Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ АЕРОКОСМІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені М.Є. Жуковського "ХАРКІВСЬКИЙ АВІАЦІЙНИЙ ІНСТИТУТ"

05.12.13 - радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій

УДК 621.3.072.6

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Автореферат

СИНТЕЗ ШВИДКОДІЮЧИХ СИСТЕМ ФАЗОВОГО АВТОПІДСТРОЮВАННЯ ЧАСТОТИ СИНТЕЗАТОРІВ ЧАСТОТ ДЛЯ ВПРОВАДЖЕННЯ ЗАВАДОЗАХИЩЕНОГО РЕЖИМУ ЗАСОБІВ РАДІОЗВ'ЯЗКУ

Чекунова Оксана Миколаївна

Харків - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Харківському університеті Повітряних Сил імені Івана Кожедуба Міністерства оборони України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Макаров Сергій Анатолійович, Харківський університет Повітряних Сил імені Івана Кожедуба, доцент кафедри "Авіаційні радіотехнічні системи навігації і посадки"

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Альошин Геннадій Васильович, Українська державна академія залізничного транспорту, професор кафедри "Транспортний зв'язок" кандидат технічних наук, професор Пастушенко Микола Савелійович.

Харківський національний університет радіоелектроніки, професор кафедри "Телекомунікаційні системи"

Захист відбудеться 19.06. 2008 р. о 13-30_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.062.07 у Національному аерокосмічному університеті імені М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" Міністерства освіти і науки України за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитися у науково-технічній бібліотеці Національного аерокосмічного університету імені М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" Міністерства освіти і науки України за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

Автореферат розісланий 15.05.2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 64.062.07 Лукін В.В.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми досліджень. Зростання вимог, які висуваються до систем зв'язку, змушує удосконалювати вказані системи та елементи, які входять до них. Поява нових технологічних можливостей та елементної бази дозволяє знаходити ефективні рішення такої задачі як розробка швидкодіючих синтезаторів частот (далі - СЧ). Підвищення швидкодії СЧ призводить до забезпечення високої завадозахищеності систем радіозв'язку.

Одним з перспективних шляхів підвищення завадозахищеності систем радіозв'язку є використання для передачі інформації широкосмугових сигналів, зокрема псевдовипадкової перебудови робочої частоти (далі - ППРЧ), що обумовлює втілення режиму швидкої перебудови робочої частоти у засоби радіозв'язку. Сучасні вимоги, які висуваються до систем управління та зв'язку, дають можливість стверджувати, що середньошвидкісний режим ППРЧ, який на сьогодні використовується у засобах управління та зв'язку, не задовольняє вимогам по завадозахищеності зв'язку. Для того, щоб системи володіли високою завадостійкістю, живучістю і поліпшеною скритністю, оптимальним вважається забезпечення кількості стрибків в секунду від 600 до 2000, що в часі становить від 0,5 до 1,6 мс.

Впровадження даного режиму обмежено швидкодією СЧ цих засобів, яка визначається часом перебудови з однієї частоти на іншу. Основою більшості СЧ є система фазового автопідстроювання частоти (далі - ФАП), яка і визначає його швидкодію. Однак в системах ФАП існують протиріччя між динамічними і фільтруючими властивостями. У рамках дисертаційної роботи дане протиріччя запропоновано вирішити зміною принципів побудови системи ФАП введенням динамічно регульованого параметру додаткового зворотного зв'язку за фазою по нелінійним законам регулювання виду та , які дозволяють підвищити швидкодію системи ФАП. Це робить тему дисертації актуальною, визначає необхідність розв'язання відповідної наукової задачі.

Наукова задача полягає у синтезі систем фазового автопідстроювання частоти з малим часом входження у синхронізм та високими фільтруючими і точностними здібностями.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційні дослідження проводилися:

- в рамках наукових напрямків Харківського університету Повітряних Сил імені Івана Кожедуба, Об'єднаного науково-дослідного інституту Збройних Сил України й знайшли відображення у звітах про НДР за шифром "Мовлення" (№ ДР 0101U000617) за замовленням Командувача Повітряних Сил Збройних Сил України та за шифром "Норма" (№ ДР 0101U000520) за замовленням Воєнстандарту Озброєння Міністерства оборони України.

- в рамках "Державної програми розвитку Збройних Сил України на

2006 - 2011 рр.", яка затверджена Указом Президента України від 27.12.2005 р.

№ 1862-25т/2005.

Мета й задачі дослідження.

Мета дисертаційного дослідження полягає у підвищенні швидкодії систем ФАП синтезаторів частот для реалізації режиму застосування дискретно-частотних сигналів.

Для досягнення поставленої мети послідовно вирішувались наступні часткові задачі дослідження:

- обґрунтування нелінійних законів регулювання коефіцієнту підсилення регульованого підсилювача додаткового зворотного зв'язку за фазою;

- виведення математичних моделей систем ФАП з нелінійними законами виду та регулювання коефіцієнту підсилення регульованого підсилювача, який встановлений у додатковому зворотному зв'язку за фазою;

- розробка методу визначення основних властивостей систем ФАП синтезаторів частот з динамічним регулюванням параметрів додаткового зворотного зв'язку за фазою по нелінійним законам;

- удосконалення методики синтезу нелінійних систем ФАП;

- оцінка ефективності удосконаленої системи ФАП синтезатора частоти методом числового моделювання на ЕОМ.

Об'єкт дослідження - системи ФАП з додатковим динамічно регульованим зворотнім зв'язком за фазою по нелінійним законам.

Предмет дослідження - синтез систем ФАП з нелінійними законами регулювання параметру структурного елементу.

Методи дослідження визначаються сукупністю задач, що вирішуються, та включають загальні методи теорії автоматичного управління, методи оптимального управління, методи рішення лінійних і нелінійних диференційних рівнянь, кореляційну теорію статистичних випадкових величин, числові методи моделювання на ЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше отримані математичні моделі систем ФАП з нелінійними законами регулювання коефіцієнту підсилення регульованого підсилювача виду та , що дозволило довести підвищення швидкодії систем ФАП з нелінійними законами регулювання порівняно з лінійним законом;

- вперше розроблено метод визначення основних властивостей систем ФАП з динамічним регулюванням параметрів додаткового зворотного зв'язку за фазою по нелінійним законам синтезаторів частот в частині визначення параметрів системи: значення динамічного діапазону фазового модулятора, оптимального коефіцієнту підсилення регульованого підсилювача та значення параметру пропорційно-інтегруючого фільтру;

- удосконалена методика синтезу нелінійних систем ФАП, відмінність якої від відомої методики полягає у визначенні постійних часу фільтрів, що використовуються; параметру пропорційно-інтегрованого фільтру нижніх частот, значення динамічного діапазону фазового модулятора за рахунок визначення оптимального коефіцієнту підсилення регульованого підсилювача.

Практичне значення одержаних результатів. Результати досліджень, які отримані у роботі, можуть бути використані при реалізації швидкодіючих систем ФАП синтезаторів частот різних діапазонів, у швидкодіючих вимірювачах фази, в системах радіоуправління різноманітними об'єктами, що дозволяє реалізувати режим застосування дискретно-частотних сигналів, який підвищує завадозахищеність систем радіозв'язку.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати дисертації отримані здобувачем особисто, у тому числі у статті, написаній самостійно [4]. У роботах, опублікованих у співавторстві, особистий внесок здобувача полягає в наступному:

- в [1] - визначений перспективний напрямок подальшого удосконалення системи фазового автопідстроювання частоти на основі аналізу швидкодіючих синтезаторів частот приймально-передавальних засобів радіозв'язку;

- в [2] - систематизовані принципи побудови швидкодіючих синтезаторів частот з метою виявлення їх недоліків;

- в [3] - розроблена модель оптимальної по швидкодії нелінійної системи ФАП з регулюванням коефіцієнту підсилення регульованого підсилювача;

- в [5] - запропоновані основні диференційні рівняння четвертого порядку з нелінійними законами регулювання коефіцієнту підсилення регульованого підсилювача, рішення яких досліджується на стійкість;

- в [6] - запропонована методика визначення основних властивостей адаптивних систем фазового автопідстроювання з динамічним регулюванням параметрів додаткового зворотного зв'язку за фазою по нелінійним законам регулювання: фільтруючих та динамічних характеристик;

- в [7] - удосконалена методика синтезу адаптивних систем фазового автопідстроювання з урахуванням нелінійних законів регулювання параметрів додаткового зворотного зв'язку за фазою.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень доповідалися й обговорювалися на наукових та науково-технічних конференціях:

- друга наукова конференція Харківського університету Повітряних Сил імені Івана Кожедуба (Харків, ХУ ПС, 2006);

- міжнародна науково-технічна конференція студентів, аспірантів і вчених (Севастополь, СевНТУ, 2007);

- третя наукова конференція Харківського університету Повітряних Сил імені Івана Кожедуба (Харків, ХУ ПС, 2007);

- IX міжнародна науково-практична конференція (Дніпропетровськ, НЦАКОМУ, 2007);

- сьома міжнародна науково-технічна конференція (Харків, ХПІ, 2007).

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані в 7 статтях у спеціалізованих виданнях переліку ВАК України, у матеріалах і тезах 5 наукових конференцій.

Структура й об'єм дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновку, додатків, списку використаних джерел. Повний обсяг дисертації становить 186 сторінок, у тому числі 139 сторінок основного тексту, 18 сторінок малюнків, 6 сторінок таблиць, 19 сторінок додатків, 10 сторінок списку використаних джерел (з 110 найменувань).

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі сформульовані актуальність теми, мета та завдання досліджень, наукова новизна, практична цінність роботи та результати, представлені автором до захисту.

У першому розділі приведена порівняльна характеристика сигналів по завадозахищеності. Зауважено, що використання шумоподібних сигналів (далі - ШПС) підвищує завадозахищеність системи зв'язку. Найбільш перспективними ШПС для систем зв'язку є фазоманіпульовані сигнали; дискретні частотні сигнали; дискретні складові частотні сигнали. Окремим випадком систем із ШПС є ППРЧ, яка являється різновидом дискретно-частотних сигналів.

З'ясовано, що використання для передачі інформації ШПС обумовлює втілення режиму швидкої перебудови робочої частоти, який обмежено швидкодією синтезаторів частот, основою більшості яких є система ФАП.

Проведено аналіз систем радіозв'язку і управління, які використовують сигнали з ППРЧ, який дозволив визначити вимоги по завадозахищеності систем радіозв'язку, що стало підґрунтям для визначення вимог до часу перебудови з однієї частоти на іншу при розробці удосконаленого синтезатора частот.

Якщо в режимі ППРЧ швидка зміна робочої частоти відбувається завдяки псевдовипадковій послідовності або за рахунок програмної реалізації, то в дисертаційній роботі відмінність полягає у впровадженні режиму швидкої перебудови робочої частоти у засоби радіозв'язку за рахунок зміни принципів побудови системи ФАП синтезаторів частот введенням нелінійних законів регулювання виду та .

Проаналізовані синтезатори частот засобів радіозв'язку комбінованого діапазону на основі систем автопідстроювання частоти з метою з'ясування переваг і недоліків їх побудови та вибору напрямку вдосконалення синтезаторів частот. Серед розглянутих синтезаторів частот обрано найшвидкодіючий, однак з'ясовано, що в ньому досить тривалі перехідні процеси під час перемикання з однієї частоти на іншу, обумовлені особливостями структури системи ФАП. По вказаній причині існуючий синтезатор частот не задовольняє сучасним умовам застосування засобів радіоелектронного ураження та не може використовуватися в системах радіозв'язку з режимом ППРЧ. Крім того, в системах ФАП існують протиріччя між динамічними та фільтруючими властивостями. Показана необхідність пошуку нових підходів до вирішення задачі розробки швидкодіючих синтезаторів частот та вирішення існуючого протиріччя в системах ФАП. У рамках дисертаційної роботи підхід до вирішення даної задачі запропоновано вирішити зміною принципів побудови системи ФАП введенням динамічно регульованого параметру додаткового зворотного зв'язку за фазою (далі - ФАП з ДЗЗ) по нелінійним законам регулювання виду та , які дозволяють підвищити швидкодію системи ФАП.

Проаналізовані методики синтезу оптимальних по швидкодії систем ФАП. Аналіз показав, що із-за недослідженості класу систем, що розглядається, та складності визначення задаючого впливу, який надходить на вхід системи виникає необхідність розробки нового методу визначення основних властивостей систем ФАП з динамічним регулюванням параметрів додаткового зворотного зв'язку за фазою по нелінійним законам синтезаторів частот та можливості удосконалення методики синтезу нелінійних систем ФАП.

Також у розділі сформульовані задачі досліджень.

Другий розділ присвячено теоретичному дослідженню характеристик систем ФАП з ДЗЗ по нелінійним законам.

На основі структурного та параметричного синтезу розроблено модель удосконаленої системи ФАП, яка приведена на рис. 1,

Рис. 1. Функціональна схема моделі системи ФАП з ДЗЗ по нелінійним законам

де ЕП1 - перший елемент порівняння і ФД1п - перший фазо-детекторний перетворювач складають ФД1 - перший фазовий детектор; ФНЧ1 - фільтр нижніх частот основного кола зворотного зв'язку за фазою; ФМ - фазовий модулятор; РП - регульований підсилювач; ГКН - генератор керованої напруги; ФНЧ3 - фільтр нижніх частот додаткового зворотного зв'язку за фазою; ФД2 - другий фазовий детектор, до складу якого входять ЕП2 - другий елемент порівняння і ФД2п - другий фазо-детекторний перетворювач; ФО - фазовий обертувач; ФНЧ2 - фільтр нижніх частот каналу оцінки стану системи; - зсув фази фазового обертувача.

Отримано основні диференційні рівняння з нелінійними законами регулювання виду (1) та (2), які описують роботу системи, що розглядається:

- для :

(1)

- для :

(2)

де - постійна часу ФНЧ1, ФНЧ2, ФНЧ3; - різниця фаз сигналів на виході ФД1; - коефіцієнт перетворення частоти ГКН; - максимальна перестройка ГКН; - параметр пропорційно-інтегрованого фільтру ФНЧ1; - максимальний динамічний діапазон ФМ; - максимальний коефіцієнт підсилення РП; - відносна початкова розстройка ГКН за частотою; - початкова розстройка ГКН за частотою.

Для отримання конструктивного вирішення поставлених завдань були прийняті наступні припущення ~, , .

Проведено класифікацію можливих типів рішення методом багатьох масштабів, в основу якої покладені спрощення, які характеризуються певними часовими масштабами, що дозволяє виділити п'ять режимів роботи

1. Найбільш “швидкий” режим роботи, при якому характерний час . Рівняння, що описує роботу системи ФАП, для обох законів регулювання з урахуванням спрощень має вигляд

. (3)

2. “Швидкий” режим роботи, при якому ~. Описуюче його рівняння для обох законів регулювання має вигляд

. (4)

3. “Проміжний” режим роботи, при якому . Описуюче його рівняння для обох законів регулювання має вигляд

. (5)

4. “Перехідний” режим роботи, при якому ~. Описуюче його рівняння для обох законів регулювання має вигляд

. (6)

5. “Повільний” або “квазістатичний” режим роботи, при якому . Описуючі його рівняння мають вигляд

- для :

, (7)

- для :

. (8)

Отримані для відповідних режимів спрощені рівняння дозволяють прослідкувати та докладно дослідити характер існуючих перехідних процесів. Проведено дослідження системи ФАП з ДЗЗ по нелінійним законам поблизу стаціонарних точок . Показано, що в зоні сталевої рівноваги характер перехідних процесів змінюється з коливального на аперіодичний.

Проаналізовані в лінійному припущенні властивості системи, яка запропонована, в стаціонарному режимі при порівняно малих відхиленнях частоти. Виявлені умови стійкості за критерієм Гурвіца та встановлено характер перехідних процесів, що протікають у системі. З'ясовано, що стійкість рішень може мати місце тільки всередині смуг , де ; .

Проведені аналітичні та чисельні дослідження режимів роботи (3)-(8) з урахуванням співвідношень між та постійними часу фільтрів ФНЧ1, ФНЧ2, ФНЧ3, а також з урахуванням реальних для системи припущень. В швидких режимах при встановлено, що при в системі існує режим биття, а при відбувається процес захоплення частоти з виходом на більш повільне рішення. В швидкому режимі при ~ та виконанні умови існують биття, що зумовлюють перехід до більш повільних режимів, а при - перехід на більш швидкі рішення. Для випадку, коли , перехід на більш повільні рішення здійснюється при . Якщо , то у системі існують “биття”, які призводять до переходу на більш “швидкі” рішення. У перехідному режимі, коли , система ФАП з ДЗЗ по нелінійним законам потрапляє до стійкого вузла. Якщо ж ця умова не виконана, то захоплення неможливе, і у системі наступає режим “биття”. Квазістатичний режим, коли , виявився нестійким.

Досліджені особливості основного складового елемента системи - фазового детектора із динамічно регулюємим зворотнім зв'язком за фазою (далі - ФДДЗЗ) по нелінійним законам, до складу якого входять всі елементи моделі системи ФАП з ДЗЗ, яка представлена на рис. 1, за винятком ФНЧ1 та ГКН.

Отримані системи рівнянь відносно різниці фаз з нелінійними законами регулювання, що описують його роботу:

- для :

(9)

- для :

 (10)

де - різниця між фазою вхідного сигналу та фазою на виході системи ФАП ; - фаза на виході ГКН.

Проведено дослідження поводження екстремумів та визначені залежності коефіцієнту підсилення РП від динамічного діапазону ФМ . Встановлено, що ФДДЗЗ визначається ФМ. Зміна РП супроводжується зміною ФМ, що в свою чергу приводить до зміни, а точніше розтягування форми характеристики ФДДЗЗ із зменшенням її нахилу.

Досліджено поводження ФДДЗЗ у динамічному режимі. Проведено розрахунок постійної складової на виході ФДДЗЗ з обома законами регулювання в порівнянні з лінійним. Результати розрахунків приведені залежностями постійної складової від ФМ; де - для ; - для ; - для лінійного закону регулювання (рис. 2) для початкових умов та .

Рис. 2. Залежність постійної складової ФДДЗЗ від динамічного діапазону ФМ

Постійна складова на виході ФДДЗЗ у динамічному режимі з нелінійними законами регулювання більша по відношенню до постійної складової ФДДЗЗ з лінійним законом регулювання, що свідчить про зменшення часу входження в синхронізм системи ФАП на етапі перехідного процесу, тобто до підвищення швидкодії даної системи.

У третьому розділі з метою розробки методу визначення основних властивостей систем ФАП з ДЗЗ по нелінійним законам були досліджені фільтруючі, динамічні, статистичні, шумові характеристики системи ФАП. Для СЧ основним є фільтруючі властивості.

На підставі спрощеної моделі системи ФАП з ДЗЗ по нелінійним законам відносно зовнішніх і внутрішніх завад отримані передаточні функції системи ФАП відносно зовнішніх (9) та внутрішніх (10) завад, відповідно для і , а також для фазової помилки стеження (11).

, (11)

, (12)

, (13)

де - постійна часу системи ФАП; - нерегулюємий коефіцієнт підсилення у ланцюгу зворотного зв'язку за фазою; , - динамічно регулюєма крутизна модуляційної характеристики ФМ за рахунок зміни коефіцієнту підсилення РП за законом виду та у ланцюгу зворотного зв'язку за фазою для та законів регулювання відповідно, а - створює ненормований динамічно регулюємий коефіцієнт підсилення у ланцюгу зворотного зв'язку за фазою для обох законів регулювання; , - енергія на виході ФД1, ФД2; , - передаточні функції ФНЧ1, ФНЧ3; - крутизна модуляційної характеристики ФМ. частота фазовий синтезатор радіозв'язок

Аналіз передаточних функцій запропонованої системи ФАП доводить можливість вибору з підйомом на частоті завади частотної характеристики фільтру ФНЧ3 у колі додаткового зворотного зв'язку за фазою. Їх використання дозволило проаналізувати АЧХ системи ФАП, що представлені на рис. 3, 4, 5, відповідно для лінійного закону, виду та , з яких видно, що характер АЧХ змінюється залежно від ФМ.

Для лінійного закону регулювання, збільшення призводить до звуження смуги пропускання системи ФАП, тобто до покращення її фільтруючих здібностей по відношенню до зовнішніх завад. Встановлено, що для звуження смуги пропускання системи ФАП відбувається при і залежність смуги пропускання від ФМ носить резонансний характер. Це свідчить про оптимальне значення динамічного діапазону ФМ. Для закону

Рис. 3. АЧХ системи ФАП з лінійним законом регулювання

Рис. 4. АЧХ системи ФАП з - ним законом регулювання



Рис. 5. АЧХ системи ФАП із законом регулювання

Регулювання виду смуга пропускання звужується зі зменшенням динамічного діапазону ФМ в ланцюгу зворотного зв'язку за фазою за допомогою варіювання параметру .

Наведені передаточні функції системи ФАП дозволили оцінити завадостійкість досліджуємої системи, яка кількісно оцінюється її еквівалентною шумовою смугою та дослідити дисперсію фазової помилки стеження. Досліджено, що еквівалентна шумова смуга зменшується за рахунок звуження ФМ, що відбувається при динамічному регулюванні коефіцієнту підсилення РП по нелінійним законам та шляхом вибору найменшого значення параметра пропорційно-інтегруючого фільтру . Зменшення дисперсії фазової помилки стеження досягається розширенням та збільшенням параметру , що свідчить про високі точностні характеристики, як у системі ФАП з лінійним законом регулювання.

На підставі аналізу еволюції системи ФАП та досліджень перехідних процесів оцінено час входження в синхронізм даної системи в порівнянні із системою з лінійним законом регулювання. Показано, що час входження в синхронізм системи з параметрами, які динамічно регулюються по нелінійним законам, визначається часом перехідного процесу і залежить від постійної часу фільтру ФНЧ3, який встановлено в ланцюгу додаткового зворотного зв'язку за фазою системи, що досліджується, причому він не перебільшує та більший до 20% у порівнянні із системою ФАП з лінійним законом регулювання. Виграш залежить від вибору параметру пропорційно-інтегруючого фільтру ФНЧ1 основного кола зворотного зв'язку.

Смуга захоплення системи ФАП з ДЗЗ по нелінійним законам досліджена з використанням рівняння (1) для найбільш швидкого режиму роботи. Використання критерію глобальної асимптотичної стійкості дозволяє отримати достатні для забезпечення захоплення умови

, (14)

де , , (15)

Досліджено, що система ФАП з ДЗЗ по нелінійним законам при впливі одночасно з сигналом нормального білого шуму описується стохастичним нелінійним диференційним рівнянням 4-ого порядку, рішення якого в явному виді отримати не вдається. Тому в роботі шляхом лінеаризації даного рівняння отримані умови, що забезпечують стійкість системи до впливу зовнішніх шумів та пов'язують величину початкової розстройки з амплітудою сигналу синтезатора дрібної сітки, енергетичними та кореляційними характеристиками шуму та параметрами системи. Виведені співвідношення для дисперсії фазової помилки стеження.

На підставі моделі СЧ, побудованого на базі системи ФАП з ДЗЗ по нелінійним законам, отримані результуючі флуктуації фази коливання на виході СЧ. Порівняння шумових характеристик СЧ, реалізованих на основі запропонованої системи ФАП та однокільцевої системи ФАП, показує, що фазові шуми на виході СЧ, який побудовано на основі системи, що пропонується, з параметрами, які динамічно регулюються по нелінійним законам доповнюються флуктуаціями фази структурних елементів ланцюга додаткового зворотного зв'язку за фазою. Наведені рекомендації щодо вибору параметрів елементів ланцюга додаткового зворотного зв'язку за фазою системи ФАП з ДЗЗ для отримання високих спектральних характеристик СЧ.

Даними дослідженнями завершено розробку методу визначення основних властивостей систем ФАП з ДЗЗ по нелінійним законам в частині вибору параметрів системи: значення динамічного діапазону фазового модулятора, оптимального коефіцієнту підсилення регульованого підсилювача та значення параметру пропорційно-інтегруючого фільтру.

На основі розробленого методу визначення основних властивостей систем ФАП з ДЗЗ по нелінійним законам удосконалена методика синтезу нелінійних систем ФАП, відмінність якої від відомої полягає у визначенні постійних часу фільтрів , що використовуються; параметру пропорційно-інтегруючого фільтру , значенні динамічного діапазону ФМ вибором оптимального коефіцієнту підсилення РП .

У четвертому розділі наведені результати чисельного моделювання процесів, що відбуваються в системі ФАП з ДЗЗ по нелінійним законам, та можливості покращення динамічних властивостей запропонованої системи в режимі пошуку за частотою та синтезатора дрібної сітки.

Запропоновані три варіанти можливого виконання запропонованої системи. Одна із запропонованих схем дозволяє покращити шумові характеристики СЧ, побудованого на її основі, друга - характерна для застосування у демодуляторах та приймачах, третьою можна скористатися у випадках, коли виникає необхідність розширення динамічного діапазону ФМ і тим підвищити ефективність даної системи.

Розглянута можливість покращення динамічних характеристик запропонованої системи ФАП в режимі пошуку за частотою. Введення додаткового зворотного зв'язку за фазою з динамічно регульованим параметром по нелінійним законам дозволяє підвищити швидкість пошуку за частотою в порівнянні із швидкістю пошуку однокільцевої системи ФАП та системи ФАП з лінійними законами регулювання, тобто скоротити час пошуку за частотою.

На основі запропонованих принципів побудови системи ФАП з ДЗЗ по нелінійним законам СЧ розглянута можливість покращення динамічних характеристик системи імпульсно-фазового автопідстроювання частоти, що визначить час перехідних процесів синтезатора дрібної сітки. Розроблено функціональну схему цифрового ФМ, на основі якого побудована система цифрової ФАП з малим часом входження в синхронізм, що дозволить підвищити швидкодію синтезатора дрібної сітки.

Проведено чисельне моделювання процесу функціонування системи ФАП з ДЗЗ по нелінійним законам. Були чисельно інтегровані спрощені рівняння (1), (2) методом Рунге-Кутта четвертого порядку. Результати чисельного моделювання підтвердили результати теоретичних досліджень попередніх розділів.

ВИСНОВКИ

1. У дисертації наведено теоретичне обґрунтування і нове вирішення наукової задачі, що виявляється у синтезі систем фазового автопідстроювання частоти з малим часом входження у синхронізм та високими фільтруючими і точностними здібностями, що дозволить реалізувати режим застосування дискретно-частотних сигналів, який підвищує завадозахищеність систем радіозв'язку.

2. Вперше отримані математичні моделі системи ФАП з нелінійними законами регулювання коефіцієнту підсилення регульованого підсилювача додаткового зворотного зв'язку за фазою, що дозволяють дослідити поведінку системи на фазовій площині.

3. Досліджено поведінку системи на фазовій площині та її стійкість, що дозволило виключити квазістатичний режим роботи, що приводить до підвищення швидкодії даної системи.

4. Досліджені властивості ФДДЗЗ по нелінійним законам, до складу якого не входять ФНЧ1 і ГКН. Постійна складова на виході ФДДЗЗ у динамічному режимі з нелінійними законами регулювання більша, що свідчить про зменшення часу входження в синхронізм системи ФАП, а, відповідно, до підвищення швидкодії запропонованої системи.

5. Дослідження фільтруючих властивостей системи ФАП з ДЗЗ по нелінійним законам доводять, що функція смуги пропускання для носить резонансний характер і залежить від зміни динамічного діапазону фазового модулятора, для смуга звужується зі зменшенням динамічного діапазону фазового модулятора в ланцюгу зворотного зв'язку за фазою за допомогою варіювання коефіцієнту підсилення регульованого підсилювача. Дані дослідження дозволяє зробити висновок про те, що фільтруючі властивості системи, яка розглядається, не гірші від фільтруючих властивостей системи ФАП з лінійним законом регулювання.

6. Дослідження дисперсії фазової помилки стеження запропонованої системи доводять, що точностні характеристики не погіршуються в порівнянні з системою ФАП з лінійним законом регулювання.

7. Отримані співвідношення для смуги захоплення системи ФАП з ДЗЗ по нелінійним законам доводять можливість незалежного регулювання в системі смуги захоплення і смуги пропускання.

8. Вперше розроблено метод визначення основних властивостей систем ФАП з динамічним регулюванням параметрів додаткового зворотного зв'язку за фазою по нелінійним законам синтезаторів частот. Частотні характеристики даного класу систем мають виражений резонансний характер, що дозволяє обирати значення динамічного діапазону фазового модулятора, яке задовольняє поставленим завданням, оптимальний коефіцієнт підсилення регульованого підсилювача та значення параметру пропорційно - інтегруючого фільтру.

9. Удосконалена методика синтезу нелінійних систем ФАП, відмінність якої від відомої полягає у визначенні постійних часу фільтрів, що використовуються; параметру пропорційно-інтегрованого фільтру, значення динамічного діапазону фазового модулятора за рахунок реалізації оптимального коефіцієнту підсилення регульованого підсилювача.

10. Ефективність поставленої мети досліджень досягнута зменшенням часу входження в синхронізм до 20% і залежить від вибору параметра пропорційно-інтегруючого фільтру основного кола.

Таким чином, сукупність отриманих в дисертації нових наукових результатів дозволяє вважати сформульоване наукове завдання, яке полягає у синтезі систем фазового автопідстроювання частоти з малим часом входження у синхронізм та високими фільтруючими і точностними здібностями - вирішеним, а поставлену мету - підвищення швидкодії систем ФАП синтезаторів частот для реалізації режиму застосування дискретно-частотних сигналів - досягнутою.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Макаров С.А., Чекунова О.М. Підвищення швидкодії синтезаторів частот засобів радіозв'язку // Системи озброєння і військова техніка. - 2005. - Вип.3(4). - С. 49 - 51.

2. Чекунова О.М., Макаров С.А., Коваленко Р.В. Аналіз принципів побудови швидкодіючих синтезаторів частот на основі систем фазової синхронізації // Системи озброєння і військова техніка. - 2006. - Вип.1(5). - С. 122 - 126.

3. Чекунова О.М., Макаров С.А., Чечуй О.В. Математична модель оптимальної по швидкодії нелінійної системи ФАП // Радіотехніка. - 2007. - Вип. 150. - С. 100 - 103.

4. Чекунова О.М. Фазовий детектор із нелінійними законами адаптації системи фазового автопідстроювання синтезатора частот // Авиационно-космическая техника и технология. - 2007. - Вып.6(42). - С. 82 - 86.

5. Чекунова О.М., Макаров С.А., Чечуй О.В. Дослідження системи ФАП з нелінійними законами адаптації на стійкість // Системи управління, навігації та зв'язку. - 2007. - Вип. 3. - С. 94 - 97.

6. Чекунова О.М., Макаров С.А., Рот С.М. Методика визначення основних властивостей адаптивних систем фазового автопідстроювання частоти з нелінійними законами адаптації // Системи обробки інформації: Зб. наук. праць. - Харків, 2007. - Вип.9(67). - С. 102 - 108.

7. Макаров С.А., Чекунова О.М., Чекунов В.В. Удосконалена методика синтезу адаптивних систем фазового автопідстроювання частоти з урахуванням нелінійних законів регулювання параметрів додаткового зворотного зв'язку за фазою // Системи управління, навігації та зв'язку. - 2007. - Вип. 3. - С. 54 - 57.

8. Макаров С.А., Чекунова О.М. Аналіз напрямків розвитку швидкодіючих синтезаторів частот // Друга наукова конференція Харківського університету Повітряних Сил імені Івана Кожедуба. Харків, 15 - 16 лютого

2006 р. - Харків, 2006. - С. 70.

9. Чекунова О.М. Про підвищення швидкодії синтезаторів частот у системах авіаційного радіозв'язку // Молодежь и современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ - 2006: Межнародная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и ученых. Севастополь, 17 - 21 апреля 2006 г. - Севастополь, 2006. - С. 61.

10. Чекунова О.М., Макаров С.А., Лебедєв О.Г., Троценко О.Є. Обґрунтування законів регулювання додаткового зворотного зв'язку адаптивних систем ФАПЧ // Третя наукова конференція Харківського університету Повітряних Сил імені Івана Кожедуба. Харків, 28 - 29 березня 2007 р. - Харків, 2007. - С. 137.

11. Чекунова О.М., Макаров С.А., Висоцький О.В. Метод багатьох масштабів для опису поведінки багатоколової системи фазового автопідстроювання частоти // Людина і космос: IX міжнародної науково-практичної конференції. Дніпропетровськ, 18 - 20 квітня 2007 р. - Дніпропетровськ, 2007. - С. 37.

12. Чекунова О.М., Кривошея С.І., Корецький В.Л. Моделювання адаптивної системи фазового автопідстроювання частоти з динамічним регулюванням параметрів за нелінійними законами // Проблемы информатики и моделирования: Седьмая международная научно-техническая конференция. Харків, 29 ноября - 1 декабря 2007 г. - Харків, 2007. - С. 27 - 28.

АНОТАЦІЯ

Чекунова О.М. Синтез швидкодіючих систем фазового автопідстроювання частоти синтезаторів частот для впровадження завадозахищеного режиму засобів радіозв'язку. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.13 - радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій. - Національний аерокосмічний університет імені М.Є.Жуковського "Харківський авіаційний інститут", Харків, 2008.

Робота присвячена синтезу систем фазового автопідстроювання частоти з метою підвищення їх швидкодії. Синтезовано нові системи ФАП з нелінійними законами регулювання коефіцієнту підсилення регульованого підсилювача, який встановлений у додатковому колі зворотного зв'язку за фазою, виду та , які дозволяють підвищити швидкодію системи ФАП без погіршення фільтруючих та точностних характеристик в режимі стеження. Вперше розроблений метод визначення основних властивостей систем ФАП синтезаторів частот з динамічним регулюванням параметрів додаткового зворотного зв'язку за фазою по законам в частині визначення параметрів системи: значення динамічного діапазону фазового модулятора, оптимального коефіцієнту підсилення регульованого підсилювача та значення параметру пропорційно-інтегруючого фільтру. ФАП, відмінність якої від відомої методики полягає у визначенні постійних часу фільтрів, що використовуються, за вимогами фільтруючих здібностей; параметру пропорційно-інтегрованого фільтру нижніх частот, значення динамічного діапазону модулятора за рахунок реалізації оптимального коефіцієнту підсилення регульованого підсилювача.

Ключові слова: система фазового автопідстроювання, зворотній зв'язок за фазою, нелінійні закони регулювання, коефіцієнт підсилення, час входження в синхронізм, швидкодія.

Чекунова О.Н. Синтез быстродействующих систем фазовой автоподстройки частоты синтезаторов частот для внедрения помехозахищенного режима средств радиосвязи. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.13 - радиотехнические устройства и средства телекоммуникаций. - Национальный аэрокосмический университет имени Н.Е.Жуковского "Харьковский авиационный институт", Харьков, 2008.

Работа посвящена синтезу систем фазовой автоподстройки частоты с целью повышения их быстродействия, что позволяет реализовать режим применения дискретно-частотных сигналов, который повышает помехозащищенность систем радиосвязи.

Проведено анализ путей повышения помехозащищенности систем радиосвязи и обосновано внедрения режима быстрой перестройки рабочей частоты. Показано, что использование для передачи информации шумоподобных сигналов, одним из которых является дискретно-частотные сигналы, разновидностью которых является псевдослучайная перестройка рабочей частоты. Это обусловливает внедрение режима быстрой перестройки рабочей частоты. Для внедрения данного режима необходимо повысить быстродействие синтезаторов частот, основой большинства которых являются системы ФАП.

Проанализированы синтезаторы частот средств радиосвязи комбинированного диапазона на основе систем автоподстройки частоты. Выяснено, что в наиболее быстродействующем синтезаторе частот достаточно длительные переходные процессы во время переключения с одной частоты на другую, что ограничено особенностями структуры системы ФАП.

На основе структурного и параметрического синтеза предложена модель усовершенствованной системы ФАП. Структурный синтез заключается во введении дополнительной обратной связи по фазе, параметрический - в регулировании коэффициента усиления регулируемого усилителя по нелинейным законам вида или . Впервые получены математические модели системы ФАП с выбранными нелинейными законами регулирования коэффициента усиления, которые позволяют доказать повышение быстродействия систем ФАП с нелинейными законами регулирования по сравнению с линейным законом.

Исследования поведения системы на фазовой плоскости и ее устойчивости показали, что квазистатический режим работы является неустойчивым, что свидетельствует о повышении быстродействия данной системы.

Исследования фазового детектора с динамически регулированной обратной связью по нелинейным законам показали, что постоянная составляющая на его выходе в динамическом режиме больше в сравнении с, что свидетельствует о уменьшении времени вхождения в синхронизм системы ФАП, а, соответственно, о повышении быстродействия предложенной системы.

Исследования фильтрующих и точностных характеристик предложенной системы позволяют сделать вывод, что фильтрующие и точностные свойства данной системы не ухудшаются по сравнению с системой ФАП с линейным законом регулирования.

Получены соотношения для полосы захвата рассматриваемой системы, которые доказали возможность независимого регулирования в системе полосы захвата и полосы пропускания.

Впервые разработан метод определения основных свойств систем ФАП синтезаторов частот с динамическим регулированием параметров дополнительной обратной связи по фазе с нелинейными законами, который позволяет выбирать значения динамического диапазона фазового модулятора, оптимального коэффициента усиления регулируемого усилителя и значения параметра пропорционально-интегрирующего фильтра. Данный метод послужил основой для усовершенствования методики синтеза нелинейных систем ФАП, отличиями которой от существующих заключаются в определении постоянных времени используемых фильтров; параметра пропорционально-интегрирующего фильтра, значения динамического диапазона фазового модулятора за счет реализации оптимального коэффициента усиления регулируемого усилителя.

Проведено численное моделирование процесса функционирования системы ФАП с нелинейными законами регулирования методом Рунге-Кутта четвертого порядка. Эффективность исследований достигнута уменьшением времени вхождения в синхронизм до 20% и зависит от выбора параметра пропорционально-интегрирующего фильтра основного кольца.

Ключевые слова: система фазовой автоподстройки, обратная связь по фазе, нелинейные законы регулирования, коэффициент усиления, время вхождения в синхронизм, быстродействие.

Chekunova O.M. Synthesis of fast-action systems of frequency phase auto-tuning for frequency synthesizers for implementing noise-resilient mode in communication means. - Manuscript.

Dissertation for the scientific degree of candidate of technical sciences in speciality 05.12.13 - radiotechnical devices and telecommunication means. - National Aerocosmic University named after M.E. Zhukovsky «Kharkiv Aviation Institute», Kharkiv, 2008.

The dissertation is dedicated to synthesis of phase autotuning (FAT) frequency systems with the purpose of their action acceleration. New systems of FAT with non-linear dependences of gain factor regulation of tuned amplifier were synthesized. The amplifier is set in additional inverse loop of phase control and the non-linearity of the kind and . This allows to accelerate phase autotuning system without deterioration of filtering and accuracy characteristics in tracking mode. The determination method of basic properties of FAT systems with dynamic regulation parameters of additional loop by phase with non-linear characteristics for frequency synthesizers was developed. The novelty consists in determination of system parameters like dynamic range of phase modulator; optimal gain factor of tuned amplifier and the values of parameter of proportionally integrating filter. On basis of this method, the methodology of synthesis of non-linear FAT systems was advanced; its difference from other ones consists in determination of used filter time constants, according to requirements of filter properties; the parameter of proportionally integrating low pass filter, the value of dynamic range of phase modulator at the expense of optimal gain factor of tuned amplifier.

Key words: phase autotuning system, inverse loop by phase, non-linearities, gain factor, time of synchronization establishing, fast-action.

Відповідальний за друк Лукін В.В.

Підписано до друку 13.05.2008

Формат 60Ч90/16.

Умовн.-друк. арк. 1,0. Т. 100 прим. Замовлення №

Національний аерокосмічний університет імені М.Є. Жуковського

"Харківський авіаційний інститут"

61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17

Видавничий центр "ХАІ"

61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17

Размещено на Allbest.ru