Разработка и исследование квадратурных компенсаторов помех трактов формирования сигналов с угловой модуляцией

Актуальность темы

Активное развитие радиотехнических информационных систем, в том числе систем радиосвязи, использующих угловую модуляцию, увеличивает загрузку радиодиапазонов и, как следствие, обостряет проблему помехоустойчивости радиосистем и электромагнитной совместимости радиосредств. В то же время, в процессе генерирования, формирования и усиления радиосигналов с угловой модуляцией с помощью устройств, содержащих как нелинейные безинерционные, так и линейные инерционные цепи, возникают помехи, состоящие из регулярных и шумовых компонент и проявляющиеся в виде паразитной угловой модуляции высокочастотного сигнала, причем частоты паразитного модулирующего сигнала могут находиться как вне полосы частот полезного сигнала, так и совпадать с частотами полезного модулирующего сигнала. При этом, в первом случае возникшая паразитная угловая модуляция (ПУМ) ухудшает электромагнитную обстановку, во втором — помехоустойчивость радиосистемы, следовательно возникает актуальная проблема борьбы с ней.

В общей проблеме борьбы с паразитной угловой модуляцией можно выделить две основные задачи.

Первая заключается в том, как наилучшим образом произвести формирование радиосигнала с точки зрения получения заданных спектральных или временных характеристик с минимальным уровнем паразитной угловой модуляции.

Вторая состоит в ослаблении паразитной угловой модуляции, являющейся следствием самих принципов формирования и усиления радиосигналов.

Основным и хорошо изученным методом решения обеих задач является метод фильтрации, основанный на использовании линейных перестраиваемых избирательных систем. Основным недостатком такого метода является трудность осуществления узкополосной фильтрации в широком диапазоне изменения несущей частоты.

Этого недостатка в определенном смысле лишены системы фильтрации с возвратным гетеродинированием (СФГ) [1], в которых полосовой фильтр работает на фиксированной частоте, причем перенос частоты несущего колебания, промодулированного полезным и паразитным сигналами, в область более низких частот увеличивает относительный разнос между спектральными составляющими полезного и паразитного сигналов, что облегчает задачу подавления нежелательных компонент спектра, т. е. эффективного ослабления паразитной угловой модуляции с частотами, близкими к верхним частотам полезного сигнала.

Кроме указанных выше методов фильтрации в качестве фильтров можно использовать также системы фазовой синхронизации, работающие либо в режиме внутренней синхронизации генератора (СГ) [2,3], либо в режиме фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) [4,5], причем с помощью таких систем имеется возможность осуществить узкополосную фильтрацию в широком диапазоне изменения несущей частоты. При этом имеется возможность эффективного ослабления паразитной угловой модуляции с частотами, близкими к верхним частотам полезного модулирующего сигнала. В общем случае СФГ, СГ и ФАПЧ можно отнести к нелинейным системам фильтрации, причем СФГ к пассивным, а СГ и ФАПЧ к активным.

Основным недостатком всех перечисленных методов фильтрации, т. е. ослабления паразитной угловой модуляции, является принципиальная невозможность ослабления паразитной модуляции с частотами, совпадающими с частотами полезного сигнала.

Как показали исследования, подобного недостатка лишены компенсационные методы ослабления паразитной угловой модуляции [6−9] либо с помощью управляемых фазовращателей (фазовых модуляторов), либо с помощью амплитудных или балансных модуляторов и квадратурного сложения высокочастотных сигналов, т. е. с использованием квадратурных компенсаторов помех.

С помощью компенсационных методов возможно ослаблять паразитную угловую модуляцию не только с частотами, находящимися за пределами полосы частот полезного сигнала, но также с частотами, попадающими в полосу частот полезного сигнала, поэтому разработка новых схемотехнических решений, реализующих компенсационные методы ее ослабления и улучшающих характеристики компенсаторов, а также исследование свойств этих новых схемотехнических решений является актуальной научно-технической задачей улучшения качественных показателей радиотехнических систем.

Работа выполнена в рамках одного из научных направлений Воронежского института МВД России «Разработка методов и устройств формирования и обработки сигналов для радиосистем передачи информации», а также в рамках Договора о научно-техническом сотрудничестве между УВД Воронежской области и Воронежским институтом МВД России «Совершенствование систем и аппаратуры подвижной радиосвязи для органов внутренних дел».

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является разработка компенсаторов помех трактов формирования сигналов с угловой модуляцией с использованием метода амплитудной регулировки и квадратурного сложения сигналов, а также исследование компенсационных свойств разработанных схемотехнических решений для выработки рекомендаций по их использованию.

Достижение указанной цели предполагает решение следующих задач:

1. Разработка алгоритмов работы и новых структурных схем компенсаторов паразитной угловой модуляции с использованием регулируемых усилителей и перемножителей сигналов в квадратурных ветвях с регулировкой по возмущению, инвариантных к паразитным фазовым приращениям входного радиосигнала.

2. Разработка компенсатора паразитной угловой модуляции при малой паразитной девиации фазы входного сигнала с использованием регулируемых усилителей в квадратурных ветвях и регулировки по возмущению, в котором компенсируется также паразитная амплитудная модуляция (ПАМ), являющаяся следствием фазо-амплитудной конверсии в компенсаторе и влияния дестабилизирующих факторов.

3. Разработка частотно-модулированных цифровых синтезаторов частот с использованием разработанных компенсаторов паразитной угловой модуляции на базе регулируемых усилителей и перемножителей сигналов в квадратурных ветвях с регулировкой по возмущению.

4. Разработка частотно-модулированного цифрового синтезатора частот с использованием автоматического компенсатора паразитной угловой модуляции на базе регулируемых усилителей в квадратурных ветвях с комбинированной регулировкой по возмущению и отклонению, а также автоматической компенсацией паразитной амплитудной модуляции, являющейся следствием фазо-амплитудной конверсии и влияния дестабилизирующих факторов.

5. Изучение компенсационных свойств безинерционных нелинейных моделей компенсаторов паразитной угловой модуляции на базе регулируемых усилителей и перемножителей сигналов в квадратурных ветвях с регулировкой по возмущению методом анализа компенсационных и спектральных характеристик, а также параметрической чувствительности компенсатора.

6. Изучение компенсационных свойств линеаризованной инерционной модели автоматического компенсатора паразитной угловой модуляции на базе регулируемых усилителей в квадратурных ветвях с комбинированной регулировкой по возмущению и отклонению, а также автоматической компенсацией паразитной амплитудной модуляции, являющейся следствием фазо-амплитудной конверсии и влияния дестабилизирующих факторов методом анализа частотных и переходных характеристик.

7. Экспериментальная проверка полученных теоретических результатов.

Методы исследования. Решение поставленных задач базируется на методах теории трансцендентных функций, спектрального анализа с использованием функций Бесселя, теории автоматического управления, в том числе операторном методе с использованием преобразований Лапласа, теории устойчивости, а также компьютерных методах расчета с использованием программы Mathcad 7.0 для Windows 95. Основные теоретические результаты проверены путем макетирования и натурного эксперимента.

Научная новизна. В работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной и выносимые на защиту:

1. Структурные схемы квадратурных компенсаторов паразитной угловой модуляции с регулировкой по возмущению, инвариантных к паразитным фазовым приращениям входного радиосигнала, использующие регулируемые усилители или перемножители сигналов в квадратурных ветвях, отличающиеся использованием в них фазовых детекторов с синусной и косинусной детекторными характеристиками в трактах регулировки.

2. Варианты структурных схем частотно-модулированных цифровых синтезаторов частот, отличающихся использованием в них в качестве буферных усилителей квадратурных компенсаторов помех для одновременного ослабления паразитной угловой модуляции и увеличения быстродействия синтезаторов.

3. Компенсационные и спектральные характеристики, а также характеристики параметрической чувствительности безинерционных нелинейных моделей предложенных квадратурных компенсаторов паразитной угловой модуляции с регулируемыми усилителями и перемножителями сигналов в квадратурных ветвях и синтезированными трактами регулировки по возмущению.

4. Передаточные функции, частотные и переходные характеристики линеаризованной инерционной модели предложенного автоматического квадратурного компенсатора паразитной угловой модуляции с регулируемыми усилителями в квадратурных ветвях и комбинированной регулировкой по возмущению и отклонению.

5. Результаты экспериментального исследования компенсационных свойств предложенных квадратурных компенсаторов паразитной угловой модуляции, подтверждающие теоретические выводы.

Практическая ценность результатов работы заключается в следующем:

1. Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в работе, могут быть использованы разработчиками аппаратуры систем радиосвязи для реализации новых эффективных схемотехнических решений повышения качества и надежности аппаратуры, в частности для проектирования частотно-модулированных цифровых синтезаторов частот с улучшенными спектральными, динамическими и модуляционными характеристиками. Кроме того, результаты работы позволяют улучшать спектрально-временные характеристики усилителей радиосигналов, использовав их в режиме автокомпенсации паразитной угловой модуляции.

2. Разработаны практические схемы компенсаторов паразитной угловой модуляции в виде макетов с характеристиками, достаточно хорошо совпадающими с теоретическими.

Реализация результатов работы.

1. Устройства для подавления паразитной угловой модуляции, защищены тремя свидетельствами на полезные модели Российской.

Федерации.

2. Частотно-модулированные цифровые синтезаторы частот, в которых используются разработанные и исследованные компенсаторы паразитной угловой модуляции, защищены тремя свидетельствами на полезные модели Российской Федерации.

3. Алгоритмы работы компенсаторов, а также результаты анализа частотных компенсационных характеристик компенсатора помех использованы в ОКР Муромского завода радиоизмерительных приборов (акт внедрения от 27.10.99 г.).

4. Частотно-модулированный цифровой синтезатор частот с использованием автоматического компенсатора паразитной угловой модуляции разработан совместно с Воронежским НИИ связи и защищен этой организацией свидетельством на полезную модель Российской Федерации (акт внедрения от 16.11.99 г.).

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции «Охрана — 97» (г. Воронеж, 1997 г.), Третьей Международной электронной научной конференции «Современные проблемы информатизации» (г. Воронеж, 1997 г.), Межвузовской научно-практической конференции (г. Воронеж, 1998 г.), научно-практических конференциях Воронежского института МВД России (г. Воронеж, 1997 г., 1998 г., 1999 г.), на научных семинарах кафедры радиотехники Воронежского института МВД России (г. Воронеж, 1997 г., 1998 г., 1999 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликована монография (Под ред. П.А. Попова), 7 статей, 6 тезисов докладов, а также получено 7 свидетельств на полезные модели.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 86 наименований и приложения, изложена на 170 страницах машинописного текста, в котором приведено 63 рисунка и 3 таблицы.

4.4. Выводы.

1. Проведены экспериментальные исследования линейной и нелинейной моделей автокомпенсатора помех. Максимальное расхождение теоретических и экспериментальных результатов составило не более 20%, что свидетельствует о правильности теоретических предпосылок и получении результатов.

2. В результате экспериментального исследования установлено, что возможно построение автокомпенсаторов помех с различными частотными компенсационными характеристиками, при этом достигнутая компенсация паразитной угловой модуляции в диапазоне изменения частоты несущего колебания составляет не менее 40дБ относительно исходного уровня и не зависит от частоты несущего колебания.

3. Использование в тракте регулировки по возмущению квадратичного члена разложения косинусной функции регулирующего сигнала позволяет значительно повысить эффективность компенсации паразитной угловой модуляции входного сигнала с большим индексом,.

Рис. 4.10. Спектрограммы сигналов с большим индексом ГТФМ: а — на входе компенсатора, б — на выходе компенсатора при линейной регулировке, в — на выходе компенсатора при учете квадратичных членов регулирующих сигналов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований, результаты которых изложены в диссертации, можно сделать ряд обобщающих выводов и рекомендаций.

1. Формирование сигналов с угловой модуляцией с заданными спектрально-временными параметрами можно успешно осуществлять с помощью компенсационных методов и устройств, основанных на амплитудной регулировке и квадратурном сложении сигналов.

2. На основе исследований безинерционных нелинейных моделей квадратурных компенсаторов ПФМ определены условия, при которых с использованием безинерционных трактов регулировки по возмущению возможна полная компенсация ПФМ входного сигнала.

3. Использование в квадратурных компенсаторах ПФМ комбинированной регулировки по возмущению и отклонению паразитного параметра, а также различных типов фильтров в трактах регулировки позволяет формировать заданные эквивалентные характеристики избирательности и, как следствие, заданные амплитудно-фазовые соотношения выходного сигнала.

4. Исследование линейной инерционной модели квадратурного компенсатора ПФМ с комбинированной регулировкой показало, что при использовании в трактах регулировки фильтров не выше второго порядка компенсатор устойчив при произвольном значении коэффициента регулирования тракта регулировки по отклонению, причем параметры тракта регулировки по возмущению на устойчивость автокомпенсатора не влияют.

5. Экспериментальные исследования показали, что практически квадратурные компенсаторы обеспечивают ослабление ПФМ входного сигнала на 40дБ и выше относительно исходного уровня в достаточно.

157 широком диапазоне частот несущего колебания, что позволяет говорить об их диапазонных свойствах.

6. Примеры использования квадратурных компенсаторов в усилителях и синтезаторах частот с угловой модуляцией, защищенные семью свидетельствами на полезные модели, показывают их широкие возможности использования в трактах формирования радиосигналов в качестве эквивалентных диапазонных неперестраиваемых фильтров с заданными характеристиками избирательности.