СОДЕРЖАНИЕ
Список сокращений.............................................................4
Введение...............................................................5
1. Экспериментальный анализ перекрестных и интермодуляционных искажений, вызванных воздействием мощной внеполосной помехи....................................................19
1.1. Искажения сигнала в усилителе при воздействии на его вход мощной внеполосной помехи...........................................................19
1.2. Анализ перекрёстных и интермодуляционных искажений, возникающих при работе усилителя в нелинейном режиме, вызванном воздействием мощной внеполосной помехи...........................................................24
1.3. Исследование зависимости амплитудных и фазовых перекрёстных
искажений полезного сигнала в усилителе от частоты мощной внеполосной помехи.37
1.4. Описание метода амплитудно-фазовой компенсации перекрестных искажений...40
Выводы................................................................43
2. Имитационное моделирование и экспериментальное исследование использования метода амплитудно-фазовой компенсации перекрестных искажений в приемнике
цифровой системы СВЯЗИ ......................................................45
2.1. Структура приемника, имеющего в своем составе систему
амплитудно-фазовой компенсации перекрестных искажений........................44
2.2. Моделирование влияния шума на точность измерения параметров компенсации перекрестных искажений.......................................................50
2.3. Имитационное моделирование работы алгоритма компенсации перекрестных искажений, учитывающие влияние погрешностей измерения параметров компенсации
2
на точность алгоритма.......................................................58
2.4. Экспериментальные исследования применения метода амплитудно-фазовой компенсации перекрестных искажений в приемнике
цифровой системы связи......................................................63
2.5. Структура приемопередатчика, имеющего в своем составе систему амплитуднофазовой компенсации перекрестных искажений, основанную на оценке мощности и частоты помехи..............................................................82
Выводы......................................................................86
3. Применение метода амплитудно-фазовой компенсации перекрестных искажений в приемниках шумовых сигналов 88
3.1. Структуры радиометров и интерферометра, имеющих в своем составе систему амплитудно-фазовой компенсации перекрестных
искажений...................................................................88
3.2. Цифровой корреляционный приемник для антенных
измерений..................................................................105
3.3. Экспериментальные исследования применения метода амплитудно-фазовой компенсации в корреляционном интерферометре................................131
Выводы.....................................................................136
Заключение.................................................................138
Литература.................................................................144
з
Список сокращений
CDMA code division multiple access
BPSK binary phase-shift keying
PSK phase-shift keying
QAM quadrature amplitude modulation
QPSK quadrature phase shift keying
АРМ автоматическая регулировка мощности
АРУ автоматическая регулировка усиления
ДН диаграмма направленности
ИИС информационно-измерительная система
МШУ малошумящий усилитель
ПФ полосовой фильтр
РПУ радиоприемное устройство
РФ режекторный фильтр
СВЧ сверхвысокочастотный
УРКУ усилитель с регулируемым коэффициентом усиления
ФНЧ фильтр нижних частот
ЦАП цифро-аналоговый преобразователь
ШОУ Широкополосный усилитель - амплитудный Ограничитель -
Узкополосный усилитель
ШПУ Широкополосный усилитель - Прерыватель - Узкополосный усилитель
4
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы.
Обнаружение радиосигналов и измерение их параметров информационно-измерительными системами (ИИС) существенно усложнилось в последнее время. Интенсивное развитие средств радиосвязи, радиолокации, радионавигации и радиоуправления привело к тому, что в условиях ограниченного пространства на одном и том же или на соседних участках частотного диапазона одновременно работает несколько радиосистем различного назначения (системы спутниковой навигации, цифровое радио и телевидение, сенсорные сети, радиолокационные системы, компьютерные беспроводные сети, сотовая связь и т. д.).
Фундаментальные работы В.А. Котельникова [1], Д.В. Агеева [2], И.Н. Амиантова [3], Л.С. Гуткина [4], Ю.С. Лезина [5], В.И. Тихонова [6, 7],
А.П. Трифонова [8,9] и многих других ученых подготовили обширную теоретическую базу для решения многих конкретных задач в области помехоустойчивости радиоприёмных устройств. Тем не менее, в современных условиях проблемы помехоустойчивости ставят некоторые новые задачи, определяемые спецификой совместной работы современных радиоэлектронных средств.
Среди проблем помехоустойчивости радиосистем особое место занимает проблема помехоустойчивости радиоприемных устройств (РПУ) по отношению к мощным помехам, превышающим динамический диапазон входных активных цепей РПУ. Действие мощных помех на активные цепи приводит к нелинейным искажениям полезного сигнала. Наиболее остро эта проблема стоит в радиоэлектронных комплексах [10, 11], системах спутниковой навигации и радиосвязи [12, 13], системах связи малого радиуса действия [14-16]. Нелинейные искажения могут возникать в приемнике при попадании на входные активные цепи (такие, как малошумящий усилитель) целенаправленно поставленных блокирующих помех, или при непреднамеренном воздействии на радиоприемное средство
5
мощного сигнала другой радиоэлектронной системы. И в том и в другом случае, если входные фильтры не могут ослабить помеху в достаточной степени, активные входные цепи переходят в нелинейный режим работы, что приводит к сильным нелинейным искажениям полезного сигнала и снижению коэффициента усиления полезного сигнала. Как отмечается в работе [14], подобные искажения могут возникнуть и в передатчике, при попадании мощного сигнала от другого радиопередающего средства на активные цепи передатчика. Результаты различных теоретических и экспериментальных исследований, например [14-17], показывают существенное негативное влияние различных систем передачи информации друг на друга, когда такие системы одновременно работают в ограниченной области пространства и используют один и тот же или смежные частотные диапазоны.
Проблема защиты других ИИС, например, радиометров и интерферометров,
от воздействия мощных помех так же является актуальной задачей современной
радиотехники. В настоящий момент, имеется ряд публикаций, посвященных защите
модуляционного радиометра [18, 19] от мощных помех. Проблема защиты от
мощных помех интерферометров и систем, построенных на их основе (например,
радиотелескопов), возникает, например, в радиоастрономии [20,21]. Некоторое
время назад была начата программа наблюдения за влажностью поверхности земли
и содержанием соли в верхнем слое мирового океана, получившая названия SMOS
(Soil Moisture and Ocean Salinity satellite) [22]. Знание этих распределений с
надлежащей пространственной и временной дискретизацией, как ожидается, может
значительно улучшить прогнозирование погоды, климата и экстремальных
ситуаций. В качестве одного из путей решения такой задачи, было предложено
создание внеземного радиотелескопа. Эта программа получила название MIRAS
(Microwave Imaging Radiometer with Aperture Synthesis) [23]. Другим способом
решения поставленной задачи является наблюдение земной и морской поверхности
с помощью корреляционного радиометра, размещенного на борту самолета. В
рамках работ по этому направлению был создан радиометр, получивший название
CAROLS (Cooperative Airborne Radiometer for Ocean and Land Studies) [24,25]. Как
6
выяснилось ходе экспериментального исследования, работу созданного радиометра осложняет наличие большого количества помех, в том числе и мощных [25]. Вопросам защиты от помех, осложняющих работу корреляционного радиометра CAROLS, посвящена работа [26]. По-видимому, в связи с дальнейшем развитием радиоэлектронных средств, вопросы защиты радиометров и интерферометров от помех разного рода будут становиться все более актуальными.
Существует достаточно много работ, посвященных описанию нелинейных эффектов, возникающих при прохождении смеси полезного сигнала, шума, мощной помехи (или сигнала большой мощности и шума) но приемному тракту радиотехнического устройства. Подробно рассмотрены явления перегрузки усилительных устройств [27], перекрестные искажения и явления интермодуляции [28], вопросы образования комбинационных частот [29] и т.д. Основные результаты этих работ систематизированы в [30-32]. Следует отметить, что в этих исследованиях обычно предполагалось, что на первые каскады усиления и преобразовательные каскады поступают сравнительно слабые сигналы, и искажения происходят в блоках дальнейшей обработки сигнала. В последнее десятилетие появилось большое число работ, в которых количественно оценивается влияние нелинейных искажений на помехоустойчивость цифровых систем связи (см, например, [33-36]), на форму энергетического спектра случайных последовательностей [37]. Эти работы позволяют оценить ухудшение качества связи, вызванное нелинейными искажениями, и могут быть полезны при проектировании радиоэлектронных средств. Однако, как правило, при построении моделей для анализа нелинейных эффектов, рассматриваются не все нежелательные эффекты, не учитываются, скажем, динамические искажения полезного сигнала, что ограничивает область применения расчетов.
Арсенал средств борьбы с мощными помехами, переводящими
радиоприемные устройства в нелинейный режим, можно разделить на два основных
направления. Первый путь включает в себя различные способы по недопущению
проникновения мощной помехи на активные цепи приемного устройства. Второй
7
путь заключается в обработке смеси искаженного сигнала, помехи и шума в самом приемнике с целью как можно более полного извлечения из неё передаваемой информации.
В первом случае набор технических средств достаточно широк, но, зачастую, требует значительного усложнения радиоприемных средств, и малоперспективен в виду постоянно возрастающей насыщенности радиоэфира. 3 этом случае используются различного рода преселекторы [38], компенсационные схемы [39] и схемы быстрой перестройки частоты [40, 41]. Использование специальных прссслекторов неперспективно в первую очередь по экономическим соображениям: размер, вес, стоимость [42], использование же компенсационных схем ограничено их недостаточным быстродействием [34] или малым динамическим диапазоном [43].
Подавление непрерывной узкополосной помехи, переводящей цепи приемника в нелинейный режим, можно осуществлять с помощью режекторных фильтров (РФ) [44-46]. Обычно фильтр ставиться на входе РПУ, до малошумящего усилителя и смесителя. В случае нестационарной узкополосной помехи, можно применять блоки таких фильтров или перестраиваемые режекторные СВЧ фильтры [47].
Применение РФ особенно эффективно в случае, когда ширина спектра полезного сигнала значительно больше ширины спектра помехи, в частности, в системах связи с шумоподобными сигналами [48]. В системах без расширения спектра, при совпадении несущей сигнала с частотой помехи (или, если эти частоты очень близки), режекция может привести к подавлению полезного сигнала.
Высокодобротные узкополосные РФ создаются современной промышленностью с помощью диэлектрических резонаторов [47], с использованием поверхностных акустических волн [49] или на основе ядерного магнитного резонанса [50]. Следует относиться особенно осторожно к использованию РФ, выполненных на активных элементах, так как нелинейные эффекты, возникающие при воздействии мощных импульсных помех, могут привести к полному запиранию входного тракта.
8
Для борьбы с импульсными помехами большой амплитуды и малой длительности широко применяются такие схемы защиты, как ШОУ (Широкополосный усилитель - амплитудный Ограничитель - Узкополосный усилитель), ШПУ (Широкополосный усилитель - Прерыватель - Узкополосный усилитель) [45]. В частности, системы ШОУ используются для защиты от импульсных помех в современных приемниках стандарта CDMA [51].
Бланкирование помех [52] является еще одним эффективным и широко распространенным способом защиты от импульсных помех разной интенсивности (в т. ч. и превышающих динамический диапазон РПУ). В дополнительном канале выделения помехи формируются управляющие импульсы напряжения, и подаются на управляемый ими прерыватель, расположенный перед защищаемым каскадом. В системах с бланкированием часто проявляется эффект последействия и потери чувствительности. В этом случае, длительность управляющих сигналов получается больше длительности самой помехи, и приемник закрыт для приема полезного сигнала в момент времени, следующий непосредственно за помехой. Путем использования специальных технических решений [54-58], эффект последействия и потери чувствительности может быть значительно снижен.
Сравнительные оценки эффективности работ перечисленных выше систем защиты от импульсных помех приведены в [57, 58]. В этих работах показано, что общим недостатком систем подавления импульсных помех является ухудшение их эффективности при воздействии помех, по своей структуре приближающихся к «неимпульсным». Причем, чем выше устойчивость системы подавления помех к импульсным помехам, тем более ухудшается ее устойчивость к неимпульсным. Схемы ШПУ, а так же системы с бланкированием вообще теряют свою работоспособность при работе в условиях непрерывных помех.
Второй путь борьбы с мощными помехами включает в себя применение
различных способов расширения динамического диапазона входного усилительного
устройства и последующей компенсация помехи, находящейся в аддитивной смеси с
сигналом [40]. Для расширения динамического диапазона усилительных каскадов
9
широко используются схемы автоматической регулировки усиления (АРУ), линеаризующие каскады, логарифмические усилители и т.д. В работе [59] подробно рассматриваются преимущества и недостатки этих способов.
Автоматическая регулировка мощности (АРМ) и схемы АРУ заметно уменьшают способность приемного устройства выделять слабый сигнал на фоне сильной помехи, увеличивая, при этом инерционность приемного устройства. Поскольку ослабляется вся входная смесь, уменьшается мощность и самого полезного сигнала, что приводит к снижению чувствительности приемника. Рлцё одним недостатком применения усилителя с плавно регулируемым коэффициентом усиления, входящим в состав АРУ, на входе приёмника является высокое значение коэффициента шума по сравнению с малошумящими усилителями, что также приводит к снижению чувствительности приёмника. В [60] приводится оценка возможности реализации подобных устройств. Интерес к расширению динамического диапазона радиоприемных систем путем регулировки усиления не утрачен и в настоящее время. В качестве примера можно привести работу [61].
В работе [62] представлен новый способ расширения динамического диапазона АЦП, основанный на добавлении или вычитании из полезного сигнала постоянной составляющей при переходе режима работы АЦП в нелинейный режим. Предлогаемый метод, по-видимому, может быть реализован несколько проще, чем автоматическая регулировка усиления. Кроме того, он допускает использование МШУ в структуре приемника.
Нелинейные методы линеаризации приводят к явно выраженным усложнениям схемы [63, 64] , которые становятся еще более значительными, если синтез линеаризуемых элементов проводить на основе теории нелинейной фильтрации [65].
Необходимо отметить, что возможности рассмотренных способов в части дальнейшего расширения динамического диапазона ограничены, т.к. они становятся малоэффективными именно в режиме большого входного сигнала [60, 63, 64].
Ю
В работах [66, 67] представлено несколько новых способов борьбы с помехой большой мощности, проникающей на вход радиочастотных усилительных каскадов РПУ. Они осуществляют выделение огибающей сигнала с амплитудной модуляцией, либо мощности шумового сигнала на выходе приемного тракта информационно-измерительной системы, работающей в нелинейном режиме, обусловленном воздействием мощной узкополосной, импульсной или шумовой помехи, превышающей динамический диапазон частотно-избирательных каскадов. Данные способы основаны на использовании комбинационных частот, возникающих при взаимодействии сигнала с помехой на работающем в нелинейном режиме усилителе.
Основным недостатком методов, описанных в [66, 67], является их применимость только по отношению к амплитудно-модулированным сигналам, в то время как многие информационно-измерительные системы используют сигналы с фазовой или амплитудно-фазовой модуляцией.
Относительно недавно были предложены два новых способа выделения
полезного сигнала на фоне мощной блокирующей помехи, проникающей на
входные активные цепи РПУ [68, 69]. Источник [68] описывает модель приёмного
устройства, осуществляющего коррекцию нелинейных искажений
фазомодулированных сигналов, а метод, предложенный в [69] подходит для приёма
сигнапов произвольного вида. В основе метода, описанного в [69], лежит идея
компенсации амплитудных и амплитудно-фазовых перекрёстных искажений слабого
полезного сигнала, возникающих при работе входного усилителя РПУ в нелинейном
режиме, вызванным воздействием на вход РПУ мощной блокирующей помехи.
Компенсация перекрёстных искажений в предложенном методе осуществляется
исходя из получаемой информации о величине этих искажений в каждый момент
времени. Величина амплитудных и фазовых искажений полезного сигнала
вычисляется с помощью оценки мгновенной мощности помехи на входе усилителя
РПУ. Зависимости величин амплитудных и фазовых искажений полезного сигнала
от мгновенной мощности помехи на входе усилителя хранятся в специальных
11
корректировочных таблицах, находящихся в памяти РПУ. В каждый момент времени приёмник измеряет мгновенную мощность помехи на входе усилителя и по таблицам определяет степень искажений полезного сигнала, в соответствии с которыми корректирует принимаемый сигнал.
Стоит особо отметить, что метод, предложенный в [69], при использовании сигналов с расширенным спектром может быть так же применен и в случае попадания мощной помехи в полосу полезного сигнала. В таком случае сама помеха устраняется при сжатии спектра передаваемого сообщения в приемнике, нелинейные искажения устраняются с помощью метода амплитудно-фазовой компенсации.
Описанный в [69] метод был использован в качестве основного в ходе выполнения работы. Этот метод нуждается в дополнительном исследовании, так как он не прошел экспериментальной проверки. Кроме того, возможно дальнейшее совершенствование метода, поскольку он учитывает не все особенности работы в нелинейном режиме перегруженного мощной помехой входного каскада РПУ. Предложенный способ применим к цифровым системам связи. В то же время, интересным направлением помехоустойчивости ИИС является разработка способов защиты от мощных помех других радиоприемных устройств, например, радиометров и интерферометров.
Целью работы является повышение устойчивости РПУ к воздействию мощной внеполосной помехи.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
1. Проведение компьютерного моделирования и оценки эффективности применения метода амплитудно-фазовой компенсации перекрестных искажений в приемнике цифровой системы связи.
2. Создание лабораторного макета цифровой системы связи, приемник которой
реализует исследуемый метод. Проведение с помощью созданного макета
экспериментального исследования эффективности применения метода
амплитудно-фазовой компенсации перекрестных искажений в приемнике
12
цифровой системы связи. Разработка модернизированного метода амплитудно-фазовой компенсации перекрестных искажений.
3. Проведение анализа нелинейных искажений, возникающих в приемниках слабых шумовых сигналов (корреляционном приемнике и модуляционном радиометре) при воздействии мощной внеполосной помехи на вход устройств. Разработка принципов построения приемников слабых шумовых сигналов (радиометров и интерферометра), включающих в себя систему амплитуднофазовой компенсации перекрестных искажений.
4. Разработка и создание цифрового корреляционного приемника, предназначенного для применения в составе комплекса измерения параметров антенн. С помощью созданного приемника проведение экспериментального исследования эффективности применения метода амплитудно-фазовой компенсации перекрестных искажений в корреляционном интерферометре.
Методы исследования Для решения поставленных задач используются методы спектрального анализа, цифровой обработки сигналов, теоретической радиотехники, математическое и имитационное компьютерное моделирование с использованием программ, разработанных автором.
Научная новизна работы:
1. Экспериментально подтверждена эффективность применения метода амплитудно-фазовой компенсации перекрестных искажений в приемнике цифровой системы связи.
2. Усовершенствован метод амплитудно-фазовой компенсации перекрестных искажений, к существующей структуре добавлен канал оценки частоты помехи на входе усилителя.
3. Проведен анализ нелинейных искажений, возникающих в в корреляционном приемнике и модуляционном радиометре при воздействии мощной внеполосной помехи на вход устройств. Разработан принцип построения
- Київ+380960830922