Статистико-детерминированная оценка электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств Виноградов Кирилл Евгеньевич

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Виноградов Кирилл Евгеньевич. Статистико-детерминированная оценка электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств : диссертация ... кандидата технических наук : 05.12.13 Ярославль, 2007 173 с., Библиогр.: с. 125-135 РГБ ОД, 61:07-5/4560

Содержание к диссертации

Введение

1. Статистико-детерминированныи подход к оценке ЭМС 21

1.1. Электромагнитная обстановка, создаваемая множеством источников излучений 21

1.2. Математическая модель радиоизлучений РПД, основанная на интерполяции спектральной характеристики излучения 25

1.2.1. Модель основного и внеполосного радиоизлучения 25

1.2.2. Модель побочного радиоизлучения на гармониках 26

1.3. Математическая модель восприимчивости РПМ, основанная на

интерполяции характеристики восприимчивости 29

1.3.1. Восприимчивость по основному, зеркальному каналам приема и каналу на ПЧ 30

1.3.2. Восприимчивость по побочным каналам на гармониках гетеродина 32

1.4. Математическая модель антенно-фидерного устройства, основанная на его функциональном разделении 35

1.5. Оценка уровня шумов 37

1.5.1. Оценка собственных шумов РПМ по чувствительности 37

1.5.2. Оценка естественных внешних шумов по шумовой температуре 38

1.5.3. Оценка индустриальных шумов по экспериментальным данным 40

1.5.4. Оценка суммарного воздействия шумов 41

1.6. Структура статистико-детерминированной оценки ЭМС 41

1.7. ЭтапУЭК 43

1.7.1. Упрощенный энергетический критерий 43

1.7.2. Статистическая коррекция порогового значения на этапе УЭК 45

1.8. ЭтапЧК 51

1.9. ЭтапДЭК 53

1.9.1. Оценка воздействия помех по основному и побочным каналам приема от основного, внеполосного и побочных излучений 53

1.9.2. Оценка воздействия помех блокирования 56

1.9.3. Оценка воздействия помех интермодуляции 57

1.10.Модифицированный критерий ЭМС 60

1.10.1. Критерий ЭМС при воздействии нескольких помех на РПМ 61

1.10.2. Критерий ЭМС для РПД, воздействующего на совокупность РПМ 62

Выводы 62

2. Реализация статистико-детерминированного подхода к оценке эмс в составе многофункциональной гис 66

2.1. Структура многофункциональной ГИС 66

2.2. Алгоритм оценки ЭМС 73

2.2.1. Оценка ЭМС для РПМ 74

2.2.2. Оценка ЭМС для РПД 77

2.3. Модуль оценки ЭМС 85

2.4. Быстродействие и эффективность алгоритма оценки ЭМС 88

2.4.1. Оценка быстродействия 88

2.4.2. Оценка эффективности для группировки РЭС с равномерным пространственным распределением 93

2.4.3. Оценка эффективности для группировки РЭС с нормальным пространственным распределением 95

2.4.4. Проверка для реальной группировки РЭС 97

Выводы 99

3. Применение статистико-динамической оценки ЭМС 101

3.1. Частотное распределение помех 101

3.1.1. Экспериментальное исследование эффектов блокирования и интермодуляции для измерительного РПМ ICOMIC-R8500 101

3.1.2. Частотное распределение помех для комплекса радиоконтроля 104

3.2. Пространственное распределение помех 110

3.2.1. Определение зоны помех 111

3.2.2. Построение зоны помех от излучения на гармониках 112

3.2.3. Построение зоны помех интермодуляции 3-го порядка 115

3.3. Методика расчета минимальной напряженности 117

Выводы 121

Заключение 123

Список источников

Математическая модель радиоизлучений РПД, основанная на интерполяции спектральной характеристики излучения
Оценка воздействия помех по основному и побочным каналам приема от основного, внеполосного и побочных излучений
Алгоритм оценки ЭМС
Экспериментальное исследование эффектов блокирования и интермодуляции для измерительного РПМ ICOMIC-R8500

Введение к работе

Начало XXI века характеризуется переходом от индустриального этапа развития мировой цивилизации к информационному. Важнейшим фактором экономического и социального развития стран и регионов является развитие радиотелекоммуникационных технологий, основу которых составляют радиотехнические системы (РТС).

К настоящему времени количество радиоэлектронных средств (РЭС), особенно в крупных индустриальных центрах, характеризуется порядком 10³ - 10⁵. Группировку, взаимодействующих посредством электромагнитных излучений РЭС, можно рассматривать как сложную РТС.

Совокупность всех электромагнитных полей в заданной точке пространства называется электромагнитной обстановкой (ЭМО). ЭМО создается различными источниками электромагнитных излучений: техническими средствами, природными электромагнитными процессами. Возможность выполнения РЭС своих функциональных задач в данной точке пространства полностью определяется ЭМО и техническими характеристиками РЭС (рис.1).

Рис. 1. Задача оценки ЭМС

Ответить на вопрос: возможна ли нормальная работа РЭС в данной ЭМО с требуемым качеством, позволяет решение задачи оценки электромагнитной совместимости (ЭМС).

Электромагнитной совместимостью называется способность РЭС функционировать с требуемым качеством в существующей ЭМО и не создавать недопустимых помех другим РЭС.

Задача оценки ЭМС РЭС требует комплексного подхода, заключающегося в наличии следующих этапов: моделирования РЭС, моделирования ЭМО, анализа реакции РЭС на ЭМО. При этом, необходимо учитывать множество различных факторов, рассматривая совокупность взаимодействующих РЭС как единую, большую физическую систему.

Можно выделить детерминированный и статистический подходы к решению задачи оценки ЭМС. В основе известных детерминированных методов оценки ЭМС РЭС [40,48,62,77,79] лежат математические модели радиоизлучений радиопередатчиков (РПД), восприимчивости радиоприемников (РПМ), антенно-фидерных устройств (АФУ), распространения радиоволн, процессов взаимовлияния РЭС.

Типовая схема детерминированной оценки ЭМС [48] представлена на рис.2. На первом этапе определяются возможные источники нежелательных излучений, рассчитываются энергетические характеристики радиоизлучений с использованием математической модели РПД. На втором этапе, при помощи математической модели распространения радиоволн рассчитываются уровни помех в точке расположения рецептора помехи — РПМ (Строится модель ЭМО). Анализ изменения качественных характеристик РПМ при воздействии помех производится с использованием модели РПМ и АФУ. И, наконец, производится оценка ЭМС по критерию ЭМС. Как правило, таким критерием является допустимое отношение сигнал/(шум + помеха) (С/(Ш+П)).

Модель РПД (основное, побочные излучения)

Энергетические и частотные жарки излучений

Модель АФУ (ДН, поляризация, потери)

Эффективная излучаемая мощность

Модель распространения радиоволн

Напряженность ЭМ поля в точке РПМ

Модель АФУ (ДН, поляризация, потери)

Уровень сигналов и помех на входе РПМ

Модель РПМ (основной,

побочный каналы приема,

нелинейные эффекты)

Модель шумов и индустриальных помех

Оценка воздействия на РПМ

Критерий ЭМС

Рис.2. Схема оценки ЭМС

Можно выделить следующие общие недостатки работ [40,48,62,77], касающиеся полноты математических моделей. Так, в математической модели радиоизлучений РПД не учитывается изменение ширины спектра побочных излучений на гармониках для сигналов с угловой модуляцией и сложными типами модуляции. В расчетах не учитывается вертикальная диаграмма направленности антенн. При оценке воздействия помех интермодуляции и блокирования не учитывается ослабление вносимое преселектором.

Рассмотренная "классическая" схема детерминированной оценки ЭМС основана на энергетическом критерии. В связи с тем, что для проведения оценки ЭМС по схеме, приведенной на рис.2, требуется значительные вычислительные ресурсы, оценку ЭМС разбивают на этапы, в порядке увеличения сложности вычислений. Наиболее распространенная [14,40,86] структура такой оценки приведена на рис.3 и состоит из оценки по временному критерию (анализ

временных режимов излучений РЭС), частотному критерию (проверка попадания полос мешающих излучений в полосы каналов приема) и оценки по энергетическому критерию (оценка в соответствии со структурой рис.2).

Рис.3. Этапы оценки ЭМС

Такая организация вычислений позволяет сократить временные затраты за счет уменьшения числа анализируемых комбинаций на наиболее ресурсоемком этапе энергетического критерия.

Наиболее полно механизм поэтапной оценки ЭМС рассмотрен в [48] (рис.4). Следует отметить следующие недостатки данной четырехэтапной схемы.

Выбор следующей пары ИП-РП

1 Іачало анализа

Амплитудная

оценка помехи

(АОП)

Частотная оценка помехи

(ЧОП):коррекция результатов АОП с

учетом разницы в ширине полосы и

разноса по частоте между отдельными

излучениями ИП и откликом РП

Детальная оценка помехи (ДОП)

коррекция результатов с учетом

вероятности появления помехи и

временной статистики

Комплексная оценка помехи (КОП):

расчет отношений сигнал/шум и

сишал/помеха+шум

Выражение результатов через характеристики эффективности

Рис.4. Четырехэтапная схема оценки, приведенная в [48]

1. Предложенная схема применима для оценки ЭМС с учетом только дуэльных ситуаций, не учитываются помехи блокирования и помехи, возникающие в комбинационных ситуациях - помехи интермодуляции.

2. Данная схема оценки ЭМС не учитывает суммарное воздействие помех, что

при количестве РЭС в группировке больше двух может приводить к ошибке.

4. На этапе ЧОП, согласно в [48], производится коррекция значений

полученных на этапе АОП, с учетом занимаемой полосы излучения и полосы

приемника, однако не учитывается возможная частотная расстройка. Оценка,

предложенная в [48, с. 73], является грубой и не учитывает полосу излучения

и полосу канала приема.

4. Способ представления характеристики спектральной плотности излучения

[48, с. 109] не позволяет проводить ЧОП для несимметричных классов

излучений (например, 6M75C3F).

Основным, принципиально неустранимым, недостатком детерминированных

способов оценки ЭМС является практическая невозможность решения задачи

оценки ЭМС большой совокупности РЭС (порядка 10⁴ РЭС), поскольку необходимо

анализировать совокупное воздействие множества независимых сигналов на

радиотехническую систему. В этом случае оправдан статистический подход,

рассматриваемый например, в работах [8,86,4,5]. Данный подход основан на задании

статистических распределений параметров РЭС (координаты, частоты, мощности

излучений и т.д.), определении статистических характеристик ЭМО, и

статистической оценке воздействия ЭМО на радиотехнические системы. В свою

очередь, основным недостатком статистического подхода является невозможность

проведения детального анализа отдельных помеховых комбинаций, в результате

которого определяются источники и рецепторы помех, определяются каналы

проникновения помех, а также количественно оценивается мешающее воздействие с

учетом реальных параметров РЭС.

Инженерные методики оценки ЭМС представлены рядом рекомендаций, разработанных сектором радиокоммуникаций Международного Союза Электросвязи (МСЭ-Р). Структура рекомендаций МСЭ [104] - [119], используемых при проведении оценки ЭМС РЭС, приведена на рис.5.

і'Скпмпі.іліііііі мі іімн ікі и, іммі.к шчі оценке )

МиЛЄЛИ

распространения pa.i ново, їм

Модели

Нсіііліс;і 1,111,1c

службы P.1I47.P.368,

Ніч idiciii[ii;i)U[(>]tjr

службы

SM.328, М.853 SM.1138, SM.1541

М.478. F.I 191

P.684. P.368. P.S33

P.534, P.843, Р.ЙІ7.

P.530

"833?

SM.329,

SM.1540

M.478,F.M9I

P.I I46.P. 1546

і ні 11 urn мо отношения SM.h64. M.358. BS.560 F.240, M.589.M.631 M.44I,BS.638,BS.641 BS_4l2.RT.ft55,BT.565

Рис.5. Структура рекомендаций МСЭ-Р. используемых при оценке ЭМС Следует отметить, что в рассмотренных рекомендациях не учитывается побочные излучения на гармониках (нет математической модели излучения на гармониках). Также отсутствуют сведения по учету побочных каналов приема на гармониках гетеродина (математическая модель восприимчивости по побочным каналам приема) и методам оценки воздействия помех блокирования.

Отечественные методики оценки ЭМС и расчета норм частотно-территориального разноса [67,68,69,71,72], большей частью, основаны на рекомендациях МСЭ, и имеют существенные упрощения в математических моделях РЭС, взаимовлияния РЭС и распространения радиоволн.

В [12] предлагается механизм коррекции норм ЧТР на реальные условия работы РЭС, однако не устраняются основные недостатки норм ЧТР, заключающиеся в применимости к конкретной паре РЭС, невозможности оценки в совокупного воздействия помех, а также невозможности учета помех интермодуляции и блокирования.

Особенно сложной является задача оценки ЭМС в зонах с высокой концентрацией РЭС - крупных городах. В этом случае реальная группировка РЭС характеризуется количеством используемых частот п~\0 . Количество дуэльных комбинаций (образованных парой частот взаимодействующих РЭС), необходимых для анализа, пропорционально п(п-1)~ 10^s, а двухсигнальных интермодуляционных комбинаций, образуемых тройками РЭС -

1 ,₂

—п{п-\){п-2)-10 . На рис.6, в качестве примера, показаны дуэльные и комбинационные ситуации взаимовлияния РЭС.

^.,. , Анализируемая

Анализируемая*/^ А п^о

РЭС ^ZJF*-\ РЭСЗ Д, ^РЭС

(^а) ^_ (б)

Рис.6. Дуэльные и комбинационные двухсигнальные ситуации

Структура взаимодействия РЭС, приведена на рис.7, рис.8 для дуэльной и комбинационной (в случае воздействия двух РЭС на третью) ситуаций соответственно.

На рис.7 показаны узлы РЭС, отвечающие за нелинейное преобразование сигналов как в РПД, так и в РПМ. Как правило, известные математические модели данных устройств [11,74] предназначены для описания процессов преобразования информационного сигнала. Так, входная часть РПМ до демодулятора рассматривается как линейная. Это оправдано только в тех случаях, когда суммарные уровни воздействующих сигналов не превышают динамический диапазон РПМ и различными нелинейными эффектами, возникающими в УВЧ и (или) смесителе, можно пренебречь. В задачах оценки ЭМС, зачастую необходимо рассматривать воздействие на входную часть РПМ значительных по уровню

сигналов, в результате которого возможно появление помеховых откликов на частотах не соответствующих частотам основных каналов приема.

В свою очередь, нелинейность выходных каскадов РПД является причиной радиоизлучений на гармониках [48], а также других побочных излучений, которые необходимо учитывать. Кроме того, в результате взаимодействия близко расположенных РПД в выходных каскадах передатчиков могут возникнуть комбинационные и интермодуляционные помехи.

На рис.8 показаны возможные интермодуляционные двухсигнальные комбинации, образованные основными излучениями двух РЭС в нелинейной входной части РПМ (УВЧ, смеситель).

-мновік>йиштірисчімт.іучсшія> О побочный ганипіримаіч-і.-іучїщіяі

Рис.7. Структура взаимодействия РЭС в дуэльной ситуации

Рис.8. Комбинационная ситуация

Очевидно, что для того, чтобы произвести детерминированную оценку ЭМС для реальной группировки РЭС необходимо произвести колоссальный объем вычислений, что делает практически невозможным решение данной задачи без использования специализированных быстродействующих автоматизированных средств.

Существует ряд задач, требующих оперативной оценки ЭМС. Так боевые возможности комплексов ПВО напрямую зависят от нормального функционирования входящих в них РТС. Оценка воздействия ЭМО на данные системы также является важнейшей задачей. При решении своих задач группировкой ЗРВ существуют временные рамки на проведение оперативной оценки ЭМС, при передислокации подразделений на новое место расположения [75]. В данном случае параметры РЭО (определяемые координаты соседних

комплексов, частотные литеры) известны только по факту развертывания комплекса, что исключает возможность проведения предварительной оценки ЭМС. Требуется оперативное получение координат и параметров комплекса.

При работе по воздушным целям и выдаче целеуказания станциям обзора, время выбора новой частотной литеры РЛС должно составлять менее времени полета плюс время перестройки частотной литеры [75]. Например, в случае пролета цели через зону обнаружения радиусом 300 км, со скоростью 500 м/с время полета составит 10 мин. 20 с. Таким образом, возникает задача увеличения быстродействия оценки ЭМС РЭС.

Для решения задачи оценки ЭМС пространственно распределенной группировки РЭС требуется геоинформация (географические координаты РЭС, профиль и характеристики трассы распространения радиоволн, азимутальные направления ДН и высоты подвеса антенн и др.), что приводит к необходимости интеграции оценки ЭМС в геоинформационную систему (ГИС).

Актуальной задачей является задача оценки воздействия ЭМО на результаты измерений комплексов радиоконтроля (РК). Часто измерения параметров радиосигналов проводится в условиях интенсивной ЭМО. Требования в отношении защиты станций РК и выбору их мест развертывания приведены в [85]. Однако, данные рекомендации сводятся к определению безопасного удаления предполагаемого места развертывания РКП от мощных источников электромагнитных излучений и ограничениях на максимально допустимую напряженность электромагнитного поля в данной точке. Такой подход является упрощенным, поскольку не учитываются ни каналы проникновения помех в измерительный приемник, ни механизмы распространения помех, ни нелинейные эффекты, возникающие в измерительной аппаратуре. Кроме того, данные рекомендации не применимы к мобильным системам РК. Реализация оценки ЭМС на базе многофункциональной ГИС позволит прогнозировать воздействие ЭМО на мобильные радиоизмерительные системы, получать карты распределения помех измерительным приемникам, что, в конечном счете, повысит эффективность комплексов РК.

Таким образом, существующие детерминированные методики и алгоритмы не применимы для проведения оценки ЭМС значительного числа РЭС, статистические методы не позволяют выявить отдельные помеховые ситуации, поэтому, требуется создание автоматизированного комплекса оценки ЭМС, обеспечивающего оценку ЭМС для большой совокупности РЭС за конечное время, и позволяющего выявлять отдельные помеховые комбинации с учетом основных и побочных излучений РПД, основных и побочных каналов РПМ, а также с учетом нелинейных эффектов блокирования и интермодуляции.

Целью диссертационной работы является разработка методики и алгоритма оценки электромагнитной совместимости группировки радиоэлектронных средств, состоящей из большого числа радиоэлектронных средств (~10⁴).

Для достижения поставленной цели необходимо:

провести анализ существующих методик и алгоритмов оценки электромагнитной совместимости группировки радиоэлектронных средств;

изучить возможности повышения адекватности известных математических моделей излучений передатчика, восприимчивости по основным и побочным каналам приемника, моделей взаимодействия радиоэлектронных средств;

разработать методику и алгоритмы оценки электромагнитной совместимости группировки радиоэлектронных средств, обеспечивающих минимизацию ресурсоемких вычислений.

реализовать разработанные алгоритмы на базе геоинформационной системы, исследовать их эффективность и применить к решению практических задач.

На защиту выносятся следующие основные научные положения

Статистико-детерминированный подход к оценке электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, основанный на поэтапной фильтрации дуэльных и комбинационных ситуаций взаимодействия радиоэлектронных средств по частотно-энергетическим критериям, позволяющий минимизировать количество детально анализируемых ситуаций.
Модифицированные математические модели радиоизлучений радиопередатчиков, восприимчивости радиоприемников, антенно-фидерных

устройств, взаимодействия радиоэлектронных средств и критерий электромагнитной совместимости, позволяющие повысить точность оценки электромагнитной совместимости.

Результаты оценки выигрыша в быстродействии предложенной трехэтапной схемы анализа электромагнитной совместимости для случайной и детерминированной группы РЭС, подтверждающие ее эффективность.
Модель частотно-пространственного распределения электромагнитных помех, полученная с помощью разработанного и реализованного алгоритма оценки электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, позволяющая прогнозировать пространственное распределение электромагнитных помех.

Система научных методов, применяемая в процессе исследования, включает в себя методы математического моделирования, методы теории радиотехнических цепей, методы теории вероятностей и математической статистики.

Достоверность и обоснованность полученных в работе научных результатов обеспечивается: используемыми рекомендованными и утвержденными методиками; экспериментальной проверкой результатов; практикой использования основных результатов работы.

Практическая значимость работы определяется следующим.

Создан комплекс оценки ЭМС на базе многофункциональной ГИС, обеспечивающий оценку ЭМС реальной группировки РЭС, в условиях их большой концентрации.
Использованием многофункциональной ГИС проектирования и анализа радиосетей более чем в 50 регионах РФ, что подтверждается актами о внедрении.
Основной материал работы используется при подготовке специалистов региональных управлений Россвязьнадзора и радиочастотных центров в рамках курсов повышения квалификации, в учебном процессе очного и заочного отделений по кафедре радиофизики ЯрГУ.

Использованием результатов работы в специализированной геоинформационной системе, разработанной по заказу ОАО "КБ" Луч" для

оценки ЭМС и частотного планирования бортовых средств связи самолета, и средств связи станции наземного управления беспилотными летательными аппаратами (см. Приложение Ж). Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы докладывались на всероссийской научно-практической конференции "Электромагнитная совместимость и безопасность при эксплуатации мобильных средств связи, телекоммуникаций и компьютерной техники" Пенза, 2001, VII международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь", Воронеж, 2001, VIII международной научно-технической конференции "Радиолокация навигация и связь", Воронеж, 23-25 апреля 2002, IV областной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Ярославской области "Ярославский край. Наше общество в третьем тысячелетии", 13-14 мая, 2003, всероссийской научной конференции посвященной 200-летию Ярославского государственного университета им. П.Г, Демидова, Ярославль, 2003, XI международной конференции "Радиолокация навигация и связь", Воронеж, 12-14 апреля 2005 г, всероссийской военно-научной конференции "Проблемы и перспективы развития системы РЭБ Российской Федерации", Воронеж 2005, научно-методической конференции физического факультета Ярославского государственного университета "Проблемы качества подготовки специалистов", Ярославль 18 мая 2005 г, и были представлены на VII Московском международном салоне промышленной собственности "Архимед-2004", Москва, 30 марта-2 апреля 2004; научно-промышленной выставке "Инновации. Производство. Рынок", Ярославль, 15-17 ноября 2004 г., научно-промышленной выставке. "Интеллектуальные ресурсы регионов России" 18-19 ноября 2004, международной выставке информационных технологий "CeBIT 2005", авиасалоне "МАКС 2005" и "МАКС 2007".

Результаты исследований используются в учебно-методических материалах: для спецкурса "Радиотелекоммуникации" 5-го курса студентов физического факультета ЯрГУ, специальности "Радиофизика и электроника"; для спецкурса

"Введение в радиотелекоммуникации", направления "Телекоммуникации"; для курсов повышения квалификации специалистов РЧЦ и Россвязьнадзора.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 21 научной работе, из них 1 учебное пособие, 8 статей и 12 докладов на международных и всероссийских конференциях. Результаты диссертационного исследования опубликованы в материалах: Всероссийской научно-практической конференции «Электромагнитная совместимость (ЭМС) и безопасность при эксплуатации мобильных средств связи, телекоммуникаций и компьютерной техники», Пенза, 2001; VII Международной конференции "Радиолокация навигация и связь", Воронеж, 2001; VIII Международной конференции "Радиолокация навигация и связь", Воронеж, 2002; в журнале "Телекоммуникации", 2004; IV областной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых вузов ярославской области «Ярославский край. Наше общество в третьем тысячелетии», 2003; в материалах всероссийской научной конференции посвященной 200-летию Ярославского государственного университета им. П.Г, Демидова, Ярославль, 2003; в сборнике научных трудов "Вестник Ярославского зенитного ракетного института противовоздушной обороны", ЯЗРИ ПВО. - Ярославль, 2004; в межвузовском сборнике "Актуальные проблемы вузов ВВС", 2004; в учебном пособии "Проектирование и анализ радиосетей": Ярославль, 2004; в материалах Всероссийской научно-практической конференции-выставки "Актуальные вопросы разработки и внедрения информационных технологий двойного применения", Ярославль, 18-20 ноября 2004; в журнале Моделирование и анализ информационных систем. Ярославль: ЯрГУ, 2005, в журнале "Мобильные системы", 2005; в материалах XI международной конференции "Радиолокация навигация и связь", Воронеж, 12-14 апреля 2005 г; в материалах Всероссийской военно-научной конференции "Проблемы и перспективы развития системы РЭБ Российской Федерации", Воронеж 2005 г; в материалах научно-методической конференции физического факультета Ярославского государственного университета "Проблемы качества подготовки специалистов", 18 мая 2005 г; в материалах VII международной

научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации», Владимир, 10-12 октября, 2007.

В первой главе предложен статистико-детерминированный подход к оценке ЭМС, основанный на поэтапной фильтрации дуэльных и комбинационных ситуаций взаимодействия РЭС по частотно-энергетическим критериям. Основная идея которого состоит в поэтапной организации оценки ЭМС: этап энергетического анализа с использованием модели распространения радиоволн - свободное пространство, этап проверки частотных условий возникновения помех и этап детального энергетического анализа. На каждом из этапов происходит исключение ситуаций взаимовлияния по соответствующим критериям, что обеспечивает минимизацию ресурсоемких вычислений. Для обеспечения заданной вероятности ошибки на первом этапе, связанной с учетом совокупного воздействия помех, предложен алгоритм статистической коррекции порогового значения, основанный на статистической модели ЭМО. Проводится модификация математических моделей радиоизлучений РПД, восприимчивости РПМ, АФУ, шумовых воздействий, с целью учета вида характеристик спектральной плотности излучений для различных классов излучений, учета изменения ширины спектра излучений на гармониках, характеристик восприимчивости, собственных, естественных внешних и индустриальных шумов, ДН антенны в вертикальной плоскости. Предлагаются механизмы оценки воздействий помех от основного, внеполосного и побочных радиоизлучений (на гармониках) по основному и побочным каналам приема (на гармониках гетеродина, зеркальному, ПЧ), помех блокирования и интермодуляции, индустриальных и естественных внешних помех и шумов. Модифицируется критерий ЭМС.

Во второй главе статистико-детерминированный подход к оценке ЭМС реализуется в составе многофункциональной ГИС. Приводится структура многофункциональной ГИС, структура баз данных, содержащей данные, необходимые для проведения оценки ЭМС. Разрабатывается алгоритм оценки ЭМС. Приводятся функциональные возможности реализованного в ГИС алгоритма оценки

ЭМС. Исследуется быстродействие и эффективность алгоритма оценки ЭМС, основанного на статистико-детерминированном подходе.

В третьей главе разработанный комплекс оценки ЭМС, реализованный на базе ГИС, используется для решения практических задач. Предлагается методика построения зон помех. Приводятся результаты экспериментальных исследований помех блокирования и интермодуляции для измерительного приемника ICOM-8500, входящего в состав измерительно-пеленгационного комплекса ИКАР-2. С использованием полученных результатов прогнозируется воздействие ЭМО на комплексы радиоконтроля ИКАР-2, развернутые на радиоконтрольных пунктах филиалов радиочастотных центров. Проводится сравнительная оценка результатов расчета с результатами измерений. С использованием разработанного комплекса оценки ЭМС моделируются частотно-пространственные распределения электромагнитных помех. Предлагается методика оценки минимальной напряженности электромагнитного поля, которая позволяет рассчитать граничные значения зон уверенной радиосвязи с учетом таких факторов как собственные, естественные внешние и индустриальные шумы, а также учитывает преобразование отношения С/Ш детекторами для аналоговых систем.

Выражаю благодарность Ярославскому, Челябинскому, Тульскому, Кировскому ФГУП РЧЦ, а также другим организациям в лице их руководителей, предоставившим результаты измерений.

equation Section I.

Математическая модель радиоизлучений РПД, основанная на интерполяции спектральной характеристики излучения

РПМ предназначен для выделения сигналов из радиоизлучений с заданной избирательностью по полосе частот и времени. Идеальный, с точки зрения ЭМС, РПМ должен принимать полезные сигналы только в пределах необходимой полосы частот. Любой реальный РПМ обладает способностью к приему сигналов за пределами необходимой полосы частот.

Свойство РПМ и его составных частей реагировать на радиопомехи в виде электромагнитного, электрического, магнитного полей через антенну или помимо нее, или в виде напряжений, или токов в фидере, в цепях питания, управления, передачи информации, коммутации и заземления называется восприимчивостью [41].

Наряду с восприимчивостью по основному каналу реальный РПМ обладает восприимчивостью по побочным каналам приема.

К побочным каналам приема относятся каналы, включающие промежуточные частоты, зеркальные частоты, комбинационные частоты и частоты в целое число раз меньшие частоты настройки РПМ, промежуточных и зеркальных частот.

На рис. 1.6 показана типовая динамическая характеристика РПМ. Интервал, отделяющий точку пересечения Р3 от уровня мощности собственных шумов, определяет такие характеристики РПМ как: динамический диапазон по блокированию и динамический диапазон по интермодуляции [82]. Нижней границей обоих динамических диапазонов является уровень мощности собственных шумов.

Структурная схема супергетеродинного приёмника (СПГ), лежащая в основе математической модели входной части РПМ, изображена на рис. 1.7. СПГ приёмник обладает наибольшей восприимчивостью к тем помехам, частоты которых могут смешаться с частотой гетеродина или его гармониками и попасть в полосу фильтра ПЧ.

Исследования в [82] показывают, что в СПГ РПМ, имеющих несколько ступеней преобразования, целесообразно учитывать помехи, обусловленные первым смесителем, поскольку они усиливаются следующими ступенями преобразования. Таким образом, в предлагаемой математической модели восприимчивости РПМ учитываются побочные каналы на гармониках первого гетеродина, а основная характеристика восприимчивости РПМ определяется последним фильтром ПЧ.

Восприимчивость по основному, зеркальному каналам приема и каналу на ПЧ Характеристика восприимчивости РПМ K(f) (дБ) определятся как [80]: K(f) = \0\g P(f) P(fo) (1.12) где P(f0)- мощность сигнала на входе приемника на центральной частоте приема, P(f) - мощность сигнала на произвольной входной частоте, вызывающей отклик на выходе приемника, равный отклику на центральной частоте.

Характеристика восприимчивости является обратной по отношению к характеристике избирательности S(f) (дБ), т. е. K(f) = -S(f).

В математической модели РПМ используется кусочно-линейная интерполяция характеристики восприимчивости в логарифмическом масштабе на основании данных об АЧХ фильтра ПЧ: (/)= JM Л [A(f-fi)-A(f-fM)], (1.13) где ft - частота, в і-й характерной точке класса излучения (-А/00 /2 f, А/00 /2); K(ft) - уровень восприимчивости в і-й точке, дБ; Д(Я= 1, / о о, / 0 Например, интерполяцию проводим по следующим точкам: 1) по уровню -3 дБ (полоса фильтра ПЧ —А/3); 2) по некоторому заданному значению X дБ —A/x;4) по уровню -60 дБ —А/60;

Минимальными данными, достаточными для построения модели характеристики восприимчивости РПМ является А/3, при этом считается, что отношение полосы пропускания фильтра ПЧ по уровню -60 дБ к ширине полосы по уровню -3 дБ равно 8 (для 80 % РПМ этот коэффициент менее 8 и почти не зависит от частотного диапазона [82]). каналу определяется амплитудной характеристикой преселектора (УВЧ) РПМ. Центральная частота зеркального канала равна fa+2fll4, где f(l — частота основного канала приема, fm- промежуточная частота. Как правило, в технических характеристиках РЭС приводится значение избирательности по зеркальному каналу S3K. На рис. 1.8 приведен пример интерполяции характеристик фильтров ПЧ и преселектора для РПМ 1Р21В-3 (Лен-В).

В случае высокой первой промежуточной частоты (ПЧ) приёмника возникает необходимость учитывать возможность проникновения помехи по данному побочному каналу приёма, например, для телевизионных приёмников. Полосу пропускания в данном канале принимаем равной полосе основного канала приёма. Данный побочный канал в модели приёмника учитывается, если в технических характеристиках РЭС задано значение избирательности по побочному каналу на ПЧ Sn4.

Восприимчивость по побочным каналам на гармониках гетеродина Супергетеродинный приёмник обладает восприимчивостью к тем помехам, которые могут смешаться с гармониками гетеродина mfr и попасть в полосу фильтра ПЧ. Уровень восприимчивости к данным помехам определяется амплитудной характеристикой преселектора, амплитудной характеристикой смесителя и уровнем сигнала гетеродина. Центральные частоты побочных каналов приёма на гармониках гетеродина определяются по формуле [77]: J ПОБ Щ Г — J ПЧ (1.14) ГДЄ /г - частота гетеродина; /// /" промежуточная частота, т 2.

Согласно [48] с ростом номера гармоники гетеродина уровни восприимчивости по данным побочным каналам приема уменьшаются логарифмически линейно. Восприимчивости по каналам с одним т, определяемые как сумма и разность (±///(/), равны (рис. 1.9). Это справедливо в том случае, если промежуточная частота значительно меньше частоты гетеродина, что, как правило, выполняется. Выражение для восприимчивости по данным каналам приёма имеет вид: Kn0B(m) = I\gm + J. (1.15) Если в характеристиках РЭС приводится значение избирательности по побочным каналам приёма Sn0B, то, полагая, что дано ослабление побочных каналов для второй гармоники гетеродина можно найти J: J = -Sn0B -1 lg2.

Оценка воздействия помех по основному и побочным каналам приема от основного, внеполосного и побочных излучений

Поскольку используется кусочно-линейно-логарифмическая интерполяция характеристик излучения РПД и характеристик восприимчивости РПМ мощность помехи, попадающей в приемник, будет равна (дБмВт) [20]: Ртн=Рпои+К, (1.46) где Рпом — мощность помехи на входе приемника, дБмВт; W- коэффициент, характеризующий ослабление помехи за счет селективных свойств РПМ, дБ.

Пусть характеристика спектральной плотности излучения помехи pn0M{f) задана линейно-логарифмической интерполяцией по Np точкам {/?,}, а характеристика восприимчивости - по NK точкам {&,.}. Коэффициент ослабления W, будет равен (дБ) [20]: И =1 ) где fi— значение частота в і-й точке, Гц; NP,NK— количество точек в характеристиках радиоизлучения и восприимчивости, к . = \0к,П0— абсолютное значение уровня восприимчивости приемника на частоте ft; /?( = 10й 10 — абсолютное значение характеристики спектральной плотности мешающего излучения РПД на частоте fr Недостающие в характеристиках точки находятся линейно-логарифмической интерполяцией по двум соседним точкам.

Механизм получения (1.47) понятен из рис. 1.26, на котором характеристика Рпом(/) заДана п0 трем точками P\,p2- Pi точки р4,р5,р6 получаются логарифмически-линейной интерполяцией, характеристика k(f) задана по трем точками к4,к5,к6, а точки kt,k2,k3 получаются логарифмически-линейной интерполяцией.

Таким образом, в случае попадания основного излучения от мешающего РПД в основной канал приема РПМ величина превышения помехой суммарного уровня внутренних и внешних шумов, что эквивалентно снижению чувствительности, определяется выражением (дБ): М00 = Р0 + Ж-РШХ, (1.48) где W— коэффициент ослабления помехи, дБ; Р0— мощность основного излучения передатчика на входе РПМ, рассчитанная по (1.22),дБмВт; Ршг— суммарный уровень внешних и внутренних шумов, дБмВт.

В случае попадания побочного излучения на гармониках в основной канал приема снижение чувствительности определяется выражением (дБ): ЫПо=Рпов + К-Ршг, (1.49) где РП0Б — мощность побочного излучения передатчика (дБмВт) на входе РПМ, рассчитанная по (1.22), где медианное значение напряженности поля рассчитывается согласно методике, приведенной в Приложении А с учетом (1.6) и (1.11).

В случае попадания основного излучения в побочный канал приема снижение чувствительности определяется выражением: Акоп = Р0 + і + КІІОБ-Рш1, (1.50) где КП0Б - уровень восприимчивости по побочным каналам приема (1.15).

В случае попадания побочного излучения в побочный канал приема снижение чувствительности определяется выражением: Mnn=Pn0E + W + Kn0B-PIU,. (1.51) Расчет стандартного отклонения тд значения А/г, среднее значение которого рассчитывается по формулам (1.48) — (1.51) для дуэльных помеховых ситуаций (табл. 1.8) Табл. 1. Тип помехового воздействия Стандартное отклонение О„, дБ слс — расчетное стандартное отклонение модели линии радиосвязи (Приложение А); стАНТ — стандартное отклонение модели антенны; crz// - стандартное отклонение модели шумов.

Оценка воздействия помех блокирования

Если приёмник подвергается воздействию достаточно мощных мешающих излучений на частотах, близких к частоте основного канала, то нелинейности входного усилителя или смесителя могут привести к уменьшению усиления полезного сигнала — эффекту блокирования. Он наступает в том случае, если уровень помехового сигнала после входного фильтра превышает уровень блокирования, то есть уровень насыщения входных каскадов приёмника. Степень уменьшения усиления зависит также от уровня полезного сигнала.

Мощность помехи с учетом ослабления входным фильтром Р пом (дБмВт) можно расчитать следующим образом [20]: "пом = "пом " " "ВФ (1 - Ч где Рпом — мощность помехи до входного фильтра, дБмВт, WB0— коэффициент ослабления помехи блокирования преселектором, рассчитываемый по формуле (1.47), дБ, где в качестве характеристики приемника k(f) берется линейно-интерполированная характеристика входного фильтра.

Алгоритм оценки ЭМС

Оценка ЭМС для РПМ Анализируемым РПМ называется РПМ, для которого необходимо провести анализ ЭМС. Действующим РПД называется любое другое РПД, влияние которого на анализируемое РПМ исследуется.

Анализ дуэльных ситуаций для анализируемого РПМ состоит из следующих этапов:

1. Расчет мощности помех для анализируемого РПМ, создаваемых действующим РПД с использованием модели распространения радиоволн - свободное пространство. Полученное значение мощности помехи сравнивается с пороговой чувствительностью анализируемого РПМ (расчет мощности помех производится по формуле (1.22), где значение напряженности поля рассчитывается по (ПА 6). В случае, если мощность помехи от действующего РПД не превышает пороговую чувствительность анализируемого РПМ, то данное РПД не участвует в дальнейшем анализе.

2. Проверка частотного условия возникновения помех от основного, внеполосного и побочного излучений по основному и побочным каналам приема (формула (1.41)). Если основное, внеполосное или побочное излучения действующего РПД не попадает в основной или побочные каналы приема анализируемого РПМ, то данное РПД не участвует в дальнейшем анализе дуэльных ситуаций.

3. Расчет мощности помехи на входе анализируемого РПМ с учетом реальных условий распространения радиоволн и с учетом найденных (см. п.2) путей воздействия мешающих излучений действующего РПД на анализируемое РПМ. Расчет мощности помехи производится по (1.22), где значение напряженности поля рассчитывается по формуле (ПА 1). Расчет суммарного уровня внутренних и внешних шумов на входе анализируемого РПМ производится по формуле (1.31). Если уровень помехи от действующего РПД не превышает суммарного уровня внутренних и внешних шумов на входе анализируемого РПМ, то данное РПД не участвует в дальнейшем анализе.

4. Расчет изменения отношения С/(Ш+П) при воздействии помех проводится по формулам: (1.48)-(1.51).

Анализ помех блокирования состоит из следующих этапов: 1. Проверка энергетического условия возникновения помехи блокирования (формула (1.53)) с использованием модели распространения радиоволн -свободное пространство. Расчет уровня помехи для анализируемого РПМ, создаваемой действующим РПД, в свободном пространстве и сравнение полученного значения с уровнем блокирования анализируемого РПМ (расчет мощности помех производится по формуле (1.22), где значение напряженности поля рассчитывается по (ПА 6)). Если мощность помехи от действующего РПД не превышает уровень блокирования анализируемого РПМ, то данный РПД не участвует в дальнейшем анализе помех блокирования.

2. Проверка частотного условия возникновения помехи блокирования (формула (1.42)). Если основное излучение действующего РПД не попадает в полосу преселектора или попадает в полосу основного канала приема анализируемого РПМ, то данная частота РПД не участвует в дальнейшем анализе.

3. Расчет уровня помехи на входе анализируемого РПМ с учетом реальных условий распространения радиоволн. Расчет уровня помехи производится по формулам (1.22), где значение напряженности поля рассчитывается по (ПА 1).

4. Расчет изменения отношения С/Ш при воздействии помехи блокирования с учетом ослабления входным фильтром РПМ производится по формуле (1.54).

Анализ помех интермодуляции включает в себя следующие этапы:

1. Расчет мощностей помех на входе анализируемого РПМ, создаваемых действующими парами (тройками) РПД в свободном пространстве и проверка условия возникновения помех интермодуляции без учета характеристики входного фильтра и фильтра ПЧ. Расчет мощностей помех производится по формуле (1.22), где значение напряженности поля рассчитывается по формуле (ПА 6). Проверка энергетического условие возникновения помех интермодуляции - формулы (1.55), (1.59), без учета ослабления, вносимого преселектором и фильтром ПЧ. Если условие возникновения помех интермодуляции не выполняется, то данная пара РПД не участвует в дальнейшем анализе.

2. Проверка частотного условия возникновения интермодуляционных помех по формуле (1.43). Если частотное условие возникновения помех интермодуляции для данной пары (тройки) частот действующих РПД не выполняется, то данная пара (тройка) частот не участвует в дальнейшем анализе.

3. Расчет мощностей помех на входе анализируемого РПМ, создаваемых действующими парами (тройками) РПД, с учетом реальных условий распространения радиоволн и проверка условия возникновения помех интермодуляции с учетом амплитудных характеристик преселектора и фильтра ПЧ. Расчет мощности помех производится по формуле (1.22), где значение напряженности поля рассчитывается по формуле (ПА 1); условие возникновения помех интермодуляции — формулы (1.55),(1.59). Если условие возникновения помех интермодуляции не выполняется, то данная пара (тройка) частот действующих РПД не участвует в дальнейшем анализе.

Экспериментальное исследование эффектов блокирования и интермодуляции для измерительного РПМ ICOMIC-R8500