автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Система обработки многолучевых сигналов в комплексах связи

т® Ой

' - -л

2 Л -

На правах рукописи

САМОЙЛОВ АЛЕКСАНДР ГЕОРГИЕВИЧ

СИСТЕМА ОБРАБОТКИ МНОГОЛУЧЕВЫХ СИГНАЛОВ В КОМПЛЕКСАХ СВЯЗИ

05.12.13 - системы и устройства радиотехники и связи

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1998

Работа выполнена во Владимирском государственном университете.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Г.А. АНДРЕЕВ

- доктор технических наук, профессор

М.Д. ВЕНЕДИКТОВ

- доктор технических наук, профессор

A.B. РЫЖКОВ

Ведущая организация: Московский научно-исследовательский

радиотехнический институт

Защита состоится .в / ^ часов на

заседании диссертационного совета Д.072.05.03 при Московском государственном техническом университете гражданской авиации по адресу: 125838, г. Москва, Кронштадтский бульвар, д. 20

■г/.

'V 4 . -г

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 'у/*^' ^¿^g^/uX- 199g Г-

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент А.С. ПОПОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одной из главных проблем развития систем дальней радиосвязи является повышение эффективности управления их сигналами. Особенно остро это проявляется в условиях многолучевых каналов передачи и обработки информации, когда параметры сигналов подвержены случайным, а часто и нестационарным флуктуациям. Большая роль систем с многолучевостью, применяемых в дальней радиосвязи, в радиолокации и навигации, в медицинской диагностике, в телеметрии и т.д., а также масштабы их практического применения, переводят эту проблему в разряд важнейших задач науки и техники.

Разработка алгоритмов обработки сигналов, эффективно использующих возможности многолучевых каналов, в явной форме способствует росту эффективности нужных хозяйству страны систем и вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в области радиосвязи. Бурный рост темпов развития средств мобильной радиосвязи, наблюдаемый сейчас в стране, и большие масштабы применения других систем с многолучевостью определяют значительный экономический выигрыш при внедрении новых алгоритмов обработки сигналов.

Отметим тот большой вклад в исследование многолучевых каналов и в разработку алгоритмов обработки сигналов в комплексах управления и связи, который внесли отечественные ученые Б.А. Введенский, Д.Д. Кловский, Ю.Г. Сосулин, В.В. Шахгильдян и многие другие.

Опыт использования систем дальней тропосферной связи (ДТС) показал, что единый подход при управлении сигналами, прошедшими многолучевые каналы, отсутствует, а конкретные алгоритмы работы систем, позволяющие успешно выполнять частные задачи, далеки от совершенства. На примере практического использования систем ближней навигации и систем посадки самолетов подтвердим эту мысль.

Эксплуатация систем посадки самолетов в аэропортах с различными географическими и рельефными условиями показала отрицательное влияние многолучевых сигналов на качество работы систем навигации и посадки. Источниками многолучевости, возникающей за счет многочисленных переотражений сигналов, выступают аэродромные сооружения, транспортные наземные и воздушные средства, неровности поверхности земли и различные хозяйственные объекты.

Полное устранение источников переизлучений - практически не реализуемая задача, а радикально избавиться от переотражений сигналов аппара -турными средствами путем освоения гигагерцового диапазона рабочих час-

тот и использования пространственной селекции сигналов за счет применения узконаправленных антенн и выбора места расположения радиомаяков не удается. Наличие переотраженных от местных предметов сигналов приводит к зависимости сигналов управления и эксплуатационных параметров систем навигации и посадки самолетов от климата, влажности, характеристик подстилающей поверхности, температуры и других случайных показателей.

Необходимое хозяйству страны повышение интенсивности использования аэродромов вступает в противоречие с явлением многолучевости сигналов. Возникает актуальная народнохозяйственная н научная проблема обеспечения высокого качества функционирования систем управления в условиях многолучевых каналов.

Проблема универсальна для большинства систем, так как задачи управления сигналами в системах дальней тропосферной радиосвязи, в телеметрии, в медицинском диагностическом оборудовании, в радионавигации и в целом ряде других сложных систем основаны на близких друг к другу алгоритмах.

Особенно остро она проявляется в комплексах дальней тропосферной связи, использующих разнесенный прием. Присутствие многолучевости в каналах формирования, передачи и обработки сигналов для систем ДТС приводит к негативным последствиям, а именно:

- возникают случайные флуктуации амплитуды, фазы, времени распространения и обработки (замирания) сигналов, что приводит к резкому снижению основных качественных параметров системы;

- возрастает объем аппаратуры, используемой для выполнения поставленных целей, что увеличивает ее стоимость и уменьшает надежность систем;

- усложняются алгоритмы функционирования устройств управления и обработки информации;

- при разработке новых систем ДТС возникает необходимость в продолжительных натурных испытаниях, что затягивает сроки и увеличивает стоимость разработки.

Иногда разветвление сигналов управления организуют искусственно, для более эффективного выполнения целей, стоящих перед системой. Например, применение пространственного разнесения при передаче сигналов позволяет на приемной стороне получать копии информационного сигнала, прошедшие канал распространения различными путями и вследствие этого, по разному искаженных и пораженных помеховыми сигналами. Использование искусственных каналов разветвления в мощных генераторных уст-

ройствах дает возможность практической реализации схем сложения мощностей отдельных усилителей и позволяет достигать требуемых мощностей выходного сигнала применением элементной базы меньшей мощности.

И при естественной многолучевости, и при формировании ее искусственно требуются алгоритмы обработки сигналов, синтезированные так, чтобы система могла выполнять свою целевую задачу наиболее эффективно. Известные на настоящее время решения в рамках сформулированной проблемы ориентированы на традиционные методы, основанные на отладке и доработках систем радиосвязи с многолучевыми каналами (МК) путем дорогостоящих натурных испытаний, и имеют следующие недостатки:

- вынуждают закладывать необоснованные запасы по основным техническим характеристикам при разработке систем, что увеличивает их стоимость;

- не обеспечивают приемлемую помехозащищенность по отношению к различным возможным видам мешающих сигналов;

- не могут автоматически и адаптивно перестраиваться для наилучшего решения целевой функции системы;

- не позволяют оценить эффект от применения перспективных новых решений систем.

Наиболее целесообразный путь повышения качества функционирования систем ДТС - улучшение организации систем, основанное на методах математического и электронного моделирования многолучевого канала и реализация на этой базе новых алгоритмов обработки сигналов. При этом алгоритмы должны быть ориентированы на автоматическое и адаптивное выполнение целевых функций системы ДТС при компенсации возможных помеховых сигналов.

Цели работы, вытекающие из характера проблемы: разработка теоретических основ системы обработки многолучевых сигналов (СОМС) в комплексах связи и синтез семейства алгоритмов обработки сигналов с их реализацией и экспериментальным исследованием в реальных условиях эксплуатации.

Исходя из целей работы задачами исследования являются:

1. Построение математической модели многолучевого радиоканала.

2. Разработка и создание имитатора радиоканала.

3. Оценка подобия математической модели и имитатора реальным радиоканалам.

4. Анализ помехоустойчивости систем обработки многолучевых сигналов и разработка методики ее оценки.

5. Разработка семейства алгоритмов компенсации помеховых сигналов в условиях многолучевости.

6. Синтез алгоритмов управления при формировании мощных ВЧ сигналов на передающей стороне систем связи.

Методы исследования. В работе использовались методы математической статистики, теории вероятностей, теории передачи информации, теории связи, методы моделирования, численные методы решения задач и методы экспериментального исследования.

Научная новизна работы состоит в создании основ системы обработки многолучевых сигналов в комплексах связи и сконцентрирована в следующем:

1. Предложена математическая модель многолучевого тропосферного радиоканала, определены и конкретизированы вариации ее параметров.

2. Созданы математическое обеспечение и методология построения имитаторов, адекватных реальным радиоканалам.

3. Получены соотношения для оценки помехоустойчивости при различных способах обработки многолучевых сигналов.

4. Предложено семейство алгоритмов адаптивной компенсации помеховых сигналов различной структуры и вида. Синтезированы в том числе алгоритмы с повышенной универсальностью к виду помех, функционирующие и при априорной неопределенности помеховой обстановки.

5. Разработаны алгоритмы адаптивного согласования импеданса передатчиков с переменными нагрузками.

Практическая ценность работы. Вошедшие в диссертацию результаты получены автором при выполнении работ, проводившихся по постановлениям правительственных органов в интересах МПСС, МРП, МС, АН СССР и РАН в период с 1972 по 1998 гг., а также в соответствии с планами госбюджетных и хоздоговорных работ Владимирского государственного университета. Окончательные теоретические результаты получены автором в ходе выполнения проекта Российского фонда фундаментальных исследований.

Практическая значимость результатов исследования заключается в следующем:

1, Разработанные и созданные имитаторы многолучевого радиоканала ДТС, дают возможность:

- проводить испытания систем связи, управления, передачи и обработки информации, работающих в тропосферном радиоканале;

- на стадии проектирования новых систем осуществлять коррекцию схемотехнических решений;

- выполнять сертификацию тропосферных радиосистем;

- проводить обучение персонала по обслуживанию сложных систем ДТС.

2. Полученные соотношения по оценке помехоустойчивости в многолучевом канале с четырехпараметрическим законом распределения быстрых замираний удобны для расчетов и позволяют корректно выполнять оценку.

3. Разработанные и апробированные адаптивные компенсаторы помехо-вых сигналов позволяют ослаблять помехи до 30 дБ.

4. Предложенное семейство мощных транзисторных высокочастотных генераторов обладает повышенной степенью защиты выходных каскадов от перегрузок.

5. Созданные адаптивные устройства управления сигналами при работе ВЧ генераторов на переменные нагрузки уменьшают потери ВЧ энергии.

Предложенные и внедренные технические решения дают значительный экономический эффект; обеспечивают качественное управление сигналами многолучевых каналов; используются в различных отраслях хозяйства страны. Поэтому решенная в работе научная проблема имеет важное народнохозяйственное значение.

Новые теоретические и практические результаты диссертационной работы, а также 17 авторских свидетельств и патент на изобретения нашли применение как в промышленности, так и в учебном процессе при подготовке инженеров радиотехнического и радиофизического направлений.

На предприятиях различных отраслей, в учебных вузах (МГУ им. М.В. Ломоносова, ВлГУ) и в институтах РАН внедрены: имитаторы многолучевого радиоканала, устройства адаптивной компенсации помеховых сигналов, мощные высокочастотные генераторы, устройства адаптивного согласования импедансов, а также методики расчета помехоустойчивости систем ДТС, алгоритмы защиты мощных усилительных каскадов от перегрузок и инженерные методики расчета мостовых схем сложения в микрополоско-вом исполнении. Внедрение результатов исследований иллюстрируется таблицей.

На защиту выносится совокупность новых научно обоснованных технических решений в рамках проблемы обеспечения высокого качества функционирования систем ДТС, включающая в себя:

1. Математическую модель радиоканала дальней тропосферной связи;

2. Алгоритмы и устройства имитации многолучевого радиоканала;

3. Методику оценки помехоустойчивости для различных способов обработки сигналов ДТС;

Результаты исследований Изобретения, публикации Объект внедрения Достигнутый эффект

Общая математическая модель канала ДТС [ 1, 2, 9, 38, 41, 44, 54 ] Методика расчета энергопотенциала систем ДТС Рассчитан запас на замирания для систем Р-420Д и Р-444

Алгоритмы имитации воздействий многолучевое ти на радиосигналы при ДТС A.c. 428373, 690513 [ 1, 2, 36, 39, 40, 42, 43, 45 ] Имитаторы для отработки схемотехнических решений систем с МК и для обучения обслуживающего персонала систем ДТС Использованы при модернизации системы ДТС Р-420, разработке системы Р-444, обучении инженеров в ВлГУ и училищах МО

Оценка вероятности срывов передачи многолучевых сигналов [6, 7, 9, 37, 46, 47] Методика оценки устройств комбинирования разнесенных сигналов Использована для анализа технических решений при проектировании системы связи типа Р-444

Пакет алгоритмов компенсации помеховых сигналов A.c. 778403, 919110,1088140, 1092741,111826 7, 1277409,127786 8 1286079,133625 6 1406801,161941 5 1628206 [46, 47,55,57,58 ] Системы обработки разнесенных сигналов в приемных устройствах систем радиосвязи Подавление по- • мехи в спектре сигнала до 30 дБ при априорной неопределенности помеховой обстановки

Алгоритмы формирования мощных ВЧ сигналов Алгоритмы управления при динамической нагрузке генераторов [5, 8, 10, 11, 1317,47, 50,51,] A.c. 1743319, патент 2056683 [ 3, 4, 48, 49, 52 1 Семейство мощных генераторов возбуждения газоразрядных сред Устройства согласования генераторов с переменной нагрузкой Повышена надежность ВЧ генераторов. Упрощен расчет мостовых схем Энерговклад возрос на 10-20%. Повышена защита ВЧ генераторов от перегрузок

4. Семейство алгоритмов и устройства обработки сигналов комплексов тропосферной связи с адаптивной компенсацией помех;

5. Алгоритмы и устройства формирования мощных высокочастотных сигналов и согласования их с переменной нагрузкой.

Апробация работы. По материалам, изложенным в диссертационной работе, сделаны доклады на пяти международных, четырех всесоюзных и республиканских НТК, 26 НТК профессорско-преподавательского состава Владимирского государственного университета, на двух НТК Рязанской радиотехнической академии, на НТК Таганрогского радиотехнического института и двух НТК Московского технического университета связи и информатики.

Публикации по работе. По материалам, изложенным в диссертации, опубликовано 58 работ, включая монографию, 17 авторских свидетельств, и патент на изобретения, ряд статей в центральных отечественных и зарубежных журналах, а также в допускающих изложение материалов докторских диссертаций изданиях. Часть материалов изложена в научно-технических отчетах по НИР, выполненных под научным руководством и при непосредственном участии автора. Материалы исследований широко представлены в учебно-методических публикациях автора по курсам: "Моделирование процессов и систем" и "Устройства генерирования и формирования сигналов".

Структура работы. Диссертация изложена на 239 стр. машинописного текста ( 190 стр. текста, 16 стр. рисунков, 13 стр. списка литературы, 20 стр. приложений) и состоит из введения, шести глав, заключения, приложения и списка литературы, имеющего 196 наименований отечественных и зарубежных источников, в том числе 58 работ автора. В приложения вынесены исследования влияния суточного хода параметров процесса медленных замираний па интегральную плотность распределения вероятностей этого процесса, а также материалы о внедрении результатов диссертационной ра-.боты.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована научная проблема, определены выносимые на защиту положения, дана общая постановка решаемых задач и аннотация диссертационной работы.

В первой главе рассмотрена роль систем обработки сигналов в комплексах ДТС, отмечены особенности их функционирования.

Как позитивные, так и негативные воздействия многолучевости на сигналы сложных систем требуют разработки нового подхода к решению задач обработки сигналов в системах ДТС. Разнообразие характеристик ка-

каналов и разнородность целевых задач систем, работающих с ними, фор мируют целое научное направление, посвященное управлению сигналам! многолучевых каналов.

Возможность разработки проблем этого направления состоит в том что системы с МК обладают важным объединяющим свойством. Это обще1 свойство заключается в том, что управление сигналами и их обработка про изводится при наличии нескольких копий полезного сигнала, в разной сте пени подверженных влиянию среды распространения и по - разному иска женных замираниями, шумами и помехами.

Отметим сложность разработки универсального подхода в задаче об работки многолучевых сигналов, вызванную как многообразием систем МК, так и тем, что обработка сигналов в большинстве случаев происходит присутствии помех. Для многолучевых каналов передачи и обработки ин формации требуются новые СОМС, учитывающие особенности обработк ансамблей сигналов в присутствии аддитивного шума, помех, замирани амплитуды и фазы сигналов.

В качестве примера можно привести события на линии дальней трс посферной связи " Север ". Установка на аэродроме г. Игарка нового рг диолокатора кругового обзора привела к появлению в сети связи "Север' мощных помеховых импульсов, при работе локатора шесть раз в минут прерывающих связь. Алгоритмы управления сигналами приемных устрой ст радиостанций "Горизонт-М", используемых в сети, не были способны оч! стить систему от помеховых компонент, даже при полностью известны временных и частотных параметрах помехи. Потребовалось провести долге временные исследования и разработать специальные компенсаторы помехе вых сигналов, чтобы модернизировать алгоритмы и решить эту проблем управления многолучевыми сигналами в условиях воздействия внешних р< дионмпульсных помех.

Стройного исследования проблемы обработки многолучевых сигн« лов в комплексах ДТС пока нет. Известно много разнообразных частны алгоритмов управления сигналами в конкретных системах, но их или слой но распространить на другие системы, или они гарантируют недостаток-высокую эффективность.

Проведенный анализ проблемы показал на трудность создания универсальной системы обработки сигналов, так как целевые функции различных подсистем при тропосферной связи не совпадают. Поэтому предложена декомпозиция СОМС на подсистемы управления в соответствии с различием целевых функций. В качестве подсистем выбраны: комплекс формирование сигналов, многолучевой канал передачи сигналов, комплекс обработки мно голучевых сигналов. Результаты декомпозиции показаны на рис.1.

Комплекс формирования сигналов

'управление при создании •лющиых сигналов/

управление {при согласовании) сМК

СИСТЕМА ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

Многолучевые каналы управления и связи

Комплекс обработки многолучевых сигналов

управление

^комбинировании) сигналов

-&5работка~ ' для компенсации \ помех

Рис. 1

На основании проведенного анализа сформулирована цель исследования, а именно: разработка теоретических основ системы обработки сигналов при ДТС и синтез семейства алгоритмов управления сигналами с их реализацией и экспериментальными исследованиями в реальных условиях эксплуатации.

В рамках поставленной цели определены основные задачи исследования:

- разработка математической модели многолучевого радиоканала ДТС;

- разработка имитатора канала, адекватного реальным радиоканалам;

- разработка алгоритмов и устройств управления при функционировании систем ДТС в условиях воздействия помеховых сигналов;

- разработка алгоритмов и устройств для работы мощных ВЧ генераторов на переменные нагрузки;

- модельные и натурные испытания разработанных алгоритмов подсистем обработки сигналов и подтверждение позитивного влияния предложенных алгоритмов на эффективность систем с МК.

На основании анализа известных моделей каналов передачи информации выбран формальный подход к построению математической модели МК, основанный на представлении канала в виде четырехполюсника со случайно изменяющимися во времени параметрами. При этом выходной сигнал канала находится либо как результат свертки входного сигнала с

импульсным откликом канала Л, г), либо как результат обратного преобразования Фурье от произведения спектра входного сигнала на зависящую от времени передаточную функцию канала //(у,/), при непрерывном

множестве лучей, различающихся временными сдвигами и характером преобразования сигнала, который задается импульсным откликом .

Такой подход к моделированию позволил антенные устройства сложных систем отнести к самому каналу и обойтись без моделирования пространственно-временных распределений полей в раскрывах антенн.

Системные функции реальных многолучевых каналов - //"(/",/) и

л(/,г), рассматриваемые на значительных интервалах времени (частоты),

как правило, нестационарные, и, следовательно, адекватным математическим аппаратом для их описания является многомерный статистическиГ анализ. Однако применение этого аппарата приводит к неоправданному усложнению математических моделей и делает их малопригодными для решения конкретных задач.

Распространенное допущение, существенно упрощающее математические модели каналов, - предположение о квазистационарности (локально! стационарности) системных функций и, соответственно, выходных сигнапо! линейного канала с переменными случайными параметрами. На интервала> времени (частоты), в пределах которых системные функции можно считал стационарными, каналы достаточно описывать в рамках аппарата одномер ных распределений и корреляционной теории.

Как правило, интервалы локальной стационарности в поведении МЬ определяются физическими причинами и у конкретных каналов различны Для каналов ДТС исследователи выделяют два интервала локальной стацио нарности, определяемые быстрыми флуктуациями передаточной функцш канала из-за турбулентностей тропосферы и медленными флуктуациями из за нюкоскоростных перемещений больших объемов воздушных масс - обла ков и слоев воздуха.

Основываясь на выбранном методе математического моделирования I анализе известных путей имитации многолучевых каналов, определен мето, имитации МК, а именно - электронное моделирование. При этом предложе но использовать математические модели, позволяющие моделировать зами рания и помеховые сигналы для нескольких разнесенных каналов приема что даст возможность экспериментального исследования систем с различ ными видами разнесенного приема.

В этой же главе рассмотрены пути оценки адекватности моделируемы: имитатором искажений сигналов и соответствия моделей реальным каналам В основу положен поэтапный метод подтверждения достоверности ги-

потез о соответствии математической модели канала реальному МК и затем проверке гипотез о соответствии моделируемых замираний и искажении сигналов математической модели.

Во второй главе разработана методология моделирования МК. Для канала ДТС разработана новая математическая модель передаточной функции, получены экспериментально автокорреляционные функции замираний и разработаны алгоритмы и устройства электронного моделирования дальнего тропосферного радиоканала (ДТРК).

Создана новая математическая модель радиоканала ДТС, содержащая описание быстрых, медленных, временных замираний, их корреляционных функций и суточного хода параметров процесса медленных замираний, отличающаяся от известной большей достоверностью описания замираний передаточной функции. Адекватность новой модели подтверждена большим объемом экспериментальных исследований, проведенных на различных интервалах тропосферной связи в разных климатических и сезонных условиях.

Аналитически показано и экспериментально подтверждено, что плотность вероятностей быстрых замираний описывается четырехпараметриче-ским законом распределения вероятностей

(

W(H) = 2HNXNY ехр

Н'

\

2а V

ууКЛН-

X '

1

О'+-);('+У+1);

2 ах 2 а

Ы'

у;

где )Г)(а, Д г) - вырожденная гипергеометрическая функция.

Автокорреляционные функции быстрых замираний определены экспериментально на различных трассах ДТС. Показано также, что для точечной модели переизлучения в МК наиболее общая характеристика канала -функция рассеяния распределена нормально

7 = 1

где 1У}((р) - плотность вероятности фазового сдвига / - ой группы; Р) - вероятность принадлежности переизлучателя к у - ой группе.

Показано, что при этом канал описывается трехпараметрическим распределением вероятностей вида

Ж(Н) =

н

{

ОхОу

-ехр

т

х

■Н

2\

2а

^ т2хН2' ¡=0<зх2 (г!)

Я

1

х

/

2ау у

Н'

Рассчитаны зависимости параметров трехпараметрического закона от отношения средних мощностей регулярной и флуктуирующей компонент сигнала ц

я2 =

т\ + /и2

2ехр(- а2)

4 + [\ - ехр(- а2)] + [1 - ехр(- 2а2)]

и параметры асимметрии

р2 _4 _(1-ехр(-а2))

о^ 1-ехр(-2а2)

в зависимости от дисперсии функции рассеяния о2 .

Для теоретически полученного описания впервые определены законе мерности изменения параметров закона быстрых замираний, изображенные н рис. 2 и рис. 3.

Экспериментальные исследования, полученные автором в ходе испыт; ний и исследований систем связи типов: Р-410М2, Р-420ДМ, Р-444 Д, Гор! зонт-М на трассах ДТС г. Владимир - г. Орёл, г. Уральск - г. Актюбинск, Талдом - г. Вологда, г. Болград - г. Варна, г. Игарка - г. Норильск и др., по; твердили справедливость описания быстрых замираний четырехпарамстрич ским, а медленных замираний логарифмически нормальным законами распр деления вероятностей.

Собственные эксперименты и известные результаты других исследов телей позволили найти общее выражение для величины стандартного откл нения как функцию от конкретных параметров трассы, системы и текуще времени и определить автокорреляционную функцию медленных замирани Пример суточного хода автокорреляционной функции медленных замираш для трассы, протяженностью 450 км., приведен на рис.4.

При изучении временных и селективно-частотных замираний определены экспериментально интегральные функции распределения и автокорреляционные функции временных замираний и разработана номограмма по определению максимального относительного времени запаздывания сигналов в каналах ДТС.

Рис. 4

Было проведено сравнение большого объема экспериментальных данных, полученных автором на различных трассах, с теоретической математической моделью замираний. Проверка адекватности проводилась также по известным из литературы экспериментальным данным.. Случаев откло-

ненмя гипотез об адекватности экспериментальных данных и аналитического описания замираний сигналов в МК ДТС не наблюдалось, поэтому можно сделать .вывод о соответствии разработанной математической модели замираний и искажений этим явлениям.

Все эти новые результаты обеспечили возможность корректного определения запаса на замирания при расчетах энергопотенциала проектируемых систем ДТС, что подтвердилось при проектировании системы Р-444.

В этой же главе разработаны принципы функционирования электронных имитаторов канала ДТС и алгоритмы имитации быстрых, медленных временных, селективно-частотных замираний и суточного хода их параметров. Для разработанного и реализованного имитатора ДТРК подробно исследовано подобие имитируемых процессов и реальных замираний сигнал; в радиоканалах ДТС. На несколько устройств получены авторские свидетельства об изобретении [ 22,23,26], а с помощью созданного имитатора н: этапе проектирования отработаны новые схемотехнические решения ши системы ДТС с шумоподобными сигналами типа Р-444.

В развитие проведенных исследований по решению Министерств; промышленности средств связи и Минвуза СССР при Владимирском поли техническом институте ( сейчас Владимирский государственный универсн тет) была открыта Отраслевая научно-исследовательская лаборатория ПО ЛИКОМ-2, а КБ завода "Электроприбор" (г. Владимир) в конце 80-х годо провело ОКР и изготовило опытную партию имитаторов ДТРК. Имигатор1 были созданы в интересах разработчиков средств передачи информации, также для учебных заведений, подготавливающих специалистов этого прс филя.

Третья глава посвящена анализу алгоритмов управления снгшпам ДТС при разнесенном приеме. Помехоустойчивость передачи информаци по МК определена вероятностью падения уровня сигнала R ниже некоторс го уровня Rm, зависящего от пороговых свойств приемника, то есть вероят ностыо срыва Рс.с связи, которая равна вероятности попадания конца Bet тора R внутрь круга радиусом R„,, как показано на рис. 5.

R}

PCC*P{R <Rm)* "' -exp 2avo

2 2 Л

m : '» v

X

2ol 2a2

X» у \ ^у)

Для такого критерия эффективности разработаны алгоритмы оценк помехоустойчивости для различных методов управления разнесенными си налами и выведены формулы помехоустойчивости для различных систе сложения разнесенных сигналов.

Рис. 5.

Для .V - кратного линейного сложения получено выражение

/V

/Л/ \

2 N т

Ры, = р{Ры <Рт} = Р

N

К/

1 * 1 N ! , = | (2/ - 1 „,

1 = 1 /

ехр

т

2

2а'

2а

V/ /

где ту1,ах1,оу^ параметры четырехпараметрнческого закона

распределения вероятностей быстрых замираний; рт- пороговое отношение сигнал/шум приемника; - рд, - отношение сигнал/шум на выходе устройства комбинирования N ветвей разнесения; <зш; - средняя мощность аддитивных шумов /-ой ветви разнесения.

Для алгоритма автовыбора получено выражение

_ 2 N N N

Р /V, = П

1

N

I

J = ^axj° у)

■ехр

т

т

2

У)

2 а

2а

У) /

Для оптимального сложения разнесенных сигналов

О2" N

Рм„ =

а

N ! , = 1 а „а ,

ехр

т

т

У'

2а

2а

V/

Проанализирована погрешность разработанных алгоритмов и выполнен анализ помехоустойчивости устройств обработки разнесенных сигналов в каналах ДТС без помеховых сигналов. На основании выведенных формул разработаны алгоритмы оценки помехоустойчивости при наличии помеховых сигналов при N - кратном разнесении для различных методов обработки разнесенных сигналов. По полученным выражениям рассчитаны зависимости вероятности срыва передачи сигналов от отношения пороговой мощности приемника к средней мощности сигнала ветви разнесения.

Полученные в главе результаты позволяют сделать выводы о том, что известные методы и системы обработки сигналов в МК не являются качественными, а в результате воздействия помеховых сигналов используемые алгоритмы обработки могут по качеству приблизиться к ситуации, когда вообще отсутствует какое-либо объединение разнесенных сигналов, то есть они складываются хаотично, а именно, по мощности.

Четвертая глава направлена на разработку новых адаптивных методов обработки сигналов ДТС в присутствии помех и на создание компенсаторов помеховых сигналов для таких каналов.

На фундаменте теории компенсации помех проанализированы известные методы адаптивной фильтрации и аналитически определены алгоритмы вычисления наилучших весовых коэффициентов, с которыми объединяются разнесенные сигналы при одновременной компенсации помеховых составляющих.

Показано, что необходимо как минимум п = т+1 каналов разнесения для компенсации т независимых помеховых сигналов, то есть эффективность практического использования разнесенного приема системой с МК при кратности разнесения п снижается на число независимых помеховых сигналов системе, стремясь к величине п-т.

На первый взгляд это противоречит возможности создания однока-нальных компенсаторов помех. Однако нельзя забывать, что одноканальные компенсаторы синтезируют помеховые сигналы из принимаемой на вход смеси, что эквивалентно организации дополнительных каналов приема.

Предложено семейство новых методов компенсации помеховых сигналов различного вида. Подробно описаны методы компенсации узкополосной сосредоточенной помехи и комплекса таких помех, метод компенсации с повышенной универсальностью к виду помех и метод компенсации при априорной неопределенности помеховой обстановки. Все новые мето-

ды защищены авторскими свидетельствами на изобретения [24, 25, 27-37] и теоретически, а некоторые и экспериментально, исследованы.

Наибольшую практическую значимость представляют методы компенсации, универсальные к виду помеховых сигналов и позволяющие системам управления использовать многолучевые каналы без априорного знания по-меховой обстановки в канале. Идеи, положенные в основу этих методов, различны.

Так, один из предложенных методов, универсальный для различных видов помеховых сигналов, основан на том, что свойства суммы двух независимых процессов определяются отношением их мощностей в суммарной общей мощности. При этом удается отыскать те свойства, которые допускают относительно простое аппаратурное воплощение, и в то же время в широких пределах не зависят ни от вида полезного сигнала, ни от вида помехи. А это в свою очередь делает алгоритмы обработки сигналов, основанные на подобном методе, применимыми в разнообразных системах с МК и универсальными к виду внешних помех.

Свойства алгоритма основаны на том, что при фиксированной средней суммарной мощности сигнала и помехи величина высших моментов ( или функции от высших моментов ) их суммарного распределения определяет соотношение их мощностей в общей мощности.

Иными словами, измеряя, например, четвертый начальный момент суммарного распределения сигнала и помехи, т.е. средний квадрат мощности их суммы (этот момент наиболее просто определяется аппаратурно), можно сказать, какую долю в общей мощности суммы составляет мощность одной и другой компоненты. Более того, минимизируя определенную функцию от этого четвертого момента можно одновременно [ 41 ] минимизировать уровень помехи после обработки, так как ее минимум соответствует минимуму помехи.

Другой предложенный автором метод [ 32 ], работающий в условиях априорной неопределенности помеховой обстановки, основан на том, что для большинства многолучевых радиоканалов основным отличительным признаком полезного сигнала от помеховых является постоянство фазового сдвига сигналов внешней помехи в различных лучах разнесения, изменяющегося со скоростью перемещения источника помехи в пространстве, то есть очень медленно. Полезные же сигналы приобретают в канале связи хаотически меняющийся со скоростью быстрых замираний фазовый сдвиг.

Сущность предложенного метода заключена в использовании различия в свойствах симметрии распределений преобразованных определенным образом входных для приемника ДТС полезных и помеховых сигналов и кор-

реляционной обработке с предыскажениями в управляющей цепи компенсатора.

В описании изобретения [ 32 ] показано, что перемножая входные сигналы разных лучей МК и затем фильтруя результирующий сигнал фильтром низких частот, получим процесс К((), величина асимметрии которого определяется долей помеховой компоненты в общем распределении. Можно

создать меру асимметрии , необходимую для корреляционной обработки,

с целью минимизации помеховых компонент.

Пусть некоторая величина £ характеризует несимметричность распределения М>(х) процесса К(-Ш / )} . При этом

где / [ * ] - некоторая нелинейная монотонная функция, симметричная относительно начала координат.

2к -1

9

Например, /[ * ] представима как уу — ^ а ^ 2

к =1

где к - натуральное число. При этом очевидно, что если некоторый процесс Х|(0 имеет симметричный закон распределения, то

%хх = «/{/[*/-'«;{*/}]}= О-

а если X/ распределен несимметрично, то Ф 0.

Таким образом, перемножая разнесенные сигналы, затем фильтруя низкочастотные компоненты этого произведения, центрируя их относительно начала координат и пропуская через нелинейное звено с характеристикой, описываемой суммой нечетных степеней с некоторыми взвешивающими коэффициентами к, получим напряжение 1/вых(1), содержащее информацию о фазовом сдвиге помеховых сигналов в разных лучах разнесения. Это напряжение можно использовать в обычном корреляционном компенсаторе в управляющей ветви для подавления помеховых компонент, как и предложено в устройстве [ 32 ].

Рассмотрены также проблемы компенсации помех в системах с цифровыми шумоподобными сигналами и предложены [35-37] новые методы борьбы с помехами для таких систем ДТС. Эти методы отличаются от известных принципами построения обнаружителей помех и измерительного тракта компенсатора. Устройство компенсации [32] реализовано для случая двухкратного разнесения сигналов, экспериментально исследовано на трас-

се ДТС г. Игарка - г. Норильск и показало способность подавлять радиоимпульсную помеху от радиолокатора не хуже, чем на 30 дБ.

При испытаниях были определены полосы пропускания обоих каналов компенсатора помех при заданной неравномерности амплитудно-частотной характеристики в 3 дБ и коэффициенты передачи трактов на центральной частоте 70 МГц. Результаты испытаний свидетельствуют об отсутствии искажений информационного сигнала с шириной спектра 10 МГц при его прохождении через компенсатор в пределах динамического диапазона по амплитуде до 40 дБ.

Проводились также исследования по определению степени подавления этим компенсатором узкополосной синусоидальной помехи. Частота синусоидальной помехи менялась в пределах полосы пропускания компенсатора помех. Необходимо отметить, что фактически наблюдался большой уровень подавления помехи, но собственные шумы синхронного детектора и высокочастотного усилителя не позволили провести измерения подавления уровня узкополосной помехи более 40 дБ.

Глава пять направлена на разработку алгоритмов управления в комплексах формирования мощных высокочастотных сигналов. Актуальность этой задачи вызвана повсеместным переводом мощной генераторной техники на полупроводниковую элементную базу. При этом возникают трудности с защитой полупроводников от возможных перегрузок. Сравнительно низкие предельные мощности современных транзисторов требуют применения искусственного разнесения - суммирования ресурсов нескольких усилительных каскадов схемами сложения мощностей. Защита транзисторов нескольких ветвей усиления совпадает с задачей управления многолучевыми сигналами, и ее решение обеспечит, с одной стороны, высокую надежность систем связи при применении полупроводниковой элементной базы, а, с другой стороны, минимизацию потерь энергии при многолучевом усилении сигналов.

На основании анализа модульного принципа построения мощных генераторов предложены [5, 20, 21] алгоритмы управления с совместным использованием синфазных и квадратурных схем сложения мощностей, сокращающие аппаратурные расходы и, как следствие, повышающие коэффициент полезного действия ВЧ генератора.

Известные методы расчета квадратурных мостовых схем, выполняемых по полосковой технологии, потребовали корректировки. Разработана номограмма расчета мостовых схем для полосковых квадратурных мостов с лицевой связью при несовпадении диэлектрической проницаемости у материала пластины между связанными линиями и диэлектрической проницаемости у материала самих линий. Проведенные эксперименты показали, что

потери ВЧ энергии в таких мостовых схемах, при расчете их по предлагаемой методике, сокращаются в среднем на 20-30 %.

При решении задачи управления сигналами нескольких усилительных каскадов в целях их защиты от перегрузок были исследованы причины отказов мощных биполярных транзисторов в генераторах ВЧ и предложен алгоритм параллельного применения независимых методов защиты.

Материал иллюстрируется внедренными мощными генераторами ВЧ с различными параметрами и различными областями практического применения. Отличительные особенности разработанных устройств в комплексном применении синфазных и квадратурных мостовых схем и в наличии управления сигналами обратных связей при многоконтурной независимой системе защиты активных элементов от перегрузок.

Глава шесть направлена на разработку алгоритмов управления в комплексах формирования сигналов. В главе рассматриваются вопросы согласования мощных ВЧ генераторов с переменной нагрузкой, изменяющей свой импеданс во время работы.

Колебания импеданса нагрузки неизбежно влекут значительные потери энергии передатчика и негативно отражаются на надежности полупроводниковых мощных ВЧ генераторов. Для адаптивного управления подстройкой согласования использованы градиентные методы. Градиентный алгоритм перестройки цепи согласования можно в общем случае представить выражением

д а; / д t = - k¡ д Ротр / д а;,

где а, - номинал i-ro подстроечного элемента цепи согласования; k¡ - коэффициент, определяющий скорость регулирования значения данного элемента.

Для организации процесса адаптации необходима информация о направлении подстройки перестраиваемых элементов цепи согласования. Предложено два пути решения этой проблемы. Один из предложенных способов получения такой информации имеет поисковый характер, то есть производится небольшое изменение текущих значений управляющих напряжений и анализируется результат этого шага подстройки. Другой предлагаемый способ заключается в анализе амплитудно-фазовых соотношений отраженного от нагрузки сигнала.

Достоинства поискового способа подстройки - в его универсальности и независимости от вида применяемых цепей согласования. Недостаток же - в том, что пошаговое изменение управляющих напряжений приводит к колебаниям уровня ВЧ сигнала, то есть к нежелательной амплитудной мо-

дуляции высокочастотного сигнала накачки и выходного сигнала сложной системы соответственно.

Требуется также решить задачу определения конкретного элемента подстройки, вызывающего реакцию по изменению величины отраженной от нагрузки мощности. Другими словами требуется независимое измерение

величин д Ротр и да,. Это можно выполнить разными методами, например, разнесением регулировки каждого канала по времени - метод последовательной подстройки, или одновременной регулировкой по всем каналам с использованием ортогональных управляющих сигналов - метод параллельной подстройки.

Совместно с коллегами автором предложен алгоритм непрерывной подстройки цепи согласования, основанный на анализе амплитудно-фазовых соотношений отраженного от нагрузки сигнала, а устройство его реализующее запатентовано [ 22 ]. На устройство адаптации цепи согласования поискового характера получено авторское свидетельство на изобретение [38], оно также изучено и проанализировано.

Устройство адаптивной подстройки согласования мощного ВЧ генератора с динамически меняющейся нагрузкой исследовано в модельных экспериментах на ЭВМ, позволивших определить наилучшие параметры его цепей и реализовано [ 22 ]. Натурные испытания устройства адаптивной подстройки согласования импедансов проведены на двух видах мощных нагрузок. В качестве изменяющейся нагрузки ВЧ генератора использовались различные наборы из Ь, С, Я элементов, а также входной импеданс плазменного пространства газоразрядного С02 лазера.

При экспериментах наблюдалось автоматическое согласование ВЧ генератора с переменной нагрузкой при смене режимов работы лазера, а коэффициент отражения полезной ВЧ мощности от нагрузки к генератору не превысил 2% при согласовании генератора с С02 лазером со световой мощностью до 15 Вт.

В приложения вынесены исследования влияния суточного хода параметров процесса медленных замираний сигналов ДТС на плотность вероятностей этого процесса и материалы внедрения результатов диссертационной работы.

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты проведенных исследований.

Заключение

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Разработаны основы системы обработки сигналов при ДТС, базирующиеся на синтезе алгоритмов управления сигналами многолучевых каналов, ориентированных на адаптивное выполнение целевых функций при компенсации помеховых сигналов.

2. Определено приоритетное направление развития систем обработки многолучевых сигналов - создание адаптивных алгоритмов работы в условиях воздействия мешающих сигналов и флуктуаций нагрузки.

3. Разработана теория моделирования радиоканалов, в рамках которой на примере ДТРК проведены:

- разработка математической модели многолучевого радиоканала ;

- анализ и синтез алгоритмов имитации воздействий многолучевого канала на используемые сигналы;

- оценка подобия модели реальному радиоканалу и имитатора канала реальным радиоканалам.

4. На основе разработанной теории создано семейство имитаторов тропосферного радиоканала дальней связи. С помощью имитаторов канала ДТС проведен анализ схемотехнического построения системы типа Р - 444 на стадии проектирования, позволивший выявить пути оптимизации технических характеристик системы, в частности, определить необходимый запас энергопотенциала на быстрые и медленные замирания сигналов при тропосферном распространении.

5. Разработан алгоритм оценки помехоустойчивости для тропосферного радиоканала с четырехпараметрическимн замираниями сигналов.

6. Проведен анализ эффективности алгоритмов обработки многолучевых сигналов ДТС в присутствии помех.

7. Предложены алгоритмы компенсации помеховых сигналов для аналоговых и цифровых систем ДТС. Разработаны методы противодействия СОМС как помехам с известными свойствами, так и при априорной неопределенности помеховой обстановки.

8. Разработаны устройства управления для СОМС ДТС, обеспечивающие эффективную работу систем с разнесенным приемом в условиях присутствия узкополосных, радиоимпульсных и неопределенных по форме и спектру внешних помеховых сигналов. Проведенный анализ и экспериментальные исследования на интервале ДТС г. Игарка - г. Норильск трассы дальней связи "СЕВЕР" показали, что адаптивное подавление слож-

ных помеховых сигналов, совпадающих по спектру с полезными, обеспечивается на 30 дБ.

9. Разработан алгоритм управления при формировании мощных сигналов передатчиков ДТС, основанный на объединении возможностей усилительных элементов комплексом мостовых схем разного типа и параллельном применении независимых методов защиты активных элементов от перегрузок. Изготовлено семейство генераторов ВЧ, реализующих этот алгоритм управления, для ряда перспективных систем.

10. Исследованы алгоритмы управления при работе мощных генераторов высокой частоты на динамически меняющуюся нагрузку. Проведены экспериментальные исследования разработанной системы адаптивного согласования импедансов непрерывного действия, показавшие достижение согласования мощного ВЧ генератора с переменной нагрузкой, показавшие, что коэффициент отражения полезной мощности от нагрузки не превышает 2%.

11. При реализации предложенных в работе решений создано 18 устройств, признанных изобретениями ( имитатор радиоканала, устройства комбинирования сигналов, устройства подавления помех, компенсаторы помех, линия связи, газоразрядный лазер с адаптивным согласованием с генератором накачки, генераторы сигналов ).

Результаты теоретических исследований и испытаний разработанной СОМС в комплексах ДТС дают основание заключить, что ее применение позволяет:

- увеличить качество функционирования систем ДТС в условиях многолучевых каналов;

- снизить материальные затраты за счет сокращения объёма натурных испытаний систем, исключения необоснованных запасов энергопотенциала, уменьшения вероятности срывов передачи сигналов, уменьшения энергетических потерь при формировании мощных сигналов и работе генераторов на переменную нагрузку;

- обеспечить априорную информацию на этапе проектирования о возможности применения схемотехнических решений систем, работающих в условиях многолучевости.

Полученные в диссертации теоретические и прикладные результаты внедрены в промышленности на предприятиях трех отраслей: радиопромышленности, Министерства связи, промышленности средств связи, а также в учреждениях (Российском фонде фундаментальных исследований) и институтах Российской Академии Наук (Институте общей физики, Объединенном институте высоких температур, Институте прикладной механики, Физико - технологическом институте), и в учебных заведениях (МГУ

им. M.B. Ломоносова, ВлГУ) при научных исследованиях и подготовке радиоинженеров и радиофизиков.

Основной итог диссертационной работы заключается в теоретическом обобщении совокупности новых научно обоснованных технических решений в рамках сформулированной проблемы и разработке методов и средств повышения эффективности функционирования систем обработки сигналов в комплексах тропосферной связи, в целях их совершенствования и ускорения научно - технического прогресса.

Результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях.

Книга, диссертация

1. Книга: Моделирование каналов систем связи.--М.: Связь. 1979.— 95с. / Соавт.: Галкин А.П., Лапин Л.Н.

2.Самойлов А.Г. Электронное моделирование тропосферного радиоканала в целях повышения эффективности мобильных систем дальней тропосферной связи: Автореф. канд. диссертации / Владимирский политехнический институт. Владимир, 1975. -- 18 с.

Статьи в зарубежной печати:

3. Polushin P.A., Samoilov A.G. Impedance meter for an RF-pumped gas-discharge laser // JET .-1993. v.36. №5.-pp. 716-718.

4. Polushin P.A., Samoilov A.G. An adaptive pump generator for waveguide lasers // JET.--I995. v.38, part I.-pp. 206-211.

5. Samoilov A.G., Samoilov S.A., Polushin P.A. High-Power High-Frequency Transistor Generators // JET.--1996. v.39. №6,— pp.46-50.

Статьи в центральной печати:

6. Оценка эффективности мобильных систем тропосферной связи // Вопросы специальной радиоэлектроники. Серия ТРС.--1975. Вып. 3.-- с.86-93 / Соавт.: Раков В.И., Лапин А Н.

7. Методика определения длительности перерывов связи при тропосферном распространении // Электросвязь.-- 1978. №9 —с. 18--21 / Соавт.: Полушин П.А., Тараканков С.П.

8. Генератор инфранизкочасготпого сигнала // Приборы и техника эксперимента.-- 1978. № I .-с. 81 — 83 / Соавт.: Лапин A.M., Корытный М.З., Сушкова Л.Т., Марченко Е Я.

9. Оценка устройств комбинирования разнесенных сигналов // Электросвязь.-- 1980. №2..— с. 7 — 10 / Соавт.: Полушин П.А., Тараканков С.П.

10. Транзисторный генератор накачки волноводных СО2 лазеров // Приборы и техника экспе-римента.—1993. №5.— с. 242-243/Соавт.: Полушин П.А.

11. Высокочастотный генератор для медицинских исследований // Приборы и техника экспе-римента.—1994. №3.-- с. 209-210 / Соавт. : Полушин П.А.

12. Автоматическое согласование импеданса ВЧ генератора с газоразрядным лазером // Радиотехника и электроника РАМ.-1995. т.40. №2.— с. 325 - 332 / Соавт.: Мипеев А.П., Полушин П.А.

13. Адаптивный генератор накачки волноводных лазеров // Приборы и техника эксперимента.--

1995. №2,- с. 99-106 / Соавт.: Полушин П.А.

14. Универсальный мощный генератор ВЧ // Приборы и техника эксперимента,—1995. №5.--с. 197 / Соавт. : Полушин П.А.

15. Мощный генератор ультразвуковых частот // Приборы и техника эксперимента—1996. №2,— с. 168 / Соавт. : Полушин П.А.

16. Мощные высокочастотные транзисторные генераторы // Приборы и техника эксперимента.-

1996. N6,- с. 53-57 / Полушин П.А., Самойлов С.А.

17. Мощные транзисторные генераторы // Приборы и техника эксперимента -1996. N5.— с. 159/ Соавт.: Полушин П.А., Самойлов С.А.

Патент и авторские свидетельства на изобретения:

18. Патент№2056683 // Газовый лазер,- Б.И. 1996. №8 - с.52 /Соавт.: Мипеев А.П., Полушин П.А., Самойлов С.А.

19. А. с. № 428373 // Генератор псевдослучайной последовательности импульсов. — Б.И. — 1974, №18. - с. 137 - 138/Соавт.: Галкин А.П., Никитин О.Р.

20. А.с. №690513 // Генератор случайного сигнала.— Б.И. 1979,— №37,— с. 98 / Соавт.: Корыт-ный М.З., Марченко Е.Я., Сушкова Л.Т.

21. А.с. №770436 // Устройство приема разнесенных сигналов - Б.И. 1980, №37,— с. 122 / Соавт.: Полушин П.А., Тараканков С П.

22. А.с. №778403 // Устройство комбинирования разнесенных сигналов,- Б.И. 1980, №46.— с. 67 - 68 / Соавт.: Полушин П.А., Тараканков С П.

23. А. с. №794712 // Преобразователь частоты — Б.И. 1981. №1.-- с. 134 / Соавт.: Полушш H.A., Тараканков С.П.

24. A.c. №919110 // Устройство сложения разнесенных сигналов.-- Б.И. 1982. №13.--с.76 Соавг.: Полушнн П.А., Тараканков С.П.

25. №1088140 // Устройства разнесенного приема.-- Б.И. 1984, №15. --с. 36/ Соавт. : Полуши П.А.

26. №1092741 // Устройство приёма сигналов с двукратным разнесением.-- Б.И. 1984, №18. -с.73 / Соавт.: Покровский A.A., Полушин П.А., Левин Е.К.

27. A.c. №1118267 // Устройство разнесенного приема 4M сигналов — Б.И. 1984, №29,— с. 10 / Соавт.: Покровская И М., Полушин П.А.

28. A.c. № 1277409 // Устройство сдвоенного приема сигналов с разнесением частот,— Б.И 1986, №46. — с. 92 / Соавт.: Левин Е.К., Покровская И М., Полушин П.А.

29. A.c. №1277868 // Устройство компенсации помех,- Б.И. 1987, №1.- с.14 / Покровска U.M., Полушнн П.А.

30. A.c. №1286079 // Устройство приема широкополосных сигналов с двукратным разнесение .-- Б.И. 1987, №7 — с. 107 / Соавт.: Левин Е.К., Покровская И.М., Полушин П.А

31. Ас . №1336256 // Двухканальное устройство подавления помех - Б.И. 1987, №33.— с. 128 / Соавт.: Бабкин В.Я., Левин Е.К., Полушин П.А.

32. A.c. №1406801 // Устройство компенсации помех при сдвоенном привме.-Б.И. 1988, №24 - с. 49 / Соавт.: Левин Е.К., Полушин П.А.

33 . A.c. №1619415 // Двухканальное устройство подавления помех.-Б.И. 1991. №1.— с. 80 /Соавт.: Левин Е.К., Полушин П.А.

34. A.c. №1628206 // Линия связи - Б.И. 1991 №6 - с 118/ Соавт.: Левин Е.К., Полупи П.А.

35. A.c. №1743319 // Газовый лазер,- Б.И. 1992. №23. -с. 41 / Соавт.: Липатов H.H., Мине А.П., Полушин П.А., Пшеничников В.И., Самородов В.Г.

Статьи в межвузовских сборниках научных трудов:

36. Имитатор многолучевого радиоканала ДТС. — В межвуз. сб. "Повышение эффективносп надежности радиоэлектронных систем".—Л.: ЛЭТИ, 1974. Вып. 1—с. 12 - 16 / Соавт,: П кии А.П., Лапин А Н., Рудаков В.И

37. Методика определения эффективности мобильных систем ДТРС. — В межвуз. сб. "Повышение эффективности и надежности РОС".-- Л.: ЛЭТИ. 1974. Вып. 2. -- с. 3-8 / Соавт.: Раков В.И., Лапин A ll.

38. К вопросу математического описания замираний при тропосферной радиосвязи. - В межвуз. сб. Повышение эффективности и надежности радиоэлектронных систем". -Л.: ЛЭТИ. 1974. Вып. 3. -- с. 43-48 / Соавт.: Исакевич В.В.

39. Моделирование радиоканалов на промежуточной частоте. -- В межвуз. сб. "Повышение эффективности и надежности радиоэлектронных систем". --Л.: ЛЭТИ. 1975. Вып. 4. -- с. 32 -35.

40. Имитация группового времени запаздывания канала ДТС. — В межвуз. сб. "Повышение эффективности и надежности радиоэлектронных систем". -Л.: ЛЭТИ. 1975. Вып. 4. — с.36 -40 / Соавт.: 5. Воробьев A.A., Галкин А.П.

41. Аналитическое описание быстрых замираний в каналах с рассеянием. -- В межвуз. сб. "Повышение эффективности и надежности радиоэлектронных систем". - Л.: ЛЭТИ. 1975. Вып. 5. -- с. 72 - 80 / Соавт.: Исакевич В.В., Лапин А Н.

42. Имитатор быстрых замираний канала ДТС. - В межвуз. сб. "Повышение эффективности и надежности радиоэлектронных систем". -- Л.: ЛЭТИ. 1975. Вып. 5. -- с. 85 - 90 / Соавт.: Исакевич В В., Марченко Е.Я.

43. Функциональный АЦП. —В межвуз. сб. "Повышение эффективности и надежности радиоэлектронных систем". --Л : ЛЭТИ. 1976. Вып. 7. — с. 102- 107/Соавт.: Орехов В.В., Покровский A.A.

44. Математическое описание и моделирование медленных замираний в каналах тропосферной связи.-- В межвуз. сб. "Вопросы обработки сигналов",— Л.: ЛЭТИ. 1976. Вып. 1. — с. 39 - 34 / Соавт.: Корытный М.З., Марченко Е.Я, Гараканков С П.

45. Имитатор времени запаздывания в каналах ДТС,- В межвуз сб. "Вопросы обработки сигналов",- Л.: ЛЭТИ. 1976. Bun. 1,- с. 127 - 132 / Соавт.: Галкин А.П., Орехов В В., Тараканков СП.

46. Эффективность устройств комбинирования сигналов для наихудших условий распространения тропосферной связи.-- В межвуз. сб. "Повышение эффективности и надежности радиоэлектронных систем",— Л.: ЛЭТИ. 1979. Вып. 9. - с.68 - 71 / Соавт.: Полушин П.А., Тараканков СП.

47. Метод борьбы с внутриполосными побочными излучениями — В межвуз.сб. "Методы н устройства обработки сигналов в радиотехнических системах",— Горький. 1988. -

с. 43-47.

Тезисы докладов на НТК:

48. Адаптивное согласование мощных волноводных СО2 лазеров с генератором накачки // Лазерные технологии-95, 11ХА-95: тез. докл. МНТК, г.Шатура, Моск. обл., 1995. — с.25 / Соавт. : Полушин П.А.

49. Адаптация импеданса генератора ВЧ накачки газоразрядных лазеров // Перспективные технологии в средствах передачи информации: Материалы МНТК, г. Владимир, 1995.- с.183-187 / Соавт.: Минеев А.П., Полушин П.А.

50. Проблемы построения ВЧ генераторов накачки волноводных СОг лазеров // Перспективные технологии в средствах передачи информации: Материалы МНТК, г. Владимир, 1995-

51. Высокочастотные генераторы для медико-биологических исследований // Физика и радиоэлектроника в медицине и биотехнологии: Материалы МНТК, г. Владимир, 1996 —с. 116-119 / Соавт.: Полушин П.А., Самойлов С.А.

52. Кибернетическая система согласования волноводного газоразрядного пространства // Конверсия, приборостроение, рынок: тез. докл. МНТК, г. Суздаль-Владимир, 1997. -

с. 209-212 / Соавт.: Полушин П.А., Самойлов С.А.

53. Эффективность энерговклада в волноводно-разрядную структуру газовых лазеров // Перспективные технологии в средствах передачи информации : Материалы 2-ой МНТК, г. Владимир. 1997.— с. 177-180 / Соавт.: Минеев А.П., Пашинин ГШ., Полушин П.А., Самойлов С.А.

54. Перспективы и проблемы развития систем передачи информации через каналы с рассеяни ем // Перспективные технологии в средствах передачи информации : Материалы 2-ой МНТК г. Владимир. 1997. - с. 213-215.

55. Применение компенсационных методов борьбы с внешними помехами при радиосвязи / Развитие и внедрение новой техники радиоприемных устройств: тез. докл. ВНТК, Горький 1981.- с. 4 / Соавт.: Полушин П Л.

56. Погрешности измерения параметров помеховых компонент в двухканалыюм компенсатор! // Проблемы метрологического обеспечения систем обработки измерительной информации тез. докл. 5-ой ВНТК, Москва, 1984. — с. 178 / Соавт.: Полушин П.А., Левин Е.К.

57. Метод борьбы с комплексом узкополосных помех в системах связи с пространственны! разнесением //Симпозиум по ЭМС радиоэлектронных средств: тез. докл. ВНТС, М.: Радио связь, 1985. - с.13.

58. Метод компенсации помех при неопределенности помеховой обстановки // Обработка сш налов в системах двусторонней телефонной связи : тез. докл. 7-ой ВНТК, г. Москва. 1997. I

с.32-35.

70-73.



/г згг/Лу

ВЛАДИМИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

оидиум ВАК России

1э Ж. №

2 ОТ " " "" --

а

I присудил ученую степень ДОКТОРА \<

правах рукописи

наук

И Начальник управления ВАК России

САМОЙЛОВ АЛЕКСАНДР ГЕОРГИЕВИЧ

СИСТЕМА ОБРАБОТКИ МНОГОЛУЧЕВЫХ СИГНАЛОВ В КОМПЛЕКСАХ СВЯЗИ

05.12.13 - системы и устройства радиотехники

и связи

Диссертационная работа на соискание ученой степени доктора технических наук

Владимир 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..............................................................................................................................6

Глава 1. Задача совершенствования систем обработки сигналов в комплексах дальней тропосферной связи ...............................11

1.1. Системы обработки сигналов многолучевых каналов.........................................................................................................................И

1.2. Постановка задачи исследований................................................................15

1.3. Выводы.................................................................................................................19

Глава 2. Разработка имитатора многолучевого канала передачи информации...........................................................................................20

2.1. Разработка математической модели радиоканала....................................20

2.1.1. Основные положения...........................................................................................20

2.1.2. Быстрые замирания......................................................................................22

2.1.3. Медленные замирания и суточный ход параметров этого процесса..................................................................................................39

2.1.4. Временные и селективно-частотные замирания ............................43

2.2. Адекватность математической модели дальнего тропосферного радиоканала реальным каналам передачи информации................................................................................................................48

2.3. Разработка алгоритма имитации радиоканала...........................................50

2.3.1. Общие положения........................................................................................50

2.3.2. Алгоритм имитации медленных замираний................................................54

2.3.3. Алгоритм имитации временных и селективно-частотных замираний.........................................................................................................................................58

2.3.4. Алгоритм имитации быстрых замираний................................................60

2.4. Практические результаты оценки подобия имитатора...... ..... 64

2.5. Выводы............................................................................................................71

Глава 3. Анализ систем обработки сигналов при разнесенном

приеме..................................................................................................72

3.1. Общие положения................................................................................72

3.2. Вероятность срывов передачи сигналов при многолучевом

распространении........................................................................... 72

3.3. Разработка алгоритма оценки помехоустойчивости устройств комбинирования сигналов методом автовыбора......................................................................................................... 79

3.4. Разработка алгоритма оценки помехоустойчивости устройств линейного сложения разнесенных сигналов..................... 81

3.5. Разработка алгоритма оценки помехоустойчивости при оптимальном сложении.................................................................... 83

3.6. Исследование погрешности разработанных алгоритмов....................................................................................................... 85

3.7. Анализ помехоустойчивости устройств комбинирования ... 87

3.8. Анализ устройств сложения сигналов при воздействии внешних помех.................................................................................. 88

3.8.1. Оптимальное сложение.......................................................... 91

3.8.2. Линейное сложение................................................................ 101

3.8.3. Автовыбор................................................................................ 106

3.9. Выводы........................................................................................ 109

Глава 4. Разработка методов обработки сигналов для повышения помехозащищенности систем с разнесенным приемом...................................................................................................... 110

4.1. Методы адаптивной компенсации помех................................ ПО

4.2. Алгоритмы адаптивной фильтрации....................................... 114

4.3. Метод компенсации с повышенной универсальностью к виду помех......................................................................................... 123

4.4. Метод компенсации помех при неопределенности помехо-

вой обстановки.................................................................................. 136

4.5. Метод подавления узкополосной сосредоточенной помехи......................................................................................................... 140

4.6. Метод борьбы с комплексом узкополосных помех............... 151

4.7. Методы борьбы с помехами в системах с шумоподобны-

ми сигналами..................................................................................... 157

4.8. Выводы........................................................................................ 162

Глава 5. Алгоритмы управления при формировании мощных

сигналов............................................................................................. 163

5.1. Методы формирования мощных высокочастотных сигналов передатчиков ДТС..................................................................... 163

5.2. Анализ устройств сложения и деления мощных сигналов..............................................................................................................................................................................................................167

5.3. Алгоритмы защиты мощных каскадов усиления от перегрузок....................................................................................................................................................................................................174

5.3.1. Причины отказов мощных транзисторов и их защита..................................................................................................................................................................................................................174

5.3.2. Метод защиты по уровню отраженной от нагрузки энергии..............................................................................................................................................................................................................179

5.3.3. Алгоритм защиты мощного каскада по изменениям постоянной составляющей коллекторного тока................................................................183

5.3.4. Алгоритмы защиты, основанные на использовании пилот-сигналов............................................................................................................................................................................185

5.4. Выводы..............................................................................................................................................................................186

Глава 6. Алгоритмы управления сигналами при работе систем на динамически изменяющуюся нагрузку..................................... 187

6.1. Проблемы согласования мощных генераторов с нагрузкой....................................................................................................... 187

6.2. Алгоритм измерения импеданса флуктуирующей нагрузки высокочастотного генератора.......................................................... 188

6.3. Разработка градиентного алгоритма управления согласованием................................................................................................. 189

6.4. Разработка алгоритма управления согласованием непрерывного действия............................................................................. 196

6.5. Выводы....................................................................................... 203

Заключение....................................................................................... 204

Литература......................................................................................... 207

Приложения

П. 1 Влияние суточного хода параметров процесса медленных замираний на интегральную плотность распределения вероятностей этого процесса...................................................................... 221

П.2. Материалы о внедрении результатов диссертационной работы

П.2.1. Акт внедрения изобретения А. С. № 1092741................... 227

П.2.2. Акт внедрения имитатора канала ДТС на предприятии п/я А-3741.......................................................................................... 228

П.2.3. Акт внедрения имитатора ДТРК на предприятии п/я А-7956.......................................................................................... 229

П.2.4. Акт внедрения компенсатора помех в ГосЫИИРадио...... 230

П.2.5. Протокол внедрения измерителя мощности в Институте общей физики РАН.......................................................................... 231

П.2.6. Акт внедрения ВЧ генератора (200 Вт) в НИЦ ТИВ Объединенном институте высоких температур РАН......................... 232

П.2.7. Протокол внедрения трех генераторов в МГУ им. М.В. Ломоносова........................................................................................ 233

П.2.8. Акт внедрения генератора (500 Вт) в Институте общей физики РАН..................................................................................... 234

П.2.9. Акт внедрения устройства компенсации помех ДТС в МНИРТИ............................................................................................ 235

П.2.10. Протокол внедрения мощного генератора ВЧ в Институте общей физики РАН................................................................... 236

П.2.11. Акт использования результатов работы во Владимирском государственном университете.............................................. 237

Введение

Актуальность проблемы. Одной из главных проблем развития сложных систем дальней радиосвязи является повышение эффективности управления их сигналами. Особенно остро это проявляется в условиях многолучевых каналов передачи информации, когда параметры сигналов подвержены случайным, а часто и нестационарным флуктуа-циям. Большая роль систем с многолучевостью, применяемых в дальней радиосвязи, в радиолокации и навигации, в медицинской диагностике, в телеметрии и т.д., а также масштабы их практического применения, переводят эту проблему в разряд важнейших задач науки и техники.

Разработка алгоритмов обработки сигналов, эффективно использующих возможности многолучевых каналов и функционирующих с учетом их основных свойств, в явной форме способствует росту эффективности нужных хозяйству страны систем и вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в области радиосвязи. Бурный рост темпов развития средств мобильной радиосвязи, наблюдаемый сейчас в стране, и большие масштабы применения других систем управления определяют значительный экономический выигрыш при внедрении новых алгоритмов обработки сигналов.

Отметим тот большой вклад в исследование каналов и в разработку алгоритмов обработки сигналов в комплексах управления и связи, который внесли отечественные ученые Б.А. Введенский, Д.Д. Кловский, Ю.Г. Сосулин, В.В. Шахгильдян и многие другие.

Опыт использования систем дальней тропосферной связи (ДТС) показал, что единый подход при управлении сигналами, прошедшими многолучевые каналы (МК), отсутствует, а конкретные алгоритмы работы систем, позволяющие успешно выполнять частные задачи, далеки от совершенства. На примере практического использования систем ближней навигации и систем посадки самолетов подтвердим эту мысль.

Эксплуатация систем посадки самолетов в аэропортах с различными географическими и рельефными условиями показала отрицательное влияние многолучевых сигналов на качество работы систем навигации и посадки. Источниками многолучевости, возникающей за счет многочисленных переотражений сигналов, выступают аэродромные сооружения, транспортные наземные и воздушные средства, неровности поверхности земли и различные хозяйственные объекты.

Полное устранение источников переизлучений - практически не реализуемая задача, а радикально избавиться от переотражений сигналов аппаратурными средствами путем освоения гигагерцового диапазо-

на рабочих частот и использования пространственной селекции сигналов за счет применения узконаправленных антенн и выбора места расположения радиомаяков не удается. Наличие переотраженных от местных предметов сигналов приводит к зависимости сигналов управления и эксплуатационных параметров систем навигации и посадки самолетов от климата, влажности, характеристик подстилающей поверхности, температуры и других случайных показателей.

Необходимое хозяйству страны повышение интенсивности использования аэродромов вступает в противоречие с явлением многолучево-сти сигналов. Возникает актуальная народнохозяйственная и научная проблема обеспечения высокого качества функционирования систем управления в условиях многолучевых каналов.

Проблема универсальна для большинства систем, так как задачи управления сигналами в системах дальней тропосферной радиосвязи, в телеметрии, в медицинском диагностическом оборудовании, в радионавигации и в целом ряде других сложных систем основаны на близких друг к другу алгоритмах.

Особенно остро она проявляется в комплексах ДТС, использующих разнесенный прием, так как присутствие многолучевости в каналах формирования, передачи и обработки сигналов для систем тропосферной радиосвязи приводит к негативным последствиям, а именно:

- возникают случайные флуктуации амплитуды, фазы, времени распространения и обработки (замирания) сигналов, что приводит к резкому снижению основных качественных параметров системы;

- возрастает объем аппаратуры, используемой для выполнения поставленных целей, что увеличивает ее стоимость и уменьшает надежность систем;

- усложняются алгоритмы функционирования устройств управления и обработки информации;

- при разработке новых систем ДТС возникает необходимость в продолжительных натурных испытаниях, что затягивает сроки и увеличивает стоимость разработки.

Иногда разветвление сигналов организуют искусственно, для более эффективного выполнения целей, стоящих перед системой. Например, применение пространственного разнесения при передаче сигналов позволяет на приемной стороне получать копии информационного сигнала, прошедшие канал распространения различными путями ^вследствие этого, по разному искаженные и пораженные помеховыми сигналами. Использование искусственных каналов разветвления в мощных генераторных устройствах дает возможность практической реализации схем

сложения мощностей отдельных усилителей и позволяет достигать требуемых мощностей выходного сигнала применением элементной базы меньшей мощности.

И при естественной многолучевости, и при формировании ее искусственно требуются алгоритмы обработки сигналов, синтезированные так, чтобы система могла выполнять свою целевую задачу наиболее эффективно. Известные на настоящее время решения в рамках сформулированной проблемы ориентированы на традиционные методы, основанные на отладке и доработках систем с многолучевыми каналами путем дорогостоящих натурных испытаний, и имеют следующие недостатки:

- вынуждают закладывать необоснованные запасы по основным техническим характеристикам при разработке систем, что увеличивает их стоимость;

- не обеспечивают приемлемую помехозащищенность по отношению к различным возможным видам мешающих сигналов;

- не могут автоматически и адаптивно перестраиваться для наилучшего решения целевой функции системы;

- не позволяют оценить эффект от применения перспективных новых решений систем.

Наиболее целесообразный путь повышения качества функционирования систем ДТС - улучшение организации систем, основанное на методах математического и электронного моделирования многолучевого каналами реализация на этой базе новых алгоритмов обработки сигналов. При этом алгоритмы должны быть ориентированы на автоматическое и адаптивное выполнение целевых функций систем при компенсации возможных помеховых сигналов.

Цели работы, вытекающие из характера проблемы: разработка теоретических основ системы обработки многолучевых сигналов (СОМС) в комплексах связи и синтез семейства алгоритмов обработки сигналов с их реализацией и экспериментальным исследованием в реальных условиях эксплуатации.

Исходя из целей работы задачами исследования являются:

1. Построение математической модели многолучевого радиоканала.

2. Разработка и создание имитатора радиоканала.

3. Оценка подобия математической модели и имитатора реальным радиоканалам.

4. Анализ помехоустойчивости систем обработки многолучевых сигналов и разработка методики ее оценки.

5. Разработка семейства алгоритмов компенсации помеховых сигналов в условиях многолучевости.

6. Синтез алгоритмов управления при формировании мощных ВЧ сигналов на передающей стороне систем связи.

Методы исследования. В работе использовались методы математической статистики, теории вероятностей, теории передачи информации, теории связи, методы моделирования, численные методы решения задач и методы экспериментального исследования.

Научная новизна работы состоит в создании основ системы обработки сигналов в комплексах ДТС и сконцентрирована в следующем:

1. Предложена математическая модель многолучевого тропосферного радиоканала, определены и конкретизированы вариации ее параметров.

2. Созданы математическое обеспечение и методология построения имитаторов, адекватных реальным радиоканалам.

3. Получены соотношения для оценки помехоустойчивости при различных способах обработки многолучевых сигналов.

4. Предложено семейство алгоритмов адаптивной компенсации поме-ховых сигналов для помех различной структуры и вида. Синтезированы в том числе алгоритмы с повышенной универсальностью к виду помех, функционирующие и при априорной неопределенности помеховой обстановки.

5. Разработаны алгоритмы адаптивного согласования импеданса передатчиков с переменными нагрузками.

Практическая ценность работы. Вошедшие в диссертацию результаты получены автором при выполнении работ, проводившихся по постановлениям правительственных органов в интересах МПСС, МРП, МС, АН СССР и РАН в период с 1972 по 1998 г г., а также в соответствии с планами госбюджетных и хоздоговорных работ Владимирского государственного университета. Окончательные теоретические результаты получ