Теоретичні засади та методи забезпечення завадостійкості пристроїв фазової синхронізації на етапі проектування

Abstract

Дисертаційна робота присвячена дослідженню впливу завад на процеси синхронізації у пристроях фазового автопідстроювання частоти різноманітного призначення, створенню математичних моделей процесу синхронізації за наявності випадкових і детермінованих збурень та розробці із застосуванням цих моделей ефективних методів підвищення завадостійкості пристроїв синхронізації. Розвинуто теорію випадкових процесів у динамічних системах у напрямку виявлення стохастичних біфуркацій. Виявлені та означені якісні особливості статистичної динаміки пристроїв синхронізації, визначені граничні значення параметрів пристрою і завад, за яких зберігається працездатність пристрою. Здійснений параметричний синтез класичного пристрою автопідстроювання частоти за критерієм максимального допуску на відхилення параметрів сигналу і завад від апріорно заданих. Виграш за завадостійкістю та діапазоном стеження становить від декількох відсотків до декількох разів. Показано, що використання запропонованого модифікованого пристрою фазової синхронізації підвищує завадостійкість приймання радіосигналів зі збереженням динамічних властивостей. На прикладах типових задач радіолокації, супутникової навігації та детектування сигналів з кутовою модуляцією здійснений вибір параметрів модифікованого пристрою, який забезпечує зниження шумового порогу на 8-10 децибел з одночасним розширенням смуги схоплення. Диссертационная работа посвящена теоретическому обоснованию и новому решению научно-прикладной проблемы, которая заключается в разработке теории и моделей анализа помехоустойчивости устройств фазовой синхронизации, предназначенных для использования в приемниках радиосигналов, разработке новых методов параметрической оптимизации таких устройств с учетом одновременного воздействия случайных и детерминированных возмущений, разработке методов повышения помехоустойчивости с сохранением динамических свойств устройств синхронизации. Развита теория статистического представления случайных процессов в стохастических динамических системах. Впервые предложено описывать статистическую динамику таких систем поведением сечения распределения вероятности на фазовом портрете невозмущенной системы. Обоснован выбор сечения на уровне 1/е2, который назван "характерным сечением", как наиболее информативного. Теория случайных процессов в динамических системах развита в направлении выявления стохастических бифуркаций. Предложены определения выявленных качественных особенностей статистической динамики устройств синхронизации, определены предельные значения параметров устройства и помех, при которых сохраняется работоспособность устройства. Осуществлен параметрический синтез классического устройства автоподстройки частоты, предназначенного для приема ЧМ сигнала на фоне шума, по критерию максимального допуска на отклонения параметров сигнала и помех от априорно заданных. Выигрыш по помехоустойчивости и диапазону слежения составляет от нескольких процентов до нескольких раз. Обоснована и описана структура модифицированного устройства ФАПЧ, которая позволяет повысить помехоустойчивость с сохранением динамических свойств. В случае действия только случайной помехи показана возможность повышения предельной помехоустойчивости до 2,5-5 раз и расширения диапазона слежения на 25%-200%, показано, что выигрыш отношения сигнал-шум по мощности составляет 14-18 дБ для безфильтровой ФАПЧ и 4-10 дБ для ФАПЧ с интегрирующим фильтром. Определена область пространства параметров устройства, в пределах которой устройство является глобально устойчивым. На примерах типичных задач радиолокации, радиосвязи и радионавигации показана возможность повышения помехоустойчивости устройств фазовой синхронизации приемников радиосигналов без увеличения энергетических параметров сигнала. Для радиолокационной задачи показано, что параметрический синтез разработаным методом дает выигрыш до 5% по помехоустойчивости и до 40% по диапазону слежения. Рассчитаны параметры модифицированной ФАПЧ, которые позволяют увеличить помехоустойчивость более чем в 3 раза, а диапазон слежения и полосу захвата от 2 до 6 раз. Для задачи проектирования синхронного фазового детектора ЧМ сигнала показана возможность технической реализации приема сигналов с глубокой угловой модуляцией (с индексами до 18 рад). Определены параметры и структура устройства, которые позволяют снизить на 10 дБ шумовой порог (при индексе модуляции 3,3 рад) или увеличить на 8 дБ отношение сигнал-шум выходного сигнала без увеличения отношения сигнал-шум на входе (при индексе модуляции 6,28 рад). Показано, что последующее увеличение индекса модуляции (до 12-18 рад) увеличивает отношение сигнал-шум на выходе на 1-2 дБ и является нецелесообразным. Для радионавигационной задачи на примере выбора параметров схемы слежения за несущей приемника спутникового навигационного сигнала системы GPS показана возможность увеличения помехоустойчивости на 2 дБ путем нелинейного параметрического синтеза и на 8-12 дБ применением модифицированного устройства ФАПЧ. Увеличение помехоустойчивости осуществлено в режиме фазовой синхронизации с сохранением возможности демодуляции битовых посылок, в отличие от существующих устройств, которые при уменьшении уровня сигнала переходят в некогерентный режим частотной автоподстройки. Полоса захвата предлагаемого устройства в 4,8 раз больше, а время захвата в 30..100 раз меньше, чем у существующих аналогов. Thesis is devoted to investigations of influencing of disturbations on the synchronization processes in the various applications of phase locked loop devices, to creation of mathematical models of synchronization process at presence of stochastic and determined disturbations and development with application of these models of effective methods of sync devises noise stability rising. The theory of stochastic processes in dynamic systems in a direction of detection of stochastic bifurcations is advanced. The qualitative singularities of synchronizing devices statistical dynamic are detected and are defined, the limiting parameters values of devices and disturbations are determined, at which one the service capability of the device is kept. The parametrical synthesis of the classic phase locked loop device by criterion of maximum tolerance on a signal and disturbations parameters deflection from is a priori given is realized. The profit on noise stability and watching range makes from several percents up to several times. It is shown, that the offered modified phase locked device rise noise stability with saving of dynamic properties. On the examples of the representative tasks of a radiolocation, satellite navigating and detection of signals with an angle modulation the choice of parameters values of the modified device is realized, which one allow to reduce a noise threshold on 8-10 decibels with simultaneous expansion of a pull-in band.