Введение к работе
Актуальность проблемы, решению которой посвящена настоящая диссертация, обусловлена следующим:
- необходимостью повышения показателей качества (помехоустойчивости, эффективности, надежности и т.д.) систем синхронизации различного назначения, использующих ФАП, а также разработки конк-
ратных систем с новыми свойствами;
необходимостью разработки наглядных физических трактовок результатов и алгоритмов теоретического анализа, позволяющих осознанно искать технические решения задач проектирования нелинейных СФС;
выявлением в результате выполненных исследований возможности создания широкого класса новых систем ФАП, обладающих повышенным быстродействием, комбинированных интегральных схем, обеспечивающих улучшенные динамические характеристики и новые свойства систем ФАЛ;
новыми возможностями теоретического анализа, открывающимися при использовании современных аппаратных и программных средств персональных ЭВМ.
Цели работы1Разработка комплексного подхода к исследованию систем синхронизации, основанного на:
-свитам структур и определении их параметров, вытекающих из априорных данных о помеховой обстановке, динанике отслеживаемых параметров и реальных характеристик узлов, реализующих синтезированную структуру ;
-анадаэа стационарных и переходных режимов в синтезированных системах синхронизации точными и приближенными методами теории колебаний: фазовой плоскости и усреднения, распространенных на динамические системы с переменными во времени параметрами и системы с временной задержкой в цепи управления ;
-иоделнрованаа на ЭВМ с использованием разработанных макромоделей систем синхронизации при учете способов реализации ихчузлов и применении современных программ схемотехнического моделирования, позволяющем провести исследование характеристик систем в случаях, не поддающихся аналитическому решению, и уточнить технические требования к узлам системы.
2.Разработка прикладных методов инженерного и машинного анализа хонкретных устройств радиоавтоматики для систем формирования и обработки радиосигналов на основе систем фазовой синхронизации с учетом современных способов их реализации на цифровой технике, включая микроэвм и микропроцессоры, а также соответствующих прикладных программ для расчетов на ПЭВМ, учитывающих специфические особенности реализации таких систем, и решение разнообразных задач исследования, проектирования и расчета систем фазовой синхронизации различного применения.
3.Совершенствование систем синхронизации различного назначения
(доплеровские измерители скорости, использующие сигнал с почти гармонической частотной модуляцией .отдельные каналы синхронизации с ФМ сигналом в системах передачи телеметрической и другой информации и т.п.)- выполненных на основе систем фазовой автоподстройки частоты и систем слежения за задержкой (ССЗ) сигнала путем синтеза новых структур и на основе теоретического и экспериментального исследования их технических характеристик и предельных возможностей .
объекты и нетоды иссладования. В качестве объектов исследования выбраны :
а) синтезированные и построенные на основе колец ФАП и систем сле
жения за задержкой (ССЗ) системы для отдельных каналов измерения
или синхронизации сигналов с почти гармонической частотной модуля
цией и фазовой манипуляцией при динамических моделях параметров
второго и третьего порядков;
б) обобщенные модели систем синхронизации для таких сигналов, пре
дусматривающие возможность введения и изучения влияния неидеаль-
ностн реализации узлов системы (дополнительные инерционности, за
паздывания, нелинейности, помехи и т.п.).
Применительно к объекту исследования для решения поставленных задач используются:
методы оптимальной нелинейной фильтрации;
методы теории нелинейных колебаний : качественные, теории бифуркаций, асимптотические, кваэистационарные, гармонического баланса;
методы теории вероятностей, случайных процессов и математической статистики;
методы численного интегрирования дифференциальных уравнений и моделирования процессов на ЭВМ;
- метод макромоделей для описания узлов изучаемых систем.
Научная новизна. В работе решены научные задачи, новизна кото
рых заключается в следующем:
синтезированы универсальные модели систем синхронного измерения параметров ЧМ и ФН сигналов (для последнего с учетом многолучевого распространения) и разработаны методы теоретического анализа режимов их работы при учете мешающих факторов различной природы и неидеальности входящих в них узлов ;
существенно расширена область применения асимптотического и квазистационарного методов усреднения, что позволило применить их для исследования систем с меняющейся в переходном режиме структу-
рой и с временным запаздыванием ;
с помощью методов теории нелинейных колебаний исследованы стационарные и переходные режимы сложных систем синхронизации, включающих системы ФАП и ССЗ, при учете изменений их структуры в переходном режиме, различных мешающих факторов и неидеальности реализации узлов (запаздывание, нелинейность управляющих характеристик, дополнительные инерционности);
выработаны инженерные рекомендации по расчету динамических характеристик с широким использованием численных методов и моделирования на ЭВИ и способам их улучшения для систем фазовой синхронизации ;
разработаны прикладные программы, позволяющие проводить расчет параметров синтезированных систем, исследование динамики и фильтрующих свойств систем фазовой синхронизации для случаев, не поддающихся теоретическому анализу ;
" ' - разработаны новые структурные схемы и реализованы конкретные системы на основе систем фазовой синхронизации и с использованием современной схемотехники, включая микроэвм .
Совокупность перечисленных новых научных результатов представляет собой разработанный комплексный подход к исследованию систем фазовой синхронизации, предназначенных для использования в отдельных каналах синхронизации с ФМ сигналом, доплеровских измерителях скорости и дальности до объекта с ЧМ сигналом, синтезаторах частоты, различных системах радиоавтоматики.
Практическая ценность работы и её реализация.Включенные в диссертацию результаты получены автором при проведении в период с 1965 по 1995 гг. научно-исследовательских работ по заданиям промышленности, по Постановлениям Правительства, по Координационному плану АН СССР, по международным договорам о сотрудничестве (Болгария). Большинство полученных в работе результатов доведено до инженерных решений, практических рекомендаций, инженерных или компьютерных методик расчета и прикладных программ для моделирования систем. Разработанные прикладные методы исследования, алгоритмы и прикладные программы для расчетов на ЭВМ, а также разработанные измерительные установки, конкретные схемные решения и экспериментальные макеты систем синхронизации внедрены на различных предприятиях бывших Министерств радиопромышленности,промышленности средств связи, обороны, среднего машиностроения, высшего образования России, ближнего и дальнего зарубежья.
Результаты работы используются в учебном процессе на радиотех-
ническом факультете МЭИ ( в базовых курсах лекций; дисциплинах, установленных Советом для выбора студентов; в преддиплонных курсах, при курсовом и дипломном проектировании, в учебно-исследовательских и научно-исследовательских работах студентов ), а также в ряде других вузов Москвы (МГПУ,МТУСИ,МАИ,МИЭТ и др.). Омска, Пензы,Н-Новгорода, Запорожья,Минска и др.
Публикации и апробация результатов работы.Научные и практические результаты отражены в 89 публикациях, в том числе: в 4 международных и зарубежных, в 2 монографиях, в 5 учебных пособиях, в авторском свидетельстве, в 41 статьях и тезисах докладов в центральных научных журналах, в научно-технических сборниках, в сборниках трудов всесоюзных научных конференций, в депонированной рукописи и в двух проспектах ВДНХ. Материалы отражены в 3 3 отчетах по НИР,выполненных по заказу различных министерств,два из которых выполнены в Техническом университете Дании (г.Лингби.).
Результаты работы представлялись на четырех международных конференциях и симпозиумах (4 доклада),на 14 Всесоюзных научно-технических конференциях и семинарах (15 докладов),на 20 Московских и внутривузовских конференциях (25 докладов ),в том числе: на Международном семинаре по системам и устройствам синхронизации "Синхронизация - 90" (1990, г.Созопол,Болгария), на Международной конференции ЕССТД-91 (1991.Г.Копенгаген,Дания),на Международном семинаре "Нелинейные цепи и системы" (1992,г.Москва),на 7-ом Международном научном совещании ученых и специалистов по стабилизации частоты и формированию сигналов радио и оптического диапазонов (1992, г.Новороссийск), на семинаре института "Теории цепей и систем связи" Датского технического университета (1978 ,г.Лингби..Дания),на семинаре профессора В.Андерсена в Ольборгском Техническом университете (1978,г.Ольборг,Дания),на семинаре кафедры радиоэлектроники Словацкого технического университета (1992,г.Братислава),на Всесоюзных Сессиях НТО радиотехники,электроники и связи,на Всесоюзных семинарах по системам фазовой синхронизации (г.Горький),на Всесоюзных симпозиумах по вопросам помехоустойчивости систем связи с ЧМ и ФМ (г.Одесса),на Всесоюзной научно-технической конференции "Развитие теории и техники сложных сигналов,на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы повышения эффективности и качества систем синхронизации",на Всесоюзных школах-семинарах по стабилизации частоты,на Всесоюзной научно-технической конференции "Развитие и усовершенствование устройств синхронизации в системах связи",на Всесоюзном совещании по проблемам управления,на Межрегиональной
научно-технической конференции "Элементы и узлы современной приемной и усилительной техники".
Структур» в объём работы.Работа построена на основе 89 опубликованных работ соискателя, состоит из 12 глав, введения, заключения, списка литературы из 4 35 наименований и приложения. Основная часть содержит 340 машинописных страниц и 257 рисунков.
оопоапма положанж.вняосюша на зашиту.
1.Комплексный подход к задаче исследования систем синхронизации, реализуемых на основе колец фазовой автоподстройки частоты и систем слежения за задержкой ФМ сигнала, включающий
а) синтез структур и определение параметров систем на основе
теории оптимальной нелинейной фильтрации ;
б) исследование общих дифференциальных уравнений, общих урав
нений стационарных режимов, общих характеристических уравнений для
исследования локальной устойчивости, общих линеаризованных уравне
ний для анализа ошибок фильтрации при упрощении структур систем, в
том числе систем с переменной структурой и учетом временного за
паздывания в её узлах ;
в) использование разработанных макромоделей узлов исследуемых
систем с учетом особенностей их реализации для машинного моделиро
вания, обеспечивающего решение задачи при невозможности получения
результатов в аналитическом виде.
2.Результаты теоретического исследования по синтезу систем синхронизации :
результаты синтеза системы синхронизации при сигнале с почти гармонической частотной модуляцией для динамической модели параметров сигнала третьего порядка (структура измерителя параметров сигнала - амплитуды , частоты и фазы (задержки) модулирующего и несущего колебаний ; определение параметров оптимальной и подопти-мальной систем и ошибок измерения параметров сигнала,исследование локальной устойчивости точек равновесия);
результаты синтеза оптимального измерителя параметров фазо-нанипулированных сигналов при известном соотношении частот несущего колебания и манипуляции фазы для динамических моделей параметров сигнала второго и третьего порядка (структуры оптимальных и подоптимальных измерителей, определение их параметров и ошибок фильтрации) ;
результаты синтеза оптимальных измерителей параметров фазо-нанипулированных сигналов при известном соотношении частот несущего колебания и манипуляции фазы в условиях многолучевого распрост-
ранения (структуры оптимальных и подоптимальных измерителей, определение их параметров, ошибок фильтрации, анализ влияния на ошибки излучения распределения энергии сигналов, приходящих по различным каналам распространения).
3.Результаты теоретического исследования динамических характеристик систем синхронизации :
результаты анализа динамики аналоговых систем фазовой синхронизации с учетом нелинейности характеристики управления частотой перестраиваемого генератора , временного запаздывания, изменения частоты входного сигнала ;
распространение кваэистационарного метода на решение задачи о переходном процессе в системе ФАП с временным запаздыванием ;
результаты исследования динамических характеристик систем фазовой синхронизации с микроэвм ;
использование коммутаций в цепях сигнала ошибки систем для улучшения динамических характеристик аналоговых ФАП и систем, построенных на базе микроэвм ;
распространение асимптотического метода усреднения на решение задач исследования динамических характеристик систем синхронизации ФМ сигнала (двухкольцевых систем синхронизации) ;
исследование динамики систем синхронизации ФМ сигнала и способов улучшения этих характеристик ;
исследование динамики взаимосвязанных систем фазовой синхронизации, используемых для каналов с многолучевым распространением.
4.Результаты по созданию моделей систем фазовой синхронизации и прикладных программ для их машинного моделирования :
макромодели систем ФАП, аналого-цифровых синтезаторов частоты, взаимосвязанных систем ФАП для систем синхронизации многолучевого канала ;
результаты моделирования систем на базе современных пакетов прикладных программ схемотехнического проектирования.
5.Экспериментальные установки для исследования цифровых систем фазовой синхронизации с коммутациями в цепи сигнала ошибки и временной задержкой.
6.Автоматизированные стенды для исследования динамических характеристик цифровых систем фазовой синхронизации с микроэвм, для измерения статистических характеристик устройств поиска по задержке.
7.Конкретные разработки узлов и систем радиоавтоматики для систем синхронизации и обработки радиосигналов .