ЭВМ Л. И. Бурин, Л. Я. Мельников. В.

44. Топуриа, Б. П. Шелковников. М.: Радио и связь, 1981.-е. 176.

45. Норенков И. П., Маничев В. Б., Системы автоматизированного проектирования электронной и вычислительной аппаратуры.- М.: Высшая школа, 1983. с. 272.

46. Батиш;ев Д. И. Методы оптимального проектирования. М.: Радио и связь, 1984.-с. 248.

47. Норехков И. П. Введение

48. Порехков И. П. Введение

49. Системы автоматизированного проектирования в радиоэлектронике: Справочник Е. В. Авдеев, А. Т. Еремин, И. П. Норенков, М.И. Пееков; под ред. И. П. Норенкова. М.: Радио и связь, 1986. с. 368.

50. Потемкин И.С. Автоматизация проектирования функциональных схем. Библиотека по автоматике; Вып. 618, М.: Энергоиздат, 1981.-е. 88. 129

51. Разевиг В.Д. Применение программ P-CAD и PSpice для схемотехнического моделирования на ПЭВМ. Вып.1, 4. М.: Радио и связь, 1992.

52. Разевиг В.Д. Система печатных схемотехнического плат Design моделирования и проектирования Пресс, 1996 Center (PSpice) М.:СК

53. Разевиг В. Д., М.Блохнин. Система проектирования P-CAD 8.

54. Руководство пользователя М.: ДМК, ЗНАК, 1997.

55. Разевиг В.Д. Система проектирования печатных плат ACCEL EDA 12.1 (P-CAD для Windows), М.: СК Пресс, 1997

56. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования MICRO-CAP V,M.: СОЛОН, 1997.

57. Дьякнов В. П. Справочник по Math CAD PLUS 6.0 Р R.O. М.: СК Пресс, 1997.

58. Дьякнов В. П. Справочник по Math CAD PLUS 7.0 P. R.O. M.: CK Пресс, 1998.

59. Дьякнов В. П., Абраменнова И. В. Math cad 7 в математике, в физике и в Internet. М.: Нолидж, 1998.

60. Очков В. Ф. Math cad 7 для студентов и инженеров. М.: Компьютер Пресс, 1998.

61. Очков В. Ф. Math cad 7 для студентов и инженеров. М.: Компьютер Пресс, 1999.

62. Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesignLab 8.0." СОЛОН" Москва, 1999. с. 698.

63. Мартынов Н. Н., Иванов А. П. MATLAB 5.Х. Вычисление, Визуализация, Программирование. М.: Изд-во "КУ-ДИЦ-ОБРАЗ", 2000. 130

64. Дьякнов В. П. Компьютерная математика. Теория и практика. М.: Нол идж, 2001.

65. Дьякнов В. П. Math cad 2001: учебный курс. СПб.: Питер, 2001.

66. Кирьянов Д. Math CAD 2001. СПб.: БХВ Петербург, 2001.

67. Каганов В. И. Радиотехника компьютер Math cad. М.: Горячая линия Телеком, 2001. с. 416.

68. Разевиг В.Д. Система моделирования Micro-Cap 6. М.: Горячая линия Телеком, 2001.-е. 344.

69. Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и её применение. М.: СОЛОН р, 2001. с. 726.

70. Дьякнов В. П. Math cad 2001: специальный справочник. СПб.: Питер, 2002.-с. 832.

71. Мартынов Н. Н. Введение

72. Мартынов Н. Н. Программирования для Windows на С/С-Н-, том 1. М.: Изд-во БИНОМ, 2004.

73. Информатика: Базовый курс/ В. Симонович и др. СПб.: Питер, 2004.-с. 640.

74. Дьякнов В. П. Энциклопедия Math cad 2001 и Math cad 11. М.: СОЛОН Пресс. 2004. с. 832.

75. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Лабораторный практикум на базе Electronics Workbench и MATLAB. Издание 5 е. М: СОЛОН Пресс, 2004. с. 800.

76. Очков В. Ф. Math cad 12 для студентов и инженеров. СПб.: БХВ Петербург, 2005. с. 464. 131

77. Micro-Cap 8.0 Electronic Circuit Analysis Program Users Guide Copyright 1982-2005 by Spectrum Software 1021 South Wolfe Road Sunnyvale, CA 94086 Internet: www. spectrum-soft, com.

78. Бутыркии П. A., Васьковская Т. A., Каратаев В. В., Материкил В. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе Lab VIEW 7. Изд-во "ДМК", 2005. с. 264.

79. Батоврин В. К., Бессон А. Lab VIEW: Практикум по основам измерительных технологий. Учебное пособие для ВУЗОВ. Изд-во "ДМК", 2005.-с. 208.

80. Хайнеман Р. PSPICE. Моделирование работы электронных схем. Издво "ДМК", 2005. с. 336.

81. Суранов. А. Lab VIEW 7: Справочник по функциям. Изд-во "ДМК", 2005.-с. 512.

82. Джеффри Т. Lab VIEW для всех, с программой Lab VIEW 7 Express. Изд-во "ДМК", 2004. с. 544.

84. Элементарное введение.

86. Самоучитель. М.: Издательский дом Вильяме", 2006. с. 256.

87. Амелина М. А., Амелин А. Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap 8. М.: Горячая линия Телеком, 2007. с. 464.

88. Сазонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ: Учеб. для радиотехн. Спец. Вузов. М.: Высшая школа, 1988. с. 432.

89. Огути Т. Распространение и рассеяние электромагнитных волн в дожде и других гидрометеорах. ТР1ИЭР, 1983, т. 71, 9, с. 6-65. 132

90. Цейтлин Н. М. Применение методов радиоастрономии в антенной технике. М.: Сов. радио, 1979. с. 256.

91. Crane R. К. Prediction on attenuation by rain. IEEE Transaction on Communications, COM -28, N 9, September 1980.

92. Ippoliot L. J. Propagation effects hand book for satellite systems design. A summary of Propagation impairments on 10 to 100 GHZ satellite links with techniques for system design. -NASA Reference Publication 1082 (4), N89-17060, February 1990.

93. Паршуков B.A., Зражевский А.Ю., Новичихин Е.П. Алгоритм расчета траекторных параметров электромагнитных волн в сферическислоистой атмосфере. Радиотехника и электроника. 1994, т. 39, J 2 6, V с. 915-922.

94. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно- неоднородных средах. М., "Мир", 1981, ч. 2.

95. Крейнгель. Н. Шумовые параметры радиоприемных устройств. М.: Радио и связь, 1981- с. 168.

96. Бровченко СП., Хазза А.С. Шумовая математическая модель приемной системы спутникового телевизионного вещания Материалы Международной научной конференции «Информационные технологии в современном мире» часть 5 Таганрог: Изд-во. «Антон», ТРТУ, 2006г. с 10-17.

97. Белоусов А. П., Ю. А. Каменский. Коэффициент шума. М.: Радио и связь, 1981-с. 112.

98. Общесоюзные нормы на защитные отношения для систем вещательного телевидения: нормы 24-88: Утв. ГКРЧ СССР 30.12.88. -М.: ХОЗУМинсвязи СССР, 1988-с.20. 104. ГОСТ 23611-79 Совместимость радиоэлектронных средств электромагнитная. Термины и определения. 133

99. Палшков. В. В. Оптимальные высокочастотное тракты радиоприемников. -М.: Радио и связь, 1981 с. 144.

100. АлгазиновЭ. К., А. М. Бобрешов. Коэффициент шума приемника при наличии помех Радиотехника, 1980, Т 35, 2 6, с. 13-18. Г

101. Радиоприемные устройства под ред. А. П. Жуковского. М.: Высшая школа, 1989-с. 342.

102. Бровченко СП., Хазза А.С. Учет влияния шумовой температуры антенны на динамический диапазон по блокированию телевизионных приемников //Материалы Международной научной конференции.«Информационные технологии в современном мире» часть5 Таганрог: Изд-во. «Антон», ТРТУ, 2006г. с. 17-22.

103. Галустов Г. Г., Хазза А.С. Об улучшении предельной чувствительности телевизионных приемников при влиянии шумовой антенны Материалы Тринадцатой Конференции Конференция Всероссийской температуры Научной Научная Студентов-Физиков и молодых ученых. ВЬЖСФ-13, Ростов-на-Дону, Таганрог: Изд-во АСФ России, 20-26 апреля 2007 года. с. 578-579.

104. Хазза А. Моделирование в среде Lab View7 влияния атмосферы на распространение сигналов спутникового телевидения Материалы Международной научной конференции «Цифровые методы и технологии» (цмт-2005) часть 3 Таганрог: Изд-во «Антон», ТРТУ, 2005.-с. 75.

105. Галустов Г. Г., Бровченко СП., Хазза А.С, Кравец А.В. Особенности способов улучшения шумовых параметров сверхвысокочастотных супергетеродинных приемных устройств Материалы международной научной конференции "Проблемы развития естественных, технических 134

106. Хазза А.С. Исследование шумовой математической модели приемной системы спутникового телевизионного вещания Третья ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАИ: Материалы молодежной конференции (Ростовна-Дону, 5-24 апреля 2007 г.). Ростов н/Д: Изд-во ЮИЦ РАИ, 2007. с. 128-130.

107. Гасанов Л. Г., Липатов А. А. Марков В. В., Могильченко И.А. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. М.: Радио и связь, 1982.

108. Хазза А. Иостроение модели квадратурного фазового модулятора в среде Micro-Cap7 Материалы Международной научной конференции «Цифровые методы и технологии» (цмт-2005) часть 3 Таганрог: Изд-во «Антон», ТРТУ, 2005. с. 72-73.

109. Хазза А.С. Исследование телевизионных изображений на компьютерном мониторе Вторя ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАИ: Материалы молодежной конференции(Ростов-на- Дону, 5-26 апреля 2006 г.). Ростов н/Д: Изд-во ЮИЦ РАИ, 2006. с. 148.

110. Хазза А. Моделирование цифрового частотного детектора в среде Micro-Cap7 М.: Телекоммуникации, 9,2005. с. 25-27.

111. Хазза А. Оценка погрешности формирования модулированной несущей телевизионного сигнала в модели Micro-Cap7 Материалы Международной научной конференции «Цифровые методы и технологии» (цмт-2005) часть 3 Таганрог: Изд-во «Антон», ТРТУ, 2005.-с. 73-74.

112. Хазза А.С. Методы оценки искажений в тракте модулятор/демодулятор канала связи спутникового телевидения М.: Телекоммуникации, 10,2005. с. 21-22. 135

113. Хазза А.С. Исследование телевизионных изображений на компьютерном мониторе Вторя ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН: Материалы молодежной конференции (Ростов-на- Дону, 5-26 апреля 2006 г.). Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2006. с. 148.

114. Хазза А. Исследование влияния шумов на качество приема сигналов для цифровых систем Материалы форума 10-го Юбилейного и Международного Молодежного «Радиоэлектроника молодежь в XXI веке Харьков: Изд-во Харьковский национальный университет радиоэлектроники. 2006. с. 131. 136