УКРАЇНСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ ЗВ`ЯЗКУ

РУДЕНКО ОЛЕКСАНДР АНДРІЙОВИЧ

УДК 621.396.662.072.

ПІДВИЩЕННЯ ТОЧНОСТІ СИСТЕМ ФАЗОВОГО

АВТОПІДСТРОЮВАННЯ ЗА ДОПОМОГОЮ

РОЗІМКНЕНИХ КОМПЕНСАЦІЙНИХ КАНАЛІВ

ПРИСТРОЇВ ЗВ`ЯЗКУ

05.12.13 – Радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступіня

кандидата технічних наук

Київ – 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Київському інституті зв`язку ім.О.С.Попова

Науковий керівник: – Заслужений діяч науки і техніки України,

доктор технічних наук, професор

СТЕКЛОВ Василь Купріянович, ректор

Київського інституту зв`язку

Офіційні опоненти: – Доктор технічних наук наук,

ПОЧЕРНЯЄВ Віталій Михайлович, начальник кафедри Київського військового інституту управління і зв`язку.

– Кандидат технічних наук,

БІРЮКОВ Микола Леонідович, начальник наукового відділу первинних мереж та обладнання Українського науково-дослідного інституту зв`язку державного комітету зв`язку та інформатизації України (м.Київ)

Провідне підприємство – ВАТ Науково-виробниче пiдприємство “Сатурн”

Міністерства промислової полiтики України (м.Київ).

Захист відбудеться 29 вересня 2000р. о 10 год.
На засіданні Спеціалізованої вченої ради К. 26.849.01 при Українському науково-дослідному інституті зв`язку за адресою: 03110, Київ-110, вул. Солом`янська, 13.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці УНДІЗ.

Автореферат розіслано 23 серпня 2000 року.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої Ради МИХАЙЛОВ В.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Вирішення задач, спрямованих на підвищення ефективності використання засобів зв`язку в народному господарстві багато залежить від покращення показників якості окремих локальних пристроїв систем зв`язку. До таких пристроїв, в окремих випадках, відносяться системи фазового автопідстроювання (ФАП), які в багатьох випадках називають система фазової синхронізації (СФС).

Системи фазового автопідстроювання знаходять широке застосування в техниці зв`язку. Це слідкуючі демодулятори цифрових частотно-модульованих (ЧМ) сигналів, які характеризуються підвищенною завадостійкістю. Крива завадостійкості прийому двійкової ЧМ при використанні ФАП проходить, приблизно, на 0,5 Дб лівіше кривої, яка відповідає прийому без ФАП по схемі обмежувач-детектор. Крім того, ФАП більш завадостійка до деяких негаусових завад. Системи ФАП широко використовуються при демодуляції цифрових ФМ сигналів, в частотних синтезаторах, де за допомогою системи ФАП полегшується вирішення задачі стабільності частоти та спектральної чистоти вихідного коливання; при розробці схем фільтрації спектральної складової сигнала на фоні шумів; при побудові систем когерентної фазової або частотної модуляції. Методи фазової синхронізації широко використовуються в системах ІКМ для виділення тактового сигнала безпосередньо з інформаційної послідовності імпульсних сигналів, в радіотехнічних прийомно-вимірювальних комплексах та інш.

Основними показниками якості систем ФАП є точність в синхронних (усталених) режимах при повільних змінах фази (задавального діяння) та швидкодія при ступінчастих змінах фази.

В зв`язку з вищевикладеним тема дисертаційної роботи, яка спрямована на вирішення задач підвищення точності і швидкодії систем ФАП в апаратурі зв`язку і різних радіокомплексах,є актуальною.

Рішенню задач підвищення точності і швидкодії систем ФАП присвячено багато робіт вітчизняних та зарубіжних вчених. Розвиток теорії систем ФАП пов`язано з роботами таких вчених як Шахгільдян В.В., Капранов М.В., Белюстіна Л.М., Жодзішський М.І., Ліндсей У., Максаков В.П., Коновалов В.П., Борщ В.І., Кривицький Б.Х., Куо Б., Мартинов Ю.М., Панкратов В.П., Вагапов Б.Б., Зайцев Г.Ф.,Стеклов В.К., та інш.

У відомій літературі вирішуються задачі покращення показників якості систем ФАП в класі систем з керуванням по відхиленню. Такі системи мають суттєві недоліки, пов`язанї з необхідністю “компромісного ” настроювання. Більш суттєві результати досягнуто в класі комбінованих систем з діференціальними зв`язками. З точки зору аналізу і синтезу систем ФАП розглядалися різні сторони їх роботи, однак система ФАП є системою автоматичного керування і до неї можна застосувати всі методи дослідження, які відомі для САУ. Однак система ФАП має свої особливості пов`язані з об`єктом управління (фазообертачі) і виміром задавального діяння і керованої величини (фазові дискримінатори).

До теперішнього часу не досліджені системи ФАП з масштабуючими коригуючими пристроями (ФАП з МКП), не розглянуті оптимальні системи ФАП, недостатньо досліджені можливості підвищення швидкодії систем ФАП і не досліджена їх чутливість.

Мета роботи та задачі дослідження. З вищевизначеного виходить, що не досліджені системи ФАП з МКП: не вирішена задача синтезу МКП з умови підвищення порядку астатизма системи ФАП з урахуванням його фізичної реалізуємості; не вирішена задача підвищення швидкодії систем ФАП за допомогою МКП; не розроблені структури систем ФАП з МКП оптимальні за швидкодією, коли об`єктом керування є замкнений контур керування або МКП.

Метою дисертаційної роботи є розробка та дослідження систем ФАП високої точності та швидкодії, синтез ФАП з МКП при детермінованих, випадкових і параметричних збуреннях. При цьому вирішуються такі задачі: розробка методик синтезу оптимальних параметрів оператора МКП з умов підвищення точності в усталених режимах; розробка методик синтезу оптимальних параметрів системи ФАП з МКП з умови мінімізації інтегральних оцінок; розробка структур оптимальних за швидкодією систем ФАП з МКП, які відрізняються від відомих тим, що МКП не впливає на стійкість замкненого контура, а об`єктом управління є або замкнений контур керування, або МКП; дослідження систем ФАП з МКП при параметричних збуреннях.

Методи досліджень. При розробці і дослідженні систем ФАП використані такі методи: операторний метод вирішення неоднорідних діференціальних рівнянь; структурний і аналітичний метод теорії чутливості; теорія інваріантності; методи оптимального управління; методи моделювання на ЕОМ.

Особистий внесок автора. Проведені дослідження системи ФАП з МКП і розроблені методики синтеза параметрів МКП з умови підвищення точності в усталених та перехідних режимах при детермінованих випадкових та параметричних збуреннях. Розроблені та досліджені структури оптимальних за швидкодією систем ФАП з МКП. Розроблені цифрові коригуючі пристрої та алгоритми.

В співавторстві із співробітниками кафедри Передачі дискретних повідомлень КІЗ УДАЗ проведені дослідження систем фазової синхронізації, які використовуються в синхронних системах передачі інформації.

Наукова новизна. В дисертаційній роботі отримані такі нові наукові результати :

1.

2.

3.

4.

5.

Практична цінність. Тема дисертаційної роботи безпосередньо зв`язана з виконанням програми розвитку зв`язку України, яка відноситься до розробок локальних систем фазового автопідстроювання, яку проводять у Київському інституті зв`язку Української державної академії зв`язку ім. О.С. Попова.

Результати дисертаційної роботи знайшли застосування в держбюджетній науково-дослідницькій роботі, яку проводять на кафедрі Передачі дискретних повідомлень Київського інституту зв`язку УДАЗ. Теоретичні результати роботи можна використати для підвищення точності систем тактової синхронізації в інформаційних комплексах передачі інформації. Теоретичні і практичні положення дисертаційної роботи використовуються в учбовому процесі Київського інституту зв`язку ім.О.С.Попова.

Апробація роботи. Основні теоретичні та практичні результати доповідались на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу і наукових співробітників Київського інституту зв`язку, 1998-2000 рр; на науково-методичному семінарі “Нові інформаційні технології та сучасне обладнання” (Київський інститут зв`язку, 2000р); на IV міжнародній НТК по телекомунікаціям (НТК-Телеком-99); на ювілейній міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні і майбутні інформаційні технології”, присвяченій 70-річчю УДАЗ ім. О.С.Попова, (Київ, 2000р).

Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 12 наукових праць та 3 учбових посібника.

Структура та об`єм дисертації. Дисертаційна робота викладена на 189с., машинописного тексту, в тому числі містить 31с. малюнків та таблиць, 33с. додатків та 11с. переліка літератури.

Робота складається із вступу, чотирьох глав, заключення, переліка використаної літератури і додатків.

Основні тези, які виносяться на захист:

1.

2.

3.

4.

5.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета та задачі дослідження, перераховані основні наукові результати дисертації, викладена їх коротка характеристика.

Глава перша присвячена вирішенню задачі підвищення точності систем ФАП в усталених (синхронних) режимах за допомогою МКП. Показано, що МКП можуть бути включені як у ланцюг задавального діяння (t), так і в ланцюг керованої величини (t). При цьому оператор системи ФАП відносно похибки (t) визначається виразом

(1)

де – оператор системи ФАП в розімкненому стані; .

Оператор МКП з урахуванням умови фізичної релізації має вигляд

. (2)

Визначаються параметри із умови підвищення порядку астатизма системи ФАП

. . . . . . . . . . . . . . . . .

Показано, що реалізацією похідних від керованої величини (або задавального діяння) за допомогою реальних масштабуючих пристроїв можна підвищіти астатизм до будь-якої потрібної величини та досягнути потрібної точності.

В главі вирішена задача повної компенсації фазової похибки для синусоїдального задавального діяння . При цьому параметри чисельника оператора МКП визначаються так

,
де Тф, ТП – сталі часу фільтра та підсилювача відповідно;

kp – коефіцієнт підсилення системи ФАП в розімкненому стані.

В главі досліджена чутливість систем ФАП з МКП аналітичним методом (оцінка впливу відхилень параметрів на коефіцієнти похибки).

У другій главі вирішується задача підвищення показників якості перехідного процесу. Побічною оцінкою якості перехідного процесу є квадратична і покращена квадратична оцінки

,
де – керована величина;

При цьому методика базується на обчисленні інтегралів виду

де

і усі корені розміщені у верхній напівплощині комплексної площини, що відповідає стійкій системі ФАП. На підставі порівнювального аналізу систем ФАП з МКП і без МКП зазначається, що в системах ФАП з МКП існують більш широкі можливості мінімізації квадратичних і покращених квадратичних інтегральних оцінок за рахунок вибору оптимальних параметрів чисельника і знаменника оператора МКП. Зокрема J2 зменшується у 30 разів, а J2П – у 1,238 рази.

У третій главі розроблені нові структури систем ФАП, оптимальних за швидкодією, відмінні від відомих тим, що пристрій управління (ПУ) розміщено у розімкненому каналі управління і не впливає на стійкість замкненого контура, перехідний процес якого оптимізується. Функціональна схема системи ФАП з ПУ (F() – нелінійний оператор ПУ) у розімкненому каналі зображена на рис.1. Система містить в собі фазовий дискримінатор ФД для вимірювання задавального діяння (t), елемент порівняння ЕП, фільтр нижніх частот Ф, підсилювач П, інтегратор І, фазообертач ФО і фазовий дискримінатор ФДІ, який потрібен для вимірювання

Рис.1.

а

б

в г

рис.2.

керованої величини (t). Структурна схема системи зображена на рис.2,а. Рівняння її елементів визначається виразом

(3)
де – оператор МКП; ;

– оператор системи ФАП у розімкненому стані.

З рівняння елементів (3) одержуєм рівняння руху системи ФАП відносно керованої величини

(4)

Аналіз рівняння (4) показує, що для досягнення оптимальності сигнал управління повинен визначатися виразом

(5)
де – максимально можливий по амплітуді знакозмінний сигнал управління.

Структурна схема оптимальної за швидкодією системи ФАП, в якій виконано умову (5), зображена на рис.2,б, де за допомогою додаткового зв`язку по задавальному діянню (t), яка містить в собі модель ланки з оператором і логічний комутуючий пристрій , виробляється протягом перехідного процесу компенсуючий сигнал, який “розриває” замкнений контур. При к(t)=0 починає функціонувати замкнений контур керування. Еквівалентні структурні схеми ФАП для перехідного і усталеного режимів зображені відповідно на рис.2,в,г.

У главі розглянуто також випадок, коли МКП розміщено не на вході, а на виході системи ФАП і показано, що системи ФАП з МКП, оптимальні за швидкодією, можуть бути побудовані двома способами в залежності від розміщення МКП. Запропонована методика визначення моментів переключення сигналу управління оптимальної за швидкодією системи ФАП і наведено алгоритм обчислення цих моментів на ЕОМ.

Для технічної реалізації пристроя управління необхідно знайти значення моментів переключення сигналу управління, який забезпечує оптимальний за швидкодією перехідний процес системи ФАП з МКП. Моменти переключення сигналу управління в загальному випадку визначаються функцією

де –

j-й корінь характеристичного рівняння замкненого контура системи ФАП.

Для визначення використано метод стикування рішень диференціальних рівнянь зі знакозмінною правою частиною. На кінці останнього при маємо:

(6)

де –

j-а стала інтегрування на останньому інтервалі управління; .

Із системи рівнянь (6) визначаються сталі інтегрування . Стикуючи рішення на межі останнього та передостаннього інтервалів, одержуємо нову систему рівнянь з якої визначаємо . Подовжуючи послідовно аналогічні стикування аж до першого інтервалу, поки не зістанеться система з п трансцендентних рівнянь з п невідомими . На рис.3,а наведено графічне рішення системи трансцендентних рівнянь для системи ФАП другого порядку.

Розглянуто особливості визначення моментів переключення сигналу управління оптимальної за швидкодією системи ФАП, коли оптимізується перехідний процес тільки МКП.

Показано, що тривалість (, крива 1, рис.3,б) перехідного процесу системи ФАП з МКП, оптимальної за швидкодією, у 2,5 разів менше, ніж у системі ФАП без ПУ (, крива 2, рис.3,б). Графік зміни сигналу управління наведено на рис.3,в.

Запропонована структура пристроя для визначення функцій чутливості оптимальних за швидкодією систем ФАП, яка містить в собі модель системи, її модель чутливості, поєднані через блоки, які реалізують часткові похідні.

В четвертій главі розглянуті особливості побудови цифрових коригуючих пристроїв систем ФАП та коригуючі алгоритми цифрових систем ФАП. При побудові цифрових систем ФАП використовується пропорційно-інтегродіференціальний алгоритм управління з дискретною передаточною функцією

.

Пропорційно-інтегральний (ізодромний)

.

а

б

в

Рис.3.

Інтегральний

.

Пропорційно-діференціальний

.

Інтегродіференціальний

.

Розглянуті дискретні передаточні функції коригуючих алгоритмів управління систем ФАП дають змогу використавши методику аналізу неперервних систем ФАП для цифрових ФАП, знайти відповідність параметрів цифрових коригуючих алгоритмів параметрам неперервних їх аналогів.

Розглянуті можливості побудови цифрових коригуючих пристроїв за допомогою УМЕОМ.

ВИСНОВКИ

Сукупність наукових положень, сформульованих та обгрунтованих в дисертаційній роботі, складає рішення задачі підвищення основних показників якості систем ФАП з МКП, призначених для зменшення різниці фаз двох напруг.

В дисертації одержані слідуючі теоретичні та практичні результати:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

По матеріалам дисертації опубліковані слідуючі наукові праці:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

Руденко О.А.

“Підвищення точності систем фазового автопідстроювання за допо-

могою розімкнених компенсаційних каналів пристроїв зв`язку”

Рукопис дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.13 – Радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій.

Український науково-дослідний інститут зв`язку, м. Київ,2000р.

Метою дисертаційної роботи є розробка та дослідження систем фазового автопідстроювання (ФАП) високої точності і швидкодії при детермінованих та випадкових діяннях і врахуванні параметричних збурень. При цьому вирішено наступні задачі: розробка методики синтезу параметрів масштабуючого коригуючого пристроя (МКП) із умови підвищення порядку астатизма при врахуванні умови фізичної релізації МКП. Показано, що за допомогою МКП можна досягти будь-якого потрібного порядку астатизма, який забезпечує підвищення точності до потрібного значення; розробка нових структур оптимальних за швидкодією комбінованих систем ФАП з МКП. Розглянуті особливості побудови цифрових коригуючих пристроїв систем ФАП і алгоритмів управління.

Досліджені системи ФАП використані в конкретних розробках та в учбовому процесі.

Ключові слова: фаза, точність, швидкодія, коригування, чутливість, управління.

Руденко А.А.

“Повышение точности систем фазовой автоподстройки с помощью

разомкнутых компенсационных каналов устройств связи”

Рукопись диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.13 - устройства радиотехники и средств телекоммуникаций.

Украинский научно-исследовательский институт связи, г. Киев, 2000г.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование систем фазовой автоподстройки (ФАП) высокой точности и быстродействия при детерминированных воздействиях и учете параметрических возмущений. Проведены исследования ФАП с масштабирующими корректирующими устройствами (МКУ). Показано, что система ФАП с МКУ эквивалентна некоторой комбинированной системе ФАП. Предложена методика синтеза оператора МКУ системы ФАП с МКУ из условия повышения порядка астатизма при учете условия физической реализации МКУ. Показано, что с помощью МКУ может быть достигнут любой требуемый порядок астатизма, что позволяет повысить точность системы ФАП до требуемого значения. Предложена методика синтеза оператора МКУ системы ФАП с МКУ из условия повышения порядка астатизма при учете условия физической реализации МКУ. Предложена методика синтеза параметров МКУ из условия полной компенсации фазовой ошибки системы ФАП при синусоидальном задающем воздействии при учете условия физической реализуемости МКУ. Приведены результаты исследования возмущений на точность систем ФАП с МКУ с использованием разложения оператора системы относительно ошибки в ряд по коэффициентам ошибки. Полученные коэффициенты чувствительности позволяют оценить влияние отклонений параметров системы ФАП на ее точность и решить задачу определения допусков на параметры элементов при заданной требуемой точности. Выполнен анализ систем ФАП с МКУ из условия уменьшения переходной составляющей ошибки, оцениваемой с помощью квадратичной и улучшеной квадратичной интегральных оценок, и показано, что дополнительного уменьшения этих оценок можно достичь выбором параметров числителя и знаменателя оператора МКУ. Предложена методика синтеза параметров системы ФАП с МКУ из условия минимизации квадратичной и улучшеной квадратичной интегральных оценок за счет выбора параметров МКУ при учете условия его физической реализуемости. Разработаны новые структуры систем ФАП с МКУ, оптимальных по быстродействию, отличающихся от известных тем, что устройство управления, расположенное в разомкнутом канале управления, не влияет на устойчивость замкнутого контура. Решена задача исключения влияния задающего воздействия на сигнал управления оптимальной по быстродействию системы ФАП с МКУ путем организации дополнительной цепи компенсации этого влияния. Предложена методика определения моментов переключения сигнала управления и разработан алгоритм программной реализации вычислительного процесса определения моментов переключения сигнала управления на ЭВМ. Показано, что длительность переходного процесса системы ФАП с МКУ, оптимальной по быстродействию в 2,5 раза меньше, чем в системе ФАП с управлением по отклонению. Рассмотрены особенности построения цифровых интеграторов, изодромных корректирующих устройств, дифференцирующих устройств и апериодических звеньев на основе УМ ЭВМ. Рассмотрены основные корректирующие алгоритмы цифровых систем их программной реализации.

Результаты диссертационной работы нашли применение в разработках Киевского института связи УГАС им. А.С. Попова и Украинского научно-исследовательского института связи и внедрены в учебный процесс.

Ключевые слова: фаза, точность, быстродействие, коррекция, устойчивость, управление.

Rudenko А.А.

“Increasing of accuracy phase tune systems with help of the disconnected compensatory cannels of a communication devices "

Dissertation manuscript for a candidate’s degree of technical sciences on speciality 05.12.13 – radio engineering devices and telecommunications funds.

Ukrainian research institute of Communications, Kiyiv, 2000.

By aim of dissertation work is elaboration and research of phase tune systems (PTS) high accuracy and speed attached to determined influences and calculation of parametric indignations. Herewith are solved the following tasks: parameters synthesis methods elaboration of scaling correcting device (SCD) from a condition of increase of astatism attached to condition calculation physical realization of SCD. Shown, that with help SCD can be reached any required order of astatism, that provides increase accuracy of PTS to necessary significance; elaboration of new structures of combined systems optimum on speed PTS with SCD. Considered construction peculiarities of digital correcting devices of PT systems and monitoring algorithms.

The explored PT systems are used in concrete elaborations and in educational process.

Key words: phase, accuracy, speed, correcting, sensitiveness, management.

Пiдписано до друку 2000р. Об’єм 1др.а.

Формат 6084/16. Зам. 504 Тираж 100

Друкарня Українського науково-дослідного інституту

зв’язку. Київ, вул. Солом`янська, 13.