ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

Кундюков Сергій Григорович

УДК 621.396

УДОСКОНАЛЕННЯ ФАЗОВОГО РАДІОМЕТЕОРНОГО МЕТОДУ СИНХРОНІЗАЦІЇ МІР ЧАСУ І ЧАСТОТИ

Спеціальність 05.12.17 – радіотехнічні і телевізійні системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття ученого ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2002

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному університеті радіоелектроніки (ХНУРЕ)

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Коваль Юрій Олександрович Харківський національний університет радіоелектроніки, професор кафедри основ радіотехніки.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент Величко Анатолій Федорович, Інститут радіофізики й електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України (м. Харків), завідувач відділом,

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, заслужений винахідник України Рондін Юрій Петрович, професор кафедри Харківського військового університету МОУ.

Провідна установа: Національний аерокосмічний університет ім. М. Е. Жуковського (ХАІ), кафедра авіаційно-космічних радіотехнічних систем Міністерства освіти і науки України (м. Харків).

Захист відбудеться “ 5 ” липня 2002 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.052.03 при Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, ін. Леніна, 14, ауд. 13.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, ін. Леніна, 14.

Автореферат розісланий “ 4 ” 06 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Чурюмов Г. І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми обумовлена безупинним ростом вимог до точності синхронізації територіально рознесених мір (зокрема – еталонів) часу і частоти у відомих і нових системах, робота яких побудована на застосуванні високоточних частотно-часових методів. Прикладами можуть служити системи координатно-часового забезпечення, радіоастрономії, радіолокації, цифрового синхронного зв'язку. Фундаментом високоточних частотно-часових методів є досягнення фізики, астрономії, метрології часу і частоти. Високі темпи вдосконалювання еталонів часу і частоти, відносна нестабільність яких у даний час складає 10- 13...10- 14, а в перспективі – 10- 15...10- 16, визначають актуальність задачі підвищення точності синхронізації.

Усі методи синхронізації мір часу і частоти, за винятком методу перевізного квантового годинника (ПКГ), ґрунтуються на передачі інформації про шкали часу по радіоканалах. У даний час найбільш високу точність синхронізації забезпечують: ПКГ, радіометеорний метод синхронізації (РМС), супутникові радіонавігаційні системи (СРНС) і супутниковий зв'язок.

РМС займає особливе місце і є пріоритетним для України, з огляду на результати багаторічних досліджень і розробок, що почалися в Харкові під керівництвом проф. Кащеєва Б. Л. Роботи з удосконалення РМС набули особливої актуальності після проголошення Україною незалежності, оскільки цей метод є автономним, що не залежить від працездатності й доступу до закордонних систем. Україна не має у своєму розпорядженні власних СРНС, зв'язкових ШСЗ і підприємств, що виробляють ПКГ. Тому РМС залишився в Україні єдиним власним високоточним методом синхронізації мір часу і частоти як у межах країни, так і з мірами інших країн. Питання розвитку РМС включені в Національну космічну програму України (НКПУ) і Державну програму створення і розвитку Державної служби єдиного часу й еталонних частот. При впровадженні РМС інтереси Держстандарту представляв Харківський державний НДІ метрології (ХДНДІМ).

До середини 80-х років було вирішене широке коло теоретичних і практичних задач, пов'язаних із РМС. Однак, як у теоретичних дослідженнях, так і в розробленій апаратурі (експериментальні зразки МЕТКА-1...МЕТКА-8 і промислова апаратура 17-Н-91) використовувалися тільки обвідні радіосигналів. Це істотно обмежувало потенційну точність синхронізації, оскільки смуга радіометеорного каналу обмежується одиницями мегагерц. Тому наприкінці 80-х років почав розвиватися фазовий радіометеорний метод синхронізації (ФРМС). За прогнозами ФРМС мав забезпечити істотно більш високу точність. Відомим недоліком фазових вимірів є їхня неоднозначність.

Реалізація апаратури, побудованої на ФРМС, стала принципово можливою після перших експериментальних оцінок короткочасної нестабільності затримок сигналів при метеорному поширенні радіохвиль (МПРХ). Основними результатами перших робіт з ФРМС стали створення і дослідження макетів ФАЗА (ХНУРЕ), а також розробка другого покоління промислової апаратури 17-Н-830 (Російський інститут радіонавігації і часу – РІРЧ). Однак деякі теоретичні і практичні задачі, пов'язані з ФРМС, не були вирішені. Тому перші зразки фазових радіометеорних систем синхронізації (РМСС) не знайшли практичного застосування, оскільки похибки (у першу чергу апаратурні систематичні похибки – АСП) виявилися істотно більшими прогнозованих.

Відсутність комплексного аналізу джерел похибок ФРМС стала причиною того, що в перших зразках фазових РМСС не враховувалися необоротності затримок сигналів в АФП. При виборі основних технічних рішень не враховувалися втрати у виявленні сигналів і точності фазових вимірів у реальних пристроях (обмежники, цифрові пристрої обробки і вимірів параметрів сигналів). Недостатня увага в перших роботах по ФРМС приділялась розробці та застосуванню допоміжних пристроїв для оцінки похибок (зокрема АСП) і тестування фазових РМСС. Усе це не дозволяло дотепер повною мірою реалізувати потенціал ФРМС. Оскільки ФРМС продовжує залишатися одним з найбільш перспективних напрямків розвитку РМС, тема цієї роботи, пов'язана з удосконаленням ФРМС, є актуальною.

Дисертаційна робота пов'язана з дослідженнями, що виконуються в ХНУРЕ:

·

· НДДКР № 97-23. Розробка пристроїв апаратно-програмних методів системи захисту космічної інформації і способів радіометеорної синхронізації (шифр “Управление – ХТУРЭ”). Робота виконувалася по держконтракту з НДІРВ відповідно до НКПУ.

· НДР № 440. Розробка принципів побудови багатофункціональних радіометеорних комплексів. Алгоритмічне і програмне забезпечення функціонування; обґрунтування основних параметрів апаратури за допомогою математичного моделювання. № ДР 0198U004443. Робота виконувалася відповідно до наказу ректора ХНУРЕ № 01 кн від 5.01.98 р.

· НДР № 116. Розвиток теорії і розробка нових принципів побудови перспективних інформаційних і енергетичних радіоелектронних систем. Робота виконується відповідно до наказу ректора ХНУРЕ № 02 кн від 6.01.2000 р.

Метою дослідження є зниження похибок синхронізації мір часу і частоти з застосуванням фазової радіометеорної апаратури за рахунок: застосування нових принципів виміру і компенсації АСП; вибору основних технічних рішень апаратури з урахуванням параметрів МПРХ і погіршення в порівнянні з потенційними показників виявлення і виміру параметрів сигналів у реальних пристроях обробки; використання оригінальних пристроїв тестування.

Задачами дослідження є:

1) комплексний аналіз основних джерел похибок ФРМС з оцінкою рівня й інтервалів кореляції;

2) експериментальні дослідження і теоретичний аналіз необоротності затримок сигналів в АФП РМСС і їхнього впливу на АСП;

3) розробка нових принципів виміру і компенсації АСП;

4) оцінка статистичних характеристик короткочасної фазової нестабільності затримки сигналів у метеорному радіоканалі;

5) моделювання реальних пристроїв обробки і виміру параметрів сигналів у фазовій радіометеорній апаратурі синхронізації з метою оцінки втрат показників виявлення і виміру;

6) вибір основних технічних рішень, розробка й випробування макетів фазових РМСС, включаючи пристрої для виміру АСП, тестування апаратури;

7) аналіз додаткових, крім метрології часу і частоти, галузей використання РМСС – для передачі інформації і синхронізації частот опорних генераторів у цифрових системах зв'язку.

Об'єкт дослідження: радіометеорний метод синхронізації та його поки цілком не реалізований перспективний напрямок розвитку – фазовий радіометеорний метод синхронізації мір часу і частоти.

Предмет дослідження: джерела похибок фазового радіометеорного методу синхронізації і шляхи їх урахування, зниження чи компенсації.

У дисертації застосовано: метод теоретичного аналізу; статистичні методи обробки результатів вимірів; метод імітаційного моделювання; евристичний метод і метод експериментальних досліджень.

Наукову новизну мають:

1) удосконалена узагальнена модель ФРМС, у якій розширене коло реальних джерел похибок ФРМС, що підлягають урахуванню, виміру чи компенсації;

2) подальший розвиток питань, пов'язаних з оцінками впливу корельованих адитивних і мультиплікативних перешкод, викликаних МПРХ, і обліком кореляційних зв'язків джерел похибок;

3) новий дзеркально-ретрансляційний алгоритм синхронізації, що дозволив розробити оригінальні спосіб і пристрій для виміру АСП;

4) обґрунтування нового джерела АСП, обумовленого необоротністю затримок обвідних і фаз сигналів в АФП РМСС, та результати його експериментального і теоретичного дослідження;

5) подальше уточнення кількісних оцінок короткочасної фазової нестабільності затримок сигналів при МПРХ, отриманих із застосуванням розробленої апаратури МЕТКА-11;

6) результати імітаційного моделювання на ЕОМ процесів обробки сигналів у реальних пристроях фазових РМСС, що дозволили дати кількісні оцінки залежності точності вимірів і показників виявлення та розрізнення сигналів від параметрів смугового обмежника, а також установити залежність АСП від смуги і порядку фільтра, що обмежує спектр сигналу перед його дискретизацією.

Практичне значення мають:

1) результати розробки й випробувань макетів апаратури МЕТКА-11;

2) результати налагодження, випробувань і тестування макетів МЕТКА-6, МЕТКА-11 і промислової апаратури 17-Н-830 з використанням розроблених цифрових імітаторів метеорного радіоканалу синхронізації;

3) новий спосіб і пристрій для обробки сигналів при вимірі зсуву шкал, захищені патентом, що дозволяють враховувати повну АСП фазових РМСС;

4) пропозиції по застосуванню фазових РМСС для передачі інформації, синхронізації частот опорних генераторів у цифрових системах зв'язку України.

Основні результати дисертації опубліковані в роботах [1-9] у співавторстві. Особистий внесок здобувача в комплексний аналіз джерел похибок ФРМС [1, 9] полягає в пропозиції включити до моделі ФРМС пристроїв формування, прийому й обробки сигналів. Крім того, здобувачем оцінений вплив мультиплікативних перешкод, викликаних багатопроменевістю МПРХ, на похибки синхронізації і проведений аналіз кореляційних зв'язків між рівнем сигналів, випадковими похибками й АСП. При розробці дзеркально-ретрансляційного алгоритму здобувачем розроблена структурна схема цифрового пристрою для реалізації цього алгоритму.

У циклі експериментальних і теоретичних досліджень незворотності затримок сигналів в АФП РМСС [1,8] здобувач розробив моделі, склав програми і виконав моделювання процесів проходження сигналів через розузгоджені АФП.

Особистий внесок здобувача в дослідження параметрів короткочасної фазової нестабільності затримки сигналів при МПРХ [4] полягає в попередньому аналізі й остаточній статистичній обробці результатів вимірів, отриманих у режимі нульової бази з макетами МЕТКА-11.

Особистий внесок здобувача в проведення теоретичного аналізу і моделювання основних показників виявлення і виміру для найбільш застосовних для фазових РМСС сигналів з урахуванням реальних принципів побудови систем [5] полягає в розробці програми й інтерпретації результатів моделювання.

При розробці нового способу і пристрою для обробки сигналів у фазових РМСС [7] здобувач запропонував структурну схему і виконав макетування пристрою.

Розробка й випробування макетів фазових РМСС МЕТКА-11 [1, 2] і цифрових імітаторів метеорного радіоканалу [9] виконувалися при особистій участі здобувача. Ним розроблені структурна схема й алгоритми роботи апаратури, технічні завдання на основні пристрої, а також окремі пристрої (пристрій цифрової обробки сигналів, пристрій пілотування АСП, формувач стробів, пристрій сполучення з ЕОМ, АЦП, ЦАП).

Особистий внесок здобувача в аналіз можливостей застосування фазових РМСС для передачі інформації і синхронізації частот опорних генераторів у цифрових системах зв'язку [3] полягає в одержанні оцінок середньої швидкості передачі інформації при використанні фазових РМСС і виконанні порівняльного аналізу оперативності синхронізації ФРМС і СРНС GPS.

Робота [6], у якій здобувач освітив підсумки розвитку і перспективи ФРМС, має науково-історичний характер.

Апробація результатів дисертації проведена на міжнародних конференціях [11-16] і 23-му Європейському форумі по часу і частоті [17, 18].

Публікації по темі дисертації: 6 статей у реферованих журналах “Вимірювальна техніка”, “Радіоелектроніка й інформатика” (ХНУРЕ), “Радіотехніка” (ХНУРЕ), “Зв'язок”; один патент України; 3 статті в не реферованих виданнях (2 статті депоновані в ДНТБ України, 1 стаття опублікована у всеукраїнському інформаційному тижневику “Діловий кур'єр ЗВ'ЯЗОК”); 8 тез і матеріалів доповідей; 3 науково-технічних звіти.

Структура й обсяг дисертації. Робота складається з вступу, 4-х розділів, висновків, списку використаної літератури і додатка. Загальний обсяг дисертації складає 194 сторінки, у тому числі 69 ілюстрацій і 14 таблиць, розміщених безпосередньо в тексті. Список використаних джерел містить 120 назв бібліографічних джерел. У додатку подані документи про впровадження результатів роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

Основний зміст дисертації викладений у чотирьох розділах.

У першому розділі сформульована задача виміру зсуву шкал територіально рознесених еталонів часу в загальному випадку й у випадку фазових вимірів. Розглянуто основні методи синхронізації з урахуванням сучасного стану і перспектив частотно-часового забезпечення в Україні. Більш докладно виконаний огляд сучасного стану РМС [6].

В основі РМС лежать висока стабільність і оборотність затримки сигналів при метеорному поширенні радіохвиль. Не поступаючись іншим методам по точності, РМС перевершує їх за такими показниками, як продуктивність вимірів, автономність (відсутність залежності від працездатності й доступу до закордонних систем), оперативність, економічність, потайність, стійкість до іоносферних збурень. До недоліків РМС варто віднести те, що цей метод є активним, тобто вимагає випромінювання радіосигналів в обох пунктах. Однак цей недолік може бути практично усунутий для одного з пунктів, якщо із застосувати в цьому пункті, так званий режим роботи з чеканням.

На перших етапах роботи по РМС виконувались в наступних напрямках:

1) теоретичні й експериментальні дослідження можливостей підвищення точності РМС (дослідження характеристик метеорного радіоканалу, аналіз і синтез алгоритмів порівняння, пошук шляхів зниження сигнальних і апаратурних похибок, удосконалення методик обробки результатів вимірів);

2) розробка, виготовлення і впровадження зразків апаратури для порівняння шкал еталонів часу і частоти Держстандарту (табл. 1);

3) розробка, виготовлення й випробування макетів апаратури в рамках ДКР (див. табл. 1).

У розробленій апаратурі застосовувалося три алгоритми синхронізації: зустрічний алгоритм (ЗА), ретрансляційний алгоритм (РА) і опорно-ретрансляційний алгоритм (ОРА).

Аналіз сучасного стану РМС показує, що можливості методу далеко не вичерпані. Це стосується не тільки точності синхронізації, але і перешкодозахищеності, скритності, додаткових функціональним можливостей.

Для реалізації відомих переваг ФРМС (можливість високоточного формування сигналів і гетеродинів по сигналах еталонів; простота і висока точність пристроїв для оцінки часового положення сигналів по фазі; симетрія вимірювального сигналу, що має гармонійну форму) потрібно, перш за все, експериментально оцінити короткочасну фазову нестабільність затримки сигналів при МПРХ і розробити принципи побудови фазових РМСС. З цією метою в ХНУРЕ у період 1985-90 р. були розроблені і випробувані макети апаратури ФАЗА (табл. 1).

При дослідженні затримок сигналів при МПРХ основна увага була звернена на нестабільність, оцінювану швидкістю зміни затримки сигналів (tР – час затримки сигналів при МПРХ). Для одержання оцінок Vt були використані фазові виміри на несучих частотах апаратури ФАЗА. Вибіркові середні значення для ЅVtЅ склали у режимі нульової бази (2,5...3)Ч10–7, а на трасі – (0,5...1) Ч10–7. Недоліками цих досліджень є порівняно великий розкид результатів вимірів і через це складність одержання оцінок статистичних характеристик для .

Таблиця 1

Основні характеристики зразків РМСС

Тип апаратури МЕТКА-1 МЕТКА-5, 6, 6М,-7 МЕТКА-4, 4М ФАЗА

Алгоритм РА ОРА ОРА + ЗА

Вид сигналу Код (6 імпульсів) Код (16 імпульсів) ЛЧМС ФМС + ДЧС

Тривалість сигналу, мкс 5 2 4x50 26 (ФМС) 500 (ДЧС)

Імпульсна потужність, кВт 50 20...40 40 (МЕТКА-4) 3 (МЕТКА-4М) 10

Ширина спектра, МГц 0,4 1 2,5 1

СКП, нс 300 20...30 10 100 (ФМС), 10 (ДЧС), 1 (j0)

Використання МО; ОКР 17-Н-91 ДСЧЧ України і Росії Варіанти ОКР ОКР 17-Н-830

Позначення: ЛЧМС – сигнал з лінійною частотною модуляцією; ФМС – фазоманіпульований сигнал; ДЧС – двочастотний сигнал; СКП – середньоквадратична похибка; j0 – фаза несучої частоти.

У зв'язку зі стислими строками виконання і згортанням робіт через розпад СРСР не знайшли практичного застосування як макети ФАЗА, так і РМСС 17-Н-830, що у 1997-1998 р. пройшла у Росії тільки автономні випробування і не була прийнята в експлуатацію. Основна причина цього полягала в невирішеності ряду теоретичних і практичних задач, що визначають реалізацію ФРМС:

1) комплексний аналіз джерел і шляхів зниження похибок ФРМС;

2) оцінка якості виявлення і потенційної точності виміру часового положення найбільш застосовних для фазових РМСС сигналів з урахуванням реальних принципів побудови апаратури;

3) аналіз складових апаратурних систематичних похибок (АСП), викликаних необоротністю затримок сигналів в АФП;

4) розробка алгоритмів і пристроїв для виміру АСП у фазових РМСС.

Наведений перелік невирішених задач і актуальність для України продовження робіт з розвитку ФРМС дозволили обґрунтувати мету і сформулювати постановку задач дисертації.

Другий розділ присвячений теоретичному аналізу джерел похибок ФРМС і розробці пропозицій щодо їхнього зниження. Виконано класифікацію джерел похибок ФРМС для основних алгоритмів синхронізації (ЗА, РА й ОРА). У результаті аналізу запропоновано удосконалену узагальнену модель ФРМС (рис. 1), у якій враховані необоротності фазових затримок у спільних трактах апаратури, включені пристрої формування, прийому й обробки сигналів.

Оцінки фазового зсуву шкал відповідно до запропонованої моделі можуть бути отримані в матричній формі у вигляді

,

де – матриця-рядок оцінок фазового зсуву шкал; – функціональна матриця коефіцієнтів і параметрів алгоритму; , ; ; ; – матриці вимірюваних інтервалів часу, істинного зсуву шкал, затримок сигналів при МПРХ, похибок від перешкод, апаратурних затримок відповідно.

Проведений аналіз результатів відомих досліджень короткочасної фазової нестабільності Vф (1…7)·10–7 і невзаємності ДВЗ < 1 нс затримок сигналів при МПРХ, хоча в основному і підтверджує можливість реалізації ФРМС, однак вказує на необхідність подальших досліджень фазової нестабільності для більш повного статистичного опису параметрів нестабільності, визначення законів їхнього розподілу і числових характеристик.

Показано, що найбільш доцільними для ФРМС є когерентні дискретні складені частотні сигнали (КДСЧС), що відрізняються високою потенційною точністю, порівняльною простотою реалізації пристроїв формування й обробки, можливостями усунення неоднозначності фазових вимірів і передачі інформації. Отримано теоретичні оцінки потенційної точності виміру часового положення КДСЧС.

Проаналізовано похибки ФРМС, спричинені адитивними корельованими перешкодами від багатопроменевості МПРХ і мультиплікативними перешкодами від зміни згасання сигналу протягом метеорного сеансу. Для порівняння похибок за рахунок багатопроменевості з похибками, обумовленими білим шумом, введений безрозмірний коефіцієнт. Показано, що енергетично порівняна з білим шумом корельована перешкода викликає в найбільш несприятливому випадку погіршення похибки на 3 дб менше, ніж білий шум.

Аналіз особливостей реалізації алгоритмів стосовно до ФРМС показує, що найбільшу точність (за рахунок практичного усунення впливу нестабільності затримки сигналів протягом метеорних сеансів) забезпечує ЗА. Запропоновано алгоритм синхронізації, заснований на дзеркальній ретрансляції сигналів (ДРС), і розглянуто можливості його застосування у ФРМС.

Виконано аналіз АСП у фазових РМСС. Вперше встановлено, а також експериментально (рис. 2) і теоретично (рис. 3) досліджено нове джерело АСП, яке обумовлене необоротністю затримок обвідних і фаз сигналів в АФП РМСС. Для оцінки цього виду АСП уведене поняття аномальної затримки фА = фР – фК (фР – реально обмірювана затримка сигналу; фК = l/vФ – розраховане значення затримки в кабелі). При моделюванні використані відносні безрозмірні затримки і ( – тривалість сигналу) і параметр розузгодженості АФП – Z'.

Необоротності затримок сигналів в АФП практично не переборні, оскільки викликані розходженням в режимах узгодження АФП при їх роботі на випромінювання і прийом сигналів. АСП залежить від рівня прийнятих сигналів, виконання апаратури й умов експлуатації і не піддається усередненню. Для зниження АСП ФРМС запропоновано використовувати калібрування апаратурних затримок із застосуванням імітаторів, відповідну корекцію результатів вимірів, обмеження сигналу при прийомі.

Для виміру повної АСП, включаючи необоротні складові затримок в АФП, запропонований принцип (рис. 4), який ґрунтується на застосуванні ДРС і вимірювальної антени (ВА).

У третьому розділі подано обґрунтування принципів побудови фазових РМСС і наведені результати моделювання пристроїв цифрової обробки і виміру часового положення сигналів.

Розроблено рекомендації з вибору основних технічних рішень фазових РМСС, включаючи склад і структуру пристроїв цифрової обробки і виміру часового положення сигналів. Обґрунтовані переваги зустрічного алгоритму синхронізації в сполученні з ДРС для компенсації повної АСП. Для синхронізації пропонується варіант КДСЧС у вигляді двочастотного сигналу (ДЧС), а для виявлення метеорного сеансу зв'язку, усунення неоднозначності вимірів і обміну вимірювальною інформацією – фазоманіпульовані сигнали (ФМС). Як при формуванні, так і при прийомі для ДЧС і ФМС можуть бути використані спільні пристрої. Використання цифрових пристроїв при формуванні, обробці і вимірі часового положення сигналів дозволяє забезпечити високу стабільність апаратурних затримок. Амплітудне обмеження зменшує динамічний діапазон і спрощує обробку сигналів при виявленні й розрізненні без істотного зниження показників.

Розроблено структуру моделі та проведено моделювання роботи пристроїв обробки сигналів у фазовій РМСС. Основну увагу при моделюванні звернено на показники виявлення, розрізнення по коду і фазі та виміру часового положення сигналів, а також на порівняння цих показників з теоретичними оцінками.

У ході моделювання досліджувалися дві складові похибки оцінки часового положення ДЧС. Це похибка від перешкод, обумовлена кінцевим відношенням сигнал/шум, і похибка, що виникає в результаті дискретизації реальних процесів, спектр яких обмежується фільтрами з кінцевим придушенням за межами смуги пропускання.

Моделювання похибок від перешкод (оцінюваних величиною СКВ з обмеженням і без нього – уt/огр і уt) показало, що при малих відносинах сигнал/шум (qвх < 1) спостерігається зменшення уt / уt/огр , що відповідає теоретичному зменшенню qогр / qвх . Однак при qвх > 1 ріст уt / уt/огр припиняється, незважаючи на те, що qогр / qвх повинне зростати. Це можна пояснити тим, що збільшення qогр відбувається за рахунок придушення в обмежнику складової вхідного шуму, синфазної з сигналом, а ця складова шуму не впливає на оцінку фази сигналу.

Оцінено залежність систематичної похибки виміру часового положення ДЧС від смуги пропускання і порядку фільтра n, що обмежує спектр процесу перед дискретизацією. Як смуговий фільтр застосований фільтр Баттерворта з межами зміни n від 2 до 8. Моделювання проводилося для декількох значень частоти дискретизації fД : 4f12 , 8f12 , 16f12 . Збільшення fД дозволяє розширити смугу пропускання і зменшити порядок аналогових фільтрів, а отже і підвищити їхню стабільність на частотах f1 і f2.

У результаті моделювання отримані залежності ймовірностей правильного виявлення PПО і помилкової тривоги PЛТ від нормованого порога, які були використані для розрахунку характеристик виявлення. Це дозволило оцінити програш у величині PПО за рахунок застосування амплітудного обмеження і квазіоптимальної обробки ФМС. При відсутності амплітудного обмеження програш невеликий. Такий програш приведе лише до незначного зменшення чисельності звірень і його можна вважати прийнятним для ФРМС. Однак застосування глибокого амплітудного обмеження приводить до істотного погіршення характеристик виявлення, причому програш зростає зі збільшенням qвх . Це можна пояснити тим, що потужність процесу на виході обмежника приблизно однакова як при відсутності, так і при наявності сигналу, і майже не зростає при збільшенні співвідношення сигнал/шум. Можна сполучити переваги амплітудного обмеження при обробці фазових сигналів з відсутністю істотного погіршення характеристик виявлення, якщо встановити рівень обмеження в інтервалі .

Моделювалися процеси розрізнення по коду і початковій фазі інформаційних сигналів у вигляді набору з тринадцяти 13-позиційних ФМС, взаємно ортогональних на інтервалі часу існування сигналу. Отримані залежності ймовірності помилки розрізнення PОР від співвідношення сигнал/шум q при різних параметрах амплітудного обмеження та розраховані теоретичні залежності наведено на рис. 5 і рис. 6. Порівняння результатів імітаційного моделювання з теоретичними даними підтверджує ефективність пропонованого алгоритму обробки при розрізненні інформаційних ФМС. Результати, що отримано без амплітудного обмеження і з обмеженням на рівні 1,5уш (уш – СКВ шуму), практично збігаються. Глибоке обмеження приводить до деякого збільшення ймовірності помилки розрізнення.

Практичний інтерес для оцінки значимості розглянутого виду помилки для ФРМС становить умовна ймовірність помилки розрізнення по фазі за умови правильного розрізнення ФМС по коду. За отриманими при моделюванні даними ця імовірність незрівнянно менша, ніж імовірність помилки розрізнення по коду. Отже, повна імовірність помилки демодуляції інформаційної посилки визначається тільки ймовірністю помилки розрізнення по коду.

У четвертому розділі наведено результати експериментальної перевірки принципів побудови фазових РМСС. Описано принципи побудови і результати випробувань макетів фазової апаратури МЕТКА-11 і пристроїв для налагодження і тестування РМСС. У розділі також зроблені оцінки додаткових можливостей використання апаратури МЕТКА-11 для передачі інформації і синхронізації частот опорних генераторів у цифрових системах зв'язку.

Основні особливості технічної реалізації апаратури МЕТКА-11 (табл. 2): застосування цифрової обробки при виявленні сигналів, вимірі їхнього часового положення, розрізненні інформаційних сигналів; використання синтезаторів частоти з ФАПЧ по сигналах еталонів; використання ЕОМ для керування роботою комплексу й обробки інформації; розподіл операцій цифрової обробки сигналів між апаратним спецпроцесором на мікросхемах середнього рівня інтеграції й універсальною ЕОМ; застосування широкосмугового цифрового пристрою пілотування з дзеркальною ретрансляцією сигналів і вимірювальної антени для компенсації АСП.

Таблиця 2

Технічні характеристики макетів апаратури МЕТКА-11

Характеристики МЕТКА-11

Алгоритм синхронізації ЗА

Несуча частота, МГц 45,5

Рознос частот ДЧС, МГц 0,2

Імпульсна потужність – PИ, квт 2...4…4

Вид сигналу ДЧС і 13-ти позиційний ФМС

Тривалість імпульсу - , мкс ФМ сигнал – 13x10 ДЧС – 256x5

Період зондування, мс 20

Дискретність результатів вимірів, нс по ФМС – 1250 по обвідній ДЧС – 1 по фазі несучої – 0,1

Інтервал неоднозначності вимірів, нс по обвідній ДЧС – 5000 по фазі несучої – 22

Похибка, нс ~ 1 (по фазі несучої)

Додаткові функції вимір t1, одночасна робота в мережі до 22 пунктів, адресний обмін інформацією

Середня швидкість передачі інформації, бод 100...…150

Комплекс апаратури МЕТКА-11 розроблений для використання в складі мережі, що включає від 2 до 22 пунктів. Між будь-якими двома пунктами мережі виконується обмін сигналами в одному з режимів: точний вимір зсуву шкал (звірення), входження в синхронізм, передача інформації. Для роботи в режимі звірення необхідно, щоб звірювані шкали були попередньо зведені. При наявності великої початкової розбіжності шкал включається режим входження в синхронізм.

В очікуванні метеорного сеансу (“метеора”) на початку кожного періоду випромінюється зондувальний сигнал (рис. 8а) у двох (рис. 7а) чи одному (рис. 7б) пунктах. При входженні в зв'язок визначається часове положення і початкова фаза прийнятого сигналу й аналізується прийнята службова інформація. Якщо обидва пункти працюють у режимі звірення, вони випромінюють відповідь зі зсувом 6,8 мс відносно початку періоду зондування. Відповідь являє собою посилку з 8 інформаційних сигналів (рис. 8б). При успішному прийомі відповіді з наступного періоду зондування починається точне звірення. При цьому протягом кожного періоду випромінюється два імпульси ДЧС (рис. 8в) і одна інформаційна посилка, що містить результати виміру t1 по різниці фаз і фазі несучої (рис. 8г), необхідні для реалізації ЗА.

Пункт, що працює в режимі з чеканням починає випромінювати сигнали тільки після виявлення “зонда” іншого пункту (рис 7б). Точний вимір зсуву шкал продовжується до закінчення метеорного сеансу. Рішення про закінчення сеансу приймається при відсутності прийому сигналів протягом п'яти періодів зондування.

Колективом ПНДЛ радіотехніки ХНУРЕ виготовлені два експериментальні макети МЕТКА-11. Участь автора в розробці апаратури відбито в загальній характеристиці роботи.

Для рішення задач діагностики РМСС і дослідження їх АСП розроблені цифрові імітатори метеорного радіоканалу синхронізації (ІМКС) і пристрій виміру АСП макетів МЕТКА-11. ІМКС можуть працювати як у режимі затримки сигналів, так і в режимі ДРС.

Перший варіант цифрового ІМКС розроблено для промислової фазової РМСС 17-Н-830 і впроваджено у РІРЧ. Цей ІМКС працює тільки в режимі затримки і має наступні технічні параметри: смуга робочих частот при нелінійності ФЧХ не більш 0,4° і нерівномірності АЧХ не більш 3 дб – 56,5....58,5 Мгц; межі регулювання затримки – 736-3686 нс; дискретність зміни затримки – 10 нс; частота дискретизації – 11,11 Мгц.

Другий варіант ІМКС розроблений для налагодження макетів МЕТКА-6 і МЕТКА-8 та дослідження їх АСП. Він має такий же діапазон робочих частот, як і ІМКС для 17-Н-830, і близьке значення частоти дискретизації. Цей варіант ІМКС працює як у режимі затримки сигналу, так і в режимі ДРС. Введено додатковий режим затримки, в якому, як і при ДРС, прийом і перевипромінювання сигналу розділені в часі. Перевагою такого режиму є можливість регулювати час початку зчитування даних, збережених при прийомі “зонда”, а отже розміщати ретрансльований сигнал у будь-якому місці в межах періоду зондування. Максимальна тривалість сигналу обмежена величиною , що складає 3,4 мс. Цього досить для роботи через ІМКС двох напівкомплектів апаратури звірення, зі зсувом шкал, що забезпечує відсутність перекриття сигналів у часі.

Для налагодження й випробувань макетів апаратури МЕТКА-11 розроблений ІМКС із параметрами: робочий діапазон частот 45...46 Мгц, частота дискретизації 9,6 Мгц, частота заповнення радіоімпульсів при відновленні сигналів 48 Мгц, тактова частота 96 Мгц.

Для макета апаратури МЕТКА-11 розроблений пристрій пілотування, що дозволяє реалізувати запатентований спосіб обробки сигналів при звіренні (з виміром АСП на основі ДРС). На відміну від ІМКС, цей пристрій є невід'ємною складовою частиною апаратури синхронізації. Вимір АСП виконується в перервах між метеорними сеансами, щоб не створювати завад для прийому робочих сигналів. Вимір АСП виконується тільки для ДЧС.

Експериментальні дослідження апаратури МЕТКА-11 дозволили оцінити складові похибок синхронізації і статистичні характеристики фазової нестабільності затримки сигналів у метеорному радіоканалі. Для цього використано отриманий у режимі нульової бази показний обсяг експериментальних даних, що складаються з 1071 вимірів (142 метеорних сеанси).

Для одержання статистичних характеристик фазової нестабільності метеорного радіоканалу виконаний регресійний аналіз результатів одиничних вимірів затримки прийнятого сигналу фрі для моделей першого і другого порядків: фрі=b0 + b1·iT і фрі=b0 + b1·iT + b2·(iT)2 (i – номер періоду T). Для прикладу, що наведений на рис. 9, модель першого порядку пояснює розкид даних на 96,2 %, а модель другого порядку – на 99.8 %. При цьому розрахункові значення F - критерію істотно перевищують табличні значення. Це дозволяє зробити висновок, що прийняті моделі адекватні.

Вибіркове СКВ залишків для моделі першого порядку майже в чотири рази перевершує відповідну статистику моделі другого порядку, що свідчить на користь моделі другого порядку. Однак істотно менший внесок квадратичної складовий – 0,09 нс у зміну часу затримки за період вимірів у порівнянні з внеском лінійного компонента моделі першого порядку – 1,074 нс дозволяє зупинитися на моделі першого порядку.

Гістограми розподілів коефіцієнтів регресійних моделей, вибіркових СКВ залишків і квадрата коефіцієнта кореляції для моделей першого порядку наведені на рис. 10 (NУ – число оброблених метеорних сеансів). Вид розподілу коефіцієнта b1 з урахуванням знака дозволяє зробити висновок про те, що величина похибки синхронізації, обумовлена нестабільністю каналу, може бути зменшена за рахунок усереднення результатів вимірів зсуву шкал.

Оскільки середня нестабільність часу затримки сигналу на протяжній трасі завжди нижче аналогічної величини в режимі нульової бази, то можна зробити висновок, що отримані результати дослідження будуть відповідати граничним значенням трасової похибки.

Для експериментальної перевірки розроблених принципів побудови фазових РМСС і теоретичних висновків про величину похибки виміру зсуву шкал проведено два сеанси вимірів з використанням двох напівкомплектів апаратури МЕТКА-11, розташованих в одному пункті і працюючих один на одного через метеорний радіоканал (режим нульової бази). Оскільки обидва напівкомплекти використовували спільну шкалу часу, формовану стандартом частоти Ч1-74, вимірюваний зсув шкал апріорно відомий і дорівнює нулю. Це дозволяє за результатами вимірів (рис. 11) робити висновки про величину як випадкової складовий похибки, так і про АСП.

Випадкова складова похибки характеризується СКВ результатів одиничних вимірів, що для обох сеансів виявилося менше 1 нс. Варто мати на увазі, що величина випадкової складової може бути зменшена за рахунок нагромадження й усереднення результатів. Для оцінки АСП може бути використана як величина повної похибки звірення для кожного із сеансів (середнє за сеанс), так і різниця результатів звірення в першому і в другому сеансах, що склала 0,13 нс.

При проведенні експериментів особлива увага була приділена перевірці впливу антенно-фідерного тракту на АСП. Для цього перед кожним сеансом заново виконувалося розгортання АФП так, щоб взаємне розташування антен було різним. Крім того, проведені експерименти з оцінки впливу взаємного розташування основної і вимірювальної антен на результати виміру часового положення t1П сигналу, ретрансльованого пристроєм пілотування. При розміщенні ВА приблизно в напрямку випромінювання основної антени на відстані 30…50 м зміна її положення приводила до варіацій результатів виміру АСП у межах 1 нс. Це підтверджує ефективність запропонованого способу компенсації АСП.

Таким чином, отримані експериментальні результати підтверджують працездатність розроблених принципів побудови фазових РМСС і теоретичні висновки про можливість зниження як АСП, так і випадкової складової похибки виміру зсуву шкал до величини порядку 1 нс.

Крім основного застосування радіометеорної апаратури синхронізації в метрології часу і частоти, апаратура може бути використана для передачі між пунктами будь-якої необхідної інформації із середньою пропускною здатністю 400 біт/с у ранковий час і 100 біт/с увечері. Крім цього можливе застосуванням фазових РМСС для синхронізації частот опорних генераторів у цифрових системах зв'язку.

У сучасних системах цифрового зв'язку пред'являються високі вимоги до синхронізації генераторного устаткування вузлів зв'язку. Верхня границя припустимої відносної нестабільності генераторного устаткування вузлів зв'язку складає ( – номінальне значення частоти). Основними перевагами радіометеорного методу для вирішення задачі синхронізації опорних генераторів у цифрових системах зв'язку є: істотно більш висока оперативність РМС і особливо ФРМС; більш кращі економічні показники; автономність методу, оскільки він не залежить від працездатності закордонних систем і можливості доступу до них.

ВИСНОВКИ

У результаті проведених досліджень теоретично обґрунтована й експериментально підтверджена можливість зниження повної похибки фазового радіометеорного методу синхронізації мір часу і частоти до величини 1 нс і менше. Для рішення поставленої задачі виконані теоретичні й експериментальні дослідження й отримані наступні наукові і практичні результати.

1. Виконано комплексний аналіз джерел похибок з використанням удосконаленої узагальненої моделі ФРМС, що враховує необоротність фазових затримок у спільних трактах апаратури, а також включає пристрої формування, прийому й обробки сигналів. Вперше експериментально і теоретично досліджене нове джерело АСП, обумовлене необоротністю затримок обвідних і фаз сигналів в АФП РМСС. Як показали ці дослідження, необоротність затримок обумовлена розходженнями в режимах узгодження АФП при їхній роботі на прийом і випромінювання сигналів. У результаті аналізу алгоритмічних похибок запропонований новий дзеркально-ретрансляційний алгоритм, який дозволяє реалізувати вимір зсуву шкал у зоні прямої видимості і який став основою для розробки нового способу виміру АСП.

2. Розроблено і запатентовано новий спосіб обробки сигналів для ФРМС, що використовує зустрічний алгоритм для виміру зсуву шкал разом із дзеркально-ретрансляційним алгоритмом і вимірювальною антеною для компенсації АСП, і оригінальний пристрій для його реалізації. Важлива особливість такого алгоритму полягає в тому, що при його застосуванні компенсується АСП напівкомплекту апаратури в цілому, а не виміряються затримки сигналів в окремих блоках. При цьому охоплені пілотуванням усі блоки приймально-передавального напівкомплекту, включаючи формувачі сигналів і антенно-фідерну систему.

3. Обґрунтовано основні технічні параметри апаратури, що реалізує ФРМС. Отримано співвідношення для потенційної точності виміру часового положення когерентних дискретних складених частотних сигналів, проаналізовано вплив корельованих перешкод і зміни рівня сигналу при МПРХ на точність вимірів. Обґрунтовано вибір параметрів пристроїв дискретизації і відновлення сигналів, отримані співвідношення для розрахунків, реалізованих в апаратурі в процесі обробки ДЧС і ФМС при виявленні, розрізненні, вимірі часового положення.

4. В результаті імітаційного моделювання на ЕОМ процесів обробки сигналів у реальних пристроях фазових РМСС підтверджено відомі теоретичні положення про вплив смугового обмежника на виявлення сигналів і отримано нові результати: кількісні оцінки показників виміру часового положення ДЧС по фазах несучої і різницевої частот у залежності від параметрів смугового обмежника; залежність систематичної похибки виміру часового положення ДЧС від смуги пропускання і порядку фільтра, що обмежує спектр сигналу перед його дискретизацією; залежності імовірності помилки розрізнення фазоманіпульованих сигналів (ФМС) по коду і фазі від відношення сигнал/шум і параметрів смугового обмежника.

5. Експериментальні дослідження, виконані з використанням макетів розробленої метеорної апаратури синхронізації МЕТКА-11, підтверджують теоретично обґрунтовану можливість зниження як випадкової, так і систематичної складових похибки виміру зсуву шкал до величини порядку 1 нс . Для налагодження і виміру параметрів декількох поколінь радіометеорних систем, включаючи апаратуру МЕТКА-11, розроблені цифрові імітатори метеорного каналу синхронізації, що працюють як у режимі затримки, так і в режимі дзеркальної ретрансляції сигналів.

6. Результатом досліджень короткочасної фазової нестабільності затримки сигналів при МПРХ стало подальше уточнення кількісних оцінок, отриманих, на відміну від відомих результатів, з урахуванням знака швидкості зміни затримки і з застосуванням більш точної апаратури (МЕТКА-11). Середнє значення модуля швидкості зміни затримки для отриманих експериментальних результатів складає 1,7·10-7.

7. Фазові принципи побудови є найбільш перспективним напрямком удосконалення радіометеорного методу синхронізації. Вони дозволяють забезпечити конкурентноздатність радіометеорного методу в порівнянні із супутниковими (GPS, супутники зв'язку) по точності й оперативності вимірів і незалежність від закордонних систем. Фазова радіометеорна апаратура може бути використана в ДСЧЧ, для синхронізації радіоінтерферометрів з наддовгими базами,