Совершенствование систем полосовой фильтрации с возрастным гетеродинированием

Постоянное развитие элементной базы, радиотехнических контрольно-измерительных средств, а также методов компьютерного проектирования позволяют создавать сложные системы фильтрации (СФ) и решать с их помощью новые научно-технические задачи. Проблема фильтрации сверхвысокочастотных сигналов (СВЧ), а также многие задачи по созданию современных и эффективных СФ всегда были и остаются актуальными и относятся к числу основных в радиотехнике. К ним можно отнести создание полосовых фильтров с заданными характеристиками и плавно регулируемой полосой пропускания (lili) с большим коэффициентом перекрытия, построение которых связано с техническими трудностями. Одним из возможных способов решения является применение метода фильтрации, основанного на возвратном (двух или многократном) гетеродинировании (ВГ). Селективные устройства, в которых применяется этот метод, называются в литературе системами фильтрации с возвратным гетеродинированием (СФВГ).

В упрощенном виде работу СФВГ представляется следующем образом. В процессе гетеродинирования частота входного фильтруемого сигнала сводится к некоторому оптимальному с точки зрения подавления помех промежуточному значению. Подобная процедура, хорошо известная из техники радиоприемных устройств, сопровождается дестабилизирующим влиянием частоты гетеродина на промежуточную частоту. Для устранения этого вредного эффекта в СФ используется принцип возвратного гетеродинирования, который заключается в повторном преобразовании сигнала промежуточной частоты с помощью сигнала того же гетеродина. В результате при выполнении определенных условий можно добиться, чтобы внесенная частотная нестабильность была скомпенсирована. Достаточная физическая прозрачность процессов в СФВГ не означает, что при построении таких систем не возникает специфические задачи и проблемы, особенно с учетом того, что реальные устройства фильтрации намного сложнее.

Для достижения высококачественных характеристик и улучшения фильтрующих свойств СФ необходима сложная многопараметрическая оптимизация их параметров. Поэтому совершенствование технических характеристик, повышение их эффективности, является актуальной задачей.

Основоположником данного метода фильтрации можно считать В.И. Юз-винского, предложившего его еще в 1941 г. [1] и позднее опубликовавшего монографию [2] на эту тему. Метод фильтрации получил большое распространение в радиотехнике и нашел широкое применение: в синтезаторах частот, трактах промежуточных частот радиоприемных устройств, в которых необходима плавная регулировка ГШ и высокая селективность [3−12].

Состояние вопроса в рассматриваемой области характеризуется следующими основными достижениями.

Метод В. И. Юзвинского был применен и существенно развит в работах и изобретениях [12, 25, 26, 28, 39−41, 62, 63, 75, 77−80, 83−86, 99, 104], реализующих СФ с возможностью плавной регулировки ПП. Наиболее важные теоретические и практические результаты были получены в работах Левина В. А., Норкина Г. А., [3], Паина A.A., Шапиро Д. Н., [7] Мостыко B.C. [10].

В иностранной литературе СФ, работающая по принципу ВГ, встречается под названием «drift-cancel loop», где заслуживают рассмотрения результаты исследований В. Манасевича [5], Б. Голдберга [11], Б Кади [12], У. Роде [48].

Анализ текущих исследований в области СФВГ показывает, что существует актуальная научно-техническая проблема поиска инженерных решений, направленных на повышение эффективности СФ и совершенствование их технических характеристик.

Цель работы — повышение динамического диапазона и улучшение компенсационных свойств СФВГ путем оптимизации структуры и выбора оптимальных параметров узлов системы.

Задачи исследования 1. Систематизация и анализ ранее проведенных исследований СФВГ, их структурная классификация.

2. Математическое описание частотного «-кратного преобразования сигналов в СФВГ.

3. Анализ прохождения радиосигналов через цепи СФВГ. Оценка полученных искажений, анализ возможности применения квазигармонического и спектральных методов к решению данных задач.

4. Исследование возможности достижения максимального динамического диапазона (ДД) посредством выбора оптимальных параметров каскадов. Разработка алгоритма расчета оптимальных коэффициентов передачи (КП) каскадов. Уточнение методики каскадирования многокаскадных устройств. Обобщение правил каскадирования.

5. Исследование возможности улучшения компенсационных свойств СФВГ посредством введения линии задержки (JI3).

6. Разработка итерационного цикла расчета оптимальной величины J13. Уточнения методики расчета коэффициента компенсации в СФВГ с нелинейной ФЧХ фильтра основной селекции (ФОС).

7. Компьютерное имитационное моделирование (ИМ) и экспериментальные исследования СФВГ. Сравнительный анализ полученных экспериментальных и теоретических результатов.

8. Анализ возможности применения методов и принципов ЦОС в СФВГ.

Методы исследований. Перечисленные задачи решены следующими методами: спектрального анализа, квазигармоническим методом, с помощью теории радиоприема, инженерных расчетов с применение пакетов: MathCAD, AppCAD, MATLAB. Часть результатов в работе получена с использованием вычислительных алгоритмов, реализованных в виртуальной среде Lab VIEW. ИМ работы СФВГ выполнено с помощью пакета Microwave Office.

Научная новизна и практическая значимость приведенных в диссертационной работе исследований заключается в разработке методов улучшения технических характеристик СФВГ. Так, для достижения максимального ДД многокаскадной СФВГ решена задача определения оптимальных КП каждого каскада. Составлен пошаговый алгоритм и разработано программное обеспе8 чение для расчета данных коэффициентов. Уточнена методика каскадирования и проанализированы необходимые и достаточные условия каскадирования. Рассмотрены компенсационные свойства СВФГ, проведены теоретические и практические исследования, направленные на повышение эффективности компенсации. Введен показатель эффективности компенсации (ПЭК), и разработан итерационный цикл расчета оптимальной величины JT3 по критерию максимума ПЭК. Проанализированы факторы, влияющие на степень компенсации, даны рекомендации для уменьшения их влияния. Получены результаты, имеющие практическое значение для разработки и проектирования различных радиотехнических систем с ВГ.

Основные научные результаты и итоги диссертационной работы:

1. Обобщена и систематизирована информация о применении метода ВГ для приема и обработки радиосигналов.

2. Получены аналитические выражения для расчета оптимальных КП в СФВГ обеспечивающих максимальный динамический диапазон. Предложен алгоритм расчета коэффициентов и разработано программное обеспечение его реализующее. Данное программное обеспечение зарегистрировано в ФИПС (св. № 2 011 612 431 от 23.03.2011 г.).

3. Уточнена методика каскадирования для получения максимально возможного динамического диапазона. Выдвинут ряд дополнительных и необходимых условий каскадирования.

4. Улучшены компенсационные свойства СФВГ посредством введения линии задержки. Разработан итерационный цикл расчета оптимальной величины времени задержки JI3 при моделировании и проектировании СФВГ.

5. Проведено компьютерное имитационное моделирование работы СФВГ на ПЭВМ в пакетах Microwave Office и Lab VIEW.

6. Выполнены экспериментальные исследования подтверждающие достоверность полученных теоретических выражений и предложены практические рекомендации по улучшению технических характеристик СФВГ.

7. Рассмотрено применение принципов ЦОС при реализации отдельных узлов для получения комбинированной СФВГ.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и двух приложений.

5.5. Выводы к главе 5.

1. Проведен анализ основных направлений по использованию цифровой схемотехники при проектировании СФВГ.

2. Предложено использование КИХ — фильтров ввиду их линейности ХГВЗ и возможности их реализации на ПЛИС.

3. Проведен расчет коэффициента прямоугольности и времени задержки для КИХ — фильтра в зависимости от числа его коэффициентов. Проведен приблизительный расчет задержки ЦФОС в зависимости от частоты дискретизации и числа коэффициентов КИХ — фильтра.

4. Показано, что порядки временных задержек позволяют реализовать ЛЗ на одном кристалле ПЛИС с цифровым фильтром.

5. Оценена возможность применения синтезаторов на основе ФАПЧ в качестве гетеродина СФВГ с синхронизацией от одного ОГ, проведено ИМ в результате которого оценена эффективность применения ЛЗ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате анализа вопроса проектирования и использования систем фильтрации с ВГ сформулированы и решены задачи, позволяющие существенно повысить уровень динамических и компенсационных характеристик данных систем.

Проведена систематизация и анализ разрозненного материала по вопросам исследования СФ, использующих методы ВГ. Отмечены основные проблемные направления исследований СФВГ. Проведен анализ основных типов СФВГ и системотехнических особенностей их построения. На основе проведенного анализа дополнена существующая структурная классификация по иерархическим принципам и принципам принадлежности к обрабатываемым сигналам.

Проанализированы методики исследований СФВГ, рассмотрена адекватность их использования. Проведен анализ вариантов использования современных прикладных программ для проведения компьютерного ИМ.

Проведен комплексный обзор основных параметров и характеристик описывающих свойства СФВГ. Проанализированы неизбежные изменения ряда параметров в режиме регулировки полосы пропускания. Указана необходимость введения допустимых пределов для них.

Проведены математические анализы частотного «-кратного преобразования сигналов в СФВГ и прохождения детерминированных радиосигналов через цепи СФВГ, таких как АМ, ЧМ — сигнал. Получена оценка вносимых искажений, квазигармоническим и спектральным методом.

Исследованы возможности достижения максимального ДД благодаря выбору оптимальных параметров каскадов. Получено аналитическое выражение для КП в СФВГ для достижения максимально реализуемого ДД. Предложен алгоритм поиска оптимальных КП на основе аналитического выражения. Произведено сравнение работы алгоритмов по показателю вычислительной и временной сложности. Показано, что на выполнение предложенного алгорит.

137 ма требуется меньше вычислительных и временных затрат в сравнении с алгоритмами: Гаусса-Зейделя, слепого поиска, прямого перебора и он не зависит от размера шага поиска КП.

Отмечена особенность распределения КП по каскадам при необходимости регулировки общего КП. Установлено, что ДД снижается меньше, если усиление распределить по крайним каскадам, и больше если по центральным.

Проанализированы и уточнены существующие правила методики каскадирования. Даны рекомендации по использованию принципов каскадирования.

Проведен анализ причин, оказывающих влияние на эффективность компенсации ФШ. К этим причинам относятся: а) разное время прохождения сигнала по цепям ОТФ и ВТФб) искажение закона изменения мгновенной частоты и мгновенной фазы колебанияв) изменение амплитуды полезного частотного отклонения в зависимости от модулирующей частотыг) возникновение паразитной АМ (ЧМ-АМ конверсия).

Проведен математический анализ процесса компенсации частотных флюктуаций сигнала гетеродина. Отмечено, что на выходе схемы СФВГ ПЧМ сигнала гетеродина переходит в ФМ полезного сигнала. При ПФМ сигнала гетеродина, на выходе СФВГ индекс ФМ полезного сигнала пропорционален модулирующей частоте ?2 и разности времени прохождения сигнала по цепям ОТФ и ВТФ. Уточнено выражение для расчета коэффициента компенсации ПУМ на выходе СФВГ для ФОС с нелинейной ФЧХ.

Для повышения эффективности компенсации рекомендуется: 1) проектировать ФОС с минимальным возможным временем задержки- 2) осуществлять задержку сигнала гетеродина на величину задержки в цепях ФОС за счет размещения ЛЗ на гетеродинном входе смесителя выполняющего роль ВГ. В результате ИМ установлено, что наиболее эффективно и целесообразно применение ФОС с равномерной ХГВЗ, однако в случаях, когда ФОС имеет неравномерную ХГВЗ, необходимо использовать фазовые корректоры.

Разработан итерационный цикл расчета времени задержки ЛЗ. Предложен показатель эффективности компенсации, как критерий выбора величины.

JI3 при проектировании СФВГ. Показано, что введение J13 в схему позволило получить выигрыш в эффективности компенсации в 10 — 15 дБ.

Проведена оценка степени компенсации частотных и фазовых флюктуа-ций сигнала гетеродина на выходе СФВГ. Проведены измерения КК паразитной угловой модуляции сигнала гетеродина. Теоретическая оценка КК производилась на основе ранее полученных выражений. В результате эксперимента получено практическое подтверждение: а) факта изменения вида модуляции сигнала гетеродина на выходе СФВГб) существенного влияния на степень компенсации разности времени прохождения сигналов по цепям ОТФ и ВТФ. Получены оценки повышения эффективности компенсации частотных, фазовых флуктуаций при выравнивании ГВЗ ФОС и ВТФ, посредством подключения JT3. В ходе экспериментальных исследований зафиксировано на выходе СФВГ наличие паразитной AM, вызванной ЧМ (ФМ)-АМ конверсией и не зависящей от соотношения времени прохождения сигналов по цепям ОТФ и ВТФ. Отмечено, что на уровень ПАМ существенно влияет уровень сигнала на гетеродинном входе смесителей. Сравнительный анализ полученных данных подтвердил совпадение основных результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Рассмотрено применение принципов ЦОС при реализации отдельных узлов для получения цифровой СФВГ. Оценена возможность реализации отдельных узлов СФВГ на базе цифровой схемотехники. Произведены расчеты параметров КИХ — фильтров и общей задержки цепи ЦФОС. Проведено компьютерное ИМ для двойного синтезатора на основе ФАПЧ с синхронизацией от одного ОГ. Предложена реализация СФВГ на ПЛИС. Отмечено, что эффект компенсации ФШ проявляется с разной степенью в зависимости от места расположения ЛЗ. Так, например, наибольший эффект компенсации достигается при включении ЛЗ на выход одноканального синтезатора на основе ФАПЧ.