На правах рукописи

Иванкович Мария Владимировна

ИССЛЕДОВАНИЕ ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ

И РАЗРАБОТКА СИНТЕЗАТОРА ЧАСТОТ ДЛЯ ПРИЁМНИКА

КОМПЛЕКСА МОНИТОРИНГА СИСТЕМ МОБИЛЬНОЙ

РАДИОСВЯЗИ

Специальность 05.12.13 – Системы, сети и устройства

телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва – 2008

Работа выполнена на кафедре радиопередающих устройств Государственного образовательного учреждения Московский технический университет связи и информатики (МТУСИ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, Пестряков Александр Валентинович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, Рыжков Анатолий Васильевич кандидат технических наук, доцент, Власов Василий Алексеевич

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие «Вектор» (ФГУП НИИ «Вектор»)

Защита состоится «12» февраля 2009 г. в 15 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 219.001.03 при МТУСИ по адресу: 111024, Москва, ул. Авиамоторная, д. 8а, ауд. А-

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МТУСИ

Автореферат разослан « » 2008 г.

Учёный секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Косичкина Т.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Активное развитие цифровых систем мобильной радиосвязи является одной из главных составляющих мирового прогресса в сфере телекоммуникаций. В то же время частотный ресурс, используемый радиосистемами для передачи информации, ограничен, что в свою очередь обуславливает необходимость деятельности предприятий по надзору за электросвязью в области управления использованием радиочастотного спектра (РЧС). При этом в процессе управления использованием РЧС важнейшее место принадлежит радиомониторингу, как единственному средству получения реальной информации о состоянии радиоэфира, позволяющему обоснованно назначать радиочастоты, контролировать их эксплуатационную готовность и оперативно принимать меры по обеспечению электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств и систем связи. Перечень задач, решаемых с помощью средств мониторинга, включает выявление и анализ радиоизлучений для идентификации источников сигналов и помех, измерение и оценку параметров сигналов, измерение напряженности электромагнитного поля и определение положения источников радиосигналов и радиопомех на местности.

Одним из основных модулей, входящих в состав современных комплексов мониторинга, является универсальный измерительный радиоприёмник.

Многообразие современных типов сигналов, требования к широкой полосе обзора и высокой точности измерения их параметров, возможность управления процессами измерения и контроля с использованием компьютеров, повышенные требования к линейности, чувствительности, уровню фазовых шумов, скорости перестройки по частоте обуславливают необходимость создания новых приёмных устройств, позволяющих обеспечить работу в широком частотном диапазоне. При проектировании подобных устройств существенную трудность вызывает разработка гетеродинного тракта, основой которого является синтезатор частот (СЧ).

От качественных характеристик СЧ зависят чувствительность, наличие пораженных каналов приёма а также оперативность и достоверность получения информации, определяемая максимальной скоростью и точностью перестройки по частоте.

Используемые в современных профессиональных приёмниках комплекса мониторинга СЧ отличаются сложностью реализации, например, для обеспечения требуемой дискретности перестройки по частоте и необходимого уровня фазовых шумов используются сложные многокольцевые структуры систем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), что сказывается на энергопотреблении, массогабаритных показателях и стоимости устройства. Для создания сравнительно вычислительные синтезаторы (ЦВС), которым, однако, присущи существенные недостатки, связанные с пока ещё сравнительно невысокой частотой выходного сигнала и неприемлемым для реализации гетеродинов профессиональных радиоприёмников уровнем побочных спектральных составляющих (в лучших энергопотреблением и требуют использования дополнительного тракта формирования сигнала тактовой частоты, значение которой, как минимум, в три раза превосходит максимальную синтезируемую частоту. Для улучшения спектральных характеристик ЦВС также используют сложные многокольцевые структуры.

Всё это обуславливает актуальность исследования путей повышения эффективности структур на основе косвенного синтеза, использующих системы импульсной фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ). Развитию теории и техники этого вида синтеза частот было посвящено большое количество работ, как отечественных, так и зарубежных авторов. Из отечественных учёных наибольший вклад внесли: В.В. Шахгильдян, А.А. Ляховкин, А.В. Рыжков, В.Н. Кулешов, В.А. Левин, С.К. Романов, А.В. Пестряков, В.Н. Кочемасов, Л.Н. Казаков и их ученики. Среди зарубежных учёных следует отметить работы: Манассевича В., Рода У., Эгана В. и др.

Использование в СЧ на основе системы ИФАПЧ цифровых делителей частоты с дробно-переменным коэффициентом деления (ДДПКД), управляемых дельта-сигма модулятором (ДСМ), позволила получить выходное колебание с высокой спектральной чистотой и предельно мелкой дискретностью перестройки по частоте (шагом сетки частот до единиц и долей Гц) при высокой частоте дискретизации в системе (до десятков МГц). Такой подход позволяет не только использовать гораздо более широкополосные петлевые фильтры нижних частот (ФНЧ), не приводящие к значительному снижению быстродействия системы, но и существенно упростить техническую реализацию СЧ за счёт использования серийных дешевых интегральных микросхем (ИМС) с малыми габаритами и энергопотреблением. С появлением первых подобных ИМС ДСМ появилась возможность достичь в таких СЧ тех же показателей по точности, быстродействию и спектральной чистоте, как и в весьма сложных гибридных структурах СЧ, сочетавших в себе методы прямого, косвенного и цифрового синтеза, использующихся до сих пор. Исследованию систем ИФАПЧ с ДДПКД и ДСМ был посвящен ряд работ, опубликованных в последние несколько лет. В этой области наибольший вклад внесли такие зарубежные учёные, как: Бакс В., Рылей Т., Коопеланд М., Квасневский Т. Из отечественных работ наиболее близки к теме диссертации работы Н.М. Тихомирова и И.И. Колесникова. Тем не менее, применительно к СЧ для профессиональных приёмников радиомониторинга, возможность использования этой технологии синтеза далеко неочевидна и остается ещё целый ряд теоретических и практических неисследованных вопросов, в частности вопросы оптимизации по быстродействию системы ИФАПЧ с ДДПКД, управляемым ДСМ.

Таким образом, актуальность темы диссертации обусловлена, с одной стороны, необходимостью разработки СЧ для измерительных приёмников мобильных комплексов радиомониторинга, отличающегося широким диапазоном перестройки по частоте (0,1 ГГц…3,0 ГГц), спектральной чистотой выходного колебания и высоким быстродействием при сравнительно простой реализации, а с другой стороны, отсутствием всесторонних исследований характеристик систем ИФАПЧ с ДДПКД, управляемых ДСМ.

Цели работы и задачи исследования. Целью данной работы является разработка широкодиапазонного синтезатора частот для приёмников мобильных комплексов радиомониторинга, обеспечивающего повышенную спектральную чистоту выходного колебания при максимально возможном быстродействии.

Для достижения поставленной в диссертационной работе цели должны быть решены следующие задачи:

– проведено всестороннее изучение существующих стандартов цифровых разрабатываемому СЧ и измерительному приёмнику в целом;

– проведен сравнительный анализ методов повышения быстродействия СЧ косвенного типа, пригодных для достижения цели диссертационной – разработана математическая модель системы ИФАПЧ с ДДПКД, управляемым ДСМ;

динамических процессов в СЧ;

– разработаны специализированные компьютерные программы для исследования динамических, частотных и спектральных характеристик СЧ на основе систем ИФАПЧ с ДСМ различных порядков, а также возможностью расчёта параметров СЧ по заданным при проектировании количественным и качественным показателям;

– исследованы динамические, частотные и спектральные характеристики системы ИФАПЧ с ДСМ различных порядков;

– разработана методика выбора структуры и параметров петлевого ФНЧ кольца ИФАПЧ для обеспечения заданных спектральных характеристик – определены пути повышения быстродействия предлагаемого варианта реализации СЧ, проведены исследования динамических характеристик системы ИФАПЧ с ДСМ и переменной структурой канала управления;

широкодиапазонного СЧ на основе системы ИФАПЧ с ДДПКД, управляемым ДСМ;

– создан экспериментальный образец СЧ и проведены экспериментальные исследования теоретических расчётов и программного моделирования.

Методы исследования. В диссертационной работе при проведении исследований используются: теория непрерывных и дискретных систем автоматического регулирования, аппарат дискретно-непрерывных передаточных функций, методы имитационного компьютерного моделирования.

Научная новизна диссертационной работы состоит в теоретическом обосновании возможности создания быстродействующего широкодиапазонного СЧ с высокими спектральными характеристиками для приёмника мобильного комплекса радиомониторинга на основе системы ИФАПЧ с ДДПКД, управляемым ДСМ. В частности:

компьютерного моделирования определены требования к трафарету допустимого уровня фазовых шумов гетеродинного тракта приёмника радиомониторинга;

– получена математическая модель СЧ, описывающая поведение системы ИФАПЧ с ДДПКД, управляемым ДСМ, и переменной структурой канала управления в динамическом и квазистационарном режимах;

– предложены методы компьютерного моделирования динамических вычислительным ресурсам ЭВМ;

оптимально использование ДСМ третьего порядка, а порядок петлевого ФНЧ должен быть не ниже третьего;

–в результате теоретических и экспериментальных исследований установлено, что применение переменной структуры канала управления системы ИФАПЧ в широкодиапазонном СЧ позволяет в несколько раз уменьшить время переходного процесса при сохранении заданного качества спектра выходного сигнала;

– на основании проведенных исследований динамических и спектральных обоснована принципиальная возможность реализации на ее основе радиомониторинга.

Практическая значимость диссертационной работы.

1. Создана универсальная компьютерная программа расчёта динамических, частотных и спектральных характеристик СЧ на основе системы ИФАПЧ с ДДПКД, управляемым ДСМ.

2. Разработана структура широкодиапазонного СЧ, позволяющая обеспечить совокупность требований, предъявляемых к гетеродину приёмника мобильного комплекса радиомониторинга.

3. Предложена методика и программное обеспечение для технического проектирования широкодиапазонного СЧ на основе системы ИФАПЧ с ДДПКД, управляемым ДСМ.

4. Создан опытный образец широкодиапазонного СЧ для приёмника комплекса радиомониторинга, экспериментальные исследования характеристик которого показали хорошее совпадение с результатами теоретического анализа и программно-имитационного моделирования.

5. Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в разработки ФГУП НИИ «Вектор»; ФГУП НИИР; в ОКР и НИР, выполненных в НИЧ МТУСИ, и в НИР, проводившейся в рамках гранта РФФИ (проект № 04-07-90113), что подтверждено соответствующими документами. Кроме того, на представленную в диссертационной работе программу исследования и проектирования синтезаторов частот с кольцом ИФАПЧ выдано свидетельство о государственной регистрации № 2008615490 от 17 ноября 2008г.

Апробация результатов диссертационной работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и Всероссийских научно-технических конференциях и семинарах, проводимых РНТОРЭС им. А.С. Попова в 2005, 2006, 2007 и 2008 годах, научно-практических конференциях «Новые технологии развития сетей подвижной радиосвязи», проводимых Пограничной академией России в 2006 и 2007 годах, отраслевой научно-технической конференции «Технологии информационного общества», проводимой МТУСИ в 2007 году, а также на конференциях профессорскопреподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ в и 2006 годах.

Публикации результатов диссертационной работы.

содержание диссертационной работы изложено в 17 публикациях автора. Из них две опубликованы в одном из ведущих рецензируемых научных изданиях и журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией – журнале «Электросвязь». Остальные работы представляют собой свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, научные статьи и тексты докладов, озвученные на международных, межрегиональных и других научных конференциях. Три работы написаны лично, без участия соавторов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Ограничения на допустимый уровень спектральной плотности мощности фазовых шумов гетеродинного тракта приёмника комплекса радиомониторинга.

2. Математическая модель широкодиапазонного СЧ, базирующаяся на переменной структуре канала управления и учитывающая нелинейность и неавтономность отдельных элементов системы ИФАПЧ.

динамических, частотных и спектральных характеристик систем ИФАПЧ с ДДПКД, управляемым ДСМ различных порядков, определяющие допустимый диапазон изменения сигнала на выходе частотно-фазового детектора и требования ко всем узлам широкодиапазонного СЧ.

4. Варианты реализации и результат использования переменной структуры канала управления системы ИФАПЧ для повышения быстродействия СЧ, позволяющие в несколько раз уменьшить длительность переходных процессов во всем диапазоне перестройки СЧ.

исследования экспериментального образца широкодиапазонного СЧ.

Структура и объём диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, списка литературы и пяти приложений, изложена на 185 страницах машинописного текста, иллюстрированного 97 рисунками и 15 таблицами. Список литературы включает 127 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, определена научная новизна полученных результатов и их практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание по главам.

Первая глава посвящена определению требований к гетеродинному тракту разрабатываемый широкодиапазонный СЧ. На основании проведенного радиомониторинга, требований ГОСТа и рекомендаций МСЭ был сделан вывод о перспективности разработки нового отечественного оборудования, а также сформулированы основные требования к СЧ, в частности определены требования к частотному диапазону (0,1 ГГц…3,0 ГГц) и времени установления рабочей частоты.

Для определения шаблона допустимого уровня спектральной плотности мощности (СПМ) фазовых шумов гетеродинного тракта, в первой главе проводилось всестороннее изучение стандартов современных систем мобильной связи: цифровых транкинговых систем TETRA, APCO 25 и TETRAPOL, систем сотовой связи второго (2 и 2,5 G) и третьего (3G) поколений – GSM, EDGE, UMTS.

Учитывая, что разрабатываемый шаблон должен обеспечивать работу гетеродинного тракта при всех заданных стандартами уровнях блокирования, методика его построения основывается на сравнении энергии полезного сигнала с энергией всех мешающих сигналов, попадающих различными способами в полосу пропускания приёмника. Рассмотрены случаи, когда вклад мощности шумов гетеродина составляет 90%, 50% и 5% от общий мощности шумов и помех в полосе пропускания (в том числе, интерференционных, характерных для систем с кодовым разделением). Полученный шаблон допустимого уровня СПМ фазовых шумов гетеродинного тракта показан на рисунке 1.

Рисунок 1 – Шаблон допустимого уровня СПМ фазовых шумов гетеродинного тракта (широкодиапазонного СЧ) Для оценки требований к шумовым характеристикам гетеродинного тракта в области малых частотных отстроек от несущей рассматривалось влияние фазовых шумов СЧ на качество работы современных цифровых систем, использующих сигналы со сложными сигнально-кодовыми конструкциями. На основании анализа зависимости вероятности ошибки сигнал/шум при различных значениях дисперсии фазовых шумов гетеродина для сигналов ФМ-4, ФМ-8 и КАМ-16 получена приближенная интегральная оценка допустимого значения среднеквадратического отклонения (СКО) фазы сигнала.

мобильной связи полученные результаты имеют погрешность, обусловленную невозможностью учёта в аналитической формуле влияния реальных параметров радиоканалов и устройств. Для более точных оценок допустимых значений дисперсии фазовых шумов получены результаты на основе разработанной компьютерной имитационной модели, позволяющей учесть всю сложную структуру сигнала изучаемой системы связи и определить степень влияния параметров отдельных узлов гетеродинного тракта на основной показатель качества функционирования устройства BER – коэффициент битовой ошибки.

Исследование радиочастотного тракта приёмника было проведено на основе разработанной модели, структура которой приведена на рисунке 2. Для каждой системы связи создавалась своя имитационная модель и формировался свой тестируемый сигнал в соответствии со стандартом. В модели радиоканала учитывался аддитивный белый гауссовский шум и помехи от других абонентов (например, интерференционный шум в стандарте UMTS). Для измерения измерительный блок.

РАДИОКАНАЛ

Рисунок 2 – Схема компьютерного моделирования В результате исследования влияния фазовых шумов СЧ на качество приёма сигнала была получена зависимость BER от уровня мощности этих шумов (рисунок 3), где приняты следующие обозначения: BER_0 – случай отсутствия фазовых шумов; BER_5, и BER_15 – кривые зависимости BER, соответствующие фазовому шуму с величиной СКО 5 и 15, соответственно.

Сравнение результатов компьютерного имитационного моделирования с результатом аналитических оценок (отмеченных крестиками на рисунке 3) показало, что при учёте всех параметров изучаемого сигнала требования к фазовым шумам гетеродинного тракта и, соответственно, СЧ существенно ужесточаются. Для гарантированного выполнения требований всех основных стандартов систем мобильной связи (UMTS, GSM, EDGE, TETRA и т.п.) допустимым значением СКО фазовых шумов гетеродина при заданных стандартами отношениях сигнал/шум является величина СКО < 3,5.

Рисунок 3 – Графики зависимостей BER с учётом влияния фазовых шумов гетеродина для тестовой модели сигнала стандарта UMTS Вторая глава посвящена обоснованию выбора структурной схемы широкодиапазонного СЧ, созданию его математической модели, а также обсуждению и выбору методов исследования.

На основании проведенного обзора современного состояния и перспектив развития теории и техники синтеза частот была выбрана структура СЧ на основе системы ИФАПЧ с ДДПКД, управляемым ДСМ. На основании анализа различных подходов повышения быстродействия в СЧ на основе косвенного синтеза определены методы, позволяющие наиболее эффективно решить поставленную в диссертации задачу – создание простого в техническом плане устройства, отличающегося максимальным быстродействием при заданной спектральной чистоте выходного колебания. Как наиболее перспективный выбран метод повышения частоты дискретизации (при сохранении заданного шага сетки частот) за счёт использования ДДПКД, управляемого ДСМ, в сочетании с применением переменной структуры канала управления кольца ИФАПЧ.

Обобщенная структурная схема СЧ с ДДПКД, управляемым ДСМ и переменной структурой канала управления представлена на рисунке 4, где используются следующие обозначения: ОГ – опорный генератор, ДФКД – делитель с фиксированным коэффициентом деления, ЧФД – частотно-фазовый детектор, К0 – коэффициент передачи для постоянной составляющей тока, ФКС – формирователь кодового слова, ПГ – перестраиваемый генератор.

Рисунок 4 – Обобщенная структурная схема СЧ с ДДПКД, управляемым ДСМ, и Во второй главе была разработана математическая модель СЧ, позволяющая аналитически описать поведение системы ИФАПЧ с ДДПКД, управляемым ДСМ.

Запись математической модели разделяется на две части: для переходного нелинейного режима выражения записываются во временной области, а для линейного режима «квазисинхронизма» – в операторной форме и в частотной области. Переход от первой части математической модели ко второй осуществляется через задаваемый критерий окончания переходного процесса.

Разработанная математическая модель представлена ниже:

Здесь: T0 - период сигнала ОГ, k kT0 t k – временное отклонение импульсов, поступающих на вход ЧФД; t k - моменты появления импульсов на выходе ДДПКД; Tk tk 1 tk – интервал времени между двумя ближайшими импульсами на выходе ДДПКД, за которое фаза ПГ получает приращение N k – коэффициент деления на k-м интервале дискретизации; N B – целая часть коэффициента деления, nQ (t ) – дробная часть коэффициента деления (усредненное значение цифровых данных, генерируемых ДСМ), – нелинейная функция характеристики управления ПГ; F {...} – логическая функция с памятью hdin t L1 din ( p) - импульсная характеристика ФНЧ, связанная с передаточной функцией через обратное преобразование Лапласа;

импульсов тока на выходе ЧФД; tl – момент переключения параметров системы, определяющий переход от динамической модели системы к «квазистационарной», ( p ) – изображение по Лапласу отклонения фазы ПГ в линейном «квазистационарном» режиме, в который система переходит при выполнении условия t k tl ; * ( p) - дискретное преобразование Лапласа от возмущений, пересчитанных на вход СЧ, в том числе и «шумов», порождаемых ДСМ;

W1 ДН p – дискретно-непрерывная передаточная функция системы для внешних воздействий; – передаточная функция непрерывной части канала управления, D – обобщенный коэффициент усиления в канале управления, определяемый как: D ( I чфд st F '(0 ) K 0 S пг ) / N B, где: I чфд st – амплитуда дискретизации, – стационарное (номинальное) значение частоты СЧ, – допустимая погрешность подстройки.

нелинейность характеристики ЧФД, а также его нелинейность за счёт неидеальности токовых ключей, переменность интервала дискретизации, нелинейность характеристики управления частотой ПГ, инерционность, обусловленную петлевым ФНЧ, и неавтономность, возникающую за счёт воздействия сложного «квазишумового» процесса nQ (t ), порождаемого ДСМ при формировании дробной части Nk.

Очевидно, что решение уравнений (1 – 4) для динамического режима системы не может быть найдено аналитическими методами. С учётом этого для проведения их исследований был выбран метод цифрового моделирования.

В третьей главе проводилась разработка алгоритмов и компьютерных программ для исследования динамических и спектральных характеристик широкодиапазонного СЧ. Для численного решения уравнений динамической части модели (1 – 4) в диссертационной работе предложена методика, основанная на использовании аппроксимации непрерывной части системы (ФНЧ с передаточной функцией K ( p) ) дискретной моделью, записанной в дробно-рациональном виде:

где: m – порядок фильтра, T – период вычислительной дискретизации, определяющий точность аппроксимации. При этом в исходном полиноме, После перехода к изображениям и использования ряда преобразований получено рекуррентное выражение, позволяющее при произвольном внешнем воздействии с выхода ЧФД – iЧФД (nT ), определять выходной отклик uпг (nT ) с использованием всего лишь не более чем m предыдущих выходных значений:

Причем коэффициенты av и bv вычисляются лишь один раз при вводе исходных данных на параметры ФНЧ (проведении аппроксимации полинома K ( p ) ).

На основании методов цифрового моделирования в третьей главе были получены: цифровая модель петлевого ФНЧ m-го порядка, (m=1…10), цифровая модель ЧФД, учитывающая не только его периодическую нелинейность, но и нелинейность за счёт изменения амплитуды импульсов выходных токов, цифровая модель ПГ, учитывающая нелинейность характеристики управления его частотой, цифровая модель ДДПКД, учитывающая изменение периода дискретизации в кольце ИФАПЧ (численное интегрирование с переменным верхним пределом), а также неавтономность модели за счёт воздействия на величину коэффициента деления Nk управляющего сигнала с ДСМ.

Для исследования уравнений квазистатической части математической модели (5) использовались аналитические выражения для дискретно-непрерывных передаточных функций системы W1 ДН p и W2 ДН p, позволяющие производить расчёт частотных характеристик системы и составляющих СПМ фазовых флуктуаций выходного сигнала, обусловленных воздействием шумов всех узлов системы ИФАПЧ, а также квазишумовых последовательностей, порождаемых ДСМ.

На основании алгоритмического описания математической модели (1 – 6) была разработана программа на языке Delphi, предназначенная для исследования и расчёта динамических, частотных и спектральных характеристик СЧ на основе государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ № 2008615490 от 17 ноября 2008г.).

В четвёртой главе на основе разработанной программы проведено всестороннее исследование характеристик разрабатываемого широкодиапазонного СЧ. Результаты исследования динамических характеристик позволили выявить нелинейные эффекты в динамике системы ИФАПЧ, которые невозможно обнаружить аналитически (некоторые примеры приведены на рисунке 5).

Рисунок 5 – Влияние нелинейных эффектов, возникающих за счёт циклов проскальзывания при большой частотной расстройке (а) и Таким образом, было показано, что наличие нелинейных эффектов в реальных широкодиапазонных СЧ приводит к существенному увеличению времени переходного процесса, величина которого может значительно отличаться от известных приближённых оценок, полученных на основе линейных непрерывных моделей.

Кроме того, были получены зависимости времени переходного процесса в СЧ с петлевыми ФНЧ второго и третьего порядков при различных значениях частотной расстройки и при изменении значения обобщённого коэффициента колебательности М, а также определен допустимый диапазон значений рабочего напряжения на выходе ЧФД.

На рисунке 6 приведены результаты анализа спектра выходного сигнала СЧ с петлевыми ФНЧ второго и третьего порядков и ДСМ второго порядка, а на рисунке 7 – СПМ на выходе СЧ с петлевым ФНЧ третьего порядка с ДСМ первого – четвёртого порядков.

На основании проведенных исследований была показана принципиальная возможность реализации гетеродинов приёмников комплексов радиомониторинга на основе простых (однокольцевых) СЧ. При этом были сформулированы требования ко всем узлам СЧ. В частности, сделан вывод о том, что при заданных ограничениях на спектр СЧ оптимально использование ДСМ третьего порядка, а порядок петлевого ФНЧ должен быть не ниже третьего.

Рисунок 6 – СПМ шумов выходного сигнала системы ИФАПЧ с ДСМ второго порядка и петлевыми ФНЧ 2-го (а) и 3-го (б) порядков Рисунок 7 – Спектр выходного сигнала системы ИФАПЧ с петлевым ФНЧ третьего порядка и ДСМ 2-го (а), 3-го (б) и 4-го (в) порядков Для анализа возможностей дальнейшего увеличения быстродействия системы ИФАПЧ с заданными спектральными характеристиками было проведено исследование различных вариантов реализации переменной структуры канала управления (уменьшение инерционности петлевого ФНЧ в переходном режиме, увеличение I чфд max, изменение частоты дискретизации). Показано, что наибольший эффект удается достичь при сочетании различных вариантов. При этом удалось уменьшить длительность переходных процессов во всем диапазоне перестройки с 480 мкс (рисунок 8а) до 130 мкс (рисунок 8б). Быстродействие предлагаемого варианта реализации СЧ в несколько раз превосходит соответствующие значения, характерные для используемых в настоящее время устройств.

Для поддержания постоянного значения величины коэффициента петлевого усиления D в пределах всего диапазона выходных частот, зависящего от изменения S пг и N B и оказывающего существенное влияние на динамические и спектральные характеристики системы, было применено разбиение диапазона перестройки ПГ на поддиапазоны, для каждого из которых определялось оптимальное значение I чфд max.

Рисунок 8 – Результат использования переменной структуры канала управления в системе ИФАПЧ с петлевым ФНЧ 3-го порядка Проведенные исследования позволили создать экспериментальный образец СЧ с диапазоном перестройки 100 МГц…3 ГГц, вошедшего в состав приёмника комплекса радиомониторинга. Используемый в СЧ ПГ осуществляет перестройку в диапазоне 1,5 ГГц…3,2 ГГц, перекрытие диапазона в более низкой частотной области осуществляется последующим делением частоты выходного сигнала ПГ в соответствующее число раз. Выборочные результаты экспериментальных исследований широкодиапазонного СЧ представлены на рисунках 9 и 10.

Рисунок 9 – Спектры выходного сигнала широкодиапазонного СЧ в ближней (а) и дальней (б) зонах, частота измерения 3000 МГц Рисунок 10 – Длительность переходных процессов СЧ при перестройке частоты с Экспериментальные исследования подтвердили работоспособность устройства, показали хорошее совпадение с результатами теоретических исследований, и соответствие всех характеристик созданного образца требованиям стандартов.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

1. Определены требования к широкодиапазонному СЧ приёмника мобильного комплекса радиомониторинга.

2. Предложен метод построения простых (однокольцевых) СЧ для приёмников комплекса радиомониторинга.

3. Разработана математическая модель системы ИФАПЧ с ДДПКД, управляемым ДСМ, которая базируется на переменной структуре канала управления и учитывает нелинейные и неавтономные свойства системы.

4. Разработаны алгоритмы моделирования динамических процессов в системе ИФАПЧ с учётом минимизации вычислительных ресурсов ЭВМ.

5. Разработан комплекс специализированных программ для расчёта, динамических, частотных и спектральных характеристик системы ИФАПЧ с произвольным видом и порядком (до десятого) петлевого фильтра в цепи управления и ДСМ (до пятого порядка) в цепи обратной связи.

6. Исследованы динамические, частотные и спектральные характеристики нелинейной неавтономной системы ИФАПЧ с нелинейным элементом управления (ДСМ) в цепи обратной связи.

7. Исследована эффективность использования переменной структуры канала управления системы ИФАПЧ для повышения быстродействия СЧ при сохранении заданного качества спектра выходного сигнала.

широкодиапазонного СЧ для приёмника комплекса мониторинга систем мобильной радиосвязи.

обеспечивающий заданную спектральную чистоту выходного колебания и высокое быстродействие при перестройке по частоте.

10. Применение совокупности предлагаемых в диссертации технических решений позволило обеспечить повышение технических характеристик и уменьшения массогабаритных показателей приёмника комплекса мониторинга в целом, что подтверждено соответствующими актами.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Иванкович М.В., Виноградов А.Н., Лебедев А.Н, Пестряков А.В.

Комплекс мониторинга систем профессиональной мобильной радиосвязи [Текст] // Электросвязь. - 2005. – №6. – С. 14 – 18. – 3000 экз. – ISSN 0013-5771.

2. Иванкович М.В., Романов Э.Ю. Универсальный приёмник на основе высокоскоростного аналого-цифрового преобразования группового сигнала [Текст] // Электросвязь. - 2008. – №6. – С. 37 – 40. – 3000 экз. – ISSN 0013-5771.

3. Иванкович М.В., Пестряков А.В. Демодуляция и декодирование сигналов систем профессиональной мобильной радиосвязи [Текст] // Материалы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания». – Самара, 2005. – С. 90 – 95.

4. Иванкович М.В., Пестряков А.В. Программная модель устройств обработки сигналов цифровой транкинговой системы TETRAPOL [Текст] // Труды РНТОРЭС им. А.С. Попова. Серия: Научная сессия, посвященная Дню радио.

Выпуск LX-2. - Москва, 2005. – C. 372 -375.

5. Иванкович М.В., Пестряков А.В. Демодуляция и декодирование сигналов цифровой транкинговой системы TETRAPOL [Текст] // Труды Московского технического университета связи и информатики: сборник статей. – М.: Инсвязьиздат, 2005. – 264с. – С. 98 – 102.

6. Иванкович М.В., Пестряков А.В. Анализ требований к элементам оборудования систем подвижной связи [Текст] // Материалы научно-практической конференции «Новые технологии развития сетей подвижной радиосвязи». – М.:

Пограничная академия России, 2006. – С. 14 – 34.

7. Иванкович М.В. Оценка влияния отдельных узлов обработки сигналов в приёмнике для системы сотовой связи третьего поколения [Текст] / М.: Деп. в ЦНТИ “Информсвязь”, 26 мая 2006 г., № 2271-св 2006. – С. 12 – 34.

8. Иванкович М.В., Пестряков А.В., Лебедев А.Н. Исследование влияния фазовых шумов гетеродина на приёмник абонентского терминала стандарта TETRA [Текст] // Материалы научно-технического семинара РНТОРЭС им.

А.С.Попова «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания». – Белгород, 2006. – С. 72 – 77.

9. Иванкович М.В., Лебедев А.Н., Виноградов А.Н., Терешонок М.В.

Методы распознавания цифровых радиосигналов при помощи искусственных нейронных сетей [Текст] // Материалы научно-технического семинара РНТОРЭС им. А.С.Попова «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания». – Белгород, 2006. – С. 109 – 120.

10. Иванкович М.В., Пестряков А.В., Лебедев А.Н. Разработка устройств модуляции и демодуляции сигналов цифрового транкингового стандарта TETRA [Текст] // Труды Московского технического университета связи и информатики:

сборник статей. – М.: Инсвязьиздат, 2006. – 232с. – С. 169 – 174.

11. Иванкович М.В. Сравнительный анализ отечественной и зарубежной аппаратуры радиоконтроля [Текст] // Материалы научно-практической конференции «Новые технологии развития сетей подвижной радиосвязи». – М.:

Пограничная академия России, 2007. – С. 24 – 39.

12. Иванкович М.В., Пестряков А.В. Определение требований к синтезатору частот для комплекса мониторинга систем связи [Текст] // Труды Московского технического университета связи и информатики, М.: «ИД Медиа Паблишер», 2007. – 316с. – С.69 – 76.

13. Иванкович М.В., Селютин М.И. Адаптивная система тактовой синхронизации при приёме сигналов цифровых систем связи в условиях априорной неопределенности по символьной скорости [Текст] // Труды Московского технического университета связи и информатики: сборник статей. – М.: «ИД Медиа Паблишер», 2007. – 316с. – С. 64 – 68.

14. Иванкович М.В., Пестряков А.В. Определение основных параметров широкополосного синтезатора частот с квазинепрерывной перестройкой частоты для комплекса мониторинга систем связи [Текст] // Материалы научнотехнического семинара РНТОРЭС им. А.С.Попова «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания». – Одесса, 2007. – С 46 – 55.

15. Иванкович М.В., Пестряков А.В. Исследование характеристик широкополосного синтезатора частот измерительного приёмника комплекса мониторинга [Текст] // Материалы научно-технического семинара РНТОРЭС им.

А.С.Попова «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания». – Ярославль, 2008. – С. 151 –153.

16. Иванкович М.В. Определение требований к шумовым характеристикам синтезатора частот [Текст] // Труды НИИР: сб. ст. – М.: НИИР. – 2008. – №3. – С.92 – 97.

17. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2008615490 (Россия). «Программа расчёта характеристик синтезаторов частот с кольцом ИФАПЧ» [Текст] / Иванкович М.В., Пестряков А.В., Кабанова Е.А.

Правообладатель ГОУ ВПО МТУСИ // Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 17 ноября 2008г., заявка № 2008615185 от 11 ноября 2008г.