Введение к работе
Антуольность темы. Радиоприемные устройства (РПУ) составляют эснову практически всех радиотехнических систем, предназначенных для передачи и приема информации. В теорий и технике родиопоиема основными и* наиболее слоиными являются задачи выделения нужного сигнало из спентра электромагнитных колебаний в месте приема и задачи извлечения переданного сообщения из выделенного сигнала. Первая группа зодач составляет проблему помехозащищенности и решается она с помощью оптимизации высокочастотного (главного) тракта приема РПУ. Вторая группа задач- создает проблему помехоустойчивости или оптимального метода приема сигналов. Она решается оптимальным построением демодулируюдего (или решающего) устройство.
Проблема отыскания наиболее помехоустойчивых радиотехнических систем исследуется в современной статистической теории оптимального приема. Она основана но математической статистике и теории статистических решений. Основная проблема оптимального приема состоит в том, чтобы получить оптимальное демодулирующее устройство, обеспечивающее наилучшее извлечение переданного сообщения из сигнала, или оптимальное решающее устройство, принимающее решение с наименьшими ошибками.
В. ностояшее время теория и техника радиоприема располагает фундаментальными исследованиями, позволяющими синтезировать оптимальные демодулиоуюиие и оптимальные решавшие устройства. Однако в решении проблемы синтеза оптимального главного тракта приема (ГТП) РПУ, обеспечивающего максимальное отношение сигнал/оум но входе демодулируюшего (решающего) устройства, существует определенное отставоние.
К настоящему времени выполнено очень большое число работ по оптимизации отдельных каскадов ГТП. Проведен такие ряд важных ис-следсвоний по оптимизации ГТП по тому или иному критерию. Однако комплексное исследование ГТП как сложной системы, осуществляющей селекцию, усиление и частотное поеобразование сигнала в условиях интегрального воздействия помех, далеко еще до завершения.
Основным сдергивающим фантором в решении данной проблемы является то, что ГТП представляет собой сложную многоэлементную сисге- -му, находящуюся з реальных условиях работ под воздействием до сотен-тысяч внеполосных мешающих сигналов, изменяющихся по уровню и по частоте в широких пределах. Кроме того, каждый элемент системы
состоит из сочетания линейно* и нелинейной стоуктур и хооочгеоизу-ется несколькими параметрами. Поэтому матеыатичесний аппарат, используемый при исследовании проблемы помехоустойчивости, не в полной мере применим при системном решении задач помехозащищенности.
Изложенное выдвинуло поиск новой концепции, нового критерия оптимизации - критерия помехозащищенности, требующего познания специфических статистических закономерностей возникновения и накопления в элементах системы нелинейных шумов: закономерностей, устанавливающих зависимости уровней нелинейных шумов но выходе ГТП oi струнтуры системы, параметров его элементов и внешних воздействий; закономерностей, позволяющих огюеделить паоаметоы РПУ, оназывокщие решающее влияние на его помехозащиценность.
Оптимизация РПУ по критерию помехозсдиценности поедусмотривоеі применение методо статистического моделирования но компьютере процессов, происходящих в ГТП при интегральном воздействии помех, одеквотно имитирующих реальную помеховую обстоновну, т.е. применение метода "машинного эксперимента" для синтеза оптимольного ГТП Статистическое моделирование яаляется чрезвычайно гибким инструментам, . позволяющим воспроизводить кок реальные, так и гилотетичесниі ситуации; за счет этого пои моделиоовании появляется возможносп исследования и имитации особенностей работы РПу в самых различны: условиях. По числу учитываемых факторов метод стотистического моде' лирования позволяет определять качества оаботы РПУ в условиях, мак симально приближенных к овальным. Структура и параметры РПУ и вход мое воздействие могут варьироваться для получения любой обстановки позволяющей синтезировоть оптимольный ГТП, обеспечивающий потенци альную помехозааищенность РПУ.
Вышеизложенное определяет актуальность и целесообразность про ведения ностоящего исследования.
Цель и задачи исследований. Главной цель» работы является по знание закономерностей возникновения нелинейных шумов в фуннцио нальных элементах ГТП и их накопление в тоакте, определение основ них параметров РІІУ, окозывоющих решающее влияние на уровень эти иумов, и на их базе разработке теоретических основ и реализация н компьютере методов синтеза' оптимольного радиоприемного устройства обеспечивоюіцего потенциальную помехозощищенносіь при интегрально воздействии внеполосных синусоидальных помех.
Исходя из поставленной цели, в диссертационной роботе сформу
лированы следующие основные задачи исследований:
-
Определить роль параметров помехозащищенности РПУ в повышении эффективности функционирования систем связи.
-
Провести анализ процетсов, происходящих в нелинейных элементах ГТП, с целью выявления механизма возникновения и накопления нелинейных шумов, приводящих к ухудшению отношения сигнал/шум на входе демодулятора при воздействии на РПУ сильных внеполосных мешающих сигналов.
-
Разработать новый критерий оптимизации РПУ, позволяющий осуществлять системный анализ и синтез всего высокочастотного тракта РПУ от входной цепи до демодулятора, с целью минимизации уровня нелинейных шумов, возникающих в тракте.
-
Установить статистические закономерности изменения уровней нелинейных шумов от структуры и параметров элементов ГТП, внешних воздействий и параметров помехозащищенности РПУ.
-
Разработать метод синтеза оптимальных требований н параметрам помехозащищенности РПУ.
6. Разработать метод синтеза оптимальной структуры ГТП.
7. Разработать метод синтеза оптимальных параметров наскадов
ГТП.
Методы исследования. Методологическую основу исследований составляет системный подход, базирующийся на построении модели ГТП, содержащей все элементы тракта, от входной цепи до демодулятора, и подвергающейся интегральному внешнему воздействию, адекватно имитирующему реальную помеховую обстановку.
Работа содержит теоретические и экспериментальные исследования. При теоретическом анализе использованы математические аппараты теории вероятностей, теории случайных функций, теории электрических цепей, математической статистики, исследования операций и методов оптимизации; при проведении машинного эксперимента - метод статистического моделирования но компьютере и метод направленного перебора.
Научная новизно выносимых на защиту результатов работы. Исследование автора представляет собой первую в теории и технике радиоприема попытку разработки основных положений синтеза оптимального радиоприемного устройства, обеспечивающего потенциальную помехозащищенность при работе в условиях, максимально приближенных к реальным.
Новыми являются следующие результаты, полученные в работе:
-
Определены основные параметры РПУ, оказывающие решающее влияние но его помехозащищенность. Установлены зависимости' надежности связи и эффективности использования частотных ресурсов от избирательности по соседнему каналу и от интермодуляционной избирательности.
-
Впервые обноруиено и исследовано явление влияния шума гетеродина на помехозащищенность РПУ, имеющее основополагающее значение при создании современных гетеродинов и синтезаторов частот.
, Установлены закономерности прохождениячсигнале и шума через умножители частоты и трансформации спектра шума в умножителях частоты. Разработаны рекомендации по уменьшению шума гетеродина.
3. Разроботон алгоритм вычисления уровней составляющих нели
нейных шумов, возникающих в каскадах ГТП РПУ при интегральном воз
действии помех.
Получены формулы для расчета параметров помехозащищенности РПУ.
-
Установлены закономерности влияния коэффициентов усиления, параметров нелинейности каскадов и структуры ГТП на интермодуляционную избирательность.
-
Разработана научная концепция оптимизации РПУ по критерию помехозащищенности, в которой экстремум целевой функции, представляющей собой зависимость усредненного значения коэффициента помехозащищенности от внешних воздействий, струнтуры ГТП и параметров ее элементов, ищется с помощью комбинации нерегулярного и регулярного алгоритмических методов поиска оптимума, о именно: метода статистического моделирования и методо поправленного перебора.
-
Установлены статистические закономерности изменения средних уровней составляющих нелинейных шумов от структуры ГТП, параметров его элементов, внешних воздействий, о такте от интермодуляционной избирательности и избирательности по соседнему каналу.
-
Разработан метод оптимизации требований к параметрам помехозащищенности, обеспечивающих согласование параметров помехозащищенности с помеховой обстановкой, в которой будет эксплуатироваться РПУ.
-
Разработан метод синтеза оптимальной структуры ГТП, обеспечивающей погенциальнукгпомехозащищенность РПУ при заданной элементной и схемотехнической базе.
9. Разработан метод синтеза оптимальных параметров каскадов ГТП, обеспечивающих потенциальную помехозащищенность при минимальной стоимости.
Степень обоснованности и достоверности научных результатов. Научные результаты, выводы и р'еномендации диссертационной работы обоснованы и достоверны. Теоретические поломения работы получены корректным использованием математического аппарата теорий вероятностей, теории случайных процессов, теории линейных и нелинейных электрических цепей, математической статистики и исследования операций. Алгоритмы оптимизации тестированы но физической модели ГТП РПУ. Практические выводы и рекомендации, вытенаютие из полученных теоретических положений, проверены и применены при разработке базовых радиоприемных устройств и УКВ радиостанций последних двух поколений, а такте в государственных стандартах.
Практическая ценность работы. Разработанная в работе концепция оптимизации РПУ по критерию помехозащищенности предусматривает проведение "машинного эксперимента" с помощью метода статистического моделирования. Здесь компьютер используется в качестве экспериментальной установки. Программа эксперимента тестируется и отлаживается на некоторые точно известные нам ситуации, а затем распространяется на более широкий класс ситуаций.
Преимущества метода статистического моделирования весьма многообразны. Машинная имитация работы РПУ на начальных этапах его проектирования дает возможность заранее определить оптимальную структуру и оптимальные параметры элементов, что позволяет практически исключить дорогостоящий метод проб и ошибок и сократить затраты трудовых и материальных ресурсов на реализацию различных схем и конструкций, ноторые могут оказаться .нерациональными.
Машинная имитация работы РПУ дает возможность получить уникальную информацию, получить которую другими методами невозможно, хотя бы из-за невозможности осуществления адекватного физического моделирования.
Обнаруженное впервые в работе явление влияния шума гетеродина на помехозащищенность РПУ в настоящее время учитывается при разработке любого современного радиоприемного устройства.
Полученные в работе статистические закономерности изменения средних уровней составляющих нелинейных шумов от структуры, параметров элементов системы и внешних воздействий и разработанные по
результотом реализации на компьютере методы синтезе ГТП рекомендации по выбору его оптимальных структур и параметров каскадов могут служить основой при проектировании помехозащищенных РПУ новых поколений.
Рекомендации по оптимизации требований к параметрам помехоза-аищенности могут быть использованы заказчиком аппаратуры- при обосновании требований на указанные параметры при разработке ТЗ на перспективное РПУ.
Концепция оптимизации РПУ по критерию помехозащищенности является универсальной и пригодной для решения задач оптимизации РПУ систем связи, отличных от рассмотренных в диссертации.
Реализация в народном хозяйстве. Диссертация связана с планами научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ,'выполненных в соответствии с Реоениями Комиссии Президиума CSJ СССР от 19.II.75 г. !С 283 и от 10.06.85 г. 1? 198.
Результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях промышленности при разработке судовых радиоприемных устройств третьего и четвертого поколений "Циклоида" и "Бригантина", при разработке судовых и береговых УКВ станций третьего и четвертого поколений "Рейд", "Порт-3" и "Коралл", "Золив", аварийно-навигационного радиоприемника."Эфир", при разработке ГОСТ 25792-85 "Приемники морской подвижной службы", ГОСТ 22580-84 "Радиостанции с угловой модуляцией морской подвижной службы". В настоящее время они используются при разработке бозового РПУ пятого поколения (см.Приложение И).
Апробация роботы. Основные положения и результаты исследований, приводимые в диссертации, докладыволись и обсуждались на ХХХІУ, ХХХУП, XXXIX Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню радио (г.Мбсква, 1979, 1982, 1984 гг.), IX научно-технической конференции радиосвязи и радионавигации ЛОНТОВТ (г.Ленинград, 1979 г.), Втором и Третьем Всесоюзном ' симпозиуме "Нелинейные искажения в приемо-усилительных устройствах" (г.Минск, 1980 г., г.Москва, 1985 г.), 0-й и ІУ-й Всесоюзной научно-технической конференции "Развитие и внедрение новой техники радиоприемных устройств" (г.Горький, 1981 г., 1985 г.), Всесоюзном научно-техничесном симпозиуме "Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств" (г.Москва, 1986 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 33-х роботах автора, опублинованных в издотельствох "Наука", "Транс-
порт", в журналах "Радиотехника" и "Электросвязь", в 11-ти тезисах
докладов и б-ти отчетах о НИР. \
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех частей, содержащих 10 глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Изложена на 249 страницах машинописного текста, иллюстрирована рисунками на 57 страницах, список литературы включает 169 наименований.
