Введение к работе
Актуальность темы. Одним из основных требований, предъявляемых к радиотехническим системам передачи информации, является обеспечение требуемого, уровня., помехоустойчивости. В последние ГОДЫ В СЕЯЗИ с ограниченностью частотного ресурса, индустриализацией народного хозяйства, ростом числа радиотехнических систем, работающих на излучение и эксплуатирующихся на ограниченной территории, значительно ухудшается электромагнитная обстановка в точке приема. Это приводит к тому, что требования. *" к помехоустойчивости радиотехнических систем передачи информации постоянно повышаются.
Сфера применения частотной модуляции (ЧМ) достаточно широка. Радиотехнические устройства с ЧМ используются в телевидении, например, следящий'фазовыи демодулятор, применяемый для демодуляции телевизионных сигналов, схема обнаружения пороговых импульсов шума на телевизионном изображении и т.д.: УКВ вешании (системы стереофонического вещания с поднесущей частотой: система Кросби, система Холстеда, шведская ЧМ-ЧМ система стереофонического вещания); в космической связи (станция "Волна-С". предназначенная для телефонной и телеграфной связи в системе ИНМАРСАТ, имеет ЧМ на аналоговом канале, различные модификации станции "Стандарт" (А,В,С)); в служебной радиосвязи (радиопередатчик судовой радиостанции "Рейд").
Однако преимущества ЧМ во многих случаях не реализуются из-за явления порога, которое характеризуется быстрым увеличением шумов на выходе приемного тракта при уменьшении входного отношения сигнал/шум, что затрудняет использование ЧМ приемников при работе со слабыми сигналами в околопороговой и подпороговой областях.
Таким образом, задача повышения помехоустойчивости приема ЧМ сигналов в околопороговой области является актуальной.
Об актуальности темы исследования свидетельствует большое количество работ, посвященных решению этой задачи. Проведенный аналитический обзор состояния исследуемой задачи показывает, что основные исследования проводились по трем направлениям:
!.Синтез оптимальных алгоритмов обработки ЧМ сигналов на фоне помех и их реализация в виде -конкретных- радиотехнических устройств.
2.Разработка устройств приема ЧМ сигналов на базе исследований, основанных на работе Агеева Д. В. "Активная полоса частотного спектра функции времени"("Труды ГПИ им. Жданова'.1955.т.Х1.вып. 1,с. 1-8).
З.Разработка устройства приема ЧМ сигналов на базе теоретических исследований, основанных на импульсной модели Раиса.
Первое направление основано на использовании математического аппарата марковских процессов и теории оптимальной нелинейной фильтрации, которые позволяют получить результат при больших отношениях сигнал/шум , то есть при работе в надпороговой области.
Второе направление позволило получить ряд устройств приема ЧМ сигналов, обеспечивающих снижение порогового отношения сигнал/шум на входе приемника, однако, оно не раскрывает физической сущности явлений, происходящих при приеме ЧМ сигналов в околопороговой области.
Третье направление, с точки зрения анализа помехоустойчивости приема ЧМ сигналов и разработки устройств помехоустойчивого приема ЧМ сигналов, является наиболее плодотворным.
В связи с изложенным тема диссертационной работы "Повышение помехоустойчивости приема ЧМ сигналов в околопороговой области " является актуальной с научной-точки-зрения и имеет важное практическое значение.
Целью диссертационной работы является теоретическое исследование статиетттческих-- характеристик огибающей, фазы и производной фазы суммы сигнала и шума при .малых отношениях сигаал/ шум и разработка на основе этих исследований устройства, обеспечивающего выигрыш в помехоустойчивости приема ЧМ сигналов при отношении сигнал/шум. близком (и меньшем) пороговому значению.
Задачи исследования:
!.Анализ методов оценки помехоустойчивости пріема ЧМ сигналов и выбор предпочтительного варианта в качестве базовой модели.
2.Апализ допущений, ограничений и применимости базовой модели оценки помехоустойчивости приема ЧМ сигналов.
З.Теоретическое исследование статистических характеристик огибающей,
фазы и частой..! суммы сигнал:» и шума, статнстическ&Г: взаимосвязи между названными случайными параметрами результирующего колебания и определение влияния этих параметров на характеристики шумов на выходе частотного детектора.
4.Разработка устройства, обеспечивающего выигрыш в
помехоустойчивости приема ЧМ сигналов в околопорогоеой области.
5.0ценка помехоустойчивости предлагаемого устройства приема ЧМ сигналов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
I.Получено аналитическое выражение для расчета кривых помехоустойчивости приема ЧМ сигналов СЧД с учетом влияния ограничителя и уточнения формулы Раиса для среднего числа перескоков фазы результирующего колебания на ±2 л.
2.Проведен анализ прохождения сигнала и шума через амплитудный ограничитель, получены выражения для отношения сигнал/шум и функции корреляции случайного процесса на выходе ограничителя.
3.Определена вероятность перескоков фазы результирующего колебания на ±2к при условии, что имело место пересечение фазой результирующего колебания уровня к.
4.0пределены условные вероятности перескоков фазы на +2 л и -2л при условии, что данному перескоку предшествовал-перескок соответственно на +2л. -2 л.
5.Определены характеристики статистической взаимосвязи огибающей, фазы и производной фазы суммы гармонического сигнала и узкополосного шума:
-условная плотность вероятности, условное математическое ожидание и условная дисперсия огибающей при условии, что фаза результирующего колебания принимает фиксированное значение щ;
-условная плотность вероятности производной фазы результирующего колебания при условии, что фаза принимает фиксированное значение^, а огибающая не превышает уровня V0;
-среднее число перескоков фазы на ±2 л при условии, что огибающая результирующего колебания не превышает уровень F0.
6. Предложен алгоритм обработки ЧМ сигнала и шума при детектировании, обеспечивающий увеличение помехоустойчивости приема ЧМ сигналов.
Практическая значимость работы состоит в том. что:
1.Предложено устройство приема ЧМ сигналов с компенсацией пороговых импульсов шума, обеспечивающее выигрыш в помехоустойчивости приема ЧМ сигналов. На устройство с компенсацией пороговых импульсов шума подана заявка на изобретение и получено положительное решение предварительной экспертизы (Приоритет от 6 ноября 1996г.).
2.Получены аналитические выражения для расчета отношения сигнал/шум на выходе приемника ЧМ сигналов, позволяющие получить более точные результаты расчета помехоустойчивости приема ЧМ сигналов. Это имеет существенное значение при оценке надежности радиосвязи в системах передачи информации с частотной модуляцией.
3.Разработаны алгоритм и программы компьютерного моделирования суммы сигнала и узкополосного шума и определения статистических характеристик огибающей, фазы и производной фазы результирующего колебания.
4.Проведенные теоретические исследования и полученные результаты по статистическим характеристикам огибающей, фазы и частоты суммы сигнала и узкополосного шума свидетельствуют о том. что при разработке помехоустойчивых демодуляторов ЧМ сигналов необходимо учитывать статистическую взаимосвязь названных параметров результирующего колебания.
На защиту выносятся следующие основные результаты работы:
I .Устройство приема частотно-модулированных сигналов с компенсацией пороговых импульсов шума и методика оценки его помехоустойчивости.
2.Уточнение метода оценки помехоустойчивости приема ЧМ сигналов, исходя из импульсной модели Раиса.
3. Результаты теоретического исследования статистической взаимосвязи огибающей, фазы и ее производной суммы полезного сигнала и узкополосного шума, включающие:
-условную плотность вероятности огибающей суммы сигнала и
узкополосного шума при фиксированном значении фазы;
-условную плотность вероятности частоты суммы сигнала и узкополосного» шума при фиксированном значении фазы и значениях сгибающей, не превышающих уровня К0;
-услсэные зфоятности перескоков фазы на ±2,т при условии, что им; предшествовали пфескоки фазы на ±2тг. P\f^n/' ), Ру^71/-, ). Р[~^у~ )..
-среднее число перескоков фазы на ±2я суммы сигнала и узкополосного» шума при условии, что значение огибающей не превысит уровня Ко
5.Результаты компьютерного моделирования результирующего колебания: суммы сигнала и узкополосного шума.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы: использованы при выполнении хоздоговорных научно-исследовательских работ "Разработка рекомендаций по повышению точности оценивания навигационных; параметров морских и воздушных судов при совместных работах",. "Исследование статистических характеристик суммы сигнала и шума в; авиационных радионавигационных системах", "Разработка технических: решений для реализации контрольно-проверочной аппаратуры (КПА) для: контроля параметров аварийных радиобуев АРБ-АК-"Вешка", а также ві учебном процессе при изучении дисциплин "Радиотехнические цепи и сигналы'" м "Радиоприемные устройства".
Достоверность результатов работы подтверждается результатами1 компьютерного моделирования суммы сигнала и узкополосного шума., корректным использованием современного математического аппарата и апробацией результатов диссертационной работы.
Математический аппарат. Аналитические исследования проведены на базе теории вероятностей, математической статистики, теории случайных процессов с использование»! компьютерного моделирования.
Апробаквз результатов работы. Результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку тта отраслевой научно-технической конференции аспирантов в 1997 году, на заседании кафедрьс радиотехники Калининградского военного политехнического института:
федеральной пограничной службы, на совместном заседании кафедр теоретических основ радиотехники и судовых радиотехнических систем Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано семь научных работ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, списка использованных источников, состоящего из 77 наименований, и двух приложений. Общий объем работы составляет 204 с, включая 85 рисунков, шесть таблиц, 77 использованных источников и два приложения объемом 47 с.
