Секция

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ.

МЕТРОЛОГИЯ И СТАНДАРТИЗАЦИЯ

В РАДИОЭЛЕКТРОНИКЕ

Автоматизированная система конструкторско-технологической

подготовки изделий (АСКТПП)

И.И. Макаревич

Измерение параметров преобразователей частоты СВЧ и КВЧ диапазонов

М.А. Косяк, А.П. Белошицкий, А.А. Павлючик

Аппаратно-программный комплекс для измерения параметров лазерного излучения

В.В. Кравченко Пространственная структура электромагнитного поля в измерительной ячейке СВЧ диапазона

Н.А. Певнева, А.В. Гусинский, А.Л. Гурский Цифровые системы передачи по технологиям XDSL

В.И. Кириллов, М.В. Власенко Повышение эффективности работы цифровых телекоммуникаций с применением фантомной цепи

В.И. Кириллов, И.Н. Белянский Разработка стандартной модели сценария атаки на информацию, передаваемую в сетях PON

В.И. Кириллов, Е.А. Коврига Измерительное приемное устройство 3-миллиметрового диапазона

В.Т. Ревин, Н.М. Наумович, О.А. Муравьев Компютерно-измерительная система для анализа АЧХ и ФЧХ четырехполюсников

В.Т. Ревин, Ю.С. Алькевич, В.А. Симоненко Измерительный комплекс для определения параметров источников светового излучения........... Н.В. Машедо, А.П. Белошицкий Измерение плотности потока энергии электромагнитного поля в СВЧ и КВЧ диапазонах с применением малогабаритной экранированной камеры

М.М. Касперович Проверка квалификации лабораторий, проводящих определение параметров оптического волокна

М.В. Гайдук Диодный измерительный преобразователь мощности СВЧ сигналов диапазона 78,33–118,1 ГГц...... А.Н. Луферов, А.В. Ворошень Программная модель панорамного измерителя комплексных коэффициентов передачи и отражения миллиметрового диапазона длин волн

Д.А. Кондрашов, А.В. Гусинский, А.М. Кострикин, М.С. Свирид Разработка широкополосных панорамных измерителей параметров устройств в миллиметровом диапазоне длин волн

А.В. Сайков, А.В. Ворошень, С.С. Гурский Ваттметр поглощаемой мощности СВЧ диапазона

О.В. Доницков, А.П. Белошицкий, А.В. Гусинский, А.Н. Луферов, А.В. Ворошень, В.К. Демидович Исследование формирования акустических колебаний электромагнитно-акустическим методом

А.А. Подолян Выбор купольной поворотной IP-видеокамеры для системы видеонаблюдения с помощью комплексной оценки уровня качества изделия

А.А. Борейко, В.М. Алефиренко Калибровка и проведение измерений флуктуаций в миллиметровом диапазоне

А.Я. Бельский, А.В. Гусинский, А.М. Кострикин Двухконтурный ГДГ, стабилизированный дисперсионным резонатором

А.Я. Бельский Принципы построения радиоволнового уровнемера, использующего зондирующий сигнал со сложным законом модуляции

В.Е. Самонов, А.В. Гусинский, А.И. Волковец, А.М. Кострикин, Н.М. Слюсарь Обработка данных в энергосистемах на основе технологии SMART GRID

Д.В. Хролович Устройство определения продуктов нелинейности в трактах передачи сигналов электросвязи

Е.К. Карпук, А.А. Пилюшко Cavitation in pulsed and continuous ultrasound fields

N.V. Dezhkunov, A. Francescutto, F. Calligaris, A.V. Kotukhov УДК 658.512.

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА

КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ

ПОДГОТОВКИ ИЗДЕЛИЙ (АСКТПП)

И.И. МАКАРЕВИЧ ОАО «АГАТ – системы управления» – управляющая компания холдинга «Геоинформационные системы управления»

пр-т Независимости, 114, г. Минск, 220114, Республика Беларусь [email protected] Все больше и больше программные продукты заменяют аппаратные средства. Несмотря на стремление производителей электронных изделий максимально использовать программные продукты вместо аппаратных средств, доля вновь разрабатываемого оборудования составляет большую часть изделий. Объем конструкторской документации на одно изделие исчисляется тысячами форматов. Подготовка производства занимает несколько месяцев.

Только комплексная автоматизация проектирования и технологической подготовки производства позволяет сократить сроки разработки и изготовления, снизить себестоимость продукции, повысить технический уровень и качество изделий.

Ключевые слова: система автоматизированного проектирования, автоматизированная система технологической подготовки производства, система управления данными проекта.

Сегодня многие предприятия с переменным успехом применяют различные САПР.

Зачастую это недорогие системы проектирования, с помощью которых решают лишь локальные задачи, используя их в качестве «электронных кульманов» и средств систематизации инженерной документации. Экономическая отдача от таких САПР невелика, они не освобождают конструкторов и технологов от рутинного труда, не обеспечивают существенного повышения качества выпускаемой продукции и сокращения сроков освоения новых изделий. Существенно сократить сроки конструкторского и технологического проектирования, повысить качество выпускаемых изделий и получить возможность быстрого освоения новой, востребованной рынком продукции, позволит переход к методам сквозного параллельного проектирования и подготовки производства.

В ОАО «АГАТ – системы управления» создана система сквозной автоматизации конструкторско-технологической подготовки производства, которая позволяет автоматизировать все бизнес-процессы и этапы проектирования, технологической подготовки, изготовления, авторского надзора, обслуживания и ремонта изделий в гарантийный и послегарантийный периоды.

Данная система представляет собой интегрированный комплекс систем автоматизации:

1. Система автоматизированного твердотельного проектирования и трехмерного моделирования, силового, теплового, статического анализа и оптимизации конструкций SolidWorks;

2. Система автоматизированного моделирования электрических схем, проектирования электронных модулей, анализа и оптимизации электронных моделей Mentor Graphics;

3. Система автоматизированного проектирования электрических схем соединений приборов, шкафов, подвижных единиц E3.cable Professional.

4. Автоматизированные системы технологической подготовки производства TechCard, SprutCAM, CAM350.

5. Автоматизированная система управления данными и технического электронного документооборота SEARCH (PDM).

Использование программного комплекса Mentor Graphics позволяет моделировать и разрабатывать цифровые и аналоговые электрические схемы, моделировать конструкцию электронных модулей, задавать при этом жесткие правила проектирования с последующей проверкой готового проекта на соответствие им. Инструменты расчетов анализа и оптимизации электронных моделей позволяют оценить работоспособность электронных модулей на этапе конструирования, в частности проследить путь прохождения сигнала, определить источники возникновения помех и их количественные характеристики, влияние помех на целостность сигнала, а также предлагают возможные методики устранения дестабилизирующих факторов. Наличие ассоциативности позволяет вносить изменения на любых этапах разработки, отражающиеся в проектах всех участников проекта.

САПР SolidWorks в сочет;ании с многофункциональным машиностроительным приложением CADMECH Pro для системы SolidWorks обеспечивает твердотельное моделирование деталей и сборочных единиц любой сложности, проведение инженерных расчетов, оценку, позволяет исследовать и оптимизировать структурное поведение разрабатываемых конструкций, находящихся под воздействием реальных статических и динамических нагрузок. Точное представление геометрии и адаптивная методика расчета позволяют легко получать быстрые и точные решения. По результатам моделирования генерируется комплект конструкторской документации в полном соответствии с требованиями ЕСКД.

Для проектирования электрических схем соединений на предприятии используется САПР E3.cable Professional. Все компоненты, входящие в объемный электромонтаж, выбираются из электронных библиотек и содержат необходимые параметры и свойства. Интеграция с 3-D САПР дает возможность передавать электротехническую часть проекта для разработки конструкции коммуникаций.

Полученные данные на этапе конструирования используются для разработки технологических процессов, проектирования технологической оснастки, формирования ведомостей покупных изделий и материалов, разработки и отладки управляющих программ для станков с ЧПУ при помощи автоматизированных систем технологической подготовки производства TechCard, SprutCAM, CAM350.

Интеграция и значительное повышение эффективности используемых на предприятии САПР обеспечивается PDM-системой SEARCH, базирующейся на единой базе данных под управлением СУБД Oracle. Внедрение PDM-системы «Search» позволило отказаться от традиционного бумажного делопроизводства и перейти к электронному документообороту, создать единую информационную среду предприятия с возможностью одновременного использования электронных документов всеми сотрудниками, оперативного санкционированного доступа к информации и осуществление контроля за происходящими процессами и движением документов. PDM-система SEARCH также обеспечивает взаимодействие с АСУ предприятием Галактика.

Основой АСКТПП являются автоматизированные рабочие места (АРМ), созданные на базе мощных персональных компьютеров и графических станций. Все автоматизированные рабочие места объединены в единую локально-вычислительную сеть предприятия.

В состав ЛВС входят мощные серверы и высокопроизводительное коммутационное сетевое оборудование, обеспечивающие реализацию всех преимуществ САПР.

Внедрение сквозной автоматизированной системы конструкторскотехнологической подготовки производства позволило нашему предприятию:

снизить массогабаритные характеристики и материалоемкость разрабатываемых изделий на 10–20 %;

повысить качество выпускаемой продукции и снизить расходы на гарантийное обслуживание на 15–25 %;

сократить время разработки изделий на 20–35 %;

сократить затраты на подготовку изделия к производству на 15–25 %;

сократить время изготовления изделия на 10–20 %;

сократить время на модернизацию изделий и внесение изменений в документацию на 45–60 %.

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ

СВЧ И КВЧ ДИАПАЗОНОВ

ОАО «Минский научно-исследовательский институт радиоматериалов ул. Кижеватова, 86, г. Минск, 220024, Республика Беларусь Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники Преобразователи частоты (ПЧ) являются ключевыми компонентами многих приемных и приемо-передающих систем сверхвысоких (СВЧ ) и крайневысоких частот (КВЧ).

Область их применения простирается от мобильной связи до автомобильных приложений, например, таких как радар для определения расстояния до автотранспорта, обзорный локатор или спутниковая техника. Для эффективного использования ПЧ в этих системах необходимо знать их параметры с высокой точностью. Поэтому задача измерений их параметров является весьма важной и актуальной.

Ключевые слова: преобразователи частоты, параметры, СВЧ, КВЧ.

Основными измеряемыми параметрами ПЧ являются потери на преобразование, перекрёстные помехи и комплексные S-параметры входов и выходов преобразователя.

Методы и средства, предназначенные для измерения этих параметров СВЧ и КВЧ диапазона весьма разнообразны. Наиболее предпочтительным для измерения параметров ПЧ в СВЧ и КВЧ диапазонах является использование векторных анализаторов цепей (ВАЦ). Современные ВАЦ позволяют проводить измерения в диапазоне от 10 МГц до 110 ГГц и обеспечивают возможность определения всех параметров преобразователя одним и тем же прибором.

В докладе рассматривается методика измерения параметров ПЧ с использованием ВАЦ R&S®ZVA40 компании Rohde & Schwarz, который имеет следующие технические характеристики:

– число тестовых портов 4;

– диапазон частот от 10 МГц до 40 ГГц;

– динамический диапазон между тестовыми портами >135 дБ;

– погрешность установки мощности выходного сигнала ±(0,8…2,0)дБ, в зависимости от частоты;

– погрешность измерения модуля коэффициента передачи ±(0,1…1,0) дБ, в зависимости от частоты.

Так как четырехпортовая модель R&S®ZVA оборудована вторым независимым источником сигнала, то измерение потерь преобразования можно выполнять без дополнительных внешних генераторов.

Для калибровки схемы измерений параметров ПЧ предлагается вместо калибровочной меры на проход использовать калибровочный смеситель. Характерными особенностями данного метода калибровки являются:

Структурная схема подключения ПЧ к ВАЦ представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема подключения преобразователя частоты к векторному анализатору цепей Для проведения измерений необходимо задать частоту СВЧ сигнала и гетеродина; тип преобразования и уровень мощности входного сигнала и сигнала гетеродина.

На рис. 2 представлены диалоговые окна настройки частоты и мощности входного сигнала и сигнала гетеродина.

Рис. 2. Диалоговые окна настройки частоты и мощности входного сигнала Комплексные значения S-параметров входа и выхода ПЧ и потерь преобразования измеряются методом прямых измерений в автоматическом режиме.

Представленная выше методика позволяет решить задачи определения параметров ПЧ СВЧ и КВЧ диапазонов с минимальными аппаратными и временными затратами.

1. Просыпкина С.Е., Новикова Ю.Н. Измерения в диапазоне миллиметровых волн с использованием преобразователей семейства R&S ZVA [Электронный ресурс]:

руководство по применению / пер. : – Электрон. дан. (786 Кб),2007.

2. Гусинский А.В., Кострикин А.М., Дзисяк А.Б. и др. Новые средства радиоизмерений в миллиметровом диапазоне длин волн //Метрология и приборостроение. 2004 г., №1. С 38-42.

УДК 627.317+621.373.

АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС

ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Белорусский государственный институт стандартизации и сертификации Приводятся результаты создания аппаратно-программного комплекса для измерения параметров лазерного излучения, созданного для целей сертификационных испытаний продукции, содержащей источники когерентного оптического излучения, в частности, связанных с определением класса опасности такого оборудования в соответствии с действующей нормативно-технической базой.

Ключевые слова: измерения, лазерное излучение, безопасность, сертификация.

Развитие лазерных технологий в последнее время привело к значительному расширению сфер применения источников лазерного излучения и росту их применения в технических устройствах различного назначения, включая бытовые. Однако, помимо преимуществ, предоставляемых данными технологиями, источники лазерного излучения являются потенциально опасными устройствами, и их использование требуют адекватного контроля, в том числе и при проведении сертификационных испытаний продукции. Широкие диапазоны измеряемых величин неизбежно приводят к значительному удорожанию рабочих мест проведения указанных измерений, поэтому создание оптимального измерительного комплекса является актуальной задачей.

Национальные и межгосударственные стандарты СТБ МЭК 60065-2004, ГОСТ IEC 60065-2001, СТБ МЭК 609501-1-2003 и ГОСТ IEC 60950-1-2011 устанавливают требования безопасности к источникам лазерного излучения, применяемым в аудио-, видео- и аналогично электронной аппаратуре, а также в оборудовании информационных технологий. Данные требования являются обязательными для применения и исполнения в рамках действия технического регламента Таможенного союза ТР ТС 004/2011 «О безопасности низковольтного оборудования».

Общая классификация уровней опасности лазеров и методика их определения приведена в СТБ IEC 60825-1-2011 и предусматривает измерение и расчёт таких параметров как: предел интенсивности доступного излучения (ПИДИ) и предел допустимого уровня (ПДУ), длина волны и мощность лазерного излучения, энергия излучения и энергетическая экспозиция и др [1]. Однако в большинстве случаев характер лазеров, применяемых в бытовом и аналогичном оборудовании, даёт возможность определения класса опасности по результатам измерения длины волны и мощности излучения. Кроме того, при создании комплекса учитывались и возможные диапазоны излучения, так как увеличение, например, измеряемого диапазона длины волны в два раза может привести к росту конечной стоимости в 10 раз, в зависимости от производителя оборудования. Принимая во внимание описанные выше факторы, общая структурная схема разрабатываемого аппаратно-программного комплекса для измерения параметров лазерного излучения примет вид, представленный на рисунке 1. Краткая характеристика комплекса приведена ниже.

Рис. 1. Структурная схема аппаратно-программного комплекса для измерения параметров источников лазерного излучения Оптические элементы представляют собой набор линз, апертурных диафрагм, которые позволяют направить входной сигнал от источника к выбранной заранее зондовой головке, соответствующей параметрам исследуемого лазера. После детектирования сигнала происходит его измерение и передача на ПЭВМ через интерфейсы сопряжения, для последующей обработки и хранения. Соединение с ПЭВМ позволяет автоматизировать процессы измерения при возникновении необходимости в продолжительных по времени испытаниях. Кроме того, данная возможность снижает уровень потенциальной угрозы для оператора, минимизируя время его нахождения в непосредственной близости с источниками излучения.

Диапазоны измеряемых характеристик аппаратно-программного комплекса:

Мощность – 10 мВт..30Вт Длина волны – 190 нМ..1100 Нм Расчёт неопределенности измерений – в процессе разработки, в виду большого количества влияющих на итоговый результат факторов.

Обсуждаются пути развития созданного аппаратно-программного комплекса и возможная сфера его применения.

1. СТБ IEC 60825-1-2011. Безопасность лазерных изделий. Часть 1. Классификация оборудования и требования.

УДК 621.371.

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО

ПОЛЯ В ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЯЧЕЙКЕ СВЧ ДИАПАЗОНА

Н.А. ПЕВНЕВА1, А.В. ГУСИНСКИЙ2, А.Л. ГУРСКИЙ Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники [email protected], [email protected], [email protected] Для решения актуальной задачи исследований диэлектрических свойств различных материалов в области СВЧ необходимо разработать измерительные ячейки для соответствующих частотных диапазонов. Изложены результаты трехмерного электродинамического моделирования распространения электромагнитной волны в замкнутом пространстве для дальнейшего конструирования и изготовления таких ячеек.

Ключевые слова: моделирование, электромагнитное поле, измерительная ячейка, СВЧ.

В последнее время наблюдается активное исследование и разработка сверхвысокочастотных радиоэлектронных систем. При этом одной из актуальных задач является изучение свойств материалов, в том числе конструкционных, в СВЧ диапазоне. Другой задачей является разработка точных диагностических методов, позволяющих на основе результатов измерений, в том числе в реальном времени, судить о ходе технологических и производственных процессов. Данные о диэлектрических свойствах многих материалов в СВЧ диапазоне в литературе отсутствуют, что сдерживает их применение либо не позволяет создать соответствующие методы мониторинга и диагностики.

Для исследования диэлектрических свойств материалов в частотном диапазоне 25–37 ГГц поставлена цель разработать измерительную ячейку, отвечающую основным критериям данного частотного диапазона. Для оптимизации геометрии измерительных ячеек необходимы точные сведения о пространственной структуре электромагнитного поля в ячейке с учетом его искажений, вызванных введением дополнительного элемента - полиэтиленовой трубки, содержащей исследуемое вещество. С целью получения информации о структуре электромагнитного поля было проведено моделирование системы, состоящей из двух рупорных антенн и одной измерительной ячейки, помещенной между ними, с помощью среды трехмерного электродинамического моделирования Ansoft HFSS [1] (рис. 1).

Рис. 1. Смоделированная в HFSS система, состоящая из двух рупорных антенн и одной измерительной ячейки, помещенной между ними В смоделированной в HFSS системе было получено и проанализировано распределение электромагнитного поля (рис. 2), а также влияние вышеуказанного дополнительного измерительного элемента на это распределение.

Рис. 2. Распределение электромагнитного поля в смоделированной системе Если размеры сечения волновода выбираются таким образом, чтобы обеспечить формирование необходимой структуры поля, то, плавно увеличивая сечение волновода, эту структуру можно сохранить, а размеры измерительной ячейки увеличить. В месте перехода от волновода к рупору возникают высшие типы волн, но при достаточно плавном расширении волновода (малый угол раствора рупора) интенсивность этих волн невелика. Вектор Е электромагнитного поля при переходе из волновода в рупор несколько изменяют свое направление, что обеспечивает выполнение граничных условий на стенках рупора.

Направленные свойства рупорной антенны приближенно можно оценить, используя метод Гюйгенса-Кирхгофа. В соответствии с этим методом поле излучения любой апертурной антенны можно рассчитать путем сложения полей излучения элементарных площадок, расположенных непрерывно по всей излучающей поверхности антенны, В данном случае излучающей поверхностью является поверхность раскрыва рупора. Поскольку в рупоре в основном сохраняется тот же характер поля, что и в волноводе, то принимают, что на апертуре существуют две взаимно-перпендикулярные тангенциальные составляющие поля ЕУ и НХ, амплитуды которых не зависят от координаты у, а вдоль координаты х изменяются по закону косинуса. Однако, в отличие от поверхности открытого конца волновода, апертура рупора не может быть возбуждена синфазно, так как в рупоре распространяется цилиндрическая (в секториальных) или близкая к сферической (в пирамидальных) волна.

Диаграмма направленности излучающей поверхности с квадратичным фазовым распределением, рассчитанная по методу Гюйгенса-Кирхгофа, определяется математическим выражением, содержащим интегралы Френеля [2]. При этом диаграммы направленности в плоскостях Е и Н оказываются несовпадающими в силу различного характера распределения амплитуды поля от координат X и У. Ширина диаграммы направленности больше (при одинаковых a и b ), а уровень бокового излучения рупорной антенны меньше в плоскости Н чем в плоскости Е, причем это различие вызвано только характером распределения поля по апертуре [3].

На основе полученных данных о распространении электромагнитного поля в замкнутом пространстве были оптимизированы геометрические размеры и форма измерительной ячейки.

1. Банков С.Е., Курушин А.А. Расчет антенн и СВЧ структур с помощью HFSS Ansoft. М., 2009.

2. Фролов О.П. Антенны и фидерные тракты для радиорелейных линий связи. М., 2001.

3. Гусинский А.В., Шаров Г.А., Кострикин А.М. Анализ и преобразование сигналов. Минск, 2012.

УДК 362.

ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ПО ТЕХНОЛОГИЯМ XDSL

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники ул. Независимости, 220, г. Минск, 220057, Республика Беларусь Использование цифровых систем передачи (ЦСП) по технологиям xDSL в условиях развития сети связи Вооруженных Сил Республики Беларусь является весьма актуальным и связано с постоянным ростом пропускной способности линий связи между пунктами управления. Однако кроме очевидных достоинств, ЦСП по технологиям xDSL имеют и недостатки.

Применяемые на сегодня алгоритмы компенсации эхо-сигналов в однополосных ЦСП имеют конечную эффективность, что является их фундаментальным ограничением. Поэтому достаточно перспективными являются исследования возможностей ЦСП с частотным разделением направлений передачи, в которых не требуется компенсировать эхо-сигналы и разделять направления передачи с помощью диффсистем. Как показываю исследования, ЦСП с частотным разделением в ряде случаев имеют большую эффективность и оказываются предпочтительнее однополосных ЦСП.

Ключевые слова: цифровые системы передачи, технологии xDSL.

В рамках развития сети связи Вооруженных Сил Республики Беларусь актуальным являются вопросы использования цифровых систем передачи (ЦСП) по технологиям xDSL [1]. Такие системы передачи кроме очевидных достоинств, имеют и некоторые недостатки. При работе нескольких однополосных цифровых систем передачи технологии xDSL по парам одного медного кабеля из-за наличия взаимных влияний происходит ухудшение условий работы и снижение качественных характеристик этих систем (рис. 1) [2–4].

Рис. 1. Схема поясняющая суть проблемы организации эффективной совместной работы нескольких ЦСП по технологии xDSL на одном медном кабеле связи Снижение эффективности ЦСП в указанных условиях проявляется в снижении пропускной способности или уменьшении длины участков регенерации систем передачи, чему свидетельствуют проведенный анализ и опыт практического применения. В связи с этим существует проблема организации эффективной совместной работы нескольких систем передачи по технологии xDSL на одном медном кабеле.

В настоящем докладе приводится методика расчета и параметрической оптимизации ЦСП в условиях совместной работы на многопарных кабелях с произвольными скоростями передачи и параметрами. Показано, что очень важно при эксплуатации систем передачи провести параметрическую оптимизацию, что дает возможность получить расчетную длину участка связи, которая во многих случаях существенно больше, чем при использовании неоптимальных параметров ЦСП [5].

Проведенное моделирование показывает, что не существует универсальных решений оптимизации для всех типов применяемых кабелей связи. В каждом конкретном случае совместной работы нескольких ЦСП на одном кабеле требуется новый поиск оптимальных значений параметров ЦСП [5].

При оптимизации однополосных ЦСП, которые работают совместно на одном кабеле, необходимо учесть шумы на входе решающего устройства каждой из однополосных ЦСП, образованные из-за конечной компенсирующей способности применяемых эхо-компенсаторов. Применяемые в однополосных ЦСП алгоритмы компенсации эхо-сигналов имеют эффективность от 27,5 до 60 дБ [6], поэтому достаточно перспективными являются исследования возможностей ЦСП с частотным разделением направлений передачи, в которых не требуется применение эхокомпенсаторов и диффсистем.

ЦСП с частотным разделением в ряде случаев имеют большую эффективность и оказываются предпочтительнее однополосных ЦСП [7, 8].

1. Власенко М.В. Повышение пропускной способности кабельных линий военной цифровой связи за счет применения технологий xDSL // Сб. науч. статей Воен.

акад. РБ. 2008. № 14. С. 33–41.

2. Парфенов Ю.А., Мирошников Д.Г. Цифровые сети доступа. М.: Эко-Трендз, 2005.

3. Кириллов В.И., Белко А.И. Эффективность технологий линейного кодирования для цифровых систем передачи абонентских линий // Электросвязь. 2002. №11. С. 15–18.

4. Кириллов В.И. Многоканальные системы передачи: Учебник для вузов. 2-е издание. М.: Новое знание. 2003.

5. Власенко М.В. Методики расчета и оптимизации однополосных цифровых систем передачи по технологиям xDSL c учетом шумов эхо-компенсации // Докл. БГУИР. 2012. № 4(66). C. 75–81.

6. Кузнецов Е.П. Методы и алгоритмы адаптивной эхо-компенсации: сравнительный анализ эффективности применения // Цифровая обработка сигналов. 2007. № 2.

С. 26–34.

7. Кириллов В.И., Власенко М.В. Анализ и оптимизация ЦСП по кабельным линиям связи с частотным разделением направлений // Веснiк сувязi. 2011. № 6. C. 35–39.

8. Кириллов В.И., Власенко М.В. Цифровые системы передачи «последней мили»

с частотным разделением направлений: анализ, оптимизация, сравнение // Электросвязь. 2012. № 11. C.28–31.

УДК 621.391+621.

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ

ЦИФРОВЫХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

С ПРИМЕНЕНИЕМ ФАНТОМНОЙ ЦЕПИ

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники Одночетвёрочный медный кабель широко используется при организации линий и сетей связи. Постоянный рост объёмов передаваемой информации предъявляет повышенные требования к пропускной способности кабеля. Поэтому существует необходимость в структурной и параметрической оптимизации существующих вариантов работы ЦСП.

Ключевые слова: фантомная цепь, цифровая система передачи, пропускная способность.

Для обеспечения связи по одночетвёрочному медному кабелю применяются различные структурные построения ЦСП. По количеству пар, используемых одной ЦСП, могут быть двухпроводные и четырёхпроводные ЦСП. По способу организации дуплексной передачи существуют два вида двухпроводных ЦСП (с однополосной дуплексной передачей и с двухполосной дуплексной передачей) и три вида четырёхпроводных ЦСП (с однополосной полудуплексной передачей по каждой паре, с однополосной дуплексной передачей по каждой паре и с двухполосной дуплексной передачей по каждой паре). По виду линейного сигнала выделяют ЦСП, использующие линейные сигналы, сформированные методами многоуровневой АИМ (PAM), и ЦСП, использующие линейные сигналы, сформированные методами многопозиционной модуляции одной или нескольких несущих частот (QAM, CAP, DMT) [1].

В результате исследований в рамках структурной и параметрической оптимизации меднокабельных ЦСП и оценки эффективности разных вариантов ЦСП по критерию предельная длина регенерационного участка [2] были определены оптимальные варианты построения ЦСП и параметры передаваемых сигналов. Так, например, при работе на одночетвёрочном кабеле одной или двух однотипных ЦСП с многоуровневым АИМ линейным сигналом наиболее предпочтительным вариантом является однополосная дуплексная передача по каждой паре. При этом для одной ЦСП, работающей по двум парам, вследствие снижения символьной частоты сигнала достигается увеличение предельной длины регенерационного участка. При совместной работе двух разнотипных ЦСП, имеющих одинаковые линейные коды, но разные информационные скорости передачи, предельная длина участка регенерации определяется более высокоскоростной ЦСП [3].

Совместная работа двух разнотипных ЦСП с многоуровневыми АИМ линейными сигналами, имеющих одинаковые информационные скорости, но разные линейные коды, обеспечивается при длине участка регенерации, которая может быть как меньше, так и больше, чем длина участка регенерации при одинаковых кодах передачи. Сложный и не вполне очевидный характер зависимости длины участка регенерации объясняется существенным различием характеристик спектральных плотностей мощности линейных сигналов, имеющих разные коды и скорости передачи [4].

В случае однокабельного построения линии связи с использованием двух- или четырёхпроводных ЦСП с двухполосной дуплексной передачей по каждой паре CAP (QAM) линейного сигнала предельная длина регенерационного участка определяется защищённостью высокочастотного направления от собственных шумов и переходных влияний (ПВ) на дальний конец (ДК). При работе на кабеле одной ЦСП двухполосная передача CAP (QAM) сигнала проигрывает однополосной передаче АИМ сигналов [5, 6].

Применение фантомной цепи (ФЦ) позволяет организовать в одночетвёрочном кабеле третью пару для передачи информации [7]. Это позволяет рассмотреть дополнительные варианты структурных построений ЦСП.

Анализ особенностей совместной работы разнотипных ЦСП [8] позволил определить, что для увеличения длины участка регенерации при неизменной скорости передаваемого сигнала либо для увеличения скорости передаваемого сигнала при неизменной длине участка регенерации при использовании ФЦ целесообразно использовать несимметричное деление цифрового сигнала. При этом большую часть цифрового потока необходимо передавать по ФЦ, а меньшую — делить между физическими парами.

Это позволяет рассмотреть следующие возможные варианты подключения высокоскоростных ЦСП на одночетвёрочном кабеле:

1) две односкоростные ЦСП с АИМ (PAM) линейным сигналом, работающие на скорости потока E2 (см. рис. 1, а);

2) две разноскоростные ЦСП АИМ (PAM) линейным сигналом: ЦСП-1 со скоростью АИМ сигнала E2 (делится в отношении 3:1), ЦСП-2 со скоростью АИМ сигнала E1 (см. рис. 1, б).

Рис. 1. Варианты подключения высокоскоростных ЦСП на одночетвёрочном кабеле:

а – две односкоростные ЦСП; б – две разноскоростные ЦСП 1. Горальски В. Технологии ADSL и DSL. М., 2000.

2. Кириллов В. И., Белко А. И. // Электросвязь. 2001. №10. С. 20–23.

3. Кириллов В. И., Белко А. И. // Веснiк сувязи. 2001. №3. С. 44–47.

4. Кириллов В. И., Белко А. И., Соборова И.Г. и др. // Веснiк сувязi. 2003. №5. С. 39–44.

5. Кириллов В. И., Белко А. И. // Веснiк сувязi. 2002. №6. С. 17–23.

6. Кириллов В.И., Белко А.И., Малашкевич Д.Ф. // Веснiк сувязi. 2003. №3. С. 56–58.

7. Кириллов В. И., Белко А. И., Соборова И.Г. и др. // Веснiк сувязi. 2003. №5. С. 39–44.

8. Кириллов В.И., Белко А.И. // Доклады БГУИР. 2006. №1 (13). С. 5–14.

УДК 621.391.

РАЗРАБОТКА СТАНДАРТНОЙ МОДЕЛИ СЦЕНАРИЯ АТАКИ

НА ИНФОРМАЦИЮ, ПЕРЕДАВАЕМУЮ В СЕТЯХ PON

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники На основе предыдущих авторских публикаций дополнена стандартная модель сценария атаки на информацию, передаваемую в пассивных волоконно-оптических сетях PON; выделены преимущества и особенности применения квантовой криптографии в сетях PON.

Ключевые слова: пассивные волоконно-оптические сети PON, защита информации, симметричные/асимметричные криптосистемы, квантовая криптография.

В статье [1] показано, что криптографические средства защиты информации являются единственными эффективными мерами при борьбе с нарушением достоверности передаваемой информации и нарушением конфиденциальности в тех случаях, когда измерительные методы не позволяют выявить злоумышленника.

В современной литературе выделяют два типа криптосистем: симметричные и асимметричные [2]. У обеих этих систем есть существенные недостатки: при симметричном шифровании взаимодействующим сторонам необходим защищенный канал, по которому они могли бы обмениваться секретными ключами, а асимметричные системы основываются только на относительно медленном развитии технического прогресса [2].

Поэтому возникла потребность в криптографических системах, основанных на принципах, отличных от математических. В качестве примера такой системы можно привести квантовую криптографию. Прежде всего, системы квантовой криптографии ориентированы на создание абсолютно защищенного канала для распределения ключа и разделяются на два направления: кодирование квантового состояния одиночной частицы и квантовое перепутывание фотонов [3].

В настоящее время ученые-исследователи стремятся увеличить т.н. «физические» параметры систем квантовой криптографии (а именно протяженность волоконнооптической линии связи); разрабатывают модифицированные протоколы кодирования, направленные на уменьшение количества полезной информации, которую теоретически может получить злоумышленник, но в то же время на увеличение значения ошибки на приемной стороне, вызванной действиями нарушителя; переходят от систем «точкаточка» к древовидной топологии «точка-многоточка», что становится особенно актуальным в связи с повсеместным развертыванием пассивных волоконно-оптических сетей доступа PON в качестве абонентской «последней мили» (переданный отправителем единичный фотон не может быть разделен или скопирован, но может появиться с некоторой вероятностью на одном из выходов сплиттера) [3].

Приведем несколько примеров актуальных разработок: в статье [4] показано, что скорость распределения квантового ключа можно повысить, установив сплиттер, в отличие от традиционных древовидных схем сетей PON, в т.н. «центральном офисе» у отправителя; в работе [5] вместо обычных пассивных сплиттеров применялись активные оптические переключатели, способные подключать отправителя к любому из получателей, создавая тем самым временные каналы «точка-точка»; в статье [6] смоделирована возможность построения звездообразной сети с распределением квантовых ключей без участия «центрального узла».

Таким образом, с учетом всего вышеизложенного полученную в [1] обобщенную модель сценария атаки на информацию, передаваемую по сетям PON, можно дополнить, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Стандартная модель сценария атаки на информацию, передаваемую в сетях PON 1. Кириллов В.И., Коврига Е.А. Исследование обобщенной модели сценария атаки на информацию, передаваемую по пассивным волоконно-оптическим сетям PON // Веснiк сувязi, 2014 (В печати).

2. Чмора А.Л. Современная прикладная криптография. 2-е изд., стер. М.: Гелиос АРВ, 2002. 256 с.

3. Бирин Д.А. // T-Comm, 2012. №7. С. 27–29.

4. Fernandez V., Collins R.J., Gordon K.J. etc. // Optics Express, 2005. V. 13 (8). P. 3015–3020.

5.] Tang X., Ma L., Mink A. etc. Demonstration of an active quantum key distribution network [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www. proceedings.spiedigitallibrary.org/proceeding.

aspx?articleid=1290518. – Дата доступа: 29.11.2013.

6. Mo X.-F., Zhang T., Xu F.-X. etc. Quantum key distribution network with wavelength addressing [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www.arxiv.org/abs/quant-ph/0610096v2. – Дата доступа: 29.11.2013.

УДК 621.317.61:621.396.

ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ ПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО

3-МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники [email protected]; [email protected]; [email protected] К важнейшим задачам совершенствования систем миллиметрового диапазона относится необходимость высокоточного измерения диаграмм направленности антенн в широком динамическом диапазоне. В этой связи большой интерес представляют измерительные приемные устройства, обладающие высокими разрешающей способностью по частоте и чувствительностью в заданном частотном диапазоне. Особенно важно достижение максимальной чувствительности в коротковолновой области миллиметрового диапазона, где до настоящего времени отсутствуют широкополосные малошумящие входные усилители.

Ключевые слова: измерительное приемное устройство, радиоконтроль, диаграммы направленности антенн, амплитудные и частотные параметры.

Для выполнения задач измерения малых уровней мощности, напряженности электромагнитного поля и параметров радиосигналов используются разные виды измерительного оборудования, в том числе сканирующие радиоприемные устройства, селективные микровольтметры, аналоговые и цифровые анализаторы спектра, панорамные радиоприемные устройства, панорамные измерительные приемники.

Разработанное измерительное приемное устройство представляет собой панорамный измерительный приемник с высокими метрологическими характеристиками, предназначенный для измерения частоты, уровня и других необходимых параметров радиосигналов. Обобщенная структурная схема разработанного приемного устройства 3-миллиметрового диапазона длин волн приведена на рис. 1.

Особенностью построения данной схемы измерительного приемного устройства является использование для формирования гетеродинного сигнала комбинированного синтезатора частот, состоящего из трех источников сигнала, синхронизированных одним задающим генератором, переключение которых осуществляется с помощью волноводного электрически управляемого переключателя.

Сигнал первой промежуточной частоты с выхода балансного смесителя поступает на высокочастотный вход векторного анализатора сигналов, в котором осуществляется второе преобразование частоты. Сигнал второй промежуточной частоты с выхода понижающего преобразователя анализатора сигналов подается на вход аналогоцифрового демодулятора, который синхронизируется от высокочастотного генератора.

В аналого-цифровом демодуляторе производится квадратурная демодуляция сигнала с последующим преобразованием его в цифровой код.

Управление режимами работы и обработки измерительной информации производится с помощью контроллера. Наблюдаемый сигнал и результаты измерений отображаются на дисплее компьютера в виде виртуальной панели, центральную часть которой занимает графическая панель, на которой отображаются спектры принимаемых приемным устройством сигналов с указанием значений частот в гигагерцах и уровней измеряемых сигналов в дБм.

Рис. 1. Обобщенная структурная схема приемного измерительного устройства Для проведения экспериментальных исследований была собрана экспериментальная установка, включающая в себя перестраиваемый по частоте источник миллиметрового сигнала, измерительный поляризационный аттенюатор и рупорную антенну.

В состав установки входят также ваттметр поглощающей мощности и цифровой частотомер для измерения параметров излучаемого сигнала.

Результаты экспериментальных исследований разработанного измерительного приемного устройства миллиметрового диапазона длин волн приведены в табл. 1.

Табл. 1. Характеристики разработанного приемного устройства миллиметрового диапазона Макет приемного устройства диапазона длин Таким образом, в результате проведенной работы достигнуто расширение полосы рабочих частот приемного устройства, динамического диапазона измерений исследуемых сигналов и достигнут предельно возможный в настоящее время уровень чувствительности широкополосной измерительной системы для 3-миллиметрового диапазона.

УДК 681.518.3:621.372.

КОМПЮТЕРНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

ДЛЯ АНАЛИЗА АЧХ И ФЧХ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКОВ

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники [email protected], [email protected], [email protected] Применение компьютерно-измерительных систем является в настоящее время приоритетным направлением автоматизации процесса измерения параметров радиотехнических сигналов и цепей. В этой связи большой интерес представляет автоматизация средств измерений амплитудно- (АЧХ) и фазочастотных (ФЧХ) характеристик широкого класса четырехполюсников, используемых в различных областях современной техники.

Ключевые слова: компьютерно-измерительная система, амплитудно-частотная характеристика, фазочастотная характеристика, программное обеспечение, LabVIEW.

Наиболее перспективным путем повышения уровня автоматизации измерения амплитудных и фазовых параметров в диапазоне частот является использование в составе измерительных систем встроенных средств вычислительной техники, позволяющей обеспечивать диалог оператора с системой и представлять при этом измерительную информацию в цифровом виде, обеспечивать контроль правильности действия оператора и самоконтроль системы, организовывать интерфейс, что позволит использовать прибор в составе больших автоматизированных измерительных систем, повышать точность измерений путем учета при вычислении результата измерения факторов, влияющих на точностные характеристики системы.

Наряду с амплитудными и частотными параметрами измерение фазовых параметров сигналов, элементов и узлов аппаратуры, линий связи и трактов передачи является одним из наиболее распространенных видов измерений, особенно в радиоэлектроники и технике связи. Их знание необходимо для обеспечения безынерционной передачи информации и становится особенно важным при передаче информации на большие расстояния. Кроме того, с помощью фазовых параметров часто оценивают качество различных устройств радиоэлектроники и связи.

Разработанная на кафедре метрологии и стандартизации БГУИР для целей учебного процесса компьютерно-измерительная система (КИС) позволяет проводить анализ АЧХ и ФЧХ различных четырехполюсников в диапазоне частот от 1 до 150 кГц в автоматическом режиме. Структурная схема КИС для анализа АЧХ и ФЧХ приведена на рис. 1.

В качестве источника опорного и измерительного сигналов используется цифроаналоговый преобразователь платы сбора данных NI PCI-6251 производства National Instruments. Генерация синусоидального сигнала качающейся частоты происходит путем подачи цифровых кодов выборок, формируемых ЭВМ, в буфер памяти цифроаналогового преобразователя (ЦАП) по шине PCI. Считывание цифровых кодов из буфера и последующая генерация отдельной выборки синхронизируется тактовым генератором 1.

Рис. 1. Структурная схема компьютерно-измерительной системы для анализа Измерение параметров опорного сигнала и сигнала, снимаемого с выхода исследуемого четырехполюсника, обеспечивается персональным компьютером после их последовательного преобразования в цифровой код и записи в буфер АЦП. Последовательная подача опорного и измерительного сигналов на вход шестнадцатиразрядного АЦП осуществляется с помощью мультиплексора. Процесс коммутации и записи измерительной в буфер АЦП синхронизируется тактовым генератором 2. После завершения операции считывания информации данные из буфера АЦП передаются в ЭВМ по шине РСI. Поскольку получение измерительной информации происходит поочередно, то полученные результаты измерения будут содержать ложный фазовый сдвиг, значение которого определяется в процессе вычислений.

Управление процессом измерения производится с помощью программного обеспечения, установленного на персональным компьютер. Программное обеспечение создано в графической среде программирования LabVIEW 2009 с использованием библиотек функций управления платой NI PCI-6251.

Основные параметры разработанной компьютерно-измерительной системы приведены в табл. 1.

Табл.1. Основные параметры компьютерно-измерительной системы Пределы измерения фазовых сдвигов, град. ± Пределы измерения относительной амплитуды, дБ минус 40 – плюс Погрешность измерения фазовых сдвигов, град. ±2 (на частоте 1 – 100 кГц) Погрешность измерения относительной амплитуды, дБ ±0, Таким образом, в процессе разработки КИС решена основная поставленная перед разработчиками задача – практически полная автоматизация процесса измерения АЧХ и ФЧХ четырехполюсников.

УДК 621.981:628.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ПАРАМЕТРОВ ИСТОЧНИКОВ СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

ОАО «Испытания и сертификация бытовой и промышленной продукции «БЕЛЛИС»

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники Проблема оценки и контроля фотобиологической безопасности ламп и ламповых систем связана с отсутствием в нашей стране средств измерений для определения необходимых параметров.

Поэтому создание и метрологическое обеспечение измерительного комплекса для определения параметров источников светового излучения является важной и актуальной задачей.

Ключевые слова: фотобиологическая безопасность, световое излучение, источники света, облучение.

Лица, находящиеся вблизи ламп и ламповых систем, не должны подвергаться облучению, уровень которого превышает нормы, установленные в [1]. Предельные дозы облучения определяются из условий, при которых почти каждый человек может многократно подвергаться облучению без ущерба для здоровья. Они используются в качестве основания для контроля облучения от источников непрерывного излучения при длительности воздействия не менее 0,01 мс и не более 8 ч.

В общем случае для отнесения источника светового излучения к той или иной группе риска согласно [1] необходимо знать спектральную энергетическую яркость источника и общую энергетическую освещенность, измеренные при определенном положении глаз облучаемого человека. Такие спектральные данные источника света определяются, если яркость источника превышает 104 кд·м–2. При яркости источника меньше этого значения, предполагаемая предельная доза облучения не будет превышена.

Окончательное решение об отнесение источника светового излучения к той или иной группе риска формируется не только на основании полученных спектральных данных, но и в зависимости от времени воздействия каждого конкретного вида опасности. Исходя из результатов многочисленных научных исследований, выделяют следующие виды опасностей для человека в зависимости от диапазона длин волн светового излучения:

- актиничная ультрафиолетовая опасность для кожи и глаз;

- опасность ближнего ультрафиолетового излучения для глаз;

- опасность излучения синего света для сетчатки;

- опасность термического воздействия на сетчатку;

- опасность инфракрасного излучения для глаз.

На рис. 1 приведена структурная схема измерительного комплекса для определения параметров источников светового излучения, метрологические характеристики которого удовлетворяют требованиям, сформулированным в [1].

Оптическое излучение от исследуемого источника с помощью входной оптики подается на монохроматор-спектрометр. Входная оптика представляет собой систему из линз, рассеивателей и фильтров, которые в целом должны обеспечивать максимально приближенную к идеальной косинусную характеристику. С помощью монохроматора выделяется полоса длин волн светового излучения, в которой определяется энергетическая освещенность или энергетическая яркость. После детектирования, усиления и аналого-цифрового преобразования измерительный сигнал преобразуется в микропроцессорном устройстве к виду, необходимому для передачи в персональный компьютер.

Полученная измерительная информация обрабатывается в персональном компьютере с использованием специальных алгоритмов, так как конечный результат определяется путем интегрирования по многим параметрам, что требует значительных вычислительных затрат.

При проведении измерений необходимо учитывать условия окружающей среды (температура, наличие сквозняков и т.п.), особенности процедуры измерений и подготовки образцов, влияние посторонних излучений, а также параметры электропитания ламповой системы. Перед проведением измерений необходимо проводить предварительную калибровку монохроматора-спектрометра с помощью эталонных источников излучения.

Разработанный измерительный комплекс имеет следующие метрологические характеристики:

- диапазон длин волн: 180 нм–3000 нм;

- шаг сканирования монохроматора: ±5 нм;

- погрешность определения длины волны: ±0,2 нм (200 нм–300 нм);

±0,1 нм (300 нм – 325 нм); ±0,2 нм (325 нм–600 нм); ±2,0 нм (600 нм–1400 нм);

- подавление внеполосных излучений: 106;

- погрешность из-за отличия косинусной характеристики входной оптики от идеальной: >1) большей, чем частота следования импульсов «пилы». Следует отметить, что чем больше будет частота амплитудно-импульсного модулятора, тем точнее будут результаты в определении продуктов нелинейности. После прохождения через АИМ каждый импульс «пилы» (рис. 2) представляет собой совокупность отдельных, равноотстоящих друг от друга временных отсчетов, причем каждый последующий отсчет выше предыдущего на некоторую постоянную величину (U вх max U вх min ) / N (шаг квантования).

Далее полученный сигнал подается на вход ФП/ТПС, с выхода которого поступает на многоразрядный АЦП, предназначенный для получения множества откликов анализируемого ТПС на каждый отсчет входного сигнала. За счет использования БС каждый отклик при этом соответствует входному отсчету с точностью до номера такта. После прохождения через АЦП сигнал, пропорциональный ХП исследуемого ФП/ТПС поступает в ПВБ, реализующий его цифровую обработку. Цифровая обработка включает в себя программное выполнение операций согласно алгоритма, представленного в [2].

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает определение с высокой точностью продуктов нелинейности на выходе ФП/ТПС с ХП сложной («негладкой») формы при полигармоническом и/или модулированном входном воздействии. При этом не требуется проводить многочисленные и трудоемкие натурные эксперименты по определению продуктов нелинейности в случае изменения параметров входного сигнала с использованием дорогостоящего измерительного оборудования. Также следует отметить, что для цифровой обработки используется стандартное программное обеспечение по расчету коэффициентов Фурье и функций Бесселя.

1. Карпук Е.К., Васильев А.Д. // Тез. докл. междунар. ВНК «Современная военнотехническая политика: проблемы и перспективы». Минск, 21-22 марта 2013. С. 187.

2. Карпук Е.К., Пилюшко А.А. // Матер. VII междунар. НТК «Современные средства связи». Минск, 16-18 октября 2012. С. 50.

УДК 532.

CAVITATION IN PULSED AND CONTINUOUS

ULTRASOUND FIELDS

N.V. DEZHKUNOV1, A. FRANCESCUTTO2, F. CALLIGARIS2, A.V. KOTUKHOV Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics Department of Naval Architecture, Ocean and Environmental Engineering А comparative study of cavitation generated by the high intensity focused ultrasound fields (HIFU) in chopped and continuous ultrasound fields have been undertaken. It has been shown that pulse modulation of the ultrasound field is an effective tool for controlling the dynamics of cavitation zone development, for transient cavitation thresholds increasing and for increasing the efficiency of acoustic energy transformation into shock waves inside and outside bubbles.

Key words: cavitation, pulsed ultrasound, sonoluminescence, cavitation zone development.

А comparative study of cavitation generated by the high intensity focused ultrasound fields (HIFU) in chopped (pulsed) and continuous ultrasound fields have been undertaken.

The detailed description of the experimental set-up is given elsewhere [1,2]. The stainless steel cylinder of 10 cm in diameter and 16 cm in height was used as an experimental chamber.

The focusing piezoceramic transducer of 65 mm in diameter with a resonance frequency of 720 kHz was mounted at the cell bottom. The hydrophone was placed in the chamber in such a way that its spherical sensitive piezoceramic unit (the diameter of 2 mm and the side thickness of 0.25 mm) was at a distance of 25 mm above the center of the transducer’s focal point.

Its output (after amplification) is indicated below as H. The central region of the chamber was viewed through a light guide by a photomultiplier. Intensity of the sonoluminescence (SL) and of the hydrophone output were registered by the HP 54601 multichannel memory oscilloscope in the peak mode display regime. In investigations of the influence of pulse period T on SL intensity the value of T was decreased starting from T = 2000 ms. The pulse duration was changed by increasing from 0.1 ms. The reason for changing T and in this manner was to decrease, as much as possible, the influence of the previous experiment on the results of the subsequent experiment.

The use of chopped ultrasound permits strongly decrease the rate of cavitation zone development and increase the time delay between the generator switching on and the cavitation appearance. By decreasing ultrasound pulse duration and increasing pulse period we were able to increase this time period up to 10 minutes.

It has been shown that cavitation zone passes through different stages of evolution with either increasing pulse duration t, decreasing pulse period T or increasing driving voltage U. Sonoluminescence (SL) is absent at the first stage, ultrasound absorbance at this stage is not increased in respect to conditions below cavitation threshold. The second stage corresponds to the onset of sonoluminescence and the smooth increase of its intensity. In the third stage, the SL intensity L increases in a sudden manner, what manifests itself through a considerable increase of slopes of the L dependencies on the above parameters (t, T, U) and is accompanied by the synchronous strong increase of the ultrasound absorption in the cavitation zone. Upon further increasing t, decreasing T or increasing U, the SL intensity reaches a maximum value and then decreases while ultrasound absorption decreases smoothly. From the above results two thresholds of cavitation zone development can be distinguished: the first one is related to the SL appearance and the second - to the sudden increase of the SL intensity, possibly due to an avalanche-like multiplication of cavitation bubbles.

Both the first and the second thresholds are increased as US pulse duration is decreased or pulse period is increased, i.e. as inverse pulse duty ratio N of the pulses is increased. Cavitation noise spectra are changed significantly with the stages of the cavitation zone development. This is indicative that the different regimes of sonification could be identified by spectral analysis of the acoustic emission from the cavitation zone. It should be noted that it is difficult to distinguish stages of cavitation zone development in a continuous ultrasound field.

Decrease of the cavitation activity after achieving Lmax (i.e. at high bubble volume concentration) can be induced by the reasons discussed by Dezhkunov et.al., [3] and Leighton [4]. These are bubbles interactions, clustering and screening action of the cavitation field.

Thus, with increasing in the density of bubbles, the SL intensity experiences the influence of two competing factors: increase of the number of cavitation events (collapses) per unit time, on one hand, and the decrease of the efficiency of concentrating the energy by bubbles upon collapse, on the other hand.

SL intensity maximum L on L(t) and L(T) dependencies is shifted to lower t and higher T respectively with increasing the ultrasound intensity. In conditions corresponding to maximal cavitation activity SL intensity achieves maximal value at the beginning of the ultrasound pulse and then stays more or less stable. In oversaturation conditions after achieving maximal value it decreases rather quickly with time. For low bubble volume concentrations SL intensity is increased with time during pulse of ultrasound.

Conclusions: pulse modulation of the ultrasound field is an effective tool for controlling the dynamics of cavitation zone development, transient cavitation thresholds and efficiency of acoustic energy transformation into shock waves inside and outside bubbles.

Acknowledgements The research has been partially supported by the Belarusian Foundation for Fundamental Research and by the University of Trieste.

References

1. Dezhkunov N.V., Francescutto A, Nikolaev A.L. et. al // Proceedings XXIV Session of the Russian Acoustical Society, Dependence of the HIFU cavitation activity on ultrasound pulse parameters. 2011. P. 319-323.

2. Dezhkunov N.V., Francescutto A., Ciuti P. et. al // Ultrasonics Sonochemistry, Enhancement of sonoluminescence emission from a multibubble cavitation zone 7. 2000.

P. 19-24.

3. Dezhkunov N. V., Iernetti G., Prokhorenko P.P. et. al // Sonoluminescence and subharmonic generation in a cavitation zone of aqueous sodium chloride solutions, J. of Engineering Physics (USA, translated from Russian ) 51. 1986. P. 1052-1057.

4. Leighton T.G. Acoustic Bubble. Pergamon Press. London. 650, 1995.