 |
Предмет исследования
|
|
|
|
В диссертации решается актуальная научная проблема, которая заключается в разработке методов исследования декаметровых каналов связи посредством наклонного зондирования ионосферы широкополосными сигналами [35, 36], разработке новых и совершенствовании известных методов математического и физического моделирования как отдельных элементов приемопередающих трактов аппаратуры [4, 7, 92-94, 102, 120-124, 128, 129, 173, 176, 188, 189, 194-198, 202, 220, 233, 282], так и в целом декаметрового КС [6, 48, 130, 131, 172, 174, 175, 187, 190-193, 200, 216, 218, 221, 243], позволяющих адекватно воспроизводить все основные особенности его функционирования в различных сечениях, исследовать и научно обосновывать с помощью разработанных моделей технические решения, обеспечивающие повышение надежности передачи сообщений по КВ КС в условиях многолучевости и сложной помеховой обстановки за счет использования наиболее рациональных методов модуляции, разнесенного приема сигналов, интегральной оценки качества принимаемых сообщений, наиболее оптимальных алгоритмов адаптации к условиям связи и наиболее рационального выбора структуры КВ КС, например, с использованием ретрансляторов, удаленных от корреспондентов на оптимальные с точки зрения распространения радиоволн расстояния (2000-3000 км) [47, 103-107, 115, 159, 169-171, 177-186, 251, 252, 255, 282].
В диссертации рассмотрены также отдельные вопросы проектирования КВ систем связи, имеющих повышенную скрытность при работе в условиях функционирования радиоразведки и средств РЭБ противника.
Полученные в диссертации результаты имеют большое значение как для успешного развития экономики страны, так и для повышения ее обороноспособности.
Методы исследования
Работа проведена с использованием методов аналитического [52, 93, 94, 102, 113, 120, 124, 173, 176, 194, 204, 205, 220, 223, 226-228, 232, 233, 282], имитационно-аналитического [4-8, 59, 92, 121-123, 128, 129, 131, 147, 192, 196-201, 207, 224-230], имитационно-параметрического [172, 174, 175, 187-193, 202, 208, 211-215, 218, 221, 275], имитационного компьютерного [48, 175] и физического [20, 115, 238, 239] моделирования, а также трассовых испытаний [192, 193, 275].
|
|
|
Алгоритмы компьютерных моделей базируются на статистической теории связи, теории передачи дискретных сообщений, теории случайных процессов и математической статистики, теории цифровой обработки сигналов, теории нелинейных электрических цепей, теории модуляции и теории специальных функций.
В работе использованы результаты исследований, полученные В.А. Котельниковым, А.А. Харкевичем, В.И. Сифоровым, А.М. Заездным, Н.Т. Петровичем, Л.М. Финком, Д.Д. Кловским, Н.П. Хворостенко, В. Д. Челышевым, Д. Миддлтоном, Р. Шенноном и др. отечественными и зарубежными учеными.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Метод аналитического моделирования УТ приемопередатчиков и входящих в них нелинейных элементов.
Разработан метод аналитического моделирования безынерционных УТ приемопередатчиков и входящих в них нелинейных элементов (НЭ) (усилителей,
преобразователей частоты, ограничителей и др.), заключающийся в аппроксимации проходных характеристик (ПХ) этих элементов комбинированными функциями [94, 102, 109, 113, 173, 176, 194, 195, 204, 205, 226-228, 230, 232, 233, 237, 282]. Разработанный метод отличается от общеизвестных тем, что позволяет получить предельно компактные аналитические выражения, которые дают возможность реализовать имитационно-аналитические модели сравнительных трассовых испытаний РПУ, имеющих различные параметры.
2. Метод аналитического моделирования цифровых РПУ.
Квантователи являются основным элементом аналого-цифровых преобразователей (АЦП) в цифровых РПУ. На основе метода представления ПХ НЭ комбинированными функциями (п. I) разработан новый метод аналитического моделирования квантователей с неограниченным и ограниченным числом шагов квантования [92-94, 232, 233, 282]. Разработанный метод позволяет аналитическим путем определять все основные характеристики цифровых РПУ и дает возможность рассчитывать интермодуляционные составляющие спектра выходного сигнала любых сколь угодно высоких порядков при неограниченном количестве воздействий на вход цифрового РПУ, что необходимо при имитационно-аналитическом моделировании трассовых испытаний цифровых РПУ в присутствии станционных помех.
|
|
|
3. Метод имитационно-аналитического моделирования сравнительных трассовых испытаний обычных и цифровых РПУ.
На основе аналитического метода моделирования УТ РПУ (п. I) разработан новый метод имитационно-аналитического моделирования сравнительных трассовых испытаний РПУ, отличающихся динамическим диапазоном, алгоритмами адаптации к условиям связи, характеристиками АЦП и другими параметрами, который позволяет оценивать влияние отдельных характеристик радиоприемного тракта на надежность передачи сообщений в условиях замираний сигнала и в присутствии большого числа сосредоточенных по спектру помех от посторонних радиостанций, попадающих в полосу пропускания фильтра предварительной избирательности (ФПИ) РПУ [4, 6, 92, 120, 128, 147, 196-198, 200].
4. Методы имитационно-аналитического моделирования одномерных каналов связи.
4.1. Метод имитационно-аналитического моделирования одномерного дискретного канала связи с переменными параметрами без краевых искажений сигнала для сечения “выход кодера” - “вход декодера” [172, 174, 175, 187, 188, 190, 191, 207, 218, 243], который
отличается от известных методов Гильберта, Эллиота, Фричмана-Свободы, Попова-Турина и др. тем, что формирование потока ошибок производится с учетом многолучевой структуры КВ КС, замираний как сигнала, так и станционных помех, попадающих в полосу пропускания фильтра основной избирательности (ФОИ) РПУ и вида модуляции сигнала. Разработанный метод моделирования дискретного канала связи учитывает явление сдваивания ошибок при относительной фазовой телеграфии (ОФТ). Этот метод моделирования позволяет имитировать сравнительные трассовые испытания различных демодуляторов [172, 174, 192, 193, 218, 275] и кодеков с учетом возможной цикловой рассинхронизации из-за наличия “вставок” и “выпадений” элементов, появляющихся вследствие замираний отдельных лучей в КС при высоких скоростях манипуляции.
|
|
|
4.2. Метод имитационно-аналитического моделирования одномерного дискретного КС с краевыми искажениями элементов сообщения для сечения “выход кодера” - “вход регенератора” [172, 174, 175, 187, 189, 202, 214, 215, 218, 221, 240-243], который отличается от известного метода моделирования с отклонениями фронтов по нормальному закону тем, что он учитывает многолучевую структуру КВ КС и позволяет одновременно формировать регулярные преобладания, краевые искажения и дробления элементов, происходящие при малых отношениях сигнал/помеха, имеющих место во время глубоких замираний сигнала. Этот метод дает возможность исследовать эффективность алгоритмов функционирования регенераторов, устройств оценки качества принимаемого сообщения по величине телеграфных искажений и т. д.
4.3. Метод имитационно-аналитического моделирования одномерного КС с дискретным входом и континуальным выходом для сечения “выход кодера” -
“выход фильтра нижних частот демодулятора”, разработанный на основе метода моделирования КС с краевыми искажениями (п. 4.2) [172, 174, 175, 187, 189, 202, 214, 215, 218, 221, 240-243]. Этот метод моделирования КС не имеет аналогов и позволяет имитировать сравнительные трассовые испытания устройств разнесенного приема сигналов с последетекторным сложением и устройств оперативной оценки качества принимаемых сигналов по уровню напряжения на выходе фильтра нижних частот (ФНЧ) демодулятора.
5. Метод имитационного математического моделирования двухмерного КС.
Разработан метод имитационного компьютерного моделирования двухмерного непрерывного КС для сечения “выход модулятора” - “выход усилительного тракта РПУ” [48, 172, 174, 175], который учитывает как тонкую структуру КВ канала, так и динамический диапазон УТ РПУ. Он позволяет моделировать в общем случае трех-семипараметрические (в зависимости от вида) замирания сигнала в каждом отдельно взятом луче с учетом изменения как его амплитуды, так и фазы. Отличительной особенностью этого имитационного метода моделирования является то, что он позволяет учитывать влияние нелинейности входных элементов УТ РПУ на отношение сигнал/помеха на его выходе. При моделировании устройств цифровой обработки сигналов этот метод позволяет получить практически полную адекватность их программной реализации.
|
|
|
6. Метод имитационного компьютерного моделирования трехмерного канала связи, позволяющий определять параметры электромагнитного поля в точке приема сигнала, что дает возможность создать пространственно-временную (ПВ) модель трехмерного сигнала с учетом тонкой структуры многолучевого КС и углов прихода индивидуальных лучей, а также с учетом характера поляризации электромагнитной волны в каждом отдельно взятом луче [172, 174, 175, 216, 218]. ПВ модель дает возможность исследовать эффективность пространственно- и поляризационно-разнесенных способов приема сигналов, a также различных методов компенсации станционных помех.
7. Метод физического моделирования трассовых испытаний систем связи [26, 37], не имеющий аналогов и отличающийся тем, что используется принятый из
эфира гармонический сигнал от передатчика, находящегося на заданном удалении от приемника. Данный метод физического моделирования позволяет скрытно имитировать трассовые испытания низкоскоростных систем связи в условиях максимально приближенных к реальным. На данный метод физического моделирования трассовых испытаний систем связи получено авторское свидетельство на изобретение.
8. Метод наклонного зондирования ионосферы широкополосными сигналами, позволяющий исследовать тонкую структуру многолучевого КВ канала связи, с автоматической регистрацией параметров как общей огибающей его импульсной реакции, так и комплексных коэффициентов передачи индивидуально выбранных лучей, которые являются функциями времени.
Результаты исследований, полученные с помощью системы наклонного зондирования ионосферы, были использованы при разработке вышеперечисленных компьютерных моделей.
Практическая ценность работы
1. Разработанная под руководством автора диссертации система наклонного зондирования ионосферы с помощью широкополосных сигналов позволила досконально исследовать тонкую структуру многолучевости односкачковой декаметровой широтной трассы Ленинград-Омск и получить все основные характеристики импульсной реакции этой трассы как функций времени, которые в дальнейшем были использованы при физическом и математическом моделировании КВ канала связи.
|
|
|
2. Разработанные автором диссертации методы моделирования КС дают возможность прогнозировать их свойства на начальной стадии проектирования СС, за счет чего повышать качество разрабатываемых средств связи, обеспечивая высокую надежность передачи сообщений по КВ КС, а также позволяют сократить сроки проектирования СС и, соответственно, уменьшить материальные затраты на его проведение.
3. Результаты, полученные автором с помощью разработанных им методов имитационного компьютерного и физического моделирования трассовых испытаний [20, 115, 172, 174, 175, 187, 188, 190, 191, 218, 238, 239, 243, 284] для исследования максимально достижимых значений КИД КВ КС за счет предельно возможного снижения скорости манипуляции [115, 192, 193, и др.], позволили разработать и внедрить в серийное производство высоконадежные и скрытные от противника системы связи с ПО, которые были приняты на вооружение сухопутными войсками и военно-морским флотом России.
4. Разработанный имитационно-аналитический метод моделирования трассовых испытаний УТ РПУ в сложных условиях позволил обосновать наиболее оптимальную структуру их построения, алгоритмы адаптации РПУ к условиям связи и необходимый динамический диапазон, при котором реальное РПУ энергетически незначительно проигрывает идеальному [6, 128, 130, 131, 147, 196-201]. Так, например, исследования алгоритмов адаптации РПУ к условиям связи, результаты которых получены под непосредственным руководством автора диссертации и приведены в работах [129, 198], показали необходимость применения в РПУ автоматической регулировки чувствительности, которая и была реализована в Омском НИИ приборостроения при проектировании современных КВ РПУ.
5. Разработанные автором диссертации методы моделирования КВ КС были использованы при исследовании надежности передачи сообщения, когда функционируют средства радиоразведки и радиопротиводействия противника, что позволило выработать определенные полезные рекомендации для случая эксплуатации КВ СС в этих условиях.
6. Разработанный метод аналитического моделирования НЭ был использован специалистами ОНИИП при проектировании активных приемных антенн [101, 102].
7. Разработанные методы математического моделирования КВ каналов связи используются в ОНИИП для исследования помехоустойчивости перспективных высокоскоростных методов передачи сообщений [53].
8. Результаты компьютерного моделирования КС, базирующиеся на предложенных автором методах, позволили научно обосновать технические решения построения высоконадежных каналов декаметровой мобильной автоматической радиосвязи, которые предполагается использовать для передачи сообщений со стороны источников сообщений в КВ сетях связи со свободным доступом пользователей, интегрированных со всеми существующими сетями передачи дискретных сообщений и в территориально-рассредоточенных мониторинговых системах [103, 104-107, 159-162, 169-171, 177-186, 251, 255].
9. На основе разработанных автором методов имитационного моделирования каналов связи возможно создание экспертных систем для радиоцентров и тренажеров для операторов радиостанций, где они могут использоваться для повышения уровня профессионализма операторов и при аттестации обслуживающего персонала.
10. Разработанные методы моделирования могут использоваться в высших и средних специальных учебных заведениях при проведении лабораторных, курсовых и дипломных работ по дисциплинам «Радиотехнические цепи и сигналы», «Теория электрической связи», «Основы теории связи с подвижными объектами», «Моделирование систем связи» и др. [108-113, 187, 203-205, 207-215, 223-231].
11. Так как декаметровый диапазон радиоволн является наиболее сложным по сравнению со всеми другими, то разработанные в диссертации методы математического моделирования каналов связи могут быть использованы и во многих других диапазонах радиоволн.
Реализация и внедрение результатов работы
1. Результаты исследований методом математического моделирования алгоритмов адаптации РПУ по чувствительности к условиям связи [129, 198, 249] реализованы в Омском НИИ приборостроении в современных РПУ “Бригантина”, “Артек-Гелиос”, “Ольхон-Гелиос”, “Скаляр” и др.
2. Система наклонного зондирования ионосферы, разработанная под руководством автора диссертации, после окончания НИР была передана в эксплуатацию в Институт солнечно-земной физики СО РАН.
3. Предложенный и научно обоснованный в работе способ повышения надежности передачи сообщений в сложных условиях связи был исследован под непосредственным руководством автора в Омском НИИ приборостроения в НИР “Обрыв”, “Шорох-Бурун”, “Десна”, “Тишина” и “Киренга”.
4. Результаты исследований по п. 3 были внедрены в ОКР “Бриллиант” (под непосредственным руководством автора) и в ОКР “Околыш”, которые были приняты Заказчиками на вооружение. Документация, разработанная в ходе этих ОКР, была передана на заводы для серийного производства этих изделий.
5. На основные новые технические решения, найденные в вышеуказанных работах и способствующие повышению надежности передачи сообщений по КС, были получены двенадцать авторских свидетельств, в том числе [244-250] и подано четыре новых заявки на изобретение [251-254].
6. Пакет программ имитационно-аналитических моделей КС, разработанных в соответствии с алгоритмами, предложенными автором диссертации, был использован в ОНИИП в ходе проведения НИР “Шорох-Бурун”, “Десна”, “Тишина”, “Киренга” и др. Методы аналитического моделирования УТ РПУ и имитационно-аналитического моделирования трассовых испытаний РПУ были также использованы в ОНИИП при разработке системы моделирования “ОМЬ-1” и применялись в НИР “Вега”, “Астеройд”, “Выгон” и в других НИР и ОКР.
7. В ОмГТУ на кафедре “Средства связи и информационная безопасность” в курсах “Радиотехнические цепи и сигналы”, “Теория электрической связи” и “Моделирование систем связи” в 27 разработанных непосредственно автором компьютерных лабораторных работах используются рассмотренные в диссертации аналитические, имитационно-аналитические и имитационные методы математического моделирования отдельных элементов и КС в целом [108-113, 172-174, 187, 203-205, 207-215, 223-230]. Эти методы моделирования используются
также при выполнении студентами курсовых и дипломных работ по этим и другим дисциплинам.
Апробация работы
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались:
- на 2-й Научно-технической конференции “Проблемы оптимальной фильтрации”, Москва, 1968 г. [219];
- на 2-м Всесоюзном симпозиуме “Нелинейные искажения в приемно-усилительных устройствах”, Минск, 1980 г. [92, 129, 197];
- на Всесоюзном научно-техническом совещании “Проблемы ЭМС радиоэлектронных средств”, Москва, 1982 г. [4, 199];
- на заседании-семинаре “Проблемы ЭМС в радиоприемных устройствах”, Москва, 1983 г. [5, 101];
- на научно-техническом семинаре “Вопросы оптимизации радиотрактов приемных систем и комплексов”, Ленинград, 1982 г. [198, 200];
- на Всесоюзной научно-технической конференции “Развитие и внедрение новой техники радиоприемных устройств”, Москва-Горький, 1981 г. [130];
- на научно-техническом семинаре ”Нелинейные эффекты в радиоприемных и усилительных устройствах”, Москва, 1981 г.;
- на Всесоюзной научно-технической конференции “Автоматизация исследования, проектирования и испытаний сложных технических систем”, Калуга, 1989 г. [190];
- на семинаре “КВ радиоприемные устройства”, МЭИС, Москва, 1969 г.;
- на I, II, III, V, VI и VIII научно-технических конференциях в ОНИИП, Омск, 1963 г. – 1973 г. [234-239];
- на Омских областных математических конференциях [94, 195];
- на научных конференциях ОмГТУ [110, 111];
- на научно-техническом семинаре “Моделирование радиоканалов”, Омск, 1989 г. [7, 242];
- на Международной конференции “100-летие начала использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождения радиотехники”. Москва, 1995 г. [160, 177];
- на Международной научно-практической конференции “Информационные технологии и радиосети (ИНФОРАДИО ‘96)”, Омск, 1996 г. [179, 180, 192];
- на заседании Комиссии по связи и информатизации Администрации Омской области 29.05.97 г.;
- на семинарах в Институте информационных технологий и прикладной математики СО РАН, г. Омск;
- на Международной научно-методической конференции “Новые информационные технологии в университетском образовании”, Томск, 2000 г. [109];
- на объединенном научно-техническом семинаре кафедр "Радиоэлектроника и защита информации", Теоретические основы радиотехники", Телевизионные устройства" и "Радиотехнические системы" в Томском государственном университете автоматизированных систем управления и радиоэлектроники, Томск, 2000 г.;
- на VI Международной научно-методической конференции вузов и факультетов телекоммуникаций в Йошкар-Оле, 2000 г. [112, 204]; - на VI-ой научной сессии РНТОРЭС им. А. С. Попова, Москва, 2001 г. [184];
- на Технологическом конгрессе “Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения”, Омск, 2001 г. [185];
- на VII международной научно-методической конференции вузов и факультетов телекоммуникаций, Москва-Ульяновск. 2002 г. [113];
- на научно-технической конференции на 2-м Международном технологическом конгрессе "Развитие оборонно-промышленного комплекса на современном этапе". Омск. 2003 г. [186];
- на 58-й научной сессии, посвященной Дню радио. Москва. 2003 г. [202];
- на 10-й Международной научно-технической конференции “Радиолокация, навигация, связь”. Воронеж. 2004 [107];
- на 11-й Международной научно-технической конференции “Радиолокация, навигация, связь”. Воронеж. 2005 [104, 243];
- на III Международном техническом конгрессе "Военная техника, вооружение и технологии двойного применения". Омск. 2005 г.[38];
- на IV Всероссийской научно-практической конференции "Имитационные технологии и математическое моделирование". Анджеро-Судженск. 2005 г. [218];
- на 11-й Международной научно-практической конференции "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири". Барнаул. 2005.
- на Международной научно-практической конференции “Актуальные проблемы радиофизики”. Томск. 2006. [220, 221]
на 13-й Международной научно-технической конференции “Радиолокация, навигация, связь”, Воронеж, 2007 [106, 169, 170]
Публикации
По теме диссертации опубликовано 90 печатных работ (в том числе 74 в открытой печати (10 статей в журналах ВАК [103, 171-176, 232], монография [282]), 16 работ в закрытой печати) и получено 12 авторских свидетельств (в том числе [244¸250]). Подано в 2007 г. и находится на рассмотрении в ФГУ ФИПС 4 заявки на изобретение [251-254].
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, содержащего 282 наименований, пяти текстовых приложений и двух программных приложений, разработанных автором на языке QBASIC [256]. Основной текст диссертации изложен на 295 страницах и содержит 80 рисунков и 12 таблиц.
|
|
|
