Повышение помехоустойчивости коротковолновых радиоприемных устройств посредством адаптивной регулировки чувствительности

Несмотря на все более широкое распространение спутниковых, транкинговых и сотовых систем связи и глобализацию их применения, магистральная радиосвязь в коротковолновом (КВ) диапазоне не только не утратила свою актуальность, но и привлекает внимание все большего круга потребителей. Это обусловлено тем, что наряду с очевидными достоинствами КВ радиосвязи, такими как уникальная дальность радиосвязи в этом диапазоне без ретрансляций, простота использования, независимость от каких-либо факторов в мировой экономической и политической обстановке, дешевизна и доступность аппаратуры, новые компьютерные технологии позволили значительно повысить надежность передачи сообщений и фактически вдохнули «второе дыхание» в развитие систем КВ радиосвязи [20, 28, 31, 32].

Радиосвязь продолжает оставаться важнейшим средством управления войсками в ходе ведения боевых действий в условиях маневренного скоротечного современного боя с резкой сменой обстановки и при отсутствии сплошной линии соприкосновения войск [107]. В этих условиях надежная качественная радиосвязь является гарантией устойчивого и гибкого управления войсками, а с учетом быстрого развития автоматизированных систем управления (АСУ) войсками и информационных систем, строящихся на основе сетей радиосвязи, — необходимым условием достижения информационного превосходства над противником. Основным преимуществом радиосвязи в этих условиях является ее мобильность, способность передавать информацию различного характера в движении, не ограничивая свободу действий платформы (автомобиля, боевой машины, вертолета или самолета), на которой установлена радиостанция.

Поэтому потребность в средствах связи для оперативно-тактического звена управления вооруженных сил таких стран, как США, Великобритания, ФРГ, Франция, Италия и других, особенно для сухопутных войск и морской пехоты, в последние годы постоянно возрастает. Специалисты управления перспективных исследований министерства обороны Соединенных Штатов утверждают, что к 2005 году потребности американских вооруженных сил в средствах мобильной связи по сравнению с 2002;м возрастут на 92%. Руководство ВС других ведущих стран с высокой долей вероятности также будет учитывать эту тенденцию [107].

Применение современных методов модуляции и кодирования сообщений позволяет на практике вплотную приблизиться к достижению пропускной способности канала связи, определяемой формулой Шеннона [2, 92, 109, 145]. Продолжают развиваться методы передачи информации по параллельным каналам (методы разнесения передачи — приема по частоте, по времени, в пространстве и т. п.).

Кроме известных преимуществ, КВ радиосвязь, использующая дальнее распространение радиоволн за счет их отражения от ионосферы, имеет ряд недостатков. Наиболее существенными недостатками радиосвязи, вытекающими из физической природы среды распространения радиоволн и самого принципа радиосвязи, являются: зависимость от состояния ионосферы, возможность обнаружения и пеленгования сигнала работающей радиостанции и его подавления средствами РЭБ, относительно высокий уровень ошибок (при использовании цифровой связи), ограниченность полосы пропускания, возникновение взаимных помех из-за высокой плотности радиостанций, работающих в одном диапазоне.

К недостаткам также относится наличие «зон молчания» в полярных областях, а также в прибрежных районах на границе «море-суша». Эти факторы ограничивают коэффициент исправного действия канала связи величиной 60 — 95%, а при определенных условиях делают связь эпизодической [32].

Возможность распространения декаметровых радиоволн на большие расстояния и относительно узкий диапазон частот распространения, создают чрезвычайно сложную помеховую обстановку в точке приема. Ярко выраженная многолучевость распространения сигналов, приводящая к ограничению скорости передачи информации из-за возникновения межсимвольных искажений, и малый интервал стационарности канала связи предъявляют исключительно высокие требования к техническим характеристикам радиоприемных устройств (РГТУ) этого диапазона [11, 13, 18, 19, 82, 86, 110, 128, 129]. Поэтому реализация комплекса требований к профессиональному коротковолновому приемнику высшего класса всегда происходила на уровне самых высоких достижений радиотехники.

Анализ публикаций, рассматривающих перспективы развития КВ радиосвязи [1, 3, 28 — 32, 34, 58, 59], позволил выявить основные тенденции ее развития, включающие в себя:

— объединение отдельных каналов связи в сеть с взаимосвязанными ретрансляционными пунктами, удаленными друг от друга на расстояние односкачковой трассы (1500 км) [20, 32];

— частотно-разнесенный прием с использованием, как минимум, трех частот в различных частях КВ диапазона [4, 32];

— цифровую пакетную радиосвязь между всеми участниками сети [6,.

92];

— применение для повышения достоверности передачи данных низкоскоростных каналов связи [32] и помехоустойчивого кодирования [92]. Указанные меры позволяют также повысить скрытность за счет снижения мощности излучения и улучшить условия электромагнитной совместимости (ЭМС) средств связи на подвижных объектах.

Однако повышение скорости передачи информации в КВ канале связи и создание автоматизированных, помехозащищенных сетей связи отнюдь не снижают требований предъявляемых к параметрам линейного тракта приема. Его основная задача обеспечить максимально возможное отношение сигнал/помеха на входе устройств демодуляции и декодирования сигналов, причем не только шумоподобных, но и сосредоточенных помех. Снижение этого соотношения заставляет использовать более мощные системы помехоустойчивого кодирования сигналов, вводя дополнительную избыточность, снижать канальную скорость передачи данных, использовать повторную передачу блоков и пакетов информации и т. д. Все это, так или иначе, ведет к снижению скорости передачи информации. Таким образом, для реализации вышеперечисленных направлений развития КВ радиосвязи необходимо создание высококачественных радиоприемных устройств, имеющих высокие характеристики помехоустойчивости и чувствительности, обеспечивающих прием слабых сигналов в условиях воздействия случайных и преднамеренных помех, ограничивающих потенциальные возможности повышения надежности связи.

Необходимость работы РПУ коротковолнового диапазона в чрезвычайно сложной помеховой обстановке приводит к тому, что при их проектировании необходимо иметь оценку влияния отдельных параметров РПУ, в том числе параметров их отдельных узлов и функциональных устройств, включая алгоритмы управления и адаптации, на надежность связи. А так же иметь возможность сравнительной оценки влияния на надежность связи совокупности различных параметров и «размена» количественных значений одних характеристик на другие.

Теория потенциальной помехоустойчивости или теория оптимальной линейной фильтрации в силу возможностей практической реализации в настоящее время не применима к сигналам радиочастоты, поэтому основная фильтрация и обработка сигналов производится на промежуточных частотах. Для переноса спектра радиосигнала на промежуточные частоты используется главный тракт приема (ГТП). Основное его назначение — предварительная фильтрация, усиление и перенос спектра сигнала на промежуточную частоту наиболее удобную для дальнейшей обработки.

Основными характеристиками ГТП РПУ являются частотная избирательность в его различных сечениях — на радиочастоте и на промежуточных частотах и нелинейные явления в активных элементах тракта, являющиеся одной из основных причин снижения надежности связи при воздействии мощных помех.

Задача оценки влияния параметров отдельных узлов РПУ на помехоустойчивость может быть решена либо путем постановки физических экспериментов, либо математическими расчетами, например, методом статистического моделирования на ЭВМ. Каждый из этих методов имеет свои недостатки и достоинства. Экспериментальные исследования в реальных условиях связаны с большими материальными затратами как на производство специальной аппаратуры, позволяющей варьировать различные параметры и характеристики, так и на организацию эксперимента. Невоспроизводимость условий связи в реальном опыте вызывает необходимость проведения большого числа статистических испытаний аппаратуры или одновременного исследования большого количества образцов изделия.

Поэтому задача исследования влияния структуры и параметров РПУ и его основных узлов на надежность связи решается в следующей последовательности.

С помощью статистического моделирования исследуется зависимость надежности связи от характеристик приемника и его составных частей, формулируются требования к ним, разрабатываются и испытываются алгоритмы управления и адаптации. На основании полученных данных проводится разработка отдельных узлов и радиоприемника в целом. Далее идет изготовление макета изделия и его опытного образца, которые в свою очередь проходят испытания соответственно в лабораторных условиях на имитационно-измерительном комплексе и в реальных условиях радиосвязи, что позволяет проверить идеи и результаты, полученные на первом этапе.

Таким образом, этап исследования влияния характеристик РПУ на надежность связи путем статистического моделирования является первым и важнейшим этапом в общей цепи научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ такого направления [33, 35, 36, 38, 39]. Особое значение он приобрел в настоящее время, что обусловлено двумя причинами. Первая — это значительный «скачек» в области развития средств вычислительной техники, которая сегодня стала обычным инструментом разработчика аппаратуры связи. Во вторых — это появление принципиально новых технических решений построения отдельных узлов РПУ, основанных на <к применении цифровых методов фильтрации и обработки сигналов [2, 4, 5].

Аналогичный подход к исследованию устройств связи широко используется как за рубежом, так и в отечественной технике связи, в том числе и в Омском НИИ приборостроения.

Для теоретического исследования влияния характеристик РПУ на надежность связи была взята структурная схема входных цепей радиоприемника, изображенная на рисунке 1.

Мешающие сигналы.

Рисунок 1 — Структурная схема модели входных цепей радиоприемного устройства.

Помехоустойчивость системы связи в основном, при прочих равных условиях, обусловлена отношением сигнал/помеха, которое реализуется главным трактом радиоприемного устройства (РПУ) на выходе фильтра основной селекции. Автоматическая адаптация к постоянно меняющимся условиям связи в КВ канале способна существенно повысить отношение сигнал/помеха и приблизить его к потенциально достижимому уровню. Таким образом, исследование методов адаптации коротковолновых РПУ к условиям связи является актуальной задачей.

Целью настоящей работы является повышение помехоустойчивости радиоприемных устройств (РПУ) КВ диапазона методом параметрической адаптации к условиям радиосвязи в точке приема.

Исследования проведены с использованием методов аналитических расчетов, компьютерного и физического моделирования, а также натурных испытаний, базирующихся на экспериментальных данных и известных теоретических положениях. Достоверность полученных результатов подтверждается их адекватностью при использовании различных методов исследования, а также сходимостью полученных теоретических результатов с экспериментальными данными и результатами связных испытаний. Алгоритмы разработанных компьютерных моделей базируются на теории нелинейных электрических цепей, теории электрической связи, теории случайных процессов и теории специальных функций. Достоверность новизны принятых технических решений подтверждается двенадцатью авторскими свидетельствами и патентами.

В первой главе диссертации дан анализ состояния развития и тенденции построения современных отечественных и зарубежных радиоприемных устройств декаметрового диапазона радиоволн и проанализированы требования, предъявляемые к современным КВ РПУ [1, 3, 9, 11, 13, 14, 17 — 20, 28 — 32, 37, 40, 42, 55 — 62, 65, 77, 79, 100, 129, 130]. Показано, что реализация высокой помехоустойчивости невозможна без автоматической адаптации РПУ к сложной электромагнитной обстановке. Описаны методы повышения надежности приема сообщений посредством автоматической адаптации РПУ к условиям связи. Дан анализ известных методов оценки влияния характеристик главного тракта РПУ на отношение сигнал/помеха на его выходе и, как следствие, на надежность передачи сообщений.

Основными параметрами РПУ, которые автоматически изменяются при адаптации его к условиям связи являются: частотная избирательность, динамический диапазон и чувствительность.

Влияние частотной избирательности РПУ, его чувствительности и динамического диапазона на помехоустойчивость КВ систем связи исследовалось в работах Голубева В. Н., Челышева В. Д., Ли За Сонна, Богдановича Б. М., Сартасова Н. А., Бобкова А. М., Лабутина В. К и др. исследователей [9- 11, 13, 14, 17−20, 63, 65, 67−69, 72, 80−87, 99, 100, 106, 115, 121 — 123, 125, 126, 150, 152, 156]. Автором диссертации влияние характеристик избирательности радиоприемного устройства на надежность связи исследовалось посредством статистического моделирования на ЭВМ [24, 25, 33, 35, 36, 38−40]. Показано, что наиболее просто и эффективно помехоустойчивость РПУ в сложной электромагнитной обстановке может быть повышена в первую очередь за счет автоматической регулировки чувствительности (АРЧ) приемного устройства [7, 12, 23 -25, 36, 40 — 46, 53, 54,64,77−79,87,90,91, 100, 101, 112, 134, 135, 144].

Во второй главе показано, что при сравнении различных методов АРЧ наиболее приемлемыми являются статистические методы моделирования, которые позволяют получать результаты, хорошо согласующиеся с результатами натурных испытаний. Обычные аналитические методы моделирования предполагают постоянными значения всех параметров сигнала и помех, что плохо отражает всевозможного рода реальные ситуации и приводит к значительным погрешностям оценок энергетических выигрышей и проигрышей при сравнении систем связи, использующих различные методы адаптации. Наиболее рациональными являются имитационно-аналитические методы моделирования, которые сочетают в себе преимущество как аналитических методов моделирования (быстроту получения результатов), так и имитационных (статистических) методов (хорошее согласование с результатами, полученными на реальных трассах).

Дано описание разработанных математических моделей канала связи, используемых в качестве инструмента автоматического проектирования KB радиоприемных устройств [23 — 25, 33, 35, 36, 38 — 42, 55, 58 — 61].

Для исследования влияния характеристик усилительного тракта приемного устройства в работе используются две различные компьютерные модели: имитационно-аналитическая [33, 35, 38, 39, 100, 111] и чисто имитационная [23 — 25, 36, 40].

Имитационно-аналитическая модель базируется на известной [123] аппроксимации нелинейной характеристики усилительного тракта суммой линейной и тригонометрической функций. Такая аппроксимация позволяет получить все основные характеристики усилительного тракта (амплитудную, блокирования и интермодуляционную) и производить расчет уровней всех интермодуляционных составляющих любого порядка на выходе нелинейного тракта при полигармоническом воздействии на его вход. Этот факт очень важен, так как в реальных условиях на вход КВ приемного устройства помимо полезного сигнала может поступать большое число станционных помех.

В качестве модели станционных помех в данном случае была использована известная модель Сосина [152], которая дает табличное представление зависимости числа станционных помех различного уровня от частоты настройки приемного устройства.

При вычислительных экспериментах, как и при экспериментах на реальной трассе, требуется проведение достаточно большого числа сеансов связи, гарантирующего достоверные результаты. Распределение станционных помех на заданном участке диапазона частот считается равномерным. Средние уровни сигнала в различных сеансах связи предполагаются распределенными по логарифмически нормальному закону, а мгновенное значение уровня сигнала-в отдельно взятом /-м сеансе связи считается распределенным по релеевскому закону.

Определив уровни сигнала и станционных помех на входе приемного устройства и рассчитав уровни полезного сигнала и станционных помех, непосредственно попавших в полосу пропускания фильтра основной селекции, а также уровни учитываемых порядков интермодуляционных составляющих, попавших в полосу пропускания фильтра основной селекции, можно получить значение отношения сигнал/помеха на выходе усилительного тракта приемного устройства. Это отношение обусловливается динамическим диапазоном усилительного тракта. Если при одних и тех же условиях связи сравниваются приемные устройства, имеющие различный динамический диапазон или адаптирующиеся к условиям связи разными способами, то естественно, что отношение сигнал/помеха на выходе фильтра основной селекции у таких приемных устройств будет различным.

Задавая уровень отношения, сигнал/помеха, при котором сообщение считается принятым, можно определить коэффициент исправного действия (КИД) для того или иного варианта приемного устройства. Изменением уровня сигнала определяется зависимость КИД от мощности передатчика и производится оценка энергетического выигрыша одной системы связи по отношению к другой.

Недостатком описанной имитационно-аналитической модели является то, что она рассчитана на испытания радиоприемных устройств при передаче только коротких сообщений. При этом не может быть учтено влияние замираний сигнала в процессе передачи сообщений, длительность которых сравнима с периодом селективных замираний сигнала или превосходит его. От этого недостатка избавлена другая разработанная в диссертации модель канала связи, которая является чисто имитационной.

Имитационная модель КВ канала связи воспроизводит отсчеты квадратур сигнала, адекватные отсчетам на выходе аналого-цифрового преобразователя (АЦП). При этом учитывается как многолучевость распространения сигнала в декаметровом диапазоне радиоволн, так и наличие аддитивных помех (станционных, импульсных, атмосферного шума и собственного шума РГТУ). Имитационная модель строится следующим образом. Формируются индивидуальные отсчеты комплексных амплитуд каждого отдельно взятого компонента колебания на входе приемного устройства (сигналов, пришедших различными лучами, станционных и импульсных помех, атмосферного шума). Интервал между соседними отсчетами в соответствии с теоремой Котельникова обусловливается полосой пропускания приемного тракта.

Имитационная модель может воспроизводить имеющие место нелинейные искажения сигнала, которые происходят в усилительном тракте реального приемного устройства. Для этого сигнал представляется в виде суммы двух комплексно сопряженных векторов, т. е. в действительной форме, и подвергается нелинейным преобразованиям адекватным тем, которые происходят в реальном тракте. Способ аппроксимации передаточной характеристики тракта при этом не играет существенной роли. Однако интервал между отсчетами сигнала в этом случае необходимо уменьшать с целью учета гармоник и интермодуляционных составляющих, которые появляются из-за нелинейных искажений в тракте приемного устройства.

Третья глава диссертации посвящена исследованиям различных алгоритмов автоматической адаптации РПУ к конкретным условиям связи. В ней проводится анализ влияния на помехоустойчивость радиоприемных устройств спектральных характеристик внеполосных мешающих сигналов.

Обычно, при анализе нелинейных искажений в ГТП реальные узкополосные мешающие сигналы заменяют эквивалентными по мощности синусоидальными сигналами [13, 17, 18, 57, 129, 85, 105, 106, 111, 128, 132]. Такое представление мешающих сигналов позволяет значительно упростить анализ, однако оно плохо описывает реально существующие узкополосные сигналы [72]. При статистическом анализе такое их представление приемлемо лишь в частном случае, когда заведомо известно, что в полосу пропускания фильтра основной избирательности радиоприемника попадает большая часть мощности комбинационной помехи.

Показано, что учет спектральных характеристик мешающих сигналов приводит к снижению помехоустойчивости РПУ по сравнению со случаем, когда учитываются лишь их энергетические характеристики. Одинаковой вероятности ухудшения качества приема соответствуют уровни узкополосных мешающих сигналов на 4−14 дБ меньше, чем в случае, когда эти сигналы заменяются эквивалентными по мощности синусоидальными.

Проведен анализ помехоустойчивости радиоприемных устройств при воздействии доминирующего по уровню внеполосного мешающего сигнала, что характерно для РПУ работающих в условиях территориально ограниченного объекта, что не позволяет обеспечить необходимое удаление приемной и передающей антенн, а зачастую приемник и передатчик работают на одну антенну.

Оценка помехоустойчивости РПУ, работающего в условиях территориально ограниченного объекта, когда ее снижение обусловлено, главным образом, воздействием мощного мешающего сигнала наводимого от основного излучения собственного передатчика, показала, что:

— вероятность ухудшения качества приема РПУ с широкополосным преселектором недопустимо велика и может достигать значений от 0,5 до близких к единице. Этим объясняется то, что на территориально ограниченных объектах такие РПУ используются лишь совместно с дополнительным высокоизбирательным преселектором;

— введение встроенных средств самоадаптации в виде управляемых аттенюаторов, с помощью которых производится согласование уровней входных воздействий приемника с его динамическим диапазоном — системы автоматической регулировки чувствительности (АРЧ), приводит к значительному повышению помехоустойчивости приемника.

Проведен анализ эффективности различных методов АРЧ.

Показано, что применение в АРЧ дополнительного тракта приема [8, 101, 103, 112] влечет за собой значительное усложнение РПУ, а ее основные характеристики зависят от идентичности параметров основного и дополнительного приемного трактов. Их различие не позволяет в полной мере избавиться от ложных срабатываний и отказов системы АРЧ.

Использование в АРЧ модуляционного обнаружителя нелинейных искажений [13, 53, 64, 96, 97], позволяющего оценить уровень комбинационных помех непосредственно на выходе ГТП, не используя для этой цели дополнительного тракта, также не позволяет полностью избавиться от ложных срабатываний АРЧ. Их вероятность зависит от соотношения параметров обнаружителя — глубины модуляции и полосы пропускания ФНЧ на выходе синхронного детектора. Показано, что на практике, когда допустимая глубина модуляции ограничена (коэффициент модуляции не должен превышать нескольких процентов), для снижения вероятности ложного срабатывания приходится уменьшать полосу пропускания ФНЧ, увеличивая тем самым инерционность АРЧ. Инерционность АРЧ с модуляционным обнаружителем нелинейных искажений сужает область ее применения, например, уменьшается эффективность ее использования в РПУ, работающих в составе радиолиний с интенсивной сменой рабочих частот. Это обусловлено тем, что время анализа в системе АРЧ соизмеримо, а может даже и превышать, время непрерывной работы РПУ на конкретной частоте. Невозможность полностью исключить ложные срабатывания АРЧ с модуляционным обнаружителем нелинейных искажений, наряду с большой инерционностью такой АРЧ, может явиться причиной снижения достоверности приема в отдельных сеансах радиосвязи.

Рассмотрена АРЧ по уровню внешнего воздействия на радиоприемное устройство. Такой метод используется в АРЧ по уровню принимаемого сигнала [7, 23, 77, 78, 87, 90, 91] и в АРЧ по уровню группового сигнала в полосе пропускания преселектора, который представляет собой сумму мешающих сигналов [7,13,23,77,90,91].

Несомненным достоинством АРЧ по уровню внешнего воздействия на РПУ является простота аппаратурной реализации, что особенно важно в связи с требованием улучшения таких характеристик РПУ как: габаритно-массовые, технологичность и энергоемкость. Преимуществом является также возможность практически исключить влияние ложных срабатываний на достоверность приема. При АРЧ по уровню принимаемого сигнала это достигается тем, что порог ее срабатывания выбирается исходя из заданной достоверности приема. Эффективность применения такой АРЧ определяется уровнем принимаемого сигнала. При АРЧ по уровню группового сигнала в полосе пропускания преселектора, это также достигается соответствующим выбором порога срабатывания, который должен на 20 — 30 дБ превышать динамический диапазон РПУ. Однако при увеличении порога срабатывания АРЧ возрастает вероятность ложного отказа срабатывания АРЧ и снижается ее эффективность.

Влияние на достоверность приема ложных срабатываний и ложных отказов системы АРЧ зависит от уровня полезного сигнала. При малом его уровне наиболее опасны ложные срабатывания, так как в этом случае применение АРЧ может являться причиной недопустимого ухудшения качества приема. С увеличением уровня полезного сигнала, когда имеется некоторый его запас, влияние ложных срабатываний уменьшается. Однако комбинационные помехи и в этом случае могут привести к недопустимому снижению достоверности приема, поэтому более опасными становятся ложные отказы системы АРЧ. Учитывая это, была предложена адаптивная АРЧ по уровню группового сигнала в полосе пропускания преселектора, у которой порог срабатывания не является априорно определенным, а зависит от уровня принимаемого сигнала. При малом уровне принимаемого сигнала такая АРЧ практически эквивалентна АРЧ по уровню группового сигнала в полосе пропускания преселектора. При достаточном запасе по уровню принимаемого сигнала по эффективности такая АРЧ приближается к АРЧ с оценкой уровня нелинейных искажений в ГТП, однако ее аппаратурная реализация остается достаточно простой.

В четвертой главе рассмотрены вопросы практической реализации полученных в ходе проведенных в работе исследований параметров устройств автоматической регулировки чувствительности РПУ. Основными требованиями к регулируемым элементам являются:

— низкий уровень собственных шумов;

— высокий динамический диапазон;

— малая инерционность и высокая надежность.

Динамический диапазон аттенюатора по уровню комбинационных помех третьего порядка должен быть выше динамического диапазона усилительного тракта РПУ. Для уменьшения влияния комбинационных помех второго порядка регулируемые элементы целесообразно размещать после пассивной части преселектора РПУ.

Было исследовано влияние шага дискретизации на эффективность работы АРЧ.

Исследовано влияние коммутационных помех, вызванных скачкообразными изменениями уровней внеполосных аддитивных помех, при переключении градаций дискретного аттенюатора, что приводит к расширению их спектра и поражению образовавшимися спектральными компонентами основного канала приема сигнала.

Показано, что:

— плотность распределения вероятностей суммарной мощности коммутационных помех при большом числе внеполосных станционных помех, попадающих в полосу пропускания преселектора, может быть аппроксимирована гамма-распределением, которое в пределе с увеличением числа станционных помех переходит в нормальное;

— наличие коммутационных помех может значительно снижать отношение сигнал/помеха при приеме отдельных элементов сообщения.

Требования низкого уровня собственных шумов, высокого динамического диапазона, малой инерционности и высокой надежности наилучшим образом удовлетворяются регулируемыми элементами в виде резистивного аттенюатора с переключающимися дискретами затухания с помощью, выполненных на p-i-n диодах, элементов коммутации. Динамический диапазон по уровню комбинационных помех третьего порядка аттенюатора, реализованного на этих элементах, составляет 110 — 120 дБ, что на 20 —30 дБ выше динамического диапазона усилительного тракта РПУ.

В выпускаемых серийно отечественных приемных устройствах четвертого и пятого поколений в соответствии с результатами проведенных в диссертационной работе исследований реализована автоматическая регулировка чувствительности по уровню внешнего воздействия на РПУ.

Для уменьшения влияния коммутационных помех была предложена и практически реализована схема АРЧ с режекцией коммутационных помех в тракте первой ПЧ РПУ [23, 24, 41].

Результаты многократных сравнительных трассовых испытаний КВ приемников с АРЧ по уровню внешнего воздействия, имеющих шаг дискретизации входного аттенюатора 3 дБ, полностью подтвердили правильность всех технических решений, принятых при проектировании РПУ на основе проведенных в работе исследований.

В заключение перечислены полученные в диссертации новые научные и технические результаты и указаны перспективные для дальнейшего исследования вопросы в направлении адаптации КВ РПУ к условиям связи. Основными результатами диссертационной работы, определяющими ее научную новизну, являются: новый адаптивный алгоритм автоматической регулировки чувствительности коротковолновых радиоприемных устройств, позволяющий повысить их помехоустойчивость за счет адаптации параметров чувствительности и динамического диапазона РПУ к условиям радиосвязи;

— методика компьютерного имитационно-аналитического моделирования КВ канала связи, позволяющая определять зависимость отношения сигнал/помеха на выходе фильтра основной селекции приемника от основных параметров главного тракта приемного устройстваметодика компьютерного имитационного моделирования многолучевого канала связи с учетом различного рода аддитивных помех, с помощью которой возможно формировать отсчеты квадратур сигнала для блока цифровой обработки, которые идентичны отсчетам на выходе реального РПУ;

— полученные посредством статистического моделирования новые результаты, позволившие обосновать выбор метода дискретной АРЧ по уровню внешнего воздействия на РПУ, который отличается наибольшей простотой и высокой эффективностью;

— эффективные методы подавления коммутационных помех, которые имеют место в РПУ с дискретной АРЧ;

На защиту выносятся.

1 Адаптивный алгоритм автоматической регулировки чувствительности радиоприемных устройств по уровню группового сигнала в полосе пропускания преселектора, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности автоматической регулировки чувствительности порог срабатывания не задается априорно, а выбирается в зависимости от уровня принимаемого сигнала.

2 Методика и результаты исследования влияния параметров радиоприемных устройств на их помехоустойчивость с помощью компьютерного моделирования с использованием имитационно-аналитической и имитационной моделей КВ канала связи, позволяющих проводить вычислительные эксперименты, адекватные сравнительным связным испытаниям КВ радиоприемных устройств.

3 Результаты исследований различных алгоритмов автоматической регулировки чувствительности радиоприемных устройств.

Автор выражает признательность за помощь при выполнении работы и критическую, принципиальную оценку ее результатов коллективу Омского НИИ приборостроения и лично директору В. И. Левченко, и ведущему научному сотруднику Г. К. Хазан, научному руководителю, ректору Омского Государственного Технического Университета Н. С. Жилину, а также заведующему кафедрой средств связи и информационной безопасности Омского Государственного Технического Университета В. А. Майстренко и доценту этой кафедры В. Л. Хазан за полезные советы и консультации.

Результаты работы внедрены в производство в Омском НИИ приборостроения при проведении 12 ОКР по разработке КВ радиоприемных устройств четвертого и пятого поколений: «Бригантина», «Панорама», «Артек-Гелиос», «Сердолик-ПРМ», «Ольхон-Гелиос-М», «Ольхон-Гелиос-215» ,.

Сердолик-ПРМ-Б", «Скаляр», «ПТ-100», «Иртыш-СВ», «Нерпа», «Р-397П2−215», и 4-х НИР: «Гелиос», «Сатира-РКК», «Тишина», «Ландыш-Н» .

Адаптивный алгоритм автоматической регулировки чувствительности в реализован в следующих радиоприемных устройствах и трансиверах, разработанных в ОНИИП и серийно выпускаемых ПО «Иртыш» и ОПЗ им. Козицкого, г. Омск: «Бригантина», Р-170П, Р-397 П, Р-397 ПМ, Р-397 П-215, Р-774К1, Р-774ДСК, Р-774 О, Р-774 С, «Сердолик-ПРМ», «Сердолик-ПРМ-Б», ПВ-100 и ПТ-100.

Внедрение результатов работы подтверждается соответствующими актами внедрения, прилагаемыми к диссертации (приложение К).

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:

— на юбилейной научно-технической конференции, г. Омск, 1988 г.;

— на пятнадцатой военно-научной конференции, в/ч 11 135, г. Москва, 1997 г.;

— на XXIV военно-научной конференции Военной академии связи, г. С-Петербург, 1998 г.;

— на второй международной научно-практической конференции «Информационные технологии и радиосети». ИНФОРАДИО-2000, г. Омск, 2000 г.;

— на второй международной научно-практической конференции «Перспективы развития систем связи и навигации на морском и речном транспорте», г. Москва, 2001 г.;

— на технологическом конгрессе «Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения», г. Омск, 2001 г. (два доклада);

— на третьей международной научно-практической конференции «Перспективы развития систем связи и навигации на морском и речном транспорте», г. Москва, 2002 г. [1, 3, 12, 17, 19−22].

Новизна полученных практических результатов подтверждается 12-ю полученными авторскими свидетельствами, патентами и положительными решениями по заявкам на изобретение: а. с. № 1 243 086, а. с. № 1 254 586, а. с. № 1 220 109, а. с. № 1 429 292, а. с. № 2 080 739, патент № 2 224 264, патент № 2 207 715, патент № 2 224 315, а. с. № 41 098, а. с. № 29 817, заявка № 2 2 114 037, положительное решение от 09.02.2004, заявка № 2 002 119 304, положительное решение от 26.01.2004.

Всего по теме диссертации опубликовано 35 научных работ.

Таким образом, представленные автором результаты решения актуальной научной задачи — адаптации чувствительности и динамического диапазона радиоприемного устройства к условиям приема имеют важное народнохозяйственное и оборонное значение, так как позволяют повысить помехоустойчивость радиосвязи.

Однако эти результаты получены применительно к одиночным РПУ, имеющим типовую структуру ГТП. В то же время, сейчас все более широкое применение в технике связи находят методы цифровой обработки сигналов. При этом меняется подход как к организации связи, так и изменяется структурная схема радиоприемных устройств. Широкое распространение получают многоканальные радиоприемные устройства, в которых обработка сигналов ведется в широкой полосе частот. В этом случае нужны иные критерии и методы регулировки чувствительности группового тракта. Применительно к спутниковым системам связи эти вопросы рассматриваются в [131]. При этом в системах связи с цифровой обработкой сигналов регулировка усиления в различных сечениях линейного тракта остается единственным способом защиты АЦП от перегрузки. Эти вопросы в данной работе не рассматривались.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе дан анализ состояния развития и тенденции построения современных отечественных и зарубежных радиоприемных устройств декаметрового диапазона радиоволн и проанализированы, предъявляемые к ним требования. Показано, что реализация высокой помехоустойчивости невозможна без автоматической адаптации РПУ к сложной электромагнитной — обстановке в точке приема. Исследованы различные методы автоматической адаптации КВ РПУ к условиям связи и дана оценка эффективности этих методов. Показано, что реализация высокой помехоустойчивости РПУ наиболее эффективно может быть обеспечена за счет автоматической регулировки чувствительности приемного устройства.

Дана классификация методов АРЧ РПУ к условиям связи, которая включает в себя четыре вида АРЧ:

— АРЧ с использованием дополнительных частотно-избирательных трактов;

— АРЧ с модуляционным обнаружителем нелинейных эффектов в главном тракте РПУ;

— АРЧ с оценкой качества принимаемого сигнала;

— АРЧ по уровню внешнего воздействия на РПУ.

Проанализированы преимущества и недостатки каждого класса АРЧ.

РПУ.

Показано, что наиболее приемлемыми для практической реализации являются системы АРЧ, использующие уровни принимаемых сигналов и помех, так как, являясь наиболее простыми в реализации эти системы незначительно проигрывают энергетически всем другим более сложным в схемотехническом плане системам.

Разработан адаптивный алгоритм автоматической регулировки чувствительности коротковолновых радиоприемных устройств, позволяющий повысить их помехоустойчивость за счет адаптации параметров чувствительности и динамического диапазона РПУ к условиям радиосвязи.

Разработаны имитационно-аналитическая модель КВ канала связи, позволяющая проводить вычислительные эксперименты, которые соответствуют сравнительным трассовым испытаниям КВ радиоприемных устройств с различными характеристиками, и имитационная модель многолучевого канала связи, с помощью которой возможно формировать отсчеты квадратур сигнала на выходе радиоприемного устройства для блока цифровой обработки сигнала.

Эти методы анализа и расчета основных параметров систем АРЧ основаны на методах оценки основной функциональной характеристики приемных устройств — помехоустойчивости.

Поскольку внешнее воздействие на РПУ носит случайный характер, то при анализе его помехоустойчивости был выбран статистический подход, основанный на методах теории вероятностей и математической статистики.

Ранее известные статистические методы оценки помехоустойчивости РПУ имели существенный недостаток — не учитывали спектральные характеристики мешающих сигналов и не позволяли анализировать ситуацию, когда в полосе преселектора присутствует доминирующий по уровню мешающий сигнал, что имеет очень важное значение для совмещенных приемно-передающих центров, какими являются, например, морские суда.

Разработанная автором модель комбинационных помех, обусловленных взаимной модуляцией мешающих сигналов, учитывает не только их энергетические, но и спектральные характеристики. Анализ помехоустойчивости РПУ, проверенный по новой методике, показал, что при воздействии узкополосных станционных помех помехоустойчивость РПУ снижается по сравнению со случаем, когда эти сигналы заменяются на чисто синусоидальные. Количественно это уменьшение эквивалентно увеличению математического ожидания уровней мешающих сигналов на 4−14 дБ.

Был также разработан приближенный аналитический метод анализа помехоустойчивости РПУ при наличии в полосе пропускания преселектора мощного мешающего сигнала энергетически значительно преобладающего над другими сигналами. Этот случай наиболее характерен для условий приема на территориально-ограниченном объекте, на котором невозможно пространственное разнесение приемной и передающей антенн. Проведенный анализ показал относительно низкую помехоустойчивость РПУ с фильтровым преселектором, работающего в условиях совмещенного приемо-передающего центра.

Разработанная новая более совершенная методика имитационно-аналитического компьютерного моделирования КВ канала связи, включающая главный тракт РПУ, отличается тем, что позволяет оперативно определять отношение сигнал/помеха на выходе тракта и оценивать влияние его основных характеристик на надежность передачи сообщений в условиях замираний сигнала и в присутствии сколь угодно большого количества станционных помех, в том числе с уровнями, вводящими РПУ в нелинейный режим работы, то есть в режим глубокого ограничения сигналов по амплитуде.

Разработанная методика имитационного компьютерного моделирования КВ канала связи позволяет получать отсчеты квадратур сигнала на выходе главного тракта приемного устройства в условиях многолучевого распространения сигнала и в присутствии различного рода аддитивных помех (шума, сигналов посторонних радиостанций, импульсных помех). Такого рода компьютерная модель не имеет ограничений по времени передачи сообщений и позволяет автоматизировать проектирование устройств цифровой обработки сигнала и цифровых методов адаптации РПУ к условиям связи с учетом их изменения во времени.

Предложенные методы математического моделирования каналов связи позволяют разрабатывать научно-обоснованные рекомендации для выбора структуры и производить оценку значений основных параметров самих радиоприемных устройств и их систем адаптации к условиям связи.

Показано, что при применении в АРЧ для оценки уровня нелинейных искажений дополнительного тракта возможны ложные срабатывания и ложные отказы системы АРЧ, если полосы пропускания этого тракта и ГТП различны.

В реальных условиях радиосвязи возможны ложные срабатывания АРЧ с модуляционным обнаружителем нелинейных искажений, обусловленные воздействием аддитивной помехи, представляющей собой сумму атмосферных шумов и полезного сигнала, который в данном случае является помехой для системы АРЧ. Показано, что для снижения вероятности ложных срабатываний при ограниченной глубине модуляции необходимо уменьшить полосу пропускания модуляционного обнаружителя до 1 — 5 Гц, что влечет за собой увеличение инерционности АРЧ. Высокая инерционность ограничивает область применения АРЧ с модуляционным обнаружителем нелинейных искажений. В частности, затрудняется ее использование в РПУ, работающих в составе радиолиний специальной связи с псевдослучайной перестройкой по частоте. Это объясняется тем, что время анализа в системе АРЧ соизмеримо и даже может превышать время непрерывной работы РПУ на конкретной частоте.

В работе для практической реализации предложена адаптивная АРЧ по уровню группового сигнала в полосе пропускания преселектора, которая сочетает высокую эффективность и сравнительную простоту аппаратурной реализации. Последнее особенно важно в связи с тем, что при разработке нового поколения связной аппаратуры и модернизации существующего парка особое внимание уделяется улучшению ее габаритно-массовых характеристик, технологичности, снижению энергоемкости.

Исходное значение порога срабатывания (в отсутствии полезного сигнала) такой АРЧ выбирается на 20 дБ выше динамического диапазона РПУ, определяемого по уровню взаимной модуляции третьего порядка. В реальных условиях радиосвязи величина порога срабатывания уменьшается в зависимости от уровня принимаемого сигнала. Если уровень принимаемого сигнала более чем на 30 дБ превышает собственные шумы РПУ, то регулирование осуществляется независимо от величины мешающих сигналов. Этим достигается, с одной стороны, высокая эффективность адаптивной АРЧ, с другой стороны, практически исключается недопустимое снижение достоверности приема при ее ложных срабатываниях.

Проведенные на объекте в/ч 98 622-Л, по разработанной в/ч 60 130 методике [9, 10, 42, 56], экспериментальные исследования адаптивной АРЧ по уровню группового сигнала в полосе пропускания преселектора показали, что ее применение позволяет при мешающих сигналах до 120 дБмкВ в 3−9 раз повысить реальную избирательность РПУ. При больших значениях мешающих сигналов АРЧ позволяет получить энергетический выигрыш от 3 до 10 дБ по уровню полезного сигнала. Однако в этом случае требуется его значительный запас для эффективного подавления мешающего сигнала.

Научная новизна работы и полученных результатов заключается в следующем:

1 Разработан новый адаптивный алгоритм автоматической регулировки чувствительности коротковолновых радиоприемных устройств, позволяющий повысить их помехоустойчивость за счет адаптации параметров чувствительности и динамического диапазона РПУ к условиям радиосвязи.

2 Разработана методика компьютерного имитационно-аналитического моделирования КВ канала связи, позволяющая определять зависимость отношения сигнал/помеха на выходе фильтра основной селекции приемника от основных параметров главного тракта приемного устройства.

3 Разработана методика компьютерного имитационного моделирования многолучевого канала связи с учетом различного рода аддитивных помех, с помощью которой возможно формировать отсчеты квадратур сигнала для блока цифровой обработки, которые идентичны отсчетам на выходе реального РПУ.

4 Посредством статистического моделирования получены новые результаты, позволившие обосновать выбор метода дискретной АРЧ по уровню внешнего воздействия на РПУ, который отличается наибольшей простотой и высокой эффективностью.

5 Разработаны эффективные методы подавления коммутационных помех, которые имеют место в РПУ с дискретной АРЧ.

Практическая ценность работы заключается в разработанном автором диссертации адаптивном алгоритме автоматической регулировки чувствительности коротковолновых радиоприемных устройств, позволяющем повысить их помехоустойчивость и получить в зависимости от помеховой обстановки энергетический выигрыш от 3 до 9 дБ эквивалентной мощности передатчика по сравнению с РПУ, не имеющих систем параметрической адаптации Он внедрен в серийно выпускаемые коротковолновые радиоприемные устройства. Проведенные сравнительные связные испытания показали, что РПУ с автоматической регулировкой чувствительности по сравнению с приемными устройствами предшествующих поколений, работающих без нее, при заданном качестве приема принимают на 10 — 30% больше телеграмм.

Разработанные компьютерные модели коротковолнового канала связи дают возможность проводить в лабораторных условиях вычислительные эксперименты в условиях, максимально приближенных к реальным, с учетом многолучевости распространения радиоволн и обусловленных ею селективных замираний сигнала, различного рода аддитивных помех, взаимного блокирования сигналов, а также интермодуляционных помех, появляющихся в результате нелинейных явлений в главном тракте приемного устройства. Использование разработанных математических моделей позволяет повысить качество разработки РПУ, существенно сократить материальные затраты на проведение исследований и время, которое требуется для сравнительных испытаний проектируемых систем связи с системами, ранее принятыми в эксплуатацию.