автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Совершенствование систем полосовой фильтрации с возрастным гетеродинированием

4ВЭОIю

/

Могучёнок Денис Юрьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМ ПОЛОСОВОЙ ФИЛЬТРАЦИИ С ВОЗВРАТНЫМ ГЕТЕРОДИНИРОВАНИЕМ

05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

2 7 ОКТ 2011

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2011

4858116

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.

Научный руководитель Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, доцент В. М. Устименко

доктор технических наук, профессор С. В. Томашевич кандидат технических наук, с.н.с. С. В. Богачев

Ведущая организация фгуп «государственный научно-

исследовательский институт прикладных проблем»

Защита состоится » У 2011 г. в •/Ц часов на заседани

Диссертационного совета Д 219.004.01 при Санкт-Петербургско государственном университете телекоммуникаций им. проф. М. А. Бон1 Бруевича по адресу: 191186 Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печати учреждения, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученог секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан / \ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор ( В. В. Сергеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Постоянное развитие элементной базы, методов компьютерного проектирования, радиотехнических контрольно-измерительных средств позволяют проектировать сложные системы фильтрации (СФ) и решать с их помощью новые научно-технические задачи.

Проблема фильтрации сверхвысокочастотных сигналов, а также многие задачи по созданию современных и эффективных СФ всегда были и остаются актуальными и относятся к числу основных в радиотехнике. К таким задачам можно отнести создание полосовых фильтров с заданными характеристиками и плавно регулируемой полосой пропускания с большим коэффициентом перекрытия, построение которых связано с техническими трудностями. Для достижения высококачественных характеристик и улучшения фильтрующих свойств СФ необходима сложная, многопараметрическая оптимизация их параметров.

Одним из возможных способов решения перечисленных задач является использование метода фильтрации, основанного на возвратном (двух или многократном) гетеродинировании (ВГ). Селективные устройства, в которых применяется этот метод, называются в литературе системами фильтрации с возвратным гетеродинированием (СФВГ).

Основоположником данного метода фильтрации можно считать В.И. Юзвинского, предложившего его еще в 1941 г. Метод получил большое распространение в радиотехнике и нашел применение в трактах промежуточных частот радиоприемных устройств, синтезаторах частоты, в системах фильтрации.

Несмотря на широкое распространение СФВГ, поиск современных инженерных решений, направленных на совершенствование технических характеристик, повышение их эффективности, является актуальной научно-исследовательской задачей.

Состояние вопроса в рассматриваемой области характеризуется следующими основными достижениями. Метод В.И. Юзвинского был применен и существенно развит в работах и изобретениях, реализующих СФ с возможностью плавной регулировки полосы пропускания. Наиболее важные теоретические и практические результаты были получены в работах В.А. Левина, Г.А. Норкина, A.A. Паина, Д.Н. Шапиро, B.C. Мостыко.

В иностранной литературе метод ВГ встречается под названием «drift -cancel loop», где заслуживают рассмотрения результаты исследований Б. Голдберга, Б. Кади, В. Манасевича, У. Роде.

Анализ текущих исследований в области СФВГ показывает, что существует актуальная научно-техннческая проблема поиска инженерных решений, направленных на повышение эффективности СФ и совершенствование её технических характеристик.

Объект исследования - многокаскадная система полосовой фильтрации, построенная на основе возвратного гетеродинирования.

Предмет исследования - подлежащие возможному улучшению технические характеристики системы: динамический диапазон и коэффициент компенсации.

Цель работы - повышение динамического диапазона и улучшение компенсационных свойств СФВГ путем оптимизации структуры и выбора оптимальных параметров узлов системы.

Задачи исследования

1. Систематизация и анализ ранее проведенных исследований СФВГ, их структурная классификация.

2. Математическое описание частотного н-кратного преобразования сигналов в СФВГ.

3. Анализ прохождения радиосигналов через цепи СФВГ. Оценка полученных искажений, анализ возможности применения квазигармонического и спектральных методов к решению данных задач.

4. Исследование возможности достижения максимального динамического диапазона (ДЦ) посредством выбора оптимальных параметров каскадов. Разработка алгоритма расчета оптимальных коэффициентов передачи каскадов СФВГ. Уточнение методики каскадирования многокаскадных устройств. Обобщение правил каскадирования.

5. Исследование влияния подключения линии задержки (JI3) в СФВГ на улучшение компенсационных свойств.

6. Определение оптимальной величины линии задержки и уточнение методики расчета коэффициента компенсации для цепи фильтра основной селекции (ФОС) с нелинейной фазочастотной характеристикой (ФЧХ).

7. Компьютерное имитационное моделирование (ИМ) и экспериментальные исследования СФВГ. Сравнительный анализ полученных экспериментальных и теоретических результатов.

8. Анализ возможности применения методов и принципов ЦОС в СФВГ.

Методы исследований. Перечисленные задачи решены следующими методами: спектрального анализа, квазигармоническим методом, с помощью теории радиоприема, инженерных расчетов с применением прикладных пакетов - MathCAD, AppCAD, Matlab. Часть результатов в работе получена с использованием вычислительных алгоритмов, реализованных в виртуальной среде Lab VIEW. Компьютерное имитационное моделирование работы СФВГ выполнено с помощью прикладного пакета Microwave Office.

Научная новизна и новые научные результаты

1. Обобщена и систематизирована информация о применении метода ВГ для приема, формирования и обработки радиосигналов.

2. Полумены аналитические выражения для расчета оптимальных коэффициентов передачи в СФВГ, обеспечивающих максимальный динамический диапазон. Разработан пошаговый алгоритм расчета коэффициентов, и разработано его реализующее программное обеспечение. Программное обеспечение зарегистрировано в Федеральном институте промышленной собственности (ФИПС), свидетельство № 2011612431 от 23.03.2011 г.

3. Уточнена методика каскадирования для достижения максимально возможного динамического диапазона.

4. Улучшены компенсационные свойства СФВГ с помощью введения липни задержки. Предложен итерационный цикл вычислений оптимальной величины ЛЗ при моделировании и проектировании СФВГ по критерию максимума показателя эффективности компенсации.

5. Проведено компьютерное ИМ работы СФВГ в прикладных пакетах Microwave Office и LabVIEW.

6. Выполнены экспериментальные исследования, подтверждающие достоверность полученных теоретических выражений, и предложены практические рекомендации по улучшению технических характеристик СФВГ.

7. Рассмотрено применение принципов ЦОС при реализации отдельных узлов СФВГ.

Практическая значимость и реализация результатов работы

1. Для достижения максимального динамического диапазона многокаскадной СФВГ решена задача определения оптимальных коэффициентов передачи каждого каскада. Составлен пошаговый алгоритм, и разработано программное обеспечение для расчета данных коэффициентов.

2. Получен ряд необходимых и достаточных условий каскадирования для достижения следующих целей: максимального динамического диапазона, минимальной шумовой температуры или минимальных нелинейных искажений.

3. Предложен итерационный цикл вычислений времени задержки JI3 для улучшения компенсационных свойств СВФГ. Получены практические выражения для расчета коэффициента компенсации с учетом влияния нелинейности ФЧХ фильтра основной селекции. Произведена практическая проверка полученных выражении при проведении моделирования и экспериментов.

4. Результаты диссертационной работы использовались в разработках систем фильтрации, применяемых:

- в аппаратуре трансляции телевизионного сигнала для системы кабельного телевидения - ОКР «Магистральный избирательный усилитель» в ООО «СВЧ-Радиосистемы» (Санкт-Петербург);

- в ОКР «Жасмин-СПВ-ТА» устройства фильтрации радиопомехи для когерентного компенсатора на основе метода возвратного гетеродин ирова-ния в ООО «Специальный технологический центр» (Санкт-Петербург);

- в НИР «Караван-2», «Караван-3» при реализации системы фильтрации с возвратным гетеродннированием, выполненных ФГУП «РНИИРС» (г. Ростов на Дону).

Апробация работы. Материалы диссертационной работы обсуждались и получили одобрение: на 56, 57, 58, 63-й НТК СПбГУТ (Санкт-Петербург, 2004-2011); на международном форуме «Новые инфокоммуни-кационные технологии: достижения, проблемы, перспективы», посвященном 50-летию НЭИС СпбГУТИ (г. Новосибирск, 2003); на ежегодной Всероссийской НТК, посвященной 112-й годовщине Дня радио (г. Красноярск, 2007); на 3-й Международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (г. Липецк, 2011).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 13 печатных работах, включая 5 публикаций в виде тезисов докладов, 7 статей, из них 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, а также заявке на регистрацию программы, по которой получено свидетельство № 2011612431.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения, списка литературы и двух приложений. Основная часть работы содержит 148 страниц текста, 64 рисунка, 9 таблиц, включает 108 наименований литературы.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Предложенная методика вычисления оптимальных коэффициентов передачи в СФВГ позволяет определить такие коэффициенты передачи, при которых достигается максимальный динамический диапазон всей системы фильтрации.

2. Программа расчета оптимальных коэффициентов передачи, созданная на основе предложенной методики, является пригодной для проведения исследований и решения более широкого круга научных задач.

3. Применение методики каскадирования позволяет реализовать СФВГ с наибольшим динамическим диапазоном. Предложенные правила каскадирования позволяют избежать снижения ДЦ при построении многокаскадной структуры системы фильтрации.

4. Разработанный итерационный цикл вычислений времени задержки J13 позволяет определить оптимальное ее значение с точки зрения наибольшей компенсации фазовых шумов гетеродина в СФВГ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность, научная новизна, сформулированы цель и задачи исследования, приведена структура диссертационной работы.

В первой главе проводится критический обзор отечественной и иностранной литературы по состоянию вопроса исследований СФВГ. Отмечены основные проблемные направления исследований СФВГ. По данным направлениям сформулирована цель работы и поставлены задачи для её достижения.

Проведен анализ основных типов СФВГ и системотехнических особенностей их построения. Для схемы с однократным возвратным гетероди-нированием (рис. 1) проведен анализ работы, и рассмотрены компенсационные свойства на её примере.

Рис. 1. Структурная схема СФВГ с однократным гетеродинированием: 1, 9 - фильтры комбинационных частот; 2, 8 - смесители; 3 —ФОС;

4 - делитель мощности; 5 - гетеродин; 6 — усилитель; 7 — ЛЗ

В СФВГ полезный сигнал явх(0 с частотой /0 с помощью сигнала гетеродина 5 преобразуется в смесителе 2 на промежуточную частоту/„.„ далее поступает в ФОС 3 и с помощью частотытого же гетеродина транспонируется в смесителе 8 на исходную частоту/0.

При соблюдении определенных условий внесенная частотная нестабильность сигналом гетеродина 5 в смеситель 2, может быть скомпенсирована в процессе ВГ в смесителе 8.

В усилителе 6 компенсируется ослабление сигнала, полученное при преобразовании в смесителях 2, 8 и прохождении ФОС. Регулировка частоты гетеродина позволяет изменить полосу пропускания (ПП). Эффективность фильтрации повышается благодаря увеличению эквивалентной добротности ФОС на величину отношения частот/о //пч-

Составлена структурная классификация по иерархическому принципу (рис. 2). С каждым уровнем иерархии усложняется структурная схема, и появляются новые возможности управления параметрами СФВГ и подавления уровней внутренних комбинационных помех.

Регулировка

центральной

частоты.

нижнего ската -А

и верхнего -у

ската АЧХ

Регулировка

только одного ската АЧХ

2/ысратное преобразование

г

Четырехкратное п реобразование

Л-

м-

Трехкратое преобразование

Регулировка центральной

частоты и ширины АЧХ

Двукратное преобразование «Цепь Юзвинского»

Квадратурное двукратное преобразование

Рис. 2. Классификация по иерархическому принципу СФВГ

Проанализированы методики исследований СФВГ, рассмотрена адекватность их использования. Рассмотрена возможность применения квазигармонического и спектрального методов. Проведен анализ вариантов использования современных прикладных программ Microwave Office, LabVieW для проведения компьютерного ИМ.

Показано, что при регулировке ПП посредством изменения частоты гетеродина изменяются основные параметры СФВГ: коэффициенты регулировки ПП, прямоугольности, шума; ширина шумовой полосы. Указана необходимость введения допустимых пределов для них.

Анализ прохождения радиосигналов показал, что влияние нелинейности ФЧХ фильтра основной селекции приводит к изменению спектрального состава выходного колебания в СФВГ. Даже при гармонической модуляции частоты спектр выходного колебания содержит большое число пар боковых частот. Нарушение исходных амплитудных и фазовых соотношений между отдельными парами боковых частот приводит к искажению закона модуляции даже при полной симметрии характеристик цепи относительно несущей частоты колебания.

Во второй главе получены аналитические выражения коэффициента передачи (КП) в СФВГ для достижения максимально реализуемого динамического диапазона (ДЦ).

Без потери общности и для упрощения анализа рассмотрен приведен-Л-

ный ДЦ — , который представляет собой отношение суммарной 7V

мощности насыщения Ру к суммарной шумовой температуре 7V.

Суммарная мощность насыщения «-каскадного устройства

/V =

I

+ Z

ч

=2V

«-1

ПК /"=1

(1)

где Р, - мощность насыщения /-го каскада, А', — КП /-го каскада, п - число каскадов.

Суммарная шумовая температура 7у /7-каскадного устройства

'=24 У

где 7)- шумовая температура г'-го каскада.

Для определения оптимального КП /-го каскада выражение приведенного ДД представлено как функция от ^ при следующих допущениях:

1) у всех каскадов выход предыдущего согласован с входом последующего;

2) шумовые полосы от предыдущего каскада к последующему каскаду не увеличиваются.

Для поиска экстремума решены уравнения относительно А; вида

=0,и получено обобщенное выражение для КП /'-го каскада

где 2. ,1) - суммарная мощность насыщения устройства с 1-го до /'-го каскада; Р^ц !,...,„)- суммарная мощность насыщения устройства с (/+1)-го до оконечного каскада; Т(1 ;>,...о - суммарная шумовая температура устройства с 1-го до ¡-го каскада; Ту м.....,) - суммарная шумовая температура устройства с (/'+1)-го до оконечного каскада.

На основе полученного выражения (3) составлен пошаговый алгоритм поиска оптимальных КП, при которых достигается максимальный ДЦ системы (рис. 3).

На первом шаге итерации вычисляется КП для первого каскада, после фиксирования полученного результата вычисляется КП для второго каскада, и так далее до последнего каскада. После расчета КП оконечного каскада вычисляется текущее значение ДЦ. Целевая функция (ЦФ) в данной задаче оптимизации представляется в виде выражения для ДЦ как функции от п переменных значений КП А;,. Оптимизация заключается в поиске значений КП, при которых ЦФ достигает экстремума. Для автоматизации предложенного алгоритма разработано специальное программное обеспечение, которое зарегистрировано в ФИПС.

Проведена сравнительная оценка вычислительной и временной сложности алгоритма. Показано, что предложенный алгоритм по показателю вычислительной сложности имеет меньше затрат в сравнении с алгоритмами Гаусса-Зейделя, слепого поиска, прямого перебора и не зависит от размера шага поиска КП (рис. 4).

дк,

} =

(3)

£;=С0П31

-.Да

б т

Вычисление

к,

Да

Нет

/:=Ш ^

8

.' г -С- Л ' .

Вычисление ДЦ

~~ к

10' "...

цф<€ ' , Да /11 ВЫВОД /

' ДД.А-/ /

. 12 ' ( Окончание )

Рис. 3. Структурная схема предложенного алгоритма

12 3 4 5 6 7

Количество жзскадов

Рис. 4. Результаты сравнительного анализа количества расчетов ЦФ для различных методик

Анализ распределения усиления по каскадам при введении регулировки КП показывает, что более плоская характеристика экстремума ЦФ достигается при сосредоточении усиления только в начальных и оконечных каскадах СФВГ.

Проанализирована и уточнена методика каскадирования применительно к трем и более каскадам. Составлена и решена система алгебраических неравенств, для критериев каскадирования. Анализ полученных результатов показал, что условие каскадирования по мере динамического диапазона М„л1<Мша<М1щз будет выполняться тогда и только тогда, когда соблюдаются условия каскадирования по мерам шумовой температуры А/ш1<Мш2<Мшз и нелинейных искажений

Мн,<М„2<Мн3.

В третьей главе проанализированы спектральный состав шумов и спектральная плотность мощности (СПМ) фазового шума (ФШ) разных типов автогенераторов, используемых в качестве гетеродина СФВГ.

Рассматриваются основные причины, ухудшающие степень компенсации фазовых шумов в СФВГ, к которым относятся:

1) временная рассинхронизация сигналов при возвратном гетеродини-ровании вследствие задержки сигналов в ФОС;

2) искажение закона изменения мгновенной частоты и фазы;

3) изменение амплитуды полезного частотного отклонения в зависимости от модулирующей частоты;

4) возникновение паразнтной АМ (ПАМ).

Проведен математический анализ процесса компенсации ФШ при наличии паразнтной угловой модуляции сигналом гетеродина. Показано, что в случае одиночного гармонического сигнала действующего на входе СВФГ, при отсутствии мешающих помех, приводящих к блокированию и интермодуляции, справедливо следующее выражение для девиации частоты сигнала на выходе системы:

ЛЮвых =1 а

3 Л '

До £2совШ + Р,

(4)

где 3 =

о 3 з I

а2 До)~тОзт2 С2/ + — а 3 Л о г„, соэЗ Ш слагаемое, учиты-

вающее вторую и третью гармонику сигнала девиации частоты; Д<згт - девиация частоты гетеродина, П - частота квазигармонической составляющей шумового спектра гетеродина; аь а?, аз - коэффициенты, учитывающие неравномерность ХГВЗ цепи ФОС.

Уточняется методика расчета коэффициента компенсации К в условиях квазигармонического приближения. Показано, что при гармонической форме и малых индексах ЧМ тг<\ или ФМ 6Г<1 паразитной модуляции сигнала гетеродина, коэффициент компенсации определяется выражением

к= Лаш / эвьк =ег / евж=шг/ евых=(хэ • п)_!, (5)

где 0ВЬК - выходной индекс модуляции СФВГ; тэ - эквивалентное время задержки.

Эквивалентное время тэопределяется так:

= х

ф

+ X.

где Х-0,75л2Дт - параметр, учитывающий неравномерность ХГВЗ; Дт -отклонение ХГВЗ при отстройке на величину О; Тф - время запаздывания в ФОС.

§ 0,4 я

В о^

I

з и *

3

о 0.1

о

К

4 п €

^ 2-

\

| <

-1-а) — — 1-2). —1— 1)—

10 20 30 40

50

60 70 30 100

Частота девиации , кГц Рис. 5. Зависимость выходного индекса модуляции от частоты девиации: I -расчет при 1=0; 2 - эксперимент: 3 - расчет при учете параметра X.

В результате расчетов и измерений (рис. 5) выходного индекса модуляции выявлены следующие области: а) для малых значений частот девиации, когда Аагт<0, неравномерность ХГВЗ сказывается мало, результаты вычислений при учете или не учете параметра X сравнимы; б) при Лсо,та~ £2 результаты измерений хорошо совпадают с результатами расчетов при учете А.; в) при Люгт>П начинает проявляться ограничение приближения П<Д(Огт и учет параметра X становится некорректным.

Разработан итерационный цикл подбора оптимальной величины ЛЗ по критерию максимума показателя эффективности компенсации (ПЭК).

Итерационный цикл заключается в выполнении следующих шагов:

- измерении односторонней СПМ ФШ выходного колебания в зависимости от величины тЛз;

- интегральной оценке мощности шума в полосе фильтрации ФОС по характеристике СПМ N9^fя,т) ФШ выходного колебания СФВГ

Р.. =Ю102

' и » (/■„

|ю 10

4Г

(6)

где ^в.^н- частотные границы полосы фильтрации СФВГ;

- нормировании выражения (6) полученных значений интегральной мощности к мощности шума Рш, в режиме выключенной ЛЗ, когда тлз = 0:

ПЭК = Яш(0)-/>ш(т), где ПЭК - показатель эффективности компенсации ФШ, дБ.

Максимальное значение ПЭК в предложенном итерационном цикле является критерием выбора величины т ЛЗ. Физически значение ПЭК показывает, на сколько децибел уменьшается интегральная мощность ФШ в полосе фильтрации при включении ЛЗ с величиной задержки тЛз-

В ходе компьютерного ИМ подтверждено, что при включении ЛЗ происходит компенсация ФШ сигнала гетеродина в полосе пропускания ФОС. Компенсация в среднем соответствует 10 - 15 дБ (рис. 6, 7). -20

-60 -80 -100 120

V

— - ----- ■ --- -

450 Г, МГц

445

450 С Ш

Рис. 6. Режим выключенной ЛЗ: Т;п-0

Рис. 7. Режим включенной ЛЗ: Тлз = Тэ=110 I

Получены зависимости ПЭК для двух типов ФОС с ХГВЗ малой неравномерности Дт « т0 (рис. 8,а), и с неравномерной ХГВЗ, где Дт = т0 (рис. 8,6).

ПЭК. дБ 20 .

15 10

5 О -5

А -------

i 1 V""

Л / ■2

ж

тар-*"* ¿jz'f-::-

ПЭК, дБ 16

1 2 3 4 т^/сэ 0 1 2

а) б)

Рис. 8. ПЭК, для разных полос фильтрации: / - 2,3 МГц; 2-5 МГц; 5-10 МГц; а) - равномерная ХГВЗ и б) - неравномерная ХГВЗ

Исследованы зависимости ПЭК для разных диапазонов интегрирования (6) и случая неравномерной и равномерной ХГВЗ ФОС (рис. 9). В результате отмечено, что наилучшая компенсация происходит только в полосе пропускания ФОС, за её пределами ПЭК снижается, причем для ФОС с неравномерной ХГВЗ спад зависимости происходит быстрее. Проведена оценка влияния регулировки полосы пропускания на ПЭК (рис. 10).

фос

Рис. 9. Зависимость ПЭК от диапазона интегрирования: 1 - равномерная ХГВЗ; 2 - неравномерная ХГВЗ

пэк/пэкм

1 F pací. МГц

Рис.10. Нормированный ПЭК при регулировке ПП: 1 - равномерная ХГВЗ; 2 - неравномерная ХГВЗ

Анализ полученных зависимостей (рис. 6-10) показал:

1. Максимальная компенсация происходит в полосе пропускания ФОС. При увеличении полосы происходит снижение показателя, так как влияют посторонние некоррелированные шумы.

2. Оптимальное время задержки тЛз не равно значению тф на цен-

тральной частоте АЧХ ФОС с неравномерной ХГВЗ (рис. 8,6). В этом случае необходимо применение итерационного цикла его расчета.

3. Увеличение ПЭК наблюдается при значениях тЛз = (0,5-1,5)тф. Для величин тлз свыше 2тф компенсация не наблюдается вследствие эффекта декореляции статистически независимых ФШ. На основе данных наблюдений рекомендуются граничные условия по выбору величины времени ЛЗ.

4. Сужение полосы измерений Рш требует более тщательного подбора величины ЛЗ, что можно оценить по графикам (рис. 8).

В четвертой главе приводятся описание исследовательского макета СФВГ (рис. 11) и результаты экспериментальных исследований. Предлагается программа и методика измерений исследовательского макета системы фильтрации. Приведены основные технические характеристики узлов макета. Обоснованы методы возмущающих воздействий на сигнал гетеродина. Приведена и описана методика измерений ФШ и малых индексов угловой модуляции.

сч,

ьн,

У,

НЬ ^

см,

12

ФОС

16

СМ2

АТТ,

ЦП,

Делит. Мощи.

./ У> \

13 Л1Т,

лз

14

21 17 ФКЧ

13 КН4

19

Анализатор спектра

"."ОТ

Делит. Мощи.

\/

24

АД ФКЧ

СЧ2

15 ФНЧ

2(1

Осциллсираф

Рис. 11. Структурная схема исследовательской установки: 1,10 - синтезаторы частоты; 2. 8, 10, 23 - усилители; 3, 6, 7, 18 - блоки питания; 4, 16 - смесители; 5. 13 - аттенюаторы; 9, 22 - делители мощности; 12 - фильтр основной селекции; 14 - линия задержки; 15 - фильтр низкой частоты; 17, 24 - фильтры комбинационных частот; 19 -амплитудный детектор; 20 - осциллограф: 21 - анализатор спектра

В ходе проведенных экспериментальных исследований получено подтверждение изменения вида модуляции сигнала на выходе СФВГ при ПЧМ

гетеродина. ПЧМ сигнала гетеродина преобразуется на выходе СФВГ в ПФМ (рис. 12). ПФМ сигнала гетеродина меняет значение индекса на выходе, однако при этом вид модуляции не изменяется (рис. 13).

Рис. 12. Результаты измерения и расчета Рис. 13. Результаты измерения и расчета выходного индекса модуляции системы выходного индекса модуляции системы при ПЧМ сигнала гетеродина при ПФМ сиги ала гетеродина

Сравнительный анализ спектральных составляющих полезного сигнала на выходе СФВГ относительно паразитной угловой модуляции енгнала гетеродина показал уменьшение их уровня на 35 - 40 дБ. Дополнительное уменьшение данных спектральных составляющих на 10 - 15 дБ достигается благодаря подключению ЛЗ (рис. 14, 15).

— ---- — —- 1 *» 1 [П •21 О! =»,

: -1 3" — ,0 1 И 1

ш

и| 1 0

\ N 1

| 10 1 1

ДО!» У У гЫ зЫ*" у. 1 а як

Рис. 14. Результаты измерения: 1 - выход- Рис. 15. Результаты измерения: 1 - выходной спектр сигнала гетеродина с ПЧМ; ной спектр сигнала гетеродина с ПФМ;

2 - спектр на выходе СФВГ ЛЗ-выкл.; 2 - спектр на выходе СФВГ ЛЗ-выкл.;

3 - спектр на выходе СФВГ ЛЗ-вкл. 3 - спектр на выходе СФВГ ЛЗ-вкл.

Измерение коэффициента компенсации при ПЧМ сигнала гетеродина в СФВГ показало хорошее совпадение результатов с расчетами по выражению (5), (рис. 16) для режимов включенной и выключенной ЛЗ.

Оценка СПМ ФШ на выходе СФВГ при шумовой частотной модуляции сигнала гетеродина с/л = 50 кГц, показала, что применение ЛЗ с оптимальным временем задержки тлз позволяет достичь компенсации СПМ ФШ до уровня (минус)! 19 дБн/Гц при отстройке на 10 кГц от несущей (рис. 17).

10 ЙВ/

-40 сШс/Нг

Й 85

Б

5

а 55

1

X..

Ч? г—ч

Ч, /3

• • -

20

Частота. кГц

Рис.16. Экспериментальные и теоретические Рис.17. Результаты измерения СПМ ФШ: результаты расчета коэффициента компен- 1 - СПМ ФШ сигнала гетеродина; 2 - СПМ сации ПЧМ сигнала гетеродина: 1 - расчет ФШ на выходе СФВГ, ЛЗ-выкл.; 3 - СПМ ЛЗ-вкл.; 2-эксперимент ЛЗ-вкл.; 3-расчет ФШ на выходе СФВГ, ЛЗ-вкл.; 4 - собст-ЛЗ-выкл.: 4 - эксперимент ЛЗ-выкл. венная СПМ ФШ - спектроанализатора

В ходе экспериментальных исследований зафиксирована ПАМ на выходе СФВГ при угловой модуляции сигнала гетеродина. Установлено, что на уровень выходной ПАМ влияет режим работы смесителей. Поэтому остаточный уровень не компенсируемых шумов объясняется наличием ПАМ, вызванной ЧМ А VI конверсией (рис. 17).

Сравнительный анализ подтвердил совпадение основных результатов теоретических и экспериментальных исследований.

В пятой главе рассматривается реализация узлов СФВГ с применением методов и принципов ЦОС. Предложена структурная схема цифровой СФВГ. Производится расчет характеристик цифровых фильтров и суммарной задержки цифрового тракта фильтрации. Получена зависимость коэффициента прямоугольное™ КИХ - фильтра от числа требуемых коэффициентов для его реализации.

Анализируются возможность применения в СФВГ синтезаторов на основе прямого синтеза частоты и на основе кольца ФАПЧ.

С помощью компьютерного ИМ производится оценка возможности реализации одноканального и двухканального синтезаторов на основе ФАПЧ с введенной задержкой сигнала. Анализ показал, что наблюдается эффект компенсации ФШ с разной степенью в зависимости от места расположения ЛЗ (рис. 18). Так, например, наибольший эффект компенсации достигается при включении ЛЗ на выход одноканального синтезатора на основе ФАПЧ.

4-40 445 450 455 ). МГц

Рис. 18. Результирующие СПМ ФШ в зависимости от включения ЛЗ и схемы гетеродина: 1 - ЛЗ выключена, схема с двумя ФАПЧ синтезаторами; 2 - ЛЗ включена в цепь опорного генератора для второго синтезатора ФАПЧ, схема с двумя ФАПЧ синтезаторами; 3 - ЛЗ включена на выход второго синтезатора с ФАПЧ, схема с двумя ФАПЧ синтезаторами; 4 - ЛЗ включена на выход синтезатора с ФАГП, схема с одним ФАПЧ синтезатором

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе проведенных в диссертационной работе исследований получены следующие основные результаты:

1. Систематизирована и обобщена информация о применении метода ВГ для приема и обработки радиосигналов. Проведен анализ основных типов СФВГ и системотехнических особенностей их построения. Предложена структурная классификация по иерархическим принципам и принципам принадлежности к обрабатываемым сигналам. Проанализированы методики исследований СФВГ, рассмотрена адекватность их использования. Проведен анализ вариантов использования современных прикладных программ для проведения компьютерного ИМ.

2. Разработана методика расчета оптимальных коэффициентов передачи в СФВГ, обеспечивающих максимальный динамический диапазон. На ее основе предложен алгоритм и разработано его реализующее программное обеспечение. Показано, что предложенный алгоритм не зависит от размера шага поиска коэффициентов передачи и требует меньше вычислительных и временных затрат в сравнении с другими алгоритмами: Гаусса - Зейделя, слепого поиска, прямого перебора.

3. Уточнена методика каскадирования и выдвинут ряд необходимых и достаточных условий каскадирования для достижения максимального динамического диапазона.

4. Получены выражения для расчета коэффициента компенсации СФВГ с нелинейной ФЧХ ФОС. Разработан итерационный цикл вычислений величины задержки ЛЗ в СФВГ, позволяющий определить оптимальное ее значение с точки зрения наилучшей компенсации фазовых шумов

гетеродина. Предложен показатель эффективности компенсации, как критерий выбора времени задержки JI3 при проектировании СФВГ.

5. Проведено компьютерное ИМ работы СФВГ в прикладных пакетах Microwave Office и LabVIEW. Показано, что целесообразнее применять ФОС с равномерной ХГВЗ, однако в случаях, когда ФОС имеет неравномерную ХГВЗ, необходимо использовать фазовые корректоры.

6. Выполнены экспериментальные исследования, подтверждающие достоверность полученных теоретических выражений, и предложены практические рекомендации по улучшению технических характеристик СФВГ.

7. Оценена возможность реализации отдельных узлов СФВГ на базе цифровой схемотехники. Произведены расчеты параметров КИХ - фильтров и общей задержки цепи ЦФОС. Проведено компьютерное ИМ работы одноканального и двухканального синтезаторов на основе кольца ФАПЧ.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Могучёнок Д. Ю. К определению коэффициентов передачи каскадов в системе фильтрации с возвратным гетеродинированнем // Датчики и системы. 2010. №10. — С. 29-31 (из перечня ВАК РФ).

2. Могучёнок Д. Ю. Оценка коэффициента компенсации паразитной угловой модуляции сигнала на выходе системы фильтрации с возвратным гетеродинированнем // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2011. № 7, (т. 9), - С. 25-29 (из перечня ВАК РФ).

3. Могучёнок Д. Ю. Методика определения величины линии задержки в системах фильтрации с возвратным гетеродинированнем // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. 2011. № 2 (56). - С. 104-106.

4. Могучёнок Д. Ю. Исследование синтезатора с ФАПЧ в системе фильтрации с возвратным гетеродинированнем // Отраслевые аспекты технических наук. 2011. jN'a 3 -С. 23-24.

5. Могучёнок Д. Ю. К методике каскадирования многокаскадных устройств // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. ст. / Под ред.: А.И. Громыко и др.; Сибирский федеральный университет. - Красноярск, 2007. - С. 82-83.

6. Могучёнок Д. ¡0. Исследование характеристики ГВЗ в фильтре с возвратным гетеродинированнем. // 3-я межд. науч. техн. конф: материалы. - Новосибирск, 2003; Техника и технология связи, т. 3. - С. 45-48.

7. Могучёнок Д. Ю. К оценке крутизны ската фильтра с возвратным гетеродинированнем /А. В. Арсенин. Д. ¡0. Могучёнок И 56-я НТК: материалы / СГ16ГУТ. - СПб, 2004. -С. 57.

8. Могучёнок Д. Ю. К оценке искажений АЧХ системы фильтрации с возвратным гетеродинированнем // 56-я НТК материалы / СПбГУТ. СПб, 2004 - С. 56-57.

9. Могучёнок Д. Ю. Оценка влияния времени задержки фильтрации в системах возвратного гетеродинирования // 58-я СНТК: материалы / СПбГУТ. СПб, 2004. -С. 37-38.

10. Могучёнок Д. Ю. Расчет потенциально достижимого динамического диапазона многокаскадного устройства / Д. Ю. Могучёнок, В. М. Уатшенко И 57-я НТК: материалы / СПбГУТ. - СПб, 2005.- С. 66.

11. Могучёнок Д. Ю. Моделирование компенсации фазовых шумов гетеродина в системе фильтрации с возвратным гетеродинированием // 63-я НТК: материалы / СПб ГУТ. СПб,2011.-С. 4-6.

12. Могучёнок Д. Ю. Применение принципа цифровой обработки сигналов в системе фильтрации с возвратным гетеродинированием // Актуальные вопросы современной техники и технологии: сб. науч. докл. в 2-х ч., Ч. 2 / Под. ред. A.B. Горбенко и др-Липецк: Гравис, 2011- С. 56-58.

13. Могучёнок Д. Ю. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011612431 «Программа расчета оптимальных коэффициентов передачи многокаскадного соединения»; заявка №2011610651 от 27.01.2011; опубл. 23.03.2011.

Подписано к печати 28.06.2011 Объем 1 печ. л. Тираж 80 экз. Зак. № 7

Отпечатано в СПбГУТ. 191186 СПб, наб. р. Мойки, 61

СОДЕРЖАНИЕ.

Список основных условных сокращений и обозначений.

Введение.

1. АНАЛИЗ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ФИЛЬТРАЦИИ С ВОЗВРАТНЫМ ГЕТЕРОДИНИРОВАНИЕМ.

1.1. Современное состояние техники СФВГ. Формулирование задач исследования.

1.2. Обзор систем фильтрации с возвратным гетеродинированием. Классификация.

1.3. Параметры СФВГ и управление ими.

1.4. Методы исследований и анализа СФВГ.

1.5. Анализ прохождения детерминированных сигналов через СФВГ.

1.6. Выводы к главе 1.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ УРОВНЯ ДИНАМИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА СФВГ.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Определение максимального динамического диапазона СФВГ.

2.3. Анализ и уточнение методики каскадирования СФВГ.

2.4. Разработка алгоритма для расчета оптимальных коэффициентов передачи каскадов в СФВГ.

2.5. Особенности распределения коэффициента усиления по каскадам.

2.6. Выводы к главе 2.

3. КОМПЕНСАЦИЯ ЧАСТОТНЫХ И ФАЗОВЫХ ФЛЮКТУАЦИЙ ГЕТЕРОДИНОВ СФВГ.

3.1. Постановка задачи исследований.

3.2. Спектральный состав шумов автогенераторов.

3.3. Анализ основных причин, определяющих степень компенсации частотных и фазовых флюктуаций сигнала гетеродина в СФВГ.

3.4. Количественная оценка компенсации частотных и фазовых флюктуаций сигнала гетеродина СФВГ.

3.5. Имитационное моделирование компенсации фазовых шумов гетеродина.

3.6. Итерационный цикл определения оптимальной величины линии задержки.

3.7. Оценка показателя эффективности компенсации в режиме регулировки полосы пропускания в СФВГ.

3.8. Выводы к главе 3.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СФВГ.

4.1. Структурная схема лабораторной установки.

4.2. Методика измерений и исследований.

4.2.1. Программа исследований.

4.2.2. Методика измерений фазового шума.

4.2.3. Методика оценки индекса угловой модуляции.

4.2.4. Методика оценки глубины паразитной амплитудной модуляции.

4.3. Результаты эксперимента.

4.3.1. Измерение эффективности компенсации ПЧМ сигнала гетеродина.

4.3.2. Измерение эффективности компенсации ПФМ сигнала гетеродина.

4.3.3. Результаты измерения мощности ФШ на выходе макета при шумовом модулирующем сигнале гетеродина.

4.4. Выводы к главе 4.

5. ПРИМЕНЕНИЕ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ СФВГ.

5.1. Цифровая реализация узлов СФВГ.

5.2. Структурная схема и состав цифровой части СФВГ.

5.3. Оценка временной задержки в ЦФОС.

5.4. Оценка возможности применения синтезаторов с ФАПЧ.

5.5. Выводы к главе 5.

Постоянное развитие элементной базы, радиотехнических контрольно-измерительных средств, а также методов компьютерного проектирования позволяют создавать сложные системы фильтрации (СФ) и решать с их помощью новые научно-технические задачи. Проблема фильтрации сверхвысокочастотных сигналов (СВЧ), а также многие задачи по созданию современных и эффективных СФ всегда были и остаются актуальными и относятся к числу основных в радиотехнике. К ним можно отнести создание полосовых фильтров с заданными характеристиками и плавно регулируемой полосой пропускания (lili) с большим коэффициентом перекрытия, построение которых связано с техническими трудностями. Одним из возможных способов решения является применение метода фильтрации, основанного на возвратном (двух или многократном) гетеродинировании (ВГ). Селективные устройства, в которых применяется этот метод, называются в литературе системами фильтрации с возвратным гетеродинированием (СФВГ).

В упрощенном виде работу СФВГ представляется следующем образом. В процессе гетеродинирования частота входного фильтруемого сигнала сводится к некоторому оптимальному с точки зрения подавления помех промежуточному значению. Подобная процедура, хорошо известная из техники радиоприемных устройств, сопровождается дестабилизирующим влиянием частоты гетеродина на промежуточную частоту. Для устранения этого вредного эффекта в СФ используется принцип возвратного гетеродинирования, который заключается в повторном преобразовании сигнала промежуточной частоты с помощью сигнала того же гетеродина. В результате при выполнении определенных условий можно добиться, чтобы внесенная частотная нестабильность была скомпенсирована. Достаточная физическая прозрачность процессов в СФВГ не означает, что при построении таких систем не возникает специфические задачи и проблемы, особенно с учетом того, что реальные устройства фильтрации намного сложнее.

Для достижения высококачественных характеристик и улучшения фильтрующих свойств СФ необходима сложная многопараметрическая оптимизация их параметров. Поэтому совершенствование технических характеристик, повышение их эффективности, является актуальной задачей.

Основоположником данного метода фильтрации можно считать В.И. Юз-винского, предложившего его еще в 1941 г. [1] и позднее опубликовавшего монографию [2] на эту тему. Метод фильтрации получил большое распространение в радиотехнике и нашел широкое применение: в синтезаторах частот, трактах промежуточных частот радиоприемных устройств, в которых необходима плавная регулировка ГШ и высокая селективность [3-12].

Состояние вопроса в рассматриваемой области характеризуется следующими основными достижениями.

Метод В.И. Юзвинского был применен и существенно развит в работах и изобретениях [12, 25, 26, 28, 39-41, 62, 63, 75, 77-80, 83-86, 99, 104], реализующих СФ с возможностью плавной регулировки ПП. Наиболее важные теоретические и практические результаты были получены в работах Левина В.А., Норкина Г.А., [3], Паина A.A., Шапиро Д. Н., [7] Мостыко B.C. [10].

В иностранной литературе СФ, работающая по принципу ВГ, встречается под названием «drift-cancel loop», где заслуживают рассмотрения результаты исследований В. Манасевича [5], Б. Голдберга [11], Б Кади [12], У. Роде [48].

Анализ текущих исследований в области СФВГ показывает, что существует актуальная научно-техническая проблема поиска инженерных решений, направленных на повышение эффективности СФ и совершенствование их технических характеристик.

Цель работы - повышение динамического диапазона и улучшение компенсационных свойств СФВГ путем оптимизации структуры и выбора оптимальных параметров узлов системы.

Задачи исследования 1. Систематизация и анализ ранее проведенных исследований СФВГ, их структурная классификация.

2. Математическое описание частотного «-кратного преобразования сигналов в СФВГ.

3. Анализ прохождения радиосигналов через цепи СФВГ. Оценка полученных искажений, анализ возможности применения квазигармонического и спектральных методов к решению данных задач.

4. Исследование возможности достижения максимального динамического диапазона (ДД) посредством выбора оптимальных параметров каскадов. Разработка алгоритма расчета оптимальных коэффициентов передачи (КП) каскадов. Уточнение методики каскадирования многокаскадных устройств. Обобщение правил каскадирования.

5. Исследование возможности улучшения компенсационных свойств СФВГ посредством введения линии задержки (JI3).

6. Разработка итерационного цикла расчета оптимальной величины J13. Уточнения методики расчета коэффициента компенсации в СФВГ с нелинейной ФЧХ фильтра основной селекции (ФОС).

7. Компьютерное имитационное моделирование (ИМ) и экспериментальные исследования СФВГ. Сравнительный анализ полученных экспериментальных и теоретических результатов.

8. Анализ возможности применения методов и принципов ЦОС в СФВГ.

Методы исследований. Перечисленные задачи решены следующими методами: спектрального анализа, квазигармоническим методом, с помощью теории радиоприема, инженерных расчетов с применение пакетов: MathCAD, AppCAD, MATLAB. Часть результатов в работе получена с использованием вычислительных алгоритмов, реализованных в виртуальной среде Lab VIEW. ИМ работы СФВГ выполнено с помощью пакета Microwave Office.

Научная новизна и практическая значимость приведенных в диссертационной работе исследований заключается в разработке методов улучшения технических характеристик СФВГ. Так, для достижения максимального ДД многокаскадной СФВГ решена задача определения оптимальных КП каждого каскада. Составлен пошаговый алгоритм и разработано программное обеспе8 чение для расчета данных коэффициентов. Уточнена методика каскадирования и проанализированы необходимые и достаточные условия каскадирования. Рассмотрены компенсационные свойства СВФГ, проведены теоретические и практические исследования, направленные на повышение эффективности компенсации. Введен показатель эффективности компенсации (ПЭК), и разработан итерационный цикл расчета оптимальной величины JT3 по критерию максимума ПЭК. Проанализированы факторы, влияющие на степень компенсации, даны рекомендации для уменьшения их влияния. Получены результаты, имеющие практическое значение для разработки и проектирования различных радиотехнических систем с ВГ.

Основные научные результаты и итоги диссертационной работы:

1. Обобщена и систематизирована информация о применении метода ВГ для приема и обработки радиосигналов.

2. Получены аналитические выражения для расчета оптимальных КП в СФВГ обеспечивающих максимальный динамический диапазон. Предложен алгоритм расчета коэффициентов и разработано программное обеспечение его реализующее. Данное программное обеспечение зарегистрировано в ФИПС (св. №2011612431 от 23.03.2011 г.).

3. Уточнена методика каскадирования для получения максимально возможного динамического диапазона. Выдвинут ряд дополнительных и необходимых условий каскадирования.

4. Улучшены компенсационные свойства СФВГ посредством введения линии задержки. Разработан итерационный цикл расчета оптимальной величины времени задержки JI3 при моделировании и проектировании СФВГ.

5. Проведено компьютерное имитационное моделирование работы СФВГ на ПЭВМ в пакетах Microwave Office и Lab VIEW.

6. Выполнены экспериментальные исследования подтверждающие достоверность полученных теоретических выражений и предложены практические рекомендации по улучшению технических характеристик СФВГ.

7. Рассмотрено применение принципов ЦОС при реализации отдельных узлов для получения комбинированной СФВГ.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и двух приложений.

5.5. Выводы к главе 5

1. Проведен анализ основных направлений по использованию цифровой схемотехники при проектировании СФВГ

2. Предложено использование КИХ - фильтров ввиду их линейности ХГВЗ и возможности их реализации на ПЛИС.

3. Проведен расчет коэффициента прямоугольности и времени задержки для КИХ - фильтра в зависимости от числа его коэффициентов. Проведен приблизительный расчет задержки ЦФОС в зависимости от частоты дискретизации и числа коэффициентов КИХ - фильтра.

4. Показано, что порядки временных задержек позволяют реализовать ЛЗ на одном кристалле ПЛИС с цифровым фильтром.

5. Оценена возможность применения синтезаторов на основе ФАПЧ в качестве гетеродина СФВГ с синхронизацией от одного ОГ, проведено ИМ в результате которого оценена эффективность применения ЛЗ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате анализа вопроса проектирования и использования систем фильтрации с ВГ сформулированы и решены задачи, позволяющие существенно повысить уровень динамических и компенсационных характеристик данных систем.

Проведена систематизация и анализ разрозненного материала по вопросам исследования СФ, использующих методы ВГ. Отмечены основные проблемные направления исследований СФВГ. Проведен анализ основных типов СФВГ и системотехнических особенностей их построения. На основе проведенного анализа дополнена существующая структурная классификация по иерархическим принципам и принципам принадлежности к обрабатываемым сигналам.

Проанализированы методики исследований СФВГ, рассмотрена адекватность их использования. Проведен анализ вариантов использования современных прикладных программ для проведения компьютерного ИМ.

Проведен комплексный обзор основных параметров и характеристик описывающих свойства СФВГ. Проанализированы неизбежные изменения ряда параметров в режиме регулировки полосы пропускания. Указана необходимость введения допустимых пределов для них.

Проведены математические анализы частотного «-кратного преобразования сигналов в СФВГ и прохождения детерминированных радиосигналов через цепи СФВГ, таких как АМ, ЧМ - сигнал. Получена оценка вносимых искажений, квазигармоническим и спектральным методом.

Исследованы возможности достижения максимального ДД благодаря выбору оптимальных параметров каскадов. Получено аналитическое выражение для КП в СФВГ для достижения максимально реализуемого ДД. Предложен алгоритм поиска оптимальных КП на основе аналитического выражения. Произведено сравнение работы алгоритмов по показателю вычислительной и временной сложности. Показано, что на выполнение предложенного алгорит

137 ма требуется меньше вычислительных и временных затрат в сравнении с алгоритмами: Гаусса-Зейделя, слепого поиска, прямого перебора и он не зависит от размера шага поиска КП.

Отмечена особенность распределения КП по каскадам при необходимости регулировки общего КП. Установлено, что ДД снижается меньше, если усиление распределить по крайним каскадам, и больше если по центральным.

Проанализированы и уточнены существующие правила методики каскадирования. Даны рекомендации по использованию принципов каскадирования.

Проведен анализ причин, оказывающих влияние на эффективность компенсации ФШ. К этим причинам относятся: а) разное время прохождения сигнала по цепям ОТФ и ВТФ; б) искажение закона изменения мгновенной частоты и мгновенной фазы колебания; в) изменение амплитуды полезного частотного отклонения в зависимости от модулирующей частоты; г) возникновение паразитной АМ (ЧМ-АМ конверсия).

Проведен математический анализ процесса компенсации частотных флюктуаций сигнала гетеродина. Отмечено, что на выходе схемы СФВГ ПЧМ сигнала гетеродина переходит в ФМ полезного сигнала. При ПФМ сигнала гетеродина, на выходе СФВГ индекс ФМ полезного сигнала пропорционален модулирующей частоте £2 и разности времени прохождения сигнала по цепям ОТФ и ВТФ. Уточнено выражение для расчета коэффициента компенсации ПУМ на выходе СФВГ для ФОС с нелинейной ФЧХ.

Для повышения эффективности компенсации рекомендуется: 1) проектировать ФОС с минимальным возможным временем задержки; 2) осуществлять задержку сигнала гетеродина на величину задержки в цепях ФОС за счет размещения ЛЗ на гетеродинном входе смесителя выполняющего роль ВГ. В результате ИМ установлено, что наиболее эффективно и целесообразно применение ФОС с равномерной ХГВЗ, однако в случаях, когда ФОС имеет неравномерную ХГВЗ, необходимо использовать фазовые корректоры.

Разработан итерационный цикл расчета времени задержки ЛЗ. Предложен показатель эффективности компенсации, как критерий выбора величины

138

JI3 при проектировании СФВГ. Показано, что введение J13 в схему позволило получить выигрыш в эффективности компенсации в 10 - 15 дБ.

Проведена оценка степени компенсации частотных и фазовых флюктуа-ций сигнала гетеродина на выходе СФВГ. Проведены измерения КК паразитной угловой модуляции сигнала гетеродина. Теоретическая оценка КК производилась на основе ранее полученных выражений. В результате эксперимента получено практическое подтверждение: а) факта изменения вида модуляции сигнала гетеродина на выходе СФВГ; б) существенного влияния на степень компенсации разности времени прохождения сигналов по цепям ОТФ и ВТФ. Получены оценки повышения эффективности компенсации частотных, фазовых флуктуаций при выравнивании ГВЗ ФОС и ВТФ, посредством подключения JT3. В ходе экспериментальных исследований зафиксировано на выходе СФВГ наличие паразитной AM, вызванной ЧМ (ФМ)-АМ конверсией и не зависящей от соотношения времени прохождения сигналов по цепям ОТФ и ВТФ. Отмечено, что на уровень ПАМ существенно влияет уровень сигнала на гетеродинном входе смесителей. Сравнительный анализ полученных данных подтвердил совпадение основных результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Рассмотрено применение принципов ЦОС при реализации отдельных узлов для получения цифровой СФВГ. Оценена возможность реализации отдельных узлов СФВГ на базе цифровой схемотехники. Произведены расчеты параметров КИХ - фильтров и общей задержки цепи ЦФОС. Проведено компьютерное ИМ для двойного синтезатора на основе ФАПЧ с синхронизацией от одного ОГ. Предложена реализация СФВГ на ПЛИС. Отмечено, что эффект компенсации ФШ проявляется с разной степенью в зависимости от места расположения ЛЗ. Так, например, наибольший эффект компенсации достигается при включении ЛЗ на выход одноканального синтезатора на основе ФАПЧ.

1. Юзвинский В.И. О некоторых способах приема радиоволн с сохранением постоянства фазовых соотношений. // «ЖТФ», - 1941, т. 11, №1/2- С 61-68.

2. Юзвинский В.И. Теоретические основы радиотехники. Нелинейные радиотехнические системы. Л.: ВКИАС им. С.М. Буденного., 1956 - 78 с.

3. Левин В.А., Норкин Г.А. Радиотехнические системы фильтрации с возвратным гетеродинированием. М.: Сов. радио, 1979. - 272 с.

4. Радиоприемные устройства / В.Н. Банков, Л.Г. Барулин, М.И. Жодзиш-ский и др.; Под.ред. Л.Г. Барулина М.: Радио и Связь, 1984 - 272 с.

5. Манассевич В. Синтезаторы частот (Теория и проектирование): Пер. с англ./ Под. ред. A.C. Галина. М.: Связь, 1979 - 384 с.

6. Дикарев В.И. Методы и технические решения приема и обработки радиосигналов. СПб.: ВИКУ им. А.Ф. Можайского, 2000. - 533 с.

7. Шапиро Д.Н., Паин A.A. Основы теории синтеза частот. М.: Радио и связь, 1981.- 246 с.

8. Рыжков A.B., Попов В.Н. Синтезаторы частот в технике радиосвязи.-М.: Радио и связь, 1991.-264 с.

9. Воллернер Н.Ф. Радиоприемные устройства. Киев.: Наук, думка, 1993. -391 с.

10. Мостыко B.C. Регулировка полосы пропускания в избирательных усилителях. М.: Энергия, 1979. - 112 с.

11. Bar-Giora Goldberg. Digital frequency synthesis demystified. LLH Technology publishing, Eagle Rock, УА, 1999, - 355 p.

12. Пат. EP№ 1395841 от 02.03.2005. Cuddi Bernard, M. Low noise microwave synthesizer employing high frequency for tuning drift cancel loop.

13. Кантор Л.Я., Дорофеев B.M. Помехоустойчивость приема 4M сигналов. -М.: Связь, 1977.-335 с.

14. Бобков A.M. Реальная избирательность радиоприемных трактов в сложной помеховой обстановке. СПб.: ООО «Абрис», 2001.-215 с.

15. Связь на сверхвысоких частотах: Пер с англ./ Под ред. С. Енедзава и Н. Танака-М.: Связь, 1967.-615 с.

16. Ширман Я.Д. Разрешение и сжатие сигналов -М.: Радио и связь, 1974320 с.

17. Букингем М. Шумы в электронных приборах и системах: Пер. с англ-М.: Мир, 1986.-399 с.

18. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Дрофа, 2006.-512 с.

19. Пат. Япония № 60-100812 Tracking type band pass filter. Mishiro Tokihiro., от 04. 06. 1983.

20. Раушер К., Ианссен Ф., Минихольд P. Основы спектрального анализа / Под ред. Ю.А. Гребенко. М.: Горячая линия - Телеком, 2006 - 224 с.

21. Венскаускас К.К. Компенсация помех в судовых радиотехнических системах- Л.: Судостроение, 1989.-264 с.

22. Крохин В.В. Информационно-управляющие космические радиолинии. -М.: НИИЭИР, 1993.-Ч. 1-2.

23. Алмазов-Долженко К.И. Коэффициент шума и его измерение на СВЧ. -М.: Научный мир, 2000.- 239 с.

24. Уайт Дж. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи: Пер. с англ./ Под ред. А.И. Сапгира. М.: Сов. радио, 1977.-Ч. 1-3.

25. Кульский АЛ. Узкополосный высокочастотный УПЧ (построенный по принципу «цепи Юзвинского») // Радиоматор. 2002. №9. С. 37-40.

26. Гончар Г.В. Перестраиваемый режекторный фильтр // Радиолюбитель. 1993. №2 -С. 35-36.

27. Egan W. F. Practical RF system design. Lecturer in electrical engineering Santa Clara university., Wiley, Hoboken, 2003, 396 p.

28. Антипенский Р.В., Фадин А.Г. Схемотехническое проектирование и моделирование радиоэлектронных устройств. М.: Техносфера, 2007 - 128 с.

29. Иванова В.Г., Семенов Е.С., Тяжев А.И. Режекция сосредоточенной по частоте помехи методом возвратного гетеродинирования. // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2004. №4 (т.7) С. 94-102.

30. Славский Г.Н. Активные RC и RCL фильтры и избирательные усилители. М.: Связь, 1966. - 216 с.

31. Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах: Пер. с англ. Б.Н. Бронина / Под ред. М.В. Гальперина. М.: Мир, 1979.-317 с.

32. Марфи Е, Слаттери К. Преимущества и особенности применения прямых цифровых синтезаторов // Электронные компоненты и системы. 2004. №10.-С 36-41.

33. Винницкий А.С. Модулированные фильтры и следящий прием ЧМ сигналов. -М.: Сов. радио, 1969. 548 с.

34. Чистяков Н.И. Радиоприемные устройства М.:Сов. радио, 1978.-152 с.

35. Справочник по радиорелейной связи. Каменский Н.Н., Модель A.M., Надененко Б.С., и др.,/ Под ред. С В. Бородича. Изд. 2-е, пер. и доп.- М.: Радио и связь, 1981,-416 с.

36. Kim Y. Linearized mixer using predistortion technique.// IEEE Microwave and wireless components letters. 2002. vol. 12 №6, p. 204-205.

37. Сухоедов И.В. Шумы электрических цепей. М.: Связь, 1975. - 352 с.

38. Пат. США № 2747084. Variable band width intermediate frequency system., от 22.05.1956.

39. Пат. США № 4267605. Interference eliminator in communication receiver., от 12.05.1981.

40. Пат. США № 4479257. Superheterodyne circuit having variable bandwidth and center frequency shift function., от 23.10.1984.

41. Петров A.C., Прилуцкий A.A., Залевский O.A. Компенсаций фазового шума на синхронном детекторе.// Электромагнитные волны и электронные системы. 2008. №11, (т. 13), С. 49-53.

42. Кришнамурти К., Юргел С., Влияние широкополосного шума гетеродина в трансиверных ИС на основе пассивного смесителя // Электронные компоненты. 2006. №2. С 103-108.

43. Сергеев С.И., Устименко В.М. Разработка структурных схем радиоприемников сверхвысоких частот различного назначения: Учеб. пособие. Л.: ЛЭИС, 1979.-31 с.

44. Merrill I. Skolnik, Radar Handbook. Third Edition, the McGraw-Hill Companies, 2008,-1352 p.

45. Филинюк H.A. Активные СВЧ фильтры на транзисторах. М.: Радио и связь, 1987.-112 с.

46. Кузнецов М.А., Устименко В.М. Транзисторные усилители и преобразователи СВЧ : Учеб. пособие. Л.: ЛЭИС, 1989. - 79 с.

47. Ulrich L. Rohde, Microwave and Wireless Synthesizers: Theory and Design., John Wiley& Sons, Inc. New York, NY, 1997 650 p.

48. Могучёнок Д. Ю. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011612431 «Программа расчета оптимальных коэффициентов передачи многокаскадного соединения»; заявка № 2011610651 от 27.01.2011; опубл. 23.03.2011.

49. Айнбиндер И.М. Шумы радиоприемников. М.: Связь, 1974. - 328 с.

50. Цыкин Г.С. Усилительные устройства. М.: Связь, 1971. - 367 с.

51. Жалуд В., Кулешов В. Н. Шумы в полупроводниковых устройствах: Под ред. А. К. Нарышкина. Совместное советско-чешское издание. М.: Сов. радио, 1977.-416 с.

52. Букингем М. Шумы в электронных приборах и системах: Пер. с англ-М.: Мир, 1986.-399 с.

53. Клич С. М. Проектирование СВЧ устройств радиолокационных приемников. М.: «Сов. радио», 1973- 320 с.

54. Немировский A.C. Борьба с замираниями при передаче аналоговых сигналов. М.: Радио и связь, 1984 - 208 с.

55. Мостыко B.C., Розов A.B. Усилитель на микросхемах с переменной полосой пропускания // Радиотехника. 1989. №8. С. 97- 99.

56. Куприянов М.С., Матюшкин Б.Д. Цифровая обработка сигналов: процессоры, алгоритмы, средства проектирования. СПб.: Политехника, 1998-592с.

57. Богачев C.B. Повышение помехоустойчивости радиоприемника при действии квазигармонических помех: Автореф. диссертации канд. техн. наук. -СПб., 1996.- 16 с.

58. Васильков Ю.В., Василькова H.H. Компьютерные технологии вычислений в математическом моделировании: Учеб. пособие. М.: Финансы и статистика, 1999.-256 с.

59. Справочник по радиолокации. Под ред. М. Скольника. Нью-Йорк, 1970: Пер с англ. (в четырех томах) / Под общей ред. К.Н. Трофимова; Том 3. Радиолокационные устройства и системы / Под ред. A.C. Винницкого. М.: Сов. радио, 1978,-528 с.

60. Пат. США № 4696055. RF tuning circuit which provides image frequency regection., от 22.09.1987.

61. Пат. США № 6115363. Transceiver bandwidth extension using double mixing., от 05.09.2000.

62. Разевиг В.Д. и др. Проектирование СВЧ устройств с помощью Microwave Office./ В.Д. Разевиг, Ю.В. Потапов, A.A. Курушин / Под ред. В.Д. Разе-вига. М.: СОЛОН - Пресс, 2003. - 496 с.

63. Разевиг В.Д. и др. SystemView средство системного проектирования радиоэлектронных устройств/ В.Д. Разевиг, Г.В. Лаврентьев, И.Л. Златин / Под ред. В.Д. Разевига. - М.: Горячая линия - Телеком, 2002. - 352 с.

64. Тревис Дж. Lab VIEW для всех: Пер. с англ. Клушина Н.А. М.: ДМК Пресс; Прибор Комплект, 2004. - 544 с.67. www.agilent.com/find/E8663B Е8663В PSG RF Analog Signal Generator Data Sheet, № 5990 - 4136EN.

65. Тяжев А.И. Выходные устройства радиоприемников с цифровой обработкой сигналов. Самара.: Самарский университет, 1992. - 276 с.

66. Ханзел Г.Е. Справочник по расчету фильтров: Пер. с англ./ Под ред. А.Е. Знаменского. М.: Сов. радио, 1974- 288 с.

67. Ulrich L. Rohde and David's P. Newkirk: RF/Microwave circuit design for wireless applications. John Wiley& Sons, Inc. New York, NY, 2000. 954 p.

68. У. Кестер. Проектирование систем цифровой и смешанной обработки сигналов: Пер. с англ./ Под ред. А.А. Власенко М.: Техносфера, 2010 - 328 с.

69. White, Joseph F., High frequency techniques: an introduction to RF and microwave engineering., John Wiley& Sons, Inc. Hoboken, New Jersey, 2004. 506 p.

70. Ахо А, Хопкрофт Дж., Ульман Дж., Построение и анализ вычислительных алгоритмов: Пер. с англ./ Под ред. Ю.В. Матиясевича. М.: Мир, 1979536 с.

71. Гудин М. Н. ВЧ и СВЧ приборы компании Mini-Circuits// Компоненты и технологии.2003. №2. - С. 112-113.

72. Пат. ЕПВ №1318603. FM receiver with digital bandwidth control., от 11.06.2003.

73. Артёменко В. Оценка интермодуляционных свойств каскадируемых блоков. // Радиодело. 2005. №10. С. 52-54.

74. Toyoda Sachihiro. Broadband bandpass filter with variable center frequency and bandwidth. // Int. J. Infrared and Millimeter Waves.- 1992. 13, № 11 p. 17571765.

75. Пат. США № 5300838. Agile bandpass filter., от 05.04.1994.

76. Пат. США № 4516078. Variable frequency passband circuit, от 07.05.1985.

77. Пат. США № 3550011. Tunable electronic preselector for a radio receiver., от 22.12.1970.

78. Елисеев C.H. Исследование линейных алгоритмов и устройств цифровой обработки сигналов в системах связи и радиовещания: Автореф. диссертации канд. техн. наук. Самара., 2002. - 16 с.

79. Пат. США №.5108334. Dual down conversion GPS receiver with single local oscillator., от 28.04.1992.

80. Пат. США № 4310803. Bandpass filter circuit., от 12.01.1982.

81. Пат. США № 5678218. Circuit for removing random FM noise., от 14.10.1997.

82. Пат. США № 2998517. Variable bandwidth and center frequency receiving scheme., от 29.08.1961.

83. Пат. РФ № 99106697. Устройство обработки радиолокационных линейно частотно модулированных сигналов Косырева. от 10.01.2001.

84. Реутов A.A. Тенденции рынка ПЛИС (FPGA) и новинки модульных компонентов на базе программируемой логики.// Современная электроника 2007. №5.-С.6-8.

85. Могучёнок Д.Ю.Оценка влияния времени задержки фильтрации в системах возвратного гетеродинирования // 58-НТК: материалы. СПбГУТ СПб, 2004. - С37-38.

86. Могучёнок Д.Ю. Методика определения величины линии задержки в системах фильтрации с возвратным гетеродинированием // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. 2011.№2 (56) -С. 104—106.

87. Могучёнок Д.Ю. Исследование характеристики ГВЗ в фильтре с возвратным гетеродинированием. // Материалы, межд. НТК. Новосибирск, 2003. Т. 3: Техника и технология связи. - С 45-48.

88. Голубев В.Н. Эффективная избирательность радиоприемных устройств. М.: Связь, 1977. - 239 с.

89. Могучёнок Д.Ю. Моделирование компенсации фазовых шумов гетеродина в системе фильтрации с возвратным гетеродинированием// 63-я НТК: материалы/ СПб ГУТ.- СПб, 2011. - С. 89-91.

90. Артемченко Э.Е., Волынец В.В. Широкополосные усилители радиосигналов на полупроводниковых приборах с большим динамическим диапазоном. // Радиотехника. 1988. №1. С. 35-37.

91. Плигин С.Г., Текшев В.Б. Расчет многокаскадных СВЧ устройств с заданным динамическим диапазоном.// Полупроводниковая электроника в технике связи. М.: Радио и связь, 1986. - вып. 26. - С. 55-59.

92. Голубев В.Н. Динамический диапазон устройства, состоящего из нескольких последовательно соединенных каскадов // Радиотехника. 1974. №12. С. 93-95.

93. Курушин A.A. Текшев В.Б. Расчет динамического диапазона многокаскадного СВЧ устройства. // Радиотехника. 1981. №8. - С. 88-90.

94. Могучёнок Д. Ю., Устименко В. М. Расчет потенциально достижимого динамического диапазона многокаскадного устройства // 57-я НТК: материалы / СПбГУТ. СПб, 2005.- С. 66.

95. Плеханов В.В., Холодилин Г.М. Автокорреляционный прием составных сигналов на тропосферных линиях связи. М.: Радио и связь, 1984. -112 с.

96. Попов К. Гетеродинный фильтр с переменной полосой пропускания.// Радио. 1974. №1 С. 20-21.

97. Кисель В.А. Аналоговые и цифровые корректоры: Справочник М.: Радио и связь, 1986 - 184 с.

98. Могучёнок Д.Ю. К определению коэффициентов передачи каскадов в системе фильтрации с возвратным гетеродинированием // Датчики и системы. 2010. №10.-С. 29-31.

99. Могучёнок Д.Ю. Арсенин A.B. К оценке крутизны ската фильтра с возвратным гетеродинированием. // 56-я НТК материалы/ СПбГУТ. СПб, 2004,-С. 57.

100. Могучёнок Д.Ю. К оценке искажений АЧХ системы фильтрации с возвратным гетеродинированием // 56-я НТК материалы / СПбГУТ. СПб, 2004. -С. 56-57.

101. Тетерюк В.В. Регулировка полосы пропускания.//Радиолюбитель. 1992. №8. С. 39^10.

102. Каганов В.И. Радиотехника+комьютер+МаЙ1сас1. М.: Горячая линия - Телеком, 2001. - 416 с.

103. Могучёнок Д.Ю. Исследование синтезатора с ФАПЧ в системе фильтрации с возвратным гетеродинированием // Отраслевые аспекты технических наук. 2011- №3 С. 34-36.

104. Могучёнок Д.Ю. К методике каскадирования многокаскадных устройств // Современные проблемы радиоэлектроники: Сб. науч. ст. / Под. ред.: А.И. Громыко и др. Красноярск: Сибирский федеральный ун-т; Политехнический институт, 2007. - С. 82-83.

105. Могучёнок Д.Ю. Оценка коэффициента компенсации паразитной угловой модуляции сигнала на выходе системы фильтрации с возвратным гетеродинированием // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2011. №7, (т.9), С. 25-29.

106. Рис I. Блок-схема алгоритма реализующего покоординатный метод расчета оптимальных коэффициентов передачи для многокаскадной СФВГ

107. Рис. II. Блок-схема предложенного алгоритма поиска оптимальных коэффициентов передачи многокаскадной СФВГ ¿У