Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
22
Державний комітет зв’язку та інформатизації України
Український науково-дослідний інститут зв’язку
Охрущак Дмитро Віталійович
УДК 621.396.662.072.078
Підвищення точності та швидкодії багатоконтурних систем Фазового автопідстроювання
05.12.13 –Радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Дисертацією є рукопис.
Дисертація виконана в Українському науково-дослідному інституті зв’язку
Науковий керівник: Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Стеклов Василь Купріянович, завідувач кафедри інформаційних технологій Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій
Офіційні опоненти: Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Лучук Андрій Михайлович, провідний науковий співробітник Українського науково-дослідного зв’язку, м. Київ
Кандидат технічних наук, заступник директора Київської дирекції ВАТ “Укртелеком” Руденко Олександр Андрійович
Провідна установа: Одеська національна академія зв’язку ім. О.С.Попова Державного комітету зв’язку та інформатизації України, м. Одеса
Захист відбудеться 12.03.2004р. о_14_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.849.01 при Українському науково-дослідному інституті зв’язку за адресою: 03680, м.Київ-110, вул.Солом’янська 13.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Українського науково-дослідного інституту зв’язку
Автореферат розісланий 11.022004р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Михайлов В.Ф.
Актуальність теми та стан питання
Вирішення задач, поставлених перед галуззю зв’язку і спрямованих на підвищення ефективності використання засобів зв’язку, багато в чому залежить від поліпшення показників якості окремих локальних пристроїв систем зв’язку. До таких пристроїв, зокрема, відносяться системи фазового автопідстроювання.
Системи фазового автопідстроювання (ФАП) знаходять широке застосування в техніці зв’язку. Вони використовуються при демодуляції цифрових ФМ сигналів в частотних синтезаторах, де за допомогою ФАП полегшується вирішення задачі стабільності частоти і спектральної чистоти вихідного коливання; при побудові регенеративних дільників і перемножувачів частоти, де шляхом побудови вузькосмугової замкненої ФАП з опорного сигналу, спотвореного завадами, можна одержати порівняно вільний від джиттера субгармонійний когерентний сигнал; при розробці схеми фільтрації спектральної складової сигналу на фоні шумів; при побудові високодобротних і смугових загороджувальних фільтрів з відстежуючим настроюванням за середньою частотою; при побудові систем когерентної фазової або частотної модуляції; при управлінні фазованими антенними ґратками і побудові когерентних далековимірних систем; у підсилювачах для усунення фазових набігів. Методи фазової синхронізації широко використовуються в системах ІКМ для виділення тактового сигналу безпосередньо з передавальної інформаційної послідовності; в апаратурі передачі даних, а також для стабілізації частоти генератора. Системи ФАП використовуються в приймачах амплітудно-модульованих сигналів; у радіотехнічних приймально-вимірювальних комплексах; для підвищення точності апаратури запису –відтворення інформації на магнітному носії та інше.
Від показників якості ФАП багато в чому залежить ефективність системи зв’язку, вірність переданої від джерела до одержувача інформації й ін.
Основними показниками ФАП є точність в усталених режимах і швидкодія. Тому тема дисертаційної роботи, присвяченої вирішенню задачі поліпшення основних показників якості системи ФАП, особливо актуальна.
Вирішенню проблеми підвищення точності і швидкодії систем ФАП присвячено багато робіт вітчизняних і закордонних вчених. Успіхи розвитку теорії системи ФАП пов’язані з іменами таких учених як Белюстіна Л.П., Капранов М.В., Артим А.Д., Шахгільдян В.В., Первачев С.В., Кривицький Б.Х., Зайцев Г.Ф., Скляренко С.М., Жорджишський М.І., Вітербі В.Д., Поліщук В.Г., Руденко О.А. та інші.
У відомій літературі рішення задач підвищення точності і швидкодії систем ФАП у класі систем із принципом управління за відхиленням мають істотний недолік, який полягає в тому, що зміна параметрів замкненого контуру системи ФАП у напрямку зменшення фазової похибки призводить до збільшення тривалості перехідного процесу і до зменшення запасу стійкості. Тому при виборі параметрів замкненого контуру системи ФАП необхідно приймати компромісне рішення, що задовольняє необхідним точності і стійкості.
В ряді випадків поліпшення показників якості системи ФАП можна досягнути шляхом запису сигналу в даний момент часу і зчитування його на наступному тактовому інтервалі n раз, але це пов’язано з появою додаткових спотворень, що виникають в пристроях запису відтворення. Підвищення точності досягається також у системах ФАП гребеневого типу. Проте наявність n гілок для паралельної обробки інформації істотно ускладнює конструкцію системи ФАП.
Застосування адаптивних систем ФАП, що містять канали грубого і точного настроювання, також не вільні від основного недоліку, властивого системам ФАП із принципом керування за відхиленням.
Проте, незважаючи на недоліки, властиві системам ФАП з принципом управління за відхиленням і велику кількість робіт, присвячених їхньому дослідженню, все ж багато важливих практичних питань при застосуванні систем ФАП у техніці зв’язку ще не дослідженні.
Практично мало дослідженні ітераційні системи ФАП, не розроблені методи їхнього структурного синтезу. Не порушені питання побудови багатоконтурних ітераційних систем ФАП у класі систем із управлінням за відхиленням і систем ФАП з масштабуючими коригуючими пристроями (МКП), що містять МКП в основному і додаткових контурах управління. Не вирішена задача побудови оптимальних за швидкодією ітераційних систем ФАП при ступінчастих задавальних діяннях. Не розглянуті особливості побудови цифрових ітераційних систем ФАП при урахуванні нелінійностей і зовнішніх збурень.
Метою дисертації є підвищення точності та швидкодії ітераційних систем фазового автопідстроювання при задавальних діяннях і зовнішніх збуреннях.
Об’єктом досліджень є ітераційні системи фазового автопідстроювання з принципом управління за відхиленням, комбінованих із МКП.
Предметом досліджень є їх показники якості в усталених і перехідних режимах. При цьому вирішуються наступні задачі:
При розробці і досліджені ітераційних систем використанні такі методи: методи моделювання на ЕОМ; спектральний і операторний методи рішення неоднорідних диференціальних рівнянь; теорія інваріантності; методи теорії випадкових процесів; методи оптимального управління.
Наукова новизна полягає в розробці:
Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій, виведених в роботі, досягаються реальним багатостороннім системним аналізом реально існуючих процесів у сфері телекомунікацій взагалі та в об’єкті дослідження зокрема, коректним використанням методів досліджень та математичного апарату, підтверджуються результатами аналітичних доведень через математичні перетворення, результатами експериментальної перевірки та моделювання на ЕОМ і практичними результатами, які відображені в актах впровадження.
Наукове значення роботи
Наукові положення, отримані в дисертаційній роботі, є наступним кроком у розвитку теорії багатоконтурних систем фазового автопідстроювання в телекомунікаціях, а їх застосування при розробці і впроваджені конкретних каналів зв’язку дозволяє підвищити їх якість і, значить, якість телекомунікаційних послуг.
Практичне значення отриманих результатів
Результати роботи знайшли практичне застосування в науково-дослідних та дослідно-конструкторських роботах і впроваджені Українським науково-дослідним інститутом зв’язку; в навчальних посібниках, які використовуються в навчальному процесі Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій, що підтверджується актами впровадження.
Особистий внесок здобувача
В дисертаційній роботі особисто автором проведені наступні дослідження і одержані такі результати: розробка та дослідження нових структур цифрових та аналогових ітераційних систем ФАП та запропоновані методики синтезу МКП в основному та додаткових контурах управління із умови підвищення швидкодії; запропоновані нові структури оптимальних за швидкодією ітераційних систем ФАП. Виконано аналіз впливу нелінійностей на точність і швидкодію ОКУ ітераційної системи ФАП і запропоновані способи компенсації нелінійностей і параметричних збурень. У співавторстві із співробітниками кафедри інформаційних технологій ДУІКТ на ЕОМ проведені експериментальні дослідження системи ФАП, які використовуються в синхронних системах передавання інформації.
Апробація результатів дисертації
Основні теоретичні положення і результати експериментальних досліджень були висвітлені на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу і наукових співробітників Одеської національної академії зв’язку ім. О.С. Попова (2000-2002 рр.); на науково-методичних конференціях “Київського інституту зв’язку (1998-2003 рр.); на першому Міжнародному форумі “Прикладна радіоелектроніка. Стан і перспективи розвитку” (Харків, АНПРЕ, ХНУРЕ, 2002 р.); на міжнародних науково-практичних конференціях “Системи і засоби передачі та обробки інформації”, (Одеса, ОНАЗ ім., О.С. Попова, 2000-2003 рр.); на міжнародному конгресі “Інформаційне суспільство –стратегія розвитку людства у ХХІ сторіччі” (Київ, 2003 р.); на ювілейній науково-практичній конференції, присвяченій 10-річчю УНДІРТ (Одеса, 2003 р.); на 6-ій міжнародній науково-практичній конференції “Еволюція транспортних мереж телекомунікацій” (Ялта, 2003 р.).
Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи одноосібно або у співавторстві опубліковано 18 основних наукових праць, в тому числі: 2 навчальних посібника, 10 статей у виданнях, затверджених ВАК України, 6 матеріалів доповідей на науково-технічних конференціях.
Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи складає 184 с. друкарського тексту, який у тому числі містить 129 с. основного тексту, 40 с. з рисунками та таблицями, 10 с. використаних джерел, та 5 с. додатків.
Положення, що виносяться на захист:
У вступі обґрунтовані актуальність і практична значимість досліджень за темою, сформульовані мета, наукова новизна й основні положення, що виносяться на захист.
У першому розділі “Підвищення точності багатоконтурних систем фазового автопідстроювання в синхронних режимах” вирішується задача побудови ітераційних структур систем ФАП, які дозволяють одержати високу точність підтримки синфазності двох напруг в усталених (синхронних) режимах. Дається аналіз динамічних похибок ітераційної системи ФАП при різних законах зміни різниці фаз порівнюваних напруг. Вирішується задача оцінки впливу зовнішніх збурень, прикладених до замкненого контуру системи ФАП в точці, яка відрізняється від точки прикладання задавального діяння на точність ітераційної системи ФАП і пропонуються способи зменшення цього впливу. Задавальним діянням ОКУ ітераційної системи ФАП є різниця фаз (t)=(t)-(t) двох напруг: задавальної u(t)=Um1[cost+(t)] і управляємої u(t)=Um2cos[t+(t)]. Задавальним діянням додаткових контурів управління є сигнал похибки ОКУ для першого ДКУ, а сигнал похибки першого ДКУ є задавальним для другого ДКУ і так далі.
Функціональна і структурна схеми багатоканальної ітераційної системи ФАП зображені на рис.1,а,б відповідно. Для двоконтурної системи маємо
(1)
де
, –порядки астатизму ОКУ і ДКУ відповідно;
Wф(p), Wпп(p), Wі(p), Wф0(p) –оператори фільтра з дискримінатором, інтегратора підсилювача-перетворювача та фазообертача відповідно.
а
б
Рис.1
Одержані основні рівняння ітераційних систем. Розглянуто виконання умов стійкості ітераційних систем і показано, що умова підвищення точності не впливає на стійкість.
В ітераційних системах точність залежить від порядку астатизму. Чим вище порядок астатизму ОКУ і ДКУ, тим вище порядок астатизму всієї ітераційної системи. В загальному випадку
(2)
де j –порядок астатизму j-го контуру управління.
Запропонована методика синтезу структури ітераційної системи, яка враховує характер зміни задавального діяння. Показано, що в ітераційній системі ФАП можлива реалізація будь-якої кількості додаткових контурів управління і підвищення точності в усталених режимах до потрібної межі.
Запропоновані структури двоконтурних цифрових і цифро-аналогових ітераційних систем ФАП. Одержані дискретні передавальні функції і показано можливість підвищення їх точності в усталених режимах за допомогою додаткових розімкнених каналів управління.
В другому розділі вирішується задача синтезу оператора масштабуючого коригуючого пристрою (МКП) в ітераційній системі ФАП із умови зменшення перехідної складової похибки ОКУ із збереженням порядку астатизму і врахуванні умов фізичної реалізації оператора МКП.
Оператор ОКУ з МКП відносно похибки має вигляд
, (3)
де
Перехідна похибки при простих (некратних) коренях характеристичного рівняння системи ФАП з МКП має вид
, (4)
де =m+m; m –степінь характеристичного рівняння системи ФАП без МКП; m –степінь полінома FМКП(р); і –і-й корінь характеристичного рівняння ФАП з МКП.
Змінюючи величини коренів і або початкові значення компонент перехідної складової похибки, можна досягти потрібного значення п(t). Можливості зміни коренів характеристичного рівняння ОКУ ітераційної системи обмежена умовами компромісного настроювання. Тому в розділі запропонована методика синтезу МКП із умов компенсації початкових значень повільно загасаючих компонент п(t).
Для того, щоб зменшити до нуля початкове значення однієї із компонент перехідної складової похибки, достатньо ввести за допомогою МКП одну похідну від задавального діяння і величину, пропорційну цьому діянню:
. (5)
Для компенсації k початкових значень перехідної складової похибки необхідно реалізувати МКП, яке генерує k похідних по задавальному діянню. В цьому випадку k=m і оператор МКП визначається так
. (6)
Прирівнюючи до нуля початкові значення повільно загасаючих компонент перехідної складової похибки, одержимо k рівнянь
, (7)
де
- зображення задавального діяння.
Із рівнянь (7) визначаються параметри чисельника оператора WМКП(р).
В розділі запропоновано структуру ітераційної оптимальної за швидкодією двоконтурної системи ФАП з одним пристроєм управління (ПУ) для двох контурів управління і наведені результати її дослідження. Показано, що при побудові оптимальної за швидкодією системи ФАП пристрій управління, який виробляє сигнал управління, не впливає на стійкість ОКУ і ДКУ. Для виключення впливу задавального діяння на сигнал управління необхідно в кожному з контурів управління використати логічний комутатор, який виробляє сигнал компенсації цього впливу.
В розділі запропонована структура оптимальної за швидкодією двоконтурної ітераційної системи ФАП з пристроєм управління, розміщеним в розімкненому каналі управління ОКУ. При цьому ПУ не впливає на стійкість замкнених ОКУ і ДКУ.
В третьому розділі “Нелінійні ітераційні системи ФАП” здійснюється аналіз впливу нелінійностей на показники якості систем фазового автопідстроювання. Будь-яка окрема нелінійність впливає на показники якості системи ФАП в усталених та перехідних режимах в залежності від місця її розміщення в системі, від конкретного виду нелінійності, від зовнішніх умов і режиму роботи, а також від виду і місця розміщення інших нелінійностей.
В розділі дається оцінка впливу на точність і швидкодію нелінійностей типу зони нечутливості і насичення, які описуються виразами
(8)
де kн, bн –коефіцієнт передачі і половина ширини зони нечутливості; k, c –коефіцієнт передачі і рівень насичення статичної нелінійної характеристики елемента з насиченням.
Показано, що нелінійності незалежно від місця розташування погіршують показники якості ОКУ чи ДКУ ітераційної системи ФАП: виникають додаткові складові похибки в усталеному режимі; збільшується тривалість перехідного процесу.
В четвертому розділі запропоновані методики побудови лінеарізованих ітераційних систем ФАП при компенсації зони нечутливості в усталених режимах:
Запропоновано методики компенсації нелінійності типу насичення в ітераційних системах ФАП:
При збільшенні числа контурів управління компенсується складова похибки, викликаної зоною нечутливості. При цьому для сигналів |x(t)|bн підвищується порядок астатизму відносно еквівалентного збурення. При використанні додаткового розімкненого нелінійного каналу управління повністю компенсується зона нечутливості, вид оператора лінійної частини зв’язку залежить від місця знаходження нелінійної ланки. Сигнал з виходу розімкненого каналу формує функцію F(x)=bнsignx(t), де x(t) –вхідний сигнал нелінійної ланки.
При компенсації зони нечутливості за допомогою екстраполюючого коригуючого пристрою знаходиться місце його підключення.
При компенсації насичення використовуються екстраполюючі коригуючі пристрої, сигнал з виходів яких подається на вхід і вихід компенсуємої нелінійності.
Ефективне зменшення насичення в ітераційних системах ФАП досягається збільшенням кількості додаткових контурів управління, що еквівалентно в усталеному режимі паралельному з’єднанню нелінійних елементів.
Сукупність наукових положень, сформульованих і обґрунтованих у дисертаційній роботі, складає вирішення актуальної наукової задачі підвищення точності і швидкодії багатоконтурних ітераційних систем фазового автопідстроювання з принципом управління за відхиленням і систем з масштабуючими коригуючими пристроями, призначених для усунення фазових зсувів у підсилювачах і апаратурі зв’язку для реалізації систем тактової синхронізації.
Основними результатами дисертаційної роботи є розробка й аналіз нових структур систем ФАП і розробка методик їхнього синтезу.
Охрущак Д.В.
Підвищення точності та швидкодії багатоконтурних систем фазового автопідстроювання –Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.13 –радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій.
Український науково-дослідний інститут зв’язку, м. Київ, 2004р.
Дисертація присвячена розробці і дослідженню нових структур ітераційних систем фазового автопідстроювання з управлінням за відхиленням, комбінованих і з масштабуючими коригуючими пристроями (МКП). Одержані основні оператори двоконтурних і багатоконтурних ітераційних систем ФАП і рівняння їхнього руху відносно керованої величини і фазової похибки. Виконано аналіз динамічної точності двоконтурної ітераційної системи ФАП при повільно змінних задавальних діляннях на основі розкладу оператора системи ФАП відносно похибки в ряд за коефіцієнтами похибки. Запропоновано методику вибору кількості додаткових контурів управління ДКУ з умови підвищення порядку астатизму всієї ітераційної системи ФАП. Виконано аналіз впливу зовнішніх збурень, прикладених до основного і додаткових контурів управління, на точність ітераційної системи ФАП і запропоновано спосіб усунення впливу цих збурень. Виконано аналіз впливу нелінійностей типа зони нечутливості і насичення на основні показники якості і запропоновані способи компенсації цих нелінійностей. Запропоновано методику синтезу параметрів МКП із умови підвищення швидкодії при врахуванні умов фізичної реалізації МКП. Розроблено нові структури оптимальних за швидкодією ітераційних систем ФАП, які відрізняються тим, що пристрій управління, що забезпечує оптимальний за швидкодією перехідний процес, розташовано в розімкненому компенсаційному каналі управління і не впливає на стійкість основного і додаткових контурів управління ітераційної системи.
Результати дисертаційної роботи знайшли застосування в розробках Українського науково-дослідного інституту зв’язку і впроваджені в навчальний процес.
Ключові слова: фаза, управління, точність, швидкодія, система, коригування.
Охрущак Д.В.
Повышение точности и быстродействия многоконтурных систем фазовой автоподстройки –Рукопись
Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.12.13 –радиотехнические устройства и средства телекоммуникаций.
Украинский научно-исследовательский институт связи, г.Киев, 2004 г.
Диссертация посвящена решению задачи повышения точности и быстродействия новых структур итерационных систем фазовой автоподстройки с управлением по отклонению, комбинированных и с масштабирующими корректирующими устройствами (МКУ). Получены основные операторы двухконтурных и многоконтурных итерационных систем ФАП и уравнения их движения относительно управляемой величины и фазовой ошибки. Выполнен анализ динамической точности итерационной систем ФАП по основе разложения ошибки в ряд по коэффициентам ошибки. Предложена методика выбора количества дополнительных контуров управления (ДКУ) из условия повышения порядка астатизма всей итерационной систем ФАП. Выполнен анализ влияния внешних возмущений, приложенных к основному и дополнительному контурам управления, на точность итерационной системы ФАП и предложен способ устранения влияний этих возмущений, путем построения новых дополнительных контуров управления. Выполнен анализ нелинейностей типа зоны нечувствительности и насыщения на точность и быстродействие. Показано, что независимо от места расположения нелинейного звена в итерационной системе ФАП её основные показатели качества ухудшаются по сравнению с показателями качества линейной итерационной системы ФАП. Предложены способы компенсации нелинейностей: с помощью дополнительных нелинейных разомкнутых каналов управления, формирующих знаковые функции входного сигнала нелинейности; с помощью экстраполирующих корректирующих устройств, включаемых в нелинейный ОКУ или нелинейный ДКУ; включением дополнительных контуров управления. Предложена методика синтеза параметров МКУ из условия компенсации начальных значений медленно затухающих компонент переходной составляющей ошибки при учете условий физической реализуемости оператора МКУ. Сравнения длительности переходного процесса в конкретном ОКУ итерационной системы ФАП с МКУ и без него, показывает, что длительность переходного процесса в ОКУ с МКУ уменьшается в 6,6 раза. Предложена структура итерационной оптимальной по быстродействию двухконтурной системы ФАП с одним устройством управления для двух контуров управления и приведены и результаты исследования предложенной структуры. Показано, что при построении оптимальной по быстродействию ДИС ФАП устройство управления, вырабатывающее сигнал управления, не влияет на устойчивость ОКУ и ДКУ. Предложена структура оптимальной по быстродействию двухконтурной итерационной системы ФАП с устройством управления, расположенным в разомкнутом канале управления основного контура управления. Научные результаты диссертационной работы нашли применение в разработках Украинского научно-исследовательского института связи и внедрены в учебный процесс.
Ключевые слова: фаза, управление, система, коррекция, точность, быстродействие.
Okhrushchak D.V.
Increasing of accuracy and speed of multicircuit phase tune system
–the Manuscript
The dissertation on competition of a scientific degree of Candidate of Technical Science on a speciality 05.12.13 –radio engineering devices and means of telecommunications.
The Ukrainian scientific research institute of telecommunications.
The dissertation is devoted to increase of accuracy and speed of new structures of iterative systems of Phase Locked Loop (PTS) with control on the deviation, combined with scaling correcting devices (SCD). The basic operators of two-circuit and multicircuit iterative systems PTS and control of their movement concerning the controlled value and a phase mistake are received. The analysis of dynamic accuracy of iterative systems PTS on a basis of mistake series expansion on factors of a mistake is carried out.
Additional control loop selection technique from a condition of astaticism degree increase of all iterative PTS is offered.
The analysis of external disturbance influences applied to the basic and additional control loops on accuracy of iterative PTS is carried out and the way of elimination of influences of these disturbances is offered, by creation of new additional control loops.
The nonlinearity analysis of non-sensivity and saturation zones on accuracy and speed is carried out.
It is shown, that basic parameters of quality of nonlinear systems become worse in comparison with parameters of quality of linear iterative system PTS, irrespective of the location of a nonlinear circuit in iterative system PTS. Ways of nonlinearity compensation are offered: with the help of additional nonlinear open control channels forming sign functions of incoming signal of nonlinearity; with the help of the extrapolating correcting devices added to nonlinear BCC (Basic Control Channel) or nonlinear ACC (Additional Control Channel); inclusion of additional control loops. The technique of synthesis of parameters SCD from a condition of compensation of initial values slowly fading component of a transitive component of mistake is offered at the account of conditions of a physical realizability of operator SCD. Comparisons of duration of transient in specific BCC of iterative PTS with SCD and without it, shows, that duration of transient in BCC with SCD 6,6 times decreases.
The structure of iterative two-circuit speed optimal PTS with one control device for two control circuits is offered and research results of the proposed structure are given.
It is shown, that at construction of speed optimal PTS, the control device, developing control signal, does not influence stability of BCC and ACC. The structure of two-circuit iterative speed optimal PTS with the control device located in control channel of the basic control circuit is offered. Scientific results of dissertational work have found application in the projects of the Ukrainian scientific research institute of telecommunications and are introduced into educational process.
Key words: a phase, control, system, correction, accuracy, speed.