Разработка научно-методологических основ проектирования перспективных помехоустойчивых и быстродействующих радиорелейных, тропосферных и спутниковых систем связи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, доктор технических наук Даниэлян, Станислав Арташесович

• Даниэлян, Станислав Арташесович
• доктор технических наук
• 2001

Оглавление диссертации доктор технических наук Даниэлян, Станислав Арташесович

1.1. Обзор состояния проблемы и постановка задач.

1.2. Анализ некоторых ансамблей широкобазовых сигналов, используемых в радиорелейных, тропосферных и спутниковых системах связи.

1.3. Анализ приемных устройств, предназначенных для обработки широкобазовых сигналов.

1.3.1. Приемное устройство широкобазовых сигналов с активными корреляторами.

1.3.2. Приемное устройство широкобазовых сигналов с согласованными фильтрами.

1.3.3. Приемное устройство фазоманипулированных сигналов с дискретными согласованными фильтрами.

1.4. Анализ требований к системам синхронизации и автоподстройки дискретных согласованных фильтров по принимаемому сигналу.

1.5. Исследование методов улучшения динамических параметров систем фазовой автоподстройки частоты для помехоустойчивых радиорелейных, тропосферных и спутниковых систем связи.

1.5.1. Методы улучшения динамических параметров систем ФАП...

1.5.2. Сравнение различных систем ФАП.

1.6. Выводы по главе.:.

ГЛАВА 2, ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫХ СИСТЕМ СИНХРОНИЗАЦИИ И АВТОПОДСТРОЙКИ ДИСКРЕТНОГО СОГЛАСОВАННОГО ФИЛЬТРА.

2.1. Системы тактовой синхронизации ДСФ.

2.1.1,Обоснование исходных предпосылок.

2.1.3. Разработка системы автоподстройки ДСФ по тактовой частоте.-,75.

2.1 .4. Разработка критериев устойчивости системы

ИФАПЧ ДСФ при двухконтурном регулировании.77 2.1.5. Описание семейства характеристик импульсно- , фазового детектора в системе ИФАПЧ ДСФ.

2.1.6. Сопоставление системы ИФАПЧ ДСФ с аналогичными системами фазовой автоподстройки.

2.2. Системы автоподстройки ДСФ по высокой частоте.

2.2.1. Разработка математической модели системы.

2.2.4. Сопоставление системы автоподстройки ДСФ

- по высокой частоте с близкими системами.

2.3. Разработка помехоустойчивых систем синхронизации и автоподстройки дискретного согласованного фильтра.

2.3.1. Выбор критериев качества работы систем синхронизации и автоподстройки дискретного согласованного фильтра.

2.3.2. Оценка влияния неточности системы ИФАПВЧ ДСФ на помехоустойчивость приема сигналов при обработке их дискретным согласованным фильтром.

2.3.3. Разработка контуров частотной автоподстройки ДСФ по тактовой частоте сигнала, обеспечивающих помехоустойчивость приема сигнала.

2.3.4. Разработка контуров частотной автоподстройки ДСФ по несущей частоте сигнала, обеспечивающих помехоустойчивость приема сигнала.

2.4. Выводы по главе.

глава 3. исследование и разработка помехоустойчивых систем фап для радиорелейных, тропосферных и спутниковых систем связи.

3.1. Исследование системы ФАП с симметричной и несимметричной манипуляцией фазы напряжения подстраиваемого генератора.:.

3.1.1. Система ФАП с симметричной манипуляцией.

3.1.2. Математическая модель системы ФАП с симметричной манипуляцией фазы напряжения подстраиваемого генератора.

3.1.3. Качественное исследование системы ФАП с симметричной манипуляцией.

3.1.4. Границы устойчивости системы при треугольной характеристике фазового детектора.

3.1.5. Система ФАП с несимметричной манипуляцией.

3.1.6. Математическая модель системы ФАП с несимметричной манипуляцией фазы напряжения подстраиваемого генератора.

3.1.7. Качественное исследование системы ФАП с несимметричной манипуляцией.

3.1.8. Сравнение систем ФАП с манипуляцией фазы напряжения подстраиваемого генератора с

• другими системами.,.-.».4.

3.2. Исследование систем ФАП с манипуляцией напряжения биений.

3.2.1. Системы ФАП с манипуляцией напряжения биений.;.

3.2.2. Математическая модель системы ФАП с манипуляцией напряжения биений.

3.2.3. Сравнение системы ФАП с манипуляцией напряжения биений с другими системами ФАП.

3.3. Выводы по главе.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ

СИНХРОНИЗАЦИИ И АВТОПОДСТРОЙКИ ДИСКРЕТНОГО СОГЛАСОВАННОГО ФИЛЬТРА И ФАП С МАНИПУЛЯЦИЕЙ СИГНАЛОВ В КОЛЬЦЕ.

4.1. Экспериментальное исследование систем синхронизации и автоподстройки дискретного согласованного фильтра. —.

4.1.1. Постановка задачи.

4.1.2. Параметры входного сигнала декодирующего устройства.;.,'•.

4.1.3. Алгоритм работы макета декодирующего устройства.

4.2. Экспериментальное исследование систем ФАП с манипуляцией сигналов в кольце.

4.2.1, Алгоритм эксперимента и результаты измерений полосы захвата и времени вхождения в синхронизм.

4.2.2. Алгоритм эксперимента и результаты измерений параметров системы ФАПЧ с дополнительной манипуляцией фазы напряжения биений.

4.2.3 Анализ результатов экспериментов системы

4.3. Выводы по главе.

ГЛАВА 5. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО СОЗДАНИЮ ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫХ И БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ СИСТЕМ СВЯЗИ;. ,.,,.

5.1.Реализация результатов научных исследований по созданию помехоустойчивых радиорелейных и тропосферных систем связи.

5.2. Реализация новых возможностей организации

5 высокоскоростных сетей связи в крупных городах и их варианты по стандартам ISDN.

5.3. Реализация результатов научных исследований по созданию помехоустойчивых спутниковых систем связи.

5.3.1. Разработка элементов Единой Системы Спутниковой Связи.

5.3.2. Реализация разработанных рекомендаций по совершенствованию и расширению возможностей спутниковой системы INMARSAT-Е.

5.3.2.1. Характеристика параметров системы INMARSAT-E.

5.3.2.2. Концепция проектирования перспективной системы INMARSAT-E.

5.4. Результаты реализации разработанных рекомендаций по совершенствованию составляющих элементов в системе INMARSAT-E.

5.4.1. Функция аварийной сигнализации бедствия в системе INMARSAT-E (ФАСБ).

5.4.2. Функция оповещения о местоположении.

5.4.3. Функция оповещения о местонахождении и датчике.

5.4.4. Функция аварийной сигнализации бедствия в системе INMARSAT-E через спутник Маяк.

5.4.5. Работоспособность служб системы INMARSAT-E.:.

5.5. Выводы по главе.—.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка научно-методологических основ проектирования перспективных помехоустойчивых и быстродействующих радиорелейных, тропосферных и спутниковых систем связи»

В последние десятилетия в нашей стране, как и во всем мире, происходило стремительное совершенствование и постоянное расширение рынка информационных технологий, которое связано с объективными потребностями развития мирового сообщества и глубокой информатизацией всех видов деятельности человечества, основанной на массовом применении информационно-коммуникационных технологий, средств обработки информационных ресурсов. В связи с этим шло интенсивное развитие инфраструктуры связи, в том числе транспортной среды, коммутационной техники и сети доступа. Развивались как национальные, так и международные сети. Существующие аналоговые сети и линии связи уже не могли удовлетворить потребности рынка. Нарастающий поток информации потребовал новых средств ее передачи с большей пропускной способностью.

Наряду с кабельными линиями широкое развитие получают радиорелейные, тропосферные и спутниковые линии связи.

Необходимость увеличения объемов передаваемой информации, а, следовательно, необходимость повышения широкопо-лосности линий связи, диктовалась также потребностями народного хозяйства и обороны страны. Начиная с 1993 г., резко возрос обмен информацией в компьютерных сетях. Уже в ближайшие два года объем информации в сети Internet превысит объем информации, циркулирующий в сетях телефонной связи общего пользования. Дальнейший рост передаваемой информации ожидается в связи с внедрением интерактивного цифрового телевизионного вещания. В значительной степени возрастут потоки информации в сети подвижной связи 3-го поколения. По мере роста трафика, линии связи становятся более широкополосными, растут мощности передатчиков и повышается чувствительность приемных устройств, осваиваются новые, более высокие диапазоны частот.

Построение перспективных систем передачи информации связано с созданием перспективных моделей и архитектуры средств телекоммуникации с высоким уровнем производительности, в том числе с исследованием и разработкой научных основ обеспечения их помехоустойчивости и быстродействия. Такое исследование, основанное на изучении современных тенденций развития систем и средств связи, становится особенно актуальным в новых экономических условиях. 9

При построении систем, обеспечивающих связью большое число пунктов, размещенных в некотором географическом районе, особенно перспективен метод РКФ. Один из методов РКФ в последние годы весьма интенсивно используется в сотовой связи - так называемый метод CDMA (кодовое разделение при многостанционном доступе - Code Division Multiplt Access).

Большой интерес к системам связи с РКФ и использованием широкобазовых сигналов объясняется тем, что они позволяют:

- улучшить использование полосы частот в случае неполной загрузки отдельных каналов;

- создать устойчиво работающие системы дальней многоканальной радиосвязи с использованием отражения радиоволн от естественных или искусственных отражающих сред или же с использованием искусственных спутников земли (ИЗС) в качестве активных или пассивных ретрансляторов;

- построить скрытные и помехоустойчивые системы связи, затрудняющие радиоразведку и организацию радиопротиводействия.

В некоторых работах делаются попытки определить место тех или иных вариантов систем связи в РКФ. [1 20].

Так, в [11] отмечается, что система связи с РКФ и широкобазовыми сигналами при использовании ИСЗ в качестве активного ретранслятора позволяет:

- более просто, чем при других методах, обеспечить многократный доступ, что в ряде случаев дает определенные тактические преимущества;

- обеспечить высокую скрытность и помехозащищенность, что делает ее пригодной для использования в военных целях.

Кроме того, там же отмечено, что такая система удовлетворяет общему требованию к системам связи с ИСЗ, согласно которому наземная аппаратура может быть сложной, а аппаратура спутника должна быть по возможности и надежной и простой и представлять собой обычный ретранслятор. Конечно, при создании современных военных систем спутниковой связи с большой помехозащищенностью ИСЗ в виде обычного ретранслятора неприменим, так как на борту ИСЗ приходится размещать сложные корреляционные схемы приема сигналов с псевдослучайно меняющейся структурой, то есть схемы с обработкой сигнала на борту. Однако это обстоятельство лишь увеличивает количество систем спутниковой связи с применением широкобазовых или же сложных широкополосных сигналов.

10

Отметим, что при использовании широкобазовых сигналов аппаратура их формирования и обработки получается довольно сложной, причем их сложность нарастает с ростом базы сигналов.

Однако, поскольку для военных систем главные требования - это скрытная, надежная и помехоустойчивая связь с любой точкой в заданном географическом районе, то связь через активный ИСЗ с РКФ и использованием широкобазовых сигналов следует признать одним из наиболее перспективных направлений развития радиорелейной техники.

При создании таких систем связи возникают две важные задачи, имеющие первостепенное значение для реализации подобных систем.

Одной из задач является проблема построения большого ансамбля сигналов с хорошими корреляционными свойствами. Иначе говоря, необходимо иметь такие сигналы в ансамбле, чтобы, во-первых, взаимная корреляция между любой парой сигналов была бы, по возможности, малой при их произвольном взаимном расположении, и, во-вторых, автокорреляционная функция не имела бы значительных всплесков, помимо главного пика. Такие требования к ансамблю сигналов объясняются тем, что каждому абоненту системы связи должен быть поставлен в соответствие, по крайней мере, один сигнал из ансамбля, а также тем, что в системах связи с РКФ выделение нужного сигнала на приемной стороне осуществляется, как правило, взаимно-корреляционным методом: вычисляется корреляционный интеграл [26]; следовательно, для эффективного выделения требуемого сигнала из совокупности всех сигналов системы связи необходимо выполнение вышеуказанных требований.

Второй задачей является проблема технического осуществления приемного устройства. Эта задача связана с первой, так как от вида сигналов в значительной степени зависит сложность реализации приемника. Поскольку на каждое приемное устройство системы связи, помимо полезного сигнала, воздействует сумма сигналов остальных абонентов и белый шум, причем статистические характеристики суммы сигналов остальных абонентов близки к характеристикам нормального шума с равномерной спектральной плотностью, то целесообразно иметь приемное устройство, близкое к оптимальному приемнику по Котельникову, в котором осуществляется корреляционная обработка принимаемой смеси полезного сигнала и помех. и

При техническом осуществлении такого приемного устройства важной задачей является обеспечение его синхронизации по времени прихода и автоподстройки по несущей частоте принимаемого сигнала. Учитывая, что в общем случае в системе связи с ИСЗ происходит непрерывное изменение времени распространения на трассе Земля - ИСЗ - Земля, то есть имеет место допплеровское смещение частоты сигнала, времени его прихода, а также растяжение (сжатие) его во времени, устройства синхронизации и автоподстройки должны обладать свойствами следящих фазовых систем автоподстройки.

Фазовая система синхронизации обеспечивает отсчет выходного сигнала приемника в момент, когда отношение сигнал/ шум максимально, а фазовая система автоподстройки по высокой частоте обеспечит синхронное детектирование сигнала (точнее - квазикогерентный прием,[27]).

Отметим, что в рассматриваемой системе связи должно быть именно две независимых системы авторегулирования: синхронизации по тактовой частоте (элементам сигнала) и циклам, а также автоподстройки по высокой частоте: поскольку отношение длительности сигнала к периоду его несущей не является постоянным из-за сдвига спектра сигнала при ретрансляции через активный ИСЗ.

В ряде работ исследуются устройства синхронизации и автоподстройки корреляционных приемников широкобазовых сигналов [28,29,31-34], выполненных в виде активных фильтров - корреляторов.

Часто вместо активного фильтра для корреляционной обработки сигналов используют линейный согласованный фильтр [35-38]устройство гораздо более сложное, но позволяющее значительно быстрее входить в связь, чем при использовании активных корреляторов.

Наконец, в ряде случаев вместо линейной обработки входного сигнала согласованным фильтром осуществляют нелинейную обработку так называемым дискретным согласованным фильтром [3, 8, 20, 39-45]. При этом, по мнению некоторых авторов, [39, 45], происходит значительное упрощение приемного устройства, становится возможной обработка сигналов с очень большой базой, облегчается также решение проблемы размера и весов аппаратуры, однако замена аналогового фильтра на дискретный приводит к некоторому (1-2 дБ) снижению помехоустойчивости приемного устройства при одноразрядном двоич

12 ном амплитудно-цифровом квантовании выборок входного сигнала.

Известно несколько работ, посвященных исследованию дискретных согласованных фильтров, [40, 45], однако вопросы синхронизации и автоподстройки дискретных согласованных фильтров по принимаемому сигналу долгое время оставались практически неисследованными.

Поэтому одним из актуальных направлений исследования является создание перспективных систем синхронизации и автоподстройки приемных устройств широкобазовых сигналов -дискретных согласованных фильтров, предназначенных для приема цифровой информации.

Как уже было сказано выше, что развитие техники связи в нашей стране и за рубежом объективно приводит к росту объема и номенклатуры предоставляемых услуг и к увеличению потребности в каналах связи, в особенности для передачи цифровой информации. Большое место в технике связи занимают каналы радиорелейной связи, которые большую часть времени работают при весьма высоком (30-35 дБ) отношении сигнал / шум в линейных трактах.

В аппаратуре радиорелейной связи широко применяются различные разновидности систем фазовой автоподстройки частоты (ФАП), место которых не может быть замещено другими системами автоматического управления. Различные разновидности ФАП широко применяются в радиорелейной связи для восстановления несущей в когерентных демодуляторах цифровых сигналов, для выделения сигналов тактовой частоты, для порогопонижающей демодуляции частотно-модулированных сигналов, диапазонно-кварцевой стабилизации частоты, сглаживания джиттера при переприемах потоков цифровых сигналов при их многократной ретрансляции и в ряде других случаев. Место, занимаемое системами ФАП в технике связи, обусловило всесторонние исследования этих систем и активную изобретательскую и инженерную деятельность в направлении их всемерного развития, как в нашей стране, так и за рубежом.

В России исследованию различных систем ФАП посвящены работы В.В.Шахгильдяна, А.А.Ляховкина, Л.Н.Белюстиной, М.В. Капранова, Г.И.Тузова, В.А.Левина, В.Н.Белых, А.Ф.Фо-мина, Ю.Н.Бакаева, В.Д.Шалфеева, В.И.Журавлева и многих других, а за рубежом - Д.Ричмэна, В.Линдсея, Э.Витерби, Ф.Гарднера, Дж. Клеппера, Дж.Франклина, Дж.Стиффлера и других.

13

Исследованию подвергались различные системы ФАП: от простейшей, состоящей из соединенных в кольцо фазового детектора (ФД), петлевого фильтра и управляемого генератора (ГУН), до очень сложных многоконтурных и многопетлевых, со сложными линейными фильтрами, фильтрами высокого порядка, фильтрами с переменными параметрами и структурой, а также с дополнительными устройствами (кольца частотной подстройки (ЧАП), системы поиска и т.д.).

Эти исследования показывают, что существующее в обычной системе ФАП противоречие между полосой захвата, временем вхождения в синхронизм, фильтрующей способностью и т.д. частично, в той или иной мере разрешается в сложных системах, таких, как ЧАП-ФАП, ФАП с поиском, ФАП с внешней синхронизацией и т.д.

В данной работе предложено и исследовано несколько разновидностей системы ФАП сравнительно нового класса - с манипуляцией сигнала в кольце. Эти системы ФАП обладают рядом полезных свойств: широкой полосой захвата, в ряде разновидностей систем приближающейся вплотную к полосе удержания, малым временем вхождения в синхронизм, предельной частотой работы, обусловленной исключительно возможностями реализации ФД, ГУН и фазовращателей, фильтрующей способностью, равной фильтрующей способности обычной системы ФАП с пропорционально-интегрирующим фильтром.

Отличительным свойством некоторых разновидностей предложенных систем ФАП является также и то, что в течение всего переходного процесса установления частоты и фазы диапазон изменения фазовых сдвигов подстраиваемого сигнала относительно эталонного (опорного) не превышает ±п (считаем условно, что при нулевой расстройке установившееся значение фазового сдвига равно нулю) при любых начальных относительных частотных расстройках, не превышающих полосы захвата.

В ряде разработок систем радиорелейной связи необходимо обеспечивать передачу сигналов двукратной относительной фазовой манипуляции. В этих случаях в когерентных демодуляторах используется система восстановления несущей на основе ФАП. Возникает естественное противоречие между фильтрующей способностью и возможностью работы системы при больших нестабильностях частот входного сигнала и подстраиваемого генератора.

Так, в системе восстановления несущей одной из радиорелейных станций необходима промежуточная частота 12 МГц,

14 которая образуется как разность между несущей в диапазоне 6 МГц и синтезированной частотой. Несущая и синтезированная частоты образуются от термостатированного прецизионного кварцевого генератора, долговременная относительная нестабильность которого составляет ± 106, [266].

С учетом независимости отклонения частот приема и передачи на промежуточных пунктах радиорелейной линии относительная нестабильность промежуточной частоты составляет:

4/ / ./ ) //'/ - - ' /и!л • I /пч ' А?О ' /о = ± 1 0~'? то есть в данном случае нестабильность промежуточной частоты равна 12кГц.

Использовать кварцевый генератор в качестве управляемого генератора (ГУН) в такой системе восстановления несущей невозможно, так как для работы во всем линейном диапазоне перестройки ГУН необходимо обеспечить близкое к максимальному напряжение на выходе фазового детектора (с учетом коэффициента усиления усилителей постоянного тока). Это приводит к увеличению остаточной расстройки по фазе, что недопустимо в системах восстановления несутцей. Следовательно, надо либо увеличить диапазон перестройки кварцевого ГУН, что невозможно, либо использовать астатическое звено в кольце ФАП, что приводит к значительному увеличению времени вхождения в синхронизм, [246].

В связи с этим целесообразно применение ГУН с резонаторами на ЬС-кон-турах, что позволяет увеличить диапазон перестройки. Обычно диапазон перестройки можно обеспечить в пределах ± 10% от собственной частоты ГУН, [277]. Однако при таком диапазоне перестройки ГУН в системе восстановления несущей возможны ложные захваты.

Введение системы ЧАП, внешней синхронизации и т.д. приводит к расширению шумовой полосы системы ФАП, что в ряде случаев нежелательно.

Для подобного случая одна из предложенных в работе систем ЧАП обеспечивает работу с самыми лучшими результатами, так как наличие полосы захвата, практически равной полосе удержания, при быстром вхождении в синхронизм, отсутствии ложных захватов, высокой фильтрующей способности и отсутствии отрицательного влияния системы ЧАП в режиме синхронизма - именно эти свойства в их совокупности и обеспечили внедрение одной из предложенных систем в демодулятор сигналов ДФРМ с параметрами: центральная частота 12МГц, полоса захвата, равная полосе удержания, ±1 МГц, диапазон возмож

15 ных расстроек входного сигнала и местного генератора ±120 кГц, максимально возможная фазовая ошибка в установившемся режиме ±2°.

Для тактовой синхронизации в радиорелейных линиях связи система ФАП должна удовлетворять высокой точности, уменьшать джиттер, для чего требуется узкополосная система:, а это, в свою очередь, также приводит к сужению полосы захвата, к увеличению времени захвата.

Действительно, для тактовой синхронизации, например, радиорелейной системы "Интеграл" необходимо обеспечить скорость передачи информации 2176 кбит/сек, что приводит к необходимости использования ГУН с долговременной нестабильностью ± 1%. Поскольку в системе может быть до 50 переприемов сигнала (протяженность радиорелейной линии до 2000 км), то необходимо обеспечить высокую точность системы синхронизации на каждой станции, то есть иметь малую (не более 5°) остаточную ошибку по фазе. Это требует либо использования в системе астатического звена, что приводит к увеличению времени вхождения в синхронизм, либо расширения диапазона перестройки ГУН, что также увеличивает время вхождения в синхронизм.

Кроме того, во всех известных системах ФАП второго порядка переходный процесс обусловлен двумя стадиями. На первой стадии изображающая точка движется вокруг фазового цилиндра, охватывая его. Этот процесс получил название установления частоты. На второй стадии изображающая точка движется, не охватывая цилиндр, при этом движения совершаются вокруг точки устойчивого равновесия. Эта стадия получила название установления фазы. Первая стадия занимает достаточно длительное время, и тактовая синхронизация на основе системы ФАП в данном режиме не работает, поскольку разность фаз монотонно меняется. Поэтому необходимо длительность этого процесса сократить и/или исключить возможность изменения разности фаз в системе ФАП в широких пределах, ограничив его, например величиной ± ж .

Такими свойствами обладает система, предложенная в работе, которая и применена в РРЛ "Интеграл" и дала очень хорошие результаты при скорости передачи 2176 кбит/сек.

Как известно, в современных РРЛ обязательными элементами являются синтезаторы частот. Синтезаторы частот в радиорелейных линиях связи используются не только в схемах восстановления несущей, но и в качестве задающих генераторов

16 возбудителей), гетеродинов и т.д. Одно из основных требований, предъявляемых к синтезаторам частот, заключается в глубоком подавлении колебаний побочных частот, что легко достигается за счет использования системы ФАП. Для уменьшения уровней побочных составляющих необходимо уменьшать полосу ФАП, что часто и делается за счет соответствующего выбора параметров пропорционально интегрирующего фильтра в кольце ФАП. Однако это неизбежно приводит к сужению полосы захвата, увеличению времени захвата по частоте, что недопустимо при широкой перестройке синтезатора частот. Так, в одной из радиорелейных линий для передачи специальной информации необходима оперативная смена частот в диапазоне 300350 МГц с шагом перестройки не более 100 кГц при центральной частоте в области 2 ГГц. Время перестройки при этом во всем диапазоне не должно превышать нескольких миллисекунд. Поскольку ГУН перестраивается в пределах ± 10% от собственной частоты, то необходимо обеспечить работу синтезатора при относительной частотной расстройке не менее 0,75. Это невозможно получить, используя обычную систему ФАП, так как необходимо обеспечить еще и требуемую фильтрующую способность. Использование некоторых типов фазочастотных детекторов (ФЧД) в кольце ФАП позволяет расширить полосу захвата до полосы удержания, однако, трудно обеспечить высокое быстродействие при синтезе частот с малым шагом, устранить противоречия между требованиями по фильтрации внутренних и внешних помех, подавлением внешних помех и быстродействием, [355].

Поскольку ФЧД в основном выполняются цифрового (импульсного) типа, то они практически все имеют зону нечувствительности, ограниченный диапазон, [304]. Поэтому для ряда синтезаторов необходимым стало применение систем ФАП, описанных в работе.

Как видно из вышеизложенного, создание систем ФАП, обладающих новой и перспективной совокупностью свойств, является вторым актуальным направлением исследований диссертации.

Следующим третьим направлением является создание таких методов передачи информации, которые позволяли бы значительно уменьшить время доставки сообщения при сохранении требований по надежности.

Существующие методы передачи информации в некоторых случаях не учитывают ряд особенностей реального канала

17 связи, которые и не позволяют обеспечить минимальное время доставки информации. В диссертационной работе на основе анализа концепции построения системы "INMARSAT" предлагается метод, который позволяет минимизировать не только время доставки информации, но и расширять возможности системы, улучшая при этом ее надежностные характеристики [241, 242].

Таким образом, актуальность общей научной проблемы, решению которой посвящена данная диссертационная работа, обусловлена необходимостью передачи больших объемов информации в реальном масштабе времени, требованиями информационной безопасности России, и, в конечном итоге, необходимостью построения современных отечественных систем и средств радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи с повышенной помехоустойчивостью и быстродействием.

Стратегические задачи развития этих систем включают: -создание спутниковых цифровых систем связи с высокой пропускной способностью и помехоустойчивостью в интересах народного хозяйства, обороны страны и правительственной связи; -создание радиорелейных и тропосферных систем с предельно возможной для этого вида техники пропускной способностью; -создание основных радиотехнических средств, обеспечивающих помехоустойчивость и быстродействие радиорелейных, тропосферных и спутниковых систем.

Целью работы является разработка научно-методологических основ создания нового поколения помехоустойчивых и быстродействующих систем радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи на основе исследования и разработки перспективных систем синхронизации и автоподстройки ДСФ сложных широкобазовых сигналов, новых принципов автоподстройки частоты демодуляторов сигнала с манипуляцией фазы напряжения входного сигнала, а также разработка методов многократного расширения полосы захвата и уменьшения времени вхождения в синхронизм систем ФАПЧ.

В связи с этим в диссертации проведены исследования и разработка научных основ обеспечения помехоустойчивости и быстродействия перспективных радиорелейных, тропосферных и спутниковых линий и систем связи специального назначения, а именно: принцицов, методов, моделей и программно-методических средств и на их основе научно обоснованных рекомендаций по совершенствованию создаваемых систем связи.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

18

1. Научный анализ общесистемных требований к качеству формирования и приема сигналов в радиорелейных, тропосферных и спутниковых системах связи;

2. Исследование и разработка современных систем радиорелейной связи с использованием оптимальных алгоритмов системы автоподстройки ДСФ по тактовой частоте;

3. Исследование системы автоподстройки ДСФ по высокой частоте и разработка оптимальной математической модели системы;

4. Исследование и разработка унифицированной структуры й математических моделей системы ФАП с манипуляцией фазы напряжения подстраиваемого генератора и с манипуляцией напряжения биений;

5. Исследование динамических параметров созданных систем ФАП и разработка их основных узлов с манипуляцией сигналов в кольце для помехоустойчивых радиорелейных, тропосферных и спутниковых систем связи;

6. Экспериментальные исследования разработанных систем ФАП с манипуляцией сигналов в кольце и систем синхронизации и автоподстройки ДСФ;

7. Исследование потенциальных возможностей системы ЩМАИЗАТ-Е и разработка рекомендаций по совершенствованию и расширению ее возможностей;

8. Реализация разработанных моделей в виде научно обоснованных рекомендаций для повышения помехоустойчивости и быстродействия перспективных радиорелейных, тропосферных и спутниковых систем связи.

Краткий обзор материалов диссертационной работы можно представить в следующем виде.

В первой главе проводится исследование состояния проблемы, постановка задач, а также приводятся сведения о некоторых ансамблях широкобазовых сигналов, которые могут найти применение в радиорелейных, тропосферных и спутниковых системах связи. Основной упор делается на изложение принципов работы и свойств дискретного согласованного фильтра, а также требований к системам синхронизации и автоподстройки ДСФ. Рассматриваются также основные методы улучшения динамических параметров систем ФАП и проводится сравнение этих систем.

Во второй главе проводится исследование систем синхронизации и автоподстройки ДСФ и определяются условия устойчивости, исследуются переходные процессы, полоса захвата,

19 свойства системы при случайных воздействиях. Приводятся также результаты исследования работы ДСФ при расстройке по высокой частоте. Анализируется влияние флуктуадий входных напряжений систем ИФАПЧ и ИФАПВЧ ДСФ по фазе на достоверность приема информации, то есть качество работы систем авторегулирования. Приведены разработанные методы построения устойчивых систем синхронизации и автоподстройки ДСФ по тактовой и высокой частоте, позволяющие значительно расширить полосы захвата соответствующих систем импульсно-фазовой автоподстройки. Предложены математические модели систем импульсно-фазовой автоподстройки ДСФ по тактовой частоте, обеспечивающей устранение рассогласований входного сигнала и дискретного согласованного фильтра по тактовой частоте, и импульсно-фазовой автоподстройки ДСФ по несущей частоте входного сигнала, обеспечивающей квазикогерентный прием информации.

В третьей главе проводятся исследования систем ФАП с манипуляцией фазы напряжения подстраиваемого генератора как с симметричной, так и с несимметричной манипуляцией, а также с манипуляцией напряжения биений. Предложены методы построения устойчивых систем ФАП и математические модели вышеуказанных систем ФАП, получены их основные параметры аналитическими и численными методами. Проводится анализ динамических параметров созданных систем ФАП и систем синхронизации и автоподстройки ДСФ. Предложены разработанные основные узлы этих систем для помехоустойчивых радиорелейных, тропосферных и спутниковых систем связи.

В Четвертой главе описывается макет многоканального ДСФ, на котором производилось экспериментальное исследование систем синхронизации и автоподстройки ДСФ, а также приводятся результаты экспериментов. Приводятся описания образцов исследуемых систем ФАП и результаты их экспериментального исследования.

Пятая глава посвящена реализации разработанных методов проектирования помехоустойчивых радиорелейных, тропосферных и спутниковых систем связи. В ней также приводятся результаты исследования потенциальных возможностей спутниковой системы ШМАИБАТ-Е и разработанные научно-обоснованные рекомендации по совершенствованию и расширению возможностей этой системы.

20

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Даниэлян, Станислав Арташесович

5.5. Выводы по главе.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований получили свое практическое применение при разработке и создании целого ряда радиорелейных, тропосферных и спутниковых систем связи специального назначения, удовлетворяющих требованиям заказчика по помехозащищенности и быстродействию, В частности:

1. Решена важнейшая народнохозяйственная и оборонная задача по созданию центров Единой Системы Спутниковой свя

251 зи с использованием широкополосных помехоустойчивых центров управления спутниковой связью. Система обеспечивает устойчивую работу части каналов спутниковой связи в условиях воздействия помех за счет использования широкополосных сигналов. До настоящего времени она не имеет аналогов в мировой практике.

2. Решена задача по дальнейшему повышению помехозащищенности и пропускной способности Единой Спутниковой Системы связи второго поколения - ЕСС-2. Система находится в эксплуатации, которая до настоящего времени обеспечивается с участием коллектива, руководимого автором.

3. Разработаны и построены при непосредственном участии автора две береговые станции спутниковой системы IN-MARSAT-E в г.г. Одессе и Находке, которые позволяют обеспечивать практически глобальное бесперебойное обслуживание поверхности суши и 3-х океанов.

4. Реализация разработанных методов получения оптимальных характеристик и расширения возможностей системы INMARSAT, позволили обеспечить минимальные потери и значительно уменьшить время доставки сообщения о бедствии в трех океанских регионах: Атлантическом, Индийском и Тихом.

5. Впервые с использованием тропосферных и радиорелейных линий, при непосредственном участии автора, были разработаны методы построения помехоустойчивых опорных систем связи. На основе этих методов была построена и сдана в эксплуатацию широкополосная опорная сеть связи: двойного назначения с высокой помехоустойчивостью и надежностью связи "Барс", по своим показателям не имеющая аналогов в мире.

6. Разработаны новые методы построения высокоскоростных стационарных опорных сетей цифровой связи крупных городов на основе использования тропосферных и радиорелейных станций. В результате создана уникальная возможность использования труб ТЭЦ по обеспечению связи в значительном по площадям регионе при минимальных затратах на капитальные сооружения как со стационарными, так и с подвижными объектами.

7. Внедрение полученных результатов при разработке реальных объектов позволяют сегодня успешно функционировать крупным и уникальным комплексам "Кристалл", "Багет", "Норда", а также целой серии связных станций народнохозяйственного назначения, таких как "Просвет", "Лилия", "Радиус".

252