Вопросы измерения и оценки параметров сигналов радиопередающих устройств систем цифровых связи

ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЯ И ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛОВ РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ СИСТЕМ ЦИФРОВЫХ СВЯЗИ

Мониторинг радиочастотного диапазона в настоящее время основывается, как правило, на методах спектрального анализа. Основной проблемой, которую приходится решать при обзоре диапазона частот, является то, что прием сигналов всегда ведется в присутствии шума, спектральная плотность которого может быть неравномерной, мощность, несущая частота, вид модуляции принимаемых сигналов заранее, как правило, не известны, возможно присутствие узкополосных помех, обусловленных работой постоянно действующих радиостанций.

Задача обнаружения и идентификации источника сигналов связана с установлением факта его функционирования, определением занимаемой полосы частот, вида модуляции и пространственных координат. Для повышения скрытности работы передатчика часто используется метод псевдослучайной перестройки рабочей частоты (ППРЧ).

  Задача обеспечения устойчивой передачи данных остается одной из наиболее актуальных задач развития современных беспроводных систем передачи данных и обеспечения эффективности использования частотного диапазона. Одной из актуальных проблем является создание систем сигналов, обеспечивающих наиболее полное использование полосы частот при непревышении уровня внеполосного излучения и допустимом пик-факторе.

Предназначенные для таких систем алгоритмы обработки сигналов до сих пор основываются на классической теории приема сигналов на фоне аддитивного гауссовского шума без учета априорной неопределенности характеристик сигнала и помех, преодоление априорной неопределенности достигается в основном за счет проведения дополнительных измерений параметров сигнала, помех и состояния канала передачи в точке приема, что требует выделения дополнительных частотных или временных ресурсов. В то же время для таких систем характерно наличие мешающих отражений от подстилающей поверхности и местных предметов, что приводит к появлению сигналоподобных помех и селективных замираний, доплеровского сдвига частот, обусловленного движением объектов, импульсных и квазигармонических помех, порождаемых работой индустриального оборудования, радиолокационных и радионавигационных систем, других систем мобильной связи, работающих в том же диапазоне частот. Все это приводит к тому, что характер шумов в системе является негауссовским, их параметры становятся априорно неопределенными, неизвестный заранее доплеровский сдвиг и наличие сигналоподобных и импульсных помех делает неэффективными используемые в настоящее время алгоритмы обработки сигналов, основанные на принципах согласованной фильтрации или корреляционного приема. Такие алгоритмы не обеспечивают удовлетворение возрастающих требований к емкости каналов связи и скорости передачи информации. При работе в условиях быстрого перемещения подвижных объектов, совершении ими сложных маневров и при наличии специально поставленных помех проблема еще более усугубляется.

Известные в настоящее время приближенные математические модели маломощных пленочных резисторов в сосредоточенном и одномерно распределенном базисе справедливы на небольшом уровне мощности и на умеренно высоких частотах, поскольку весьма приближенно и грубо учитывают реактивные параметры основных элементов аттенюаторов – пленочных резисторов. Для контроля параметров выходных сигналов мощных радиопередающих устройств необходимо проектировать аттенюаторы, выполненные на мощных пленочных резисторах, в которых проявляется неравномерное распределение тока в поперечном сечении резистивной пленки, краевые и торцевые эффекты, неоднородность электромагнитного поля и ряд других малоисследованных эффектов.  Анализ данной проблемы показал, что известные методы построения измерительных аттенюаторов не позволяют на высоком уровне мощности обеспечить требуемые широкополосные свойства. Поэтому актуальной задачей является создание теоретических основ построения широкополосного измерительного оборудования для высокочастотных сигналов большой мощности.

Методы и подходы включают использование аппарата функционального анализа, теории вероятностей и математической статистики, статистической теории анализа и синтеза радиотехнических систем, спектрального анализа, а также имитационное моделирование и исследование разработанных алгоритмов с использованием записей реальных сигналов, полученных при частотном мониторинге. Методы обнаружения и различения сигналов с устойчивыми показателями качества в условиях априорной неопределенности, включающие метод борьбы с «затеканием спектра» от внеполосных помех в частотной области, альтернативный традиционному методу, основанному на временном взвешивании наблюдаемого процесса, а также методы синтеза алгоритмов обнаружения и различения сигналов на основе совместного применения принципа инвариантности и критериев согласия, обеспечивающие необходимую устойчивость алгоритмов без дополнительного оценивания характеристик исходных данных. Основным преимуществом подхода, основанного на совместном применении критериев согласия и принципа инвариантности, является то, что для его использования не требуется оценивать уровень шума, получаемые алгоритмы обладают устойчивостью к гладким изменениям формы энергетического спектра шумовой составляющей регистрируемого сигнала. Вследствие обеспечения устойчивости показателей качества разработанных алгоритмов существенно повышается при их использовании эффективность спектрального анализа в реальных условиях его применения.

Для обнаружения и идентификации сигналов и преодоления априорной неопределенности их характеристик предлагается использовать частотно-временное представление наблюдаемого процесса и методы обнаружения, основанные на статистических принципах несмещенности и инвариантности. Для повышения скорости частотного мониторинга предлагается использовать подход, основанный на бинарном квантовании спектрограмм.

Повышение эффективности использования частотного диапазона зависит как от используемых сигналов, так и от метода их обработки. Применение эффективных методов обработки позволяет снизить требуемое отношение сигнал/шум и использовать передатчики с меньшей выходной мощностью. Поэтому в проекте предусмотрен синтез оптимальных систем сигналов и разработка методов демодуляции сигналов в системах с множественным доступом в условиях действия априорно неопределенных негауссовских шумов, сигналоподобных помех и помех множественного доступа.

Предлагаемые алгоритмы обработки сигналов основаны на использовании статистических принципов инвариантности, несмещенности и асмптотической робастности и являются альтернативой оцениванию априорно неизвестных характеристик сигналов, помех и канала передачи. В отличие от подхода, использующего оценку априорно неопределенных характеристик, предлагаемый подход опирается на строго определенные понятия устойчивости и оптимальности алгоритмов в условиях априорной неопределенности. Алгоритмы автоматически подстраиваются под реальную сигнально-помеховую обстановку. Желательные свойства получаемых алгоритмов обеспечиваются на этапе их синтеза и не требуют специального исследования для их подтверждения. Насколько известно авторам, принципы инвариантности и несмещенности и асимптотической робастности ранее не применялись для разработки алгоритмов обработки сигналов в системах частотного мониторинга и идентификации источников сигналов.

Ослабление действия мешающих отражений, сигналоподобных и импульсных помех может быть решено методом их режекции. Решение задачи режекции позволит сократить защитные интервалы, выполнить требования электромагнитной совместимости с другими системами, ослабить действие внешних помех и обеспечить требуемую достоверность приема. Синтез алгоритмов режекции также предполагается осуществить на основе использования статистического принципа инвариантности, в соответствии с которым подавление помехи обеспечивается за счет вычитания из наблюдаемого процесса его проекции в подпространство помех.

Анализ технических параметров управляемых устройств СВЧ, достигнутых на сегодняшний день, показывает, что основными тенденциями их развития являются: повышение мощности входного высокочастотного сигнала; улучшение качества согласования; расширение полосы рабочих частот; увеличение динамического диапазона изменения управляемых параметров; обеспечение требуемого уровня подавления высших и комбинационных гармонических составляющих; применение цифровых методов для дискретного изменения управляемых параметров; повышение быстродействия; уменьшение массогабаритных показателей и интегральная микроминиатюризация. В настоящее время в ведущих европейских странах, США, в странах юго-восточной Азии и в Китае резко возрос объём исследований, практических разработок и публикаций по проблеме построения управляемых устройств СВЧ высокого уровня мощности. В России также проводятся аналогичные исследования многими научно-исследовательскими институтами, предприятиями, вузами и научно-производственными фирмами. Тем не менее, имеется острая потребность в управляемых устройствах, обеспечивающих совместную работу приёмо-передающих трактов фазированных антенных решёток с большой мощностью излучения. Широкополосные управляемых устройств СВЧ необходимы для построения измерительного оборудования, используемого для настройки и проверки параметров радиовещательных и телевизионных передатчиков. Управляемые устройства востребованы операторами связи для реализации цифровых модуляторов и компенсаторов нелинейных искажений в усилительных трактах дециметрового и сантиметрового диапазона, а также для подключения резервных блоков. Однако, перечисленные выше потребности сдерживаются отсутствием управляемых устройств нового поколения, способных работать в предельно широкой полосе частот на уровне входной мощности до (1-J-2) кВт в непрерывном режиме

При построении СВЧ измерительных аттенюаторов высокого уровня мощности необходимо обеспечить постоянное значение вносимого ослабления в широкой полосе частот с заданным уровнем неравномерности. Широкополосные аттенюаторы содержат мощные пленочные резисторы и согласующее-компенсирующие цепи, предназначенные для компенсации влияния паразитных реактивных параметров пленочных резисторов. При последовательно-параллельном  включении резисторов различной мощности вносимое ослабление аттенюатора имеет значительную частотную зависимость. Для устранения этого эффекта в работе предложено применить согласованный амплитудно-частотный корректор, выполненный на основе управляемых аттенюаторов и частотно-разделительных устройств (диплексеров), как показано на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема амплитудно-частотного корректора

Диплексеры, входящие в состав широкополосного корректора, содержат дополняющие друг друга по входному импедансу фильтры нижних и верхних частот. В результате компьютерного моделирования установлено, что взаимное влияние друг на друга фильтров приводит к выполнению частотно независимого условия согласования диплексера по входу

,  (10)

где - комплексная нормированная входная проводимость фильтра нижних частот; - комплексная нормированная проводимость фильтра верхних частот; - частота входного высокочастотного сигнала.

Из условия (1) и условия унитарности матриц рассеяния диплексера, представляющего собой шестиполюсник без потерь, следует еще два интересных условия для диплексера с согласованными нагрузками:

  (11)

где - параметры рассеяния диплексера.

Управляя вносимым ослаблением аттенюаторов, можно обеспечить любую форму амплитудно-частотной характеристики корректора – подъем высоких частот, либо подъем на низких частотах. На форму частотной характеристики рассматриваемого корректора влияет также выбор граничных частот и количество элементов в фильтрах диплексера. Анализ, учитывающий соотношения (10) и (11), показывает, что результирующая амплитудно-частотная характеристика корректора описывается соотношением

[дБ],

где - нормированная частота; - частота стыковки фильтров диплексера; - граничная частота фильтра нижних частот; - граничная частота фильтра верхних частот; - порядок фильтров диплексера; - коэффициент передачи аттенюатора АТ1; - коэффициент передачи аттенюатора АТ2.

На рис. 2 приведена частотная характеристика предлагаемого корректора, соответствующая случаю .

Рис. 2. Амплитудно-частотная характеристика корректора

Вывод.

Реальная эффективность работы систем связи, телекоммуникаций и телевидения не может быть обеспечена без создания широкополосного измерительного оборудования для оценки большого числа параметров выходного сигнала радиопередающих устройств. Поэтому в данном проекте значительное место занимают вопросы разработки математических моделей,  методов расчета и проектирования данного оборудования, превосходящего имеющиеся в настоящее время аналоги по уровню входной мощности и полосе рабочих частот в несколько раз. Это будет достигнуто за счет применения декомпозиционного подхода как к отдельным элементам измерительного оборудования, так  к структурам его построения. 

Применение диплексеров на взаимодополняющих фильтрах нижних и верхних частот позволяет  реализовать амплитудно-частотный корректор, согласованный в широкой полосе рабочих частот, при этом динамический диапазон коррекции определяется вносимыми ослаблениями аттенюаторов, входящих в состав корректора. При использовании управляемых аттенюаторов корректор становится регулируемым. Предложенный корректор может быть использован в радиоизмерительном оборудовании, а также в системах кабельного телевидения и телекоммуникационных системах.