автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Исследование методов и разработка устройств компенсации мешающих сигналов и нелинейных искажений в системах радиосвязи

МИНИСТЕРСТВО связи российской ФЕДЕРАЦИИ Московский ордена Трудового Красного измени 1ахничеоний университет связи и п; Зъсматики

Н.-1 правах рукописи У.!- 621.391 828

Крол Леонид Борис-лзи;

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ КОМПЕНСАЦИИ.МЕШАЮЩИХ СИГНАЛОВ И НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЯ В СИСТЕМАХ РАДИОСВЯЗИ

Специапь-.-'Сть 0=1, 12.17 -- радиоте.чниче чше и телевипионнис

системы и устройства

Автореферат диссертации тискание "ченой степени

кандидат 1 тонических наук

Москпа 1У92

№.. га Еыполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени тоническом университете связи :1 информатики на каФедре радиоприемных устройств и в Государственном орден; трудового Красного Отмени научно-исследовательском институт»,- :мди:.

Научннй руководитель: Заслукенный деятель, науки и техники Российской Федерации, доктор чл::н1! ческих наук, профессор НИ Чистяков

Официальные оппоненты, доктор технически;-: наук.

Ведущее предприятие указано в решении спецпали .прогапного лвета.

Зашита диссертации состоится " /У" ¿■•^^^-¿сХ '1092 г.

при уждению ученой степени кандидата технических наук. Мо кор ко-[0 ордена Трудового Красного Знамени технического -нинероптста е.-и информатики.

А:;рьс. Ю58ЬЬ ГСП. Москва. Авиамоторная 8а. КТ-СИ.

профессор Н.Т Петрович.

кандидат технических наук.

С.Н.С. М.А. БЫХОНСКИП

на заседании специализированного совета к ¿16 06 си по

дн'. „ортацией можно ознакомиться в ьибчнот ке МТУСИ.

А"тор£.-Ф1 рат разослан

'.) О 2 г

кандидат технич- г-.ук. доцент

специалн--:!!, ованного с-.-во-

/

/

/

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

L'SSt^aJ

Актуальность темы. Проблемы компенсации мешающих сигналов и нелинейных искажений являются актуальными и образуют одно из важных направлений совершенствования систем радиосвязи .

Поиски и исследования возможностей разделения нескольких радиосигналов, действующих в обшей полосе частот, способствуют. во-первых, созданию новых. отличающихся повышенной пропускной способностью систем передачи информации на базе уже существую них. во-вторых, разрешению все более обостряющейся проблемы электромагнитной совместимости радиосредств.

Широкое внимание специалистов привлекли предложенные Багда-ди в 1959 г. [1] методы разделения двух различающихся по уровню ЧМ сигналов с перекрывающимися спектрами: метод прямой связи через амплитудный ограничитель Г АО) и метод динамической резсекцин сильной ЧМ помехи. В дальнейшем предлагались различные усовершенствования этих методов, и рассматривались возможности использования их для разделения сигналов не только с частотной, но н с другими видами модуляции. Простейшим из предложенных в [1] является метод прямой связи через амплитудный ограничитель. Сущность его состоит в изменении отношения амплитуд сильного неш?ющего (КС) и слабого полезного (ПС) сигналов в АО и последующей компенсации помехи в результате взвешенного суммирования ограниченного и исходного колебаний. Компенсатор помех (КП) с АО или нелинейный компенсатор Багдади был взят за основу при построении, многих КП различного применения. Однако ряд вопросов, касающихся сущности метода, его взаимосвязи с другими способами компенсации. эффективности и перспективных областей применения, остался неизученным. Исследование этих вопросов имеет как теоретическое.

- «

так и практическое значение.

Компенсаторы (корректоры) нелинейных искажений (КИ) используются в передатчиках - для коррекции искажений, обусловленных нелинейностью их мощных выходных каскадов, и в приемниках ЧМ -для уменьшения нелинейных искажений модулирующего процесса, вызванных неравномерностью характеристик ГВЗ селективных цепей.' в первом случае КИ часто называют линеаризаторами, а во втором -Фазовыми корректорами.

Синтез характеристик КИ. обратных.соответствующим характеристикам корректируемого элемента, является весьма проблематичным. Это обусловлено тем. что такие характеристики несвойственны, традиционным устройствам техники связи. В результате, корректоры оказываются либо недостаточно точны, либо сложны и неуниверсальны. Е работе предлагается новый подход к решению проблемы компенсации нелинейных искажений, использование которого позволяет в значительной мере преодолеть указанные недостатки. Он базируется на том, что. если искажения малы, их можно удвоить с помощью устройства,- характеристики которого подобны корректируемым. Поело того, как относительный уровень продукта искажений изменен, этот продукт можно скомпенсировать. Здесь используется тот же принцип . компенсации, что и в упомянутом выше нелинейном компенсаторе Багдади. Основное отличие состоит в том. что в КП амплитудные соотнбшения между полезным и мешающим сигналами меняются в АО. а в КИ - в устройстве, искажающем входной процесс так же. как и корректируемое. Представляет интерес анализ предложенных способов компенсации нелинейных искажений, направленный на определение эффективности использования их для решения конкретных технических задач.

Цель и задачи работы. Целью диссертации является исследование известных и новых методов компенсации меиаю-

щих. сигналов и нелинейных искажений, а также' разработка простых и перспективных устройств, реализующих эти методы.

Основные задачи работы таковы:

1. Исследование метода нелинейной компенсации сильной помехи и выявление его взаимосвязи с методом динамической реяекции.

2. Оценка предельной эффективности простейших подавителей сильной помехи и анализ способов повышения их помехоустойчивости . /

3. Разработка нелинейных компёнсаторов и экспериментальное исследование возможностей выделения слабого узкополосного сигнала. действующего в полосе частот, занимаемой сильным широкополосным ЧМ сигналом,.

4. Теоретическое и экспериментальное исследование нового метода подавления перекрестных помех, обусловленных амплитудной нелинейностью радиотракта. • разработка •линеаризатора передающих устройств спутниковых и радиорелейных линий связи.

5. Анализ новых способов компенсации нелинейных искажений модулирующего сообщения, возникающих в системах с аналоговой ур-, ловой модуляцией (УМ) из-за неравномерности частотных характерна стик радиотракта.

Методы исследования. При решении поставленных задач использован аппарат математического анализ'а, теории зероятностей и случайных процессов, вычислительной математики и программирования, методы теории радиотехнических цепей и сигналов и статистической радиотехники.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. В самом общем виде рассмотрен метод нелинейной компенсации сильного мешающего сигнала с постоянной амплитудой.

2. Определена взаимосвязь предложенных Багдади методов нелинейной компенсации и динамической режекции сильной помехи.

3. Разработана методика оценки мешающего действия комбинационной компоненты, образующейся в простейших КП при выделении слабого ЧМ сигнала из его смеси с сильной ЧМ помехой.

4. Проанализированы итерационный и предложенный в 12] более простой способы повышения точности выделения слабого узкополосного ПС. обеспечиваемой при использовании простейших компенсаторов.

5. Исследован новый метод компенсации нелинейных искажений применительно к подавлению перекрестных помех, обусловленных амплитудной нелинейностью радиотракта.

6. Исследованы новые способы компенсации нелинейных искажений модулирующего сообщения, обусловленных неравномерностью частотных характеристик радиотракта в системах с аналоговой УМ, и. в частности. искажений, возникающих в полосовом Фильтре приемника ЧМ.

Основные положения, взносимые на защиту:

1. Результаты анализа метода нелинейной компенсации сильного мешающего сигнала с постоянной амплитудой; рекомендации по выбору схемы нелинейного КП. обеспечивающей на выходе максимальное превышение полезных сигналов над остатком мешающего.

2. Выводы о взаимосвязи предложенных Багдади методов нелинейной компенсации и динамической резекции сильной помехи и. как следствие, об эквивалентности нелинейного КП с добавлением АРУ,, простейшего следящего КП и его модификации включающей амплитудный детектор (АД).

3. Методика оценки мешающего действия комбинационной компо ненты. образующейся в простейших КП. при выделении слабого ЧМ сигнала из его смеси с сильной ЧМ помехой: определенные с по-

мощью этой методики условия на входе компенсатора, при которых комбинационную помеху на его выходе можно считать допустимой.

4. Вывод о том. что итерационный и предложенный в (2) более простой способы повышения помехоустойчивости простейших КП в идеале позволяют примерно вдвое увеличить отношение сигнал/помеха (в дБ) на входе демодулятора ПС.

5. Результаты экспериментов по выделению слабого узкополосного сигнала, действующего в общей полосе частот с сильным широкополосным чм сигналом: рекомендации по передаче Фаэоманипулиро-ванных (ФМн) и ЧМ сигналов телефонии и данных в радиорелейных и спутниковых стволах, загруженных ЧМ сигналами ТВ вещания.

6. Результаты теоретических и экспериментальных исследований нового метода компенсации нелинейных искажений в применении к задаче подавления перекрестных помех. обусловленных амплитудной нелинейностью радиотракта; вывод о том. что эффективная коррекция интермодуляционных искажений возможна на передающей стороне и невозможна на приемной из-за действия теплового шума.

7. Результаты анализа новых способов компенсации нелинейных искажений Фазы УМ сигнала.

8. Технические решения по разработке отдельных блоков компенсаторов.

Практическая ценность ра-боты. Результаты выполненных в диссертации теоретических и экспериментальных исследований позволяют обоснованно выбрать параметры компенсаторов и оценить возможный вцигрыи от их применения в той или иной практической ситуации. Разработана методика оценки мешающего действия комбинационной компоненты, ограничивающего помехоустойчивость простейпих КП; экспериментально доказана возможность эффективного выделения с помощью нелинейного и

- о -

следящего компенсаторов слабых узкополосных сигналов, действующих в общей полосе частот с сильным широкополосным ЧМ сигналом; даны рекомендации по передаче ФЫн и ЧМ сигналов телефонии и данных в радиорелейных и спутниковых стволах, загруженных ЧМ сигналами ТВ вещания; показана перспективность применения предложенного метода компенсации нелинейных искажений для предыскакающей линеаризации передатчиков; даны рекомендации П9 построению К.П и КИ; разработаны и успешно испытаны три различных макета нелинейного компенсатора сильной радиопомехи с постоянной амплитудой, предназначенных для работы в тракте ПЧ 70£20 МГц, и линеаризатор передающих, устройств спутниковых и радиорелейных линий связи "Линтра-ПЧ". отличающийся высокой эффективностью, простотой настройки. малыми размерами, весом, потреблением и себестоимостью.

Личноеучастие. Все основные результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично.

Реализация результатов ра.боты. Полученные в диссертации результаты, касающиеся выделения слабых сигналов, перекрывающихся по спектру с сильным УМ сигналом, были использованы в технических предложениях по теме "Экран-Связь": практические рекомендации по повышению помехоустойчивости приема . телефонии и данных, передаваемых в загруженном спутниковом ЧМ ТВ стволе, реализованы в приемном оборудовании станции "Визит". Разработка устройства "Линтра-ПЧ" велась по договору с ПО "Космическая связь"; образцы линеаризатора прошли успешные испытания и внедрены на объектах заказчика. Факты использования результатов работы подтверждаются соответствующими документами.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на XXIII и XXIV научно-технических

конференциях молодых ученых и специалистов НШР в 1987 и 1988 г. г.. научном симпозиуме по теме N 2 ("Исследование оптимальных методов обработки и передачи сигналов, а также новых оптимальных методов многостанционного доступа в системах спутниковой связи") программы "Интеркосмос" по космической связи в г. Будапеште в 1988 г.. XIV Московской городской .научно-технической конференции, посвященной Дню радио, в 1983 г.. Международном симпозиуме "Спутниковая связь: реальность и перспективы" в г. Одессе в 1990 г. .

Публикации. По материалам диссертации опубликованы две статьи ¡3.4). два доклада 15.6), тезисы четырех докладов 17-10), получено одно авторское свидетельство 12].

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений и списка литературы. Работа изложена на 161 странице машинописного текста. включая 132 страницы основного текста, 17 страниц приложений и 12 страниц списка литературы иэ 122 наименований, содержит 54 рисунка и 4 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, указаны цель и задачи диссертации, приведены основные положения, выносимые на защиту. Изложены сведения о научной новизне, практической ценности, внедрении полученных результатов, апробации и степени опубликования основных положений диссертации, а также об обьеме и структуре работы.

В первой главе проЕеден обзор методов компенс?.-цин мешающих сигналов и нелинейных искажений в системах радио-

г го

связи, и определены основные задачи диссертационных исследований.

Значительное внимание уделено рассмотрению предложенных Багдади в 1959 г. (1] базовых методов выделения слабого ЧМ сигнала из его смеси с сильной ЧМ помехой, а также анализу работ, в которых эти методы получили дальнейшее развитие. Метод прямой связи через амплитуднный ограничитель или метод нелинейной компенсации реализуется параллельным включением линейного элемента и АО с последующим Формированием разности их откликов. В АО меняется отношение амплитуд ПС и МС. благодаря чему становится возможной полная компенсация в вычитателе сильного сигнала при неполном подавлении слабого. Метод динамической режекции сильной ЧМ помехи состоит в Формировании ее копии (или копии модулирующего процесса) и использовании этой копии для управления подавляющим помеху перестраиваемым узкополосным режекторным Фильтром (РФ) или эквивалентным ему следящим режекторным Фильтром (СРФ). СРФ реализуется с помощью двух смесителей и включенного между ними неперестраиваемого узкополосного РФ, копия сильной помехи Формируется с помощью частотного детектора, управляющего частот-номодулируемым генератором, или без демодуляции входной смеси посредством преобразования ее в каком-либо подавителе слабого сигнала (ПСС) и смещения ее средней частоты с помощью опорного генератора и смесителя.

Во второй главе, теоретически исследованы вопросы. касающиеся выделения на основе методов, предложенных Багдади. слабых сигналов, перекрывающихся по спектру с сильным УМ' сигналом.

Исследован метод нелинейной компенсации. Показано, что устройство. Формирующее взвешенную сумму откликов нескольких произвольных нелинейных элементов, является наиболее общей моделью нелинейного компенсатора сильного мешающего сигнала'с постоянной

амплитудой. В случае идеальной компенсации (т. е. в случае полного подавления МС) на выходе такого устройства вне зависимости от его структуры и параметров действуют пропорциональные входным полезные сигналы и тепловой шум. а вместо сильной помехи - мешавшие комбинационные компоненты, мощность каждой из которых равна мощности породившего ее ПС. и шумовая комбинационная компонента, мощность которой равна мощности шума. Какдая из комбинационных составляющих

с a)=/k¿) {¿ rs(£)-r&)}, ш

где Afí) и - амплитуда и Фаза породившего ее ПС или теп

лового шума на выходе КП.

a ~ Фаза сильной помехи на входе.

Комбинационные помехи ограничивают эффективность метода нелинейной компенсации. Возрастание относительного уровня шума в полосе каждого из ПС. обусловленное образованием в нелинейном К.П шумовой комбинационной составляющей, не превышает 3 дБ.

В реальных условиях нелинейный компенсатор не может обеспечить полное подавление сильного мешающего сигнала. и остаток последнего действует на выходе помимо указанных выше комбинационных продуктов. Анализ основных причин неидеальности компенсации показал. что в большинстве случаев использование в известном нелинейном КП Багдади экспандера (углубляющего АМ входного процесса) вместо линейного элемента и (или) переограничителя вместо ограничителя приводит к уменьшению остатка МС относительно полезных сигналов. Причем это уменьшение тем значительнее. чем круче характеристики экспандера и переограничителя.

Исследованы вопросы взаимосвязи предложенных Багдади методов одиоканалыгой компенсации сильного МС. Показано. что нелинейный КП с добавлением АРУ. простейший следящий (включающий СРФ) компенсатор с АО в качестве ПСС и его модификация, продета-

вляющая собой балансный модулятор, на один вход которого подается ограниченное по амплитуде входное колебание, а на другой -переменная составляющая огибающей этого колебания, обладают одинаковой помехоустойчивостью, сопоставимы по сложности и могут быть применены для подавления сильной помехи с медленно Флуктуирующей амплитудой.

Качество выделения слабого сигнала с помощью упомянутых простейших (нелинейных и следящих) КП в лучшем случае ограничено мешающим действием равной ему по мощности и превышающей по полосе комбинационной компоненты (1). На основе разработанной C.B. Бородичем методики анализа помех в системах радиосвязи с 4M получены выражения, позволяющие приближенно оценить это мешающее действие в случае частотной модуляции ПС и МС нормальными стационарными случайными процессами. Указанные выражения описывают энергетический спектр комбинационной составляющей. отношение сигнал/(комбинационная помеха) на.дходе частотного детектора и спектральную плотность мощности вызванной этой помехой Фазовой ошибки. Разработана компьютерная модель Формирования Фазовой ошибки, с помощью которой можно более точно оценить мешающее действие продукта (1) при произвольной аналоговой УМ полезного и. мешающего сигналов.

По полученным Формулам на ЭВМ рассчитаны зависимости доде-текторного отношения сигнал/(комбинационная помеха) и - при частотной модуляции ПС и МС многоканальной телефонией - отношения сигнал/помеха в верхнем телефонном канале от относительного разноса средних частот полезного и мешающего сигналов для различных сочетания параметров этих сигналов. Но этим зависимостям мешаю-

I

щее действие комбинационной составляющей можно ориентировочно оценить, если учесть, что в большинстве радиосистем с 4M номи-

i' I

нальное додетекторное отношение сигнал/шум составляет примерно

10... .15 дБ. а ■ отношение сигн?.л/помеха в 'телефонном канале -50 дБ. Полученные результаты позволили сделать некоторые общие заключения об условиях на входе компенсатора, при которых комбинационную помеху на его выходе можно считать допустимой.

Проанализированы итерационный и предложенный в [2) более простой способы повышения точности -выделения слабого узкополосного сигнала, обеспечиваемой рассматриваемыми простейшими компенсаторами. Использование итерационного -принципа предполагает выделение ПС с помощью первого КП и' следующего за ним полосового Фильтра. Формирование копии помехи, действующей на выходе этого Фильтра, посредством вычитания отклика Фильтра из входного процесса и преобразования полученной смеси во втором КП, идентичном первому, и. наконец, компенсацию помехи в выходном сумматора. В (2) узкополосный ПС на выходе КП предлагается .подавить в полосовом режекторном Фильтре, а незначительно искаженную в этом Фильтре широкополосную помеху (1) преобразовать в полезный сигнал в смесителе, на опорный вход которого через удвоитель частоты поступает отклик АО, входящего в состав КП. Показано, что в .идеале оба способа позволяют примерно вдвое увеличить отношение сигнал/ помеха (в дБ) на входе демодулятора ПС.

В третьей главе исследована эффективность использования нового метода линеаризации для подавления перекрестных помех. обусловленных амплитудной нелинейностью радиотракта.

Один из двух параллельных каналов устройства, реализующего предложенный метод, включает элемент, нелинейность которого подобна корректируемой. Амплитудная и Фаэо-анплитудная характеристики компенсатора, обратные соответствующим характеристикам корректируемого тракта. Формируются за счет вычитания сигнала с выхода нелинейного канала из превыаавщего его сигнала с выхода

220

линейного канала.

Амплитудную характеристику корректируемого устройства можно га персом приближении аппроксимировать кубичной зависимостью. Удобная для анализа модель такого устройства состоит из последовательно включенных безынерционного нелинейного элемента (НЭ) с характеристикой мгновенных значений

у,(х) = Х-Ххг (¿>0)

и идеального Фильтра нижних частот, отсекающего продукты нелинейности. лежащие в области высших нечетных гармоник узкополосного входного воздействия. Модель рассматриваемого линеаризатора отличается только тем. что характеристика безынерционного НЭ имеет вид:

Описанные модели использованы для анализа предыскажающей линеаризации передатчика и компенсации нелинейности передатчика в приемнике, имеющего целью выяснение возможностей подавления перекрестных помех в системах с частотным разделением каналов (ЧРК).

Отклик передатчика с предыскажающим корректором на двухеиг-нальное воздействие исследован с помощью ЭВМ. Получены зависимости относительных уровней интерм'одуляционных компонент третьего и пятого порядков от коэффициента ^-^/чС и от относительной входной мощности ^ (уровни интермодуляционных продуктов высших порядков пренебрежимо малы). Эти зависимости позволили детально описать механизм подавления перекрестных помех. Установлено, что любому исходному уровню интермодуляции на выходе передатчика соответствует обеспечивающая максимальное ее подавление оптимальная нелинейность корректора (оптимальный коэффициент )■ Построены зависимости выигрыша, обеспечиваемого линеаризатором с квазиобратной ( ) и оптимальной

( ^ = ) характеристиками, от исходного относительного уровня интермодуляции третьего порядка.

Анализ компенсации нелинейности передатчика на приемной стороне выполнен при имитации многосигнального входного воздействия и теплового шума приемника нормальными стационарными случайными процессами. С учетом известных соотношений, связывающих многомерные моменты нормального стационарного процесса с произведениями значений его корреляционной Функции, получено выражение для огибающей корреляционной Функции колебания на выходе рассматриваемого радиотракта (выходе линеаризатора). При равномерном (в пределах полосы ствола) энергетическом спектре входного воздействия на основе этого выражения определено отношение сигнал/помеха £ в худшем канале системы с ЧРК (на средней частоте ствола). Указанное отношение исследовано с помощью ЭВМ. результаты отображены графически. Даны зависимости £(при отсутствии теплового шума для случаев, когда коррекция не осуществляется ( О ) , и когда применяется оптимальная коррекция ( : зависимость ^о(^) приведена). Они характеризуют возможности подавления перекрестных помех при включении линеаризатора как. на выходе, так и на входе корректируемого устройства. Представлены такяе зависимости выходного отношения сигнал/помеха £ от уровня шума в системе у при отсутствии коррекции ( П = 0 ) и при

#

оптимальной коррекции ( ). Входная мощность (загрузка пе-

редатчика) ^ в обоих случаях оптимальна ( ^о и т-

е. обеспечивает наилучшие условия приема. Приведены зависимости

¿о ■ $ и £ °т У ■

Проведенные исследования показали, что предложенный метод линеаризации может быть использован в системах с ЧРК для подавления перекрестных помех, обусловленных амплитудной нелинейностью радиотракта. Существенное подавление обеспечивает пре-

2. го

дыскажакяцая коррекция нелинейности передатчика: приближенно можно считать. что с уменьшением исходного относительного уровня перекрестных помех от -23 дБ при двухси^нальном воздействии и от -13 дБ в худшем канале системы с ЧРК в многосигнальном режиме выигрыш, обеспечиваемый компенсатором, возрастает от нуля со скоростью, превышающей дБ/дБ. Эффективно скорректировать нелинейность передатчика на приемной стороне невозможно из-за действия теплового шума: заметный выигрыш (более 1 дБ) можно получить лишь при очень высоких (превышающих 18 дБ) исходных отношениях сигнал/помеха, не характерных для действующих радиосистем .

Четвертая глава посвящена анализу нового метода компенсации нелинейных искажений Фазы УМ сигнала, в частности. искажений модулирующего сообщения, возникающих в полосовом Фильтра приемника ЧМ.

Устройства, реализующие предложенный метод, представлены в наиболее общем виде. Входной УМ сигнал поступает в два параллельных канала на линейный элемент и линию задержки (ЛЗ), предназначенную для выравнивания запаздывания в каналах. Линейный элемент имеет операторный коэффициент передачи, пропорциональный коэффициенту передачи корректируемого тракта или одного из одинаковых каскадно соединенных звеньев его эквивалентной схемы. Благодаря этому линейный элемент вносит в Фазу УМ сигнала искажения, подобные корректируемым, т. е. играет ту же роль, что и нелинейный элемент в КИ. исследованном в третьей глава. Для • компенсации искажений необходимо Формирование линейной комбинации Фаз (или частот) колебаний, действующих на выходе линейного элемента и ЛЗ. Такое Формирование осуществляется либо без предварительной демодуляции с помощью умножителей (делителей) частоты и смесителя, либо с помощью последетекторного взвешенного

суммирования. Описаны варианты реализации рассматриваемых устройств применительно в задаче коррекции нелинейных искажений модулирующего процесса, возникающих в полосовом Фильтре (Фильтре сосредоточенной селекции) приемника ЧМ. В качестве линейного элемента, входящего в состав КИ. используется либо полосовой Фильтр, идентичный корректируемому, либо, если последний состоит из нескольких одинаковых звеньев - одно такое звено.

Отмечено. что предложенные устройства имеют три основных преимущества по сравнению с обычными линейными Фазовыми корректорами. Первые два преимущества - это более высокая точность компенсации при малых уровнях корректируемых искажений и универсальность. Третье преимущество состоит в том, что в отличие от линейных КИ рассматриваемые устройства уменьшают искажения Фазы, которые обусловлены не только нелинейностью ФЧХ. но и неравномерностью АЧХ радиотрактз (в частности, искажения, связанные с ограниченностью полосы пропускания). Показано, что для компенсации искажений, вызванных неравномерностью АЧХ, между корректором и корректируемым элементом должен быть включен амплитудный ограничитель.

Анализ эффективности компенсации выполнен на основе оригинального метода, предложенного В.М. Дорофеевым. Отклик ли_ нейного радиотракта на ЧМ сигнал

х(*)=схя,{ (2)

представлен в виде интеграла Двамеля, а импульсная реакция тракта определена обратным преобразованием Фурье комплексного коэффициента передачи. ФЧХ Фн разложена в ряд Тейлора относительно мгновенной частоты <*)/ч входного воздействия (2) (АЧХ тракта - прямоугольная). С использованием первых двух членов этого ряда (кваэистационарное решение предполагает учет только первого члена) получено вырааение для импульсной реакции, а за-

тем — при условии, что искажения ЧМ сигнала, обусловленные ограниченностью полосы пропускания, пренебрежимо малы - для выходного колебания:

^{¿+<Р'(ь}м)}+<Р(со,Ъ-ф'(сом)сом]. (3)

Эффективность компенсации оценена для случая. когда искажения ЧМ обусловлены кубичной нелинейностью ФЧХ радиотракта. На основе (3) при гармонической модуляции получены выражения дл." мгновенных частот на выходе тракта без коррекции и тракта, скорректированного предложенным методом. В результате установлено. что этот метод позволяет значительно снизить относительный уровень продуктов нелинейности: с уменьшением исходного коэффициента гармоник в законе изменения частоты от -30 дБ выигрыш. обеспечиваемый компенсатором, возрастает от 10 дБ со скоростью дБ/дБ.

В пятой главе рассмотрены вопросы практической реализации компенсаторов, описаны принципы их построения и результаты испытаний., приведены и проанализированы результаты экспериментальных исследований.

Разработаны и испытаны три различных макета нелинейного компенсатора сильной радиопомехи с постоянной амплитудой. Каждое устройство размещается на плате размерами 150x190 мм и предназначено для работы в тракте ПЧ 70±20 МГц. Приведены и описаны принципиальные схемы компенсаторов. В качестве нелинейных элементов в них используются дифференциальные усилители на микросхемах К175УВ4 и жесткий ограничитель, выполненный на двух цифровых микросхемах К500ЛП116. Несмотря на существенные схемотехнические различия зависимость глубины режекции МС от частоты оказалась практически одинаковой для всех трех КП. а полоса эффективного подавления помехи - довольно узкой (1.5 МГц по уровню 30 дБ), хотя при проектировании первых двух устройств основное вни-

мание было уделено обеспечению максимальной идентичности частотных характеристик их параллельных каналов. Сделано предположение. что единственная возможность значительного расширения указанной полосы связана с использованием интегральной технологии.

Экспериментально исследована одна из перспективных областей применения простейших (нелинейных, и следящих) КП - выделение слабых узкополосных сигналов, действующих в общей полосе частот с сильным широкополосным 4M сигналом. Эксперименты проводились с использованием одного из упомянутых выше макетов нелинейного компенсатора и . макета следящего компенсатора (с АО в качестве ПСС). разработанного H.H. Виноградовым. На вход КП подавались сильный MC. слабый,ПС и тепловой шум. действующие в пределах полосы ПЧ 70i20 МГц. В качестве MC использовались немодулированная несущая и широкополосные сигналы, модулированные по частоте синусоидальным колебанием и телевизионным испытательным сигналом вертикальных цветных полос, а в качестве ПС - гармонический сигнал и узкополосный сигнал с бинарной относительной Фазовой манипуляцией псевдослучайной импульсной последовательностью. Структура процесса, действующего на выходе КП. изучалась с помощью анализатора спектра. Кроме того, эффективность компенсации оценивалась измерением вероятности ошибки при приеме (с компенсатором и без него) слабого ФМн сигнала в присутствии сильной ЧЫ помехи. Выполненные экспериментальные исследования подтвердили многие теоретические положения диссертации и показали возможность эффективного выделения с помощью простейших КП слабых узкополосных сигналов, действующих в пределах полосы частот, занимаемой сильным широкополосным 4M сигналом. Отмечено. что результаты экспериментов могут оказаться полезными при определении конкретных областей применения компенсаторов. На основе этих результатов сделаны некоторые практические заключения. В част-

220

ности. указано на перспективность передачи ФМн и ЧМ сигналов телефонии и данных в радиорелейных стволах, загруженных ЧМ сигналами ТВ вещания. с разделением принимаемой информации исследованными компенсационными методами. Отмечено, что в спутниковых стволах ТВ вещания дополнительные сигналы целесообразно передавать на краях рабочей полосы частот и принимать без использования КП. На приемной стороне перед отделением этих сигналов от телевизионного жестко ограниченную в ретрансляторе сигнальную смесь следует еще раз пропустить через амплитудный ограничитель, что обеспечит уменьшение (более, чем на 3 дБ) теплового шума в полосе каждого из дополнительных сигналов.

Проведена экспериментальная проверка исследованного в третьей главе метода компенсации нелинейных искажений, которая подтвердила его эффективность. В ходе экспериментов в качестве корректируемого нелинейного элемента и подобного ему элемента, входящего в состав предыскажающего корректора, использовались пары одинаковых усилителей нескольких типов с различными характеристиками нелинейности. Во всех случаях измеренные методом двух частот интермодуляционные компоненты были подавлены более, чеМ на б дБ при исходных относительных уровнях этих компонент не превышающих -30 дБ.

На основе теоретически и экспериментально исследованного метода коррекции нелинейных искажений разработан линеаризатор передающих устройств спутниковых и радиорелейных линий связи "Линтра-ПЧ", отличающийся высокой эффективностью. простотой настройки, малыми размерами, весом, потреблением и себестоимостью. Он включается в тракт ПЧ (7 ¿18 МГц) передатчика, имеет потребление 1 Вт и размеры 120x150x230 мм. Приведена и описана принципиальная схема линеаризатора. Нелинейный канал устройства реализован в виде дифференциального усилителя с несимметричными

входом и выходом на микросхеме К175УВ4. Обоснован выбранный способ настройки компенсатора с помощью связанных входного и выходного аттенюаторов. Этот способ позволяет управлять нелинейностью КИ. не меняя его коэффициент передачи.

Проведены испытания корректора "Лннтра-ПЧ". в ходе которых он использовался для линеаризации различных нелинейных устройств. Во всех случаях отмечена его высокая эффективность. Наибольший выигрыш зафиксирован при линеаризации дифференциального усилителя, идентичного тому. который входит в состав КИ в качестве нелинейного элемента. Соответствующие экспериментальные результаты (относительные уровни продуктов нелинейности на выходе усилителя с корректором и без него при бигармоническом входном воздействии) хорошо согласуются с полученными в третьей главе теоретическими результатами. Линеаризатор "Линтра-ПЧ" прошел успешные испытания в составе передающих комплексов спутниковых систем связи "Градиент" и "Геликон". Измеренный двухчастотным методом относительный уровень интермодуляцнонных компонент на выходе передатчика "Градиент" был уменьшен от -26 дБ до -33 дБ и от -30 дБ до -40 дБ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В самом общем виде рассмотрен метод нелинейной компенсации сильного мс с постоянной амплитудой. Определен выходной процесс. не зависящий в случае полного подавления помехи от структуры и параметров схемы нелинейного КП и характеризующий предельную эффективность метода. Для случаев неидеальной компенсации дана рекомендации по выбору схемы, обеспечивающей на выходе максимальное превышение полезных сигналов над остатком мешающего.

2. Нелинейный КП с добавлением АРУ. простейший следящий

компенсатор и его модификация, включающая АД. обладают одинаковой помехоустойчивостью, сопоставимы по сложности и могут быть применены для подавления сильной помехи с медленно Флуктуирующей амплитудой. Качество выделения слабого сигнала с помощью упомянутых простейших КП в'лучшем случае ограничено мешающим действием равной ему по мощности и превышающей по полосе комбинационной компоненты. Разработана методика оценки этого мешающего действия при аналоговой угловой модуляции полезного и мешающего сигналов.

3. экспериментально исследована одна из перспективных областей применения простейших КП - выделение" слабых узкополосных сигналов. действующих в общей полосе частот с сильным широкополосным ЧМ сигналом. Результаты экспериментов показывают возможность такого выделения с помощью нелинейного и следящего компенсаторов и могут оказаться полезными при определении конкретных областей применения последних. На основе этих результатов даны рекомендации по передаче ФМн и ЧМ сигналов телефонии и данных в радиорелейных и спутниковых стволах, загруженных ЧМ сигналами ТВ вещания.

4. Точность выделения слабого узкополосного сигнала, обеспечиваемую при использовании простейших КП. можно существенно повысить итерационным или предложенным в [2] более простым способом. В идеале оба способа позволяют примерно вдвое увеличить отношение сигнал/помеха (в дБ) на входе демодулятора ПС.

5. Эффективная коррекция интермодуляционных искажений исследованным в работе методом возможна на передающей стороне ' и невозможна на приемной из-за действия теплового шума. На основа этого метода разработан линеариэатор передающих устройств спутниковых и радиорелейных линий связи "Линтра-ПЧ". отличающийся высокой эффективностью, простотой настройки, малыми размерами, весом, потреблением и себестоимостью.

б. В отличие от обычных линейных Фазойых корректоров рассмотренные в работе устройства уменьшают искажения Фазы, которые обусловлены не только нелинейностью ФЧХ, но и 'неравномерностью АЧХ радиотракта. Для компенсации искажений. ' вызванных неравномерностью АЧХ. между корректором и корректируемым элементом должен быть включен амплитудный ограничитель. Эффективность предложенных устройств оценена для случая, когда искажения 411 обусловлены кубичной нелинейностью ФЧХ радиотракта: с уменьшением исходного коэффициента гармоник в законе изменения частоты от -30 дБ выигрыш.: обеспечиваемый этими устройствами, возрастает от 10 дБ со скоростью дБ/дБ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Baghdady E.J. New developments in FM reception and their application to the realization of a system of "power-division" multiplexing // IRE Trans. Commun. - 1959.

V. 7. - September. - P. 147 - 161.

2. A.c. 1548850 СССР. Одноканальный компенсатор помех / ДороФеев В.Ы.. Виноградов H.H.. Крол Л.Б. - опубл. в Б.И... 1990, N9.

3. Крол Л.Б. Одноканальная нелинейная компенсация помех // Труды НИИР. - 1989. - N 2.

4. ДороФеев В.Н.. Виноградов H.H.. Крол Л.Б.. Ыиропников Е.А.. Урусбиев В.И. Эксперименты по выделению слабого узкополосного сигнала, действующего в общей полосе частот с сильным широкополосным 4M сигналом // Труды НИИР. - 1991. - N 1.

5. Виноградов H.H.. Крол Л.Б. Теоретическое и экспериментальное исследование одноканального компенсационного приемника // Сборник докладов научного симпозиума по теме N 2 программы 2го

"Интеркосмос". - Будапешт, 1988.

6. Дорофеев В.И., Виноградов H.H.. Крол Л.Б. Теоретическое и экспериментальное исследование нового метода подавления йнтер-модуляционных помех, обусловленных амплитудной нелинейностью радиотракта // Труды Международного симпозиума "Спутниковая связь: реальность и перспективы". - Одесса. 1990.

7. Крол Л.Б. Анализ одноканального компенсатора помех с амплитудным ограничителем // Тез. докл. XXIII конференции молодых ученых и специалистов НИИР. - М.: НИИР. 1937.

8. Крол Л.Б., Урусбиев В.И., Виноградов. H.H. . Мирошников Е.А. Экспериментальные исследования нелинейного компенсатора помех // Тез. докл. XXIV конференции молодых ученых и специалистов НИИР. - М.: НИИР. 1988.

9. Крол Л.Б.. Виноградов H.H.. Мирошников Е.А. Экспериментальные исследования следящего компенсатора помех // Тез. докл. XXIV конференции молодых ученых и специалистов НИИР. - М. .- НИИР. 1988.

10. Виноградов H.H.. Крол Л.Б. Теоретическое и экспериментальное исследование одноканального компенсационного приемника // Тез. докл. XIV Московской городской научн.-техн. конференции. посвященной Дню радио. - Ы.. 1'988.

Подписано в печать 20.С4.92 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Объем 1,2 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ 220._ Бесплатно.

ООП МП "11н|срмсвяэьиздат". Москва, ул. Авиамоторная, 8.