Разработка моделей измерительных приемников для исследования радиопомех Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Разработка моделей измерительных приемников для исследования радиопомех

Лемешко Н.В.

РТУиС, МИЭМ e-mail: [email protected], т.8-915-231-17-47

Введение

Современный этап развития общества характеризуется широким использованием радиоэлектронных средств (РЭС). Сейчас быт и производственная деятельность немыслимы без сотовых телефонов, компьютеров, оборудования информационных технологий и многих других устройств.

Пространственная насыщенность электронными средствами, а также спектральная сложность обрабатываемых сигналов и повышающиеся рабочие частоты, помехоэмиссия приводят к актуализации проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС). Под ЭМС понимается способность технического средства функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам [1, 2]. Любое РЭС в текущий момент времени работает в условии воздействия некоторого уровня помех, которые создают вокруг него определенную электромагнитную обстановку (ЭМО). Согласно общепринятому определению, под ЭМО понимается совокупность электромагнитных явлений, процессов в заданной области пространства, происходящих в частотном и временном диапазонах.

Электромагнитные помехи, воздействуя на РЭС, могут вызывать сбои в их работе, поскольку приводят к возникновению в их цепях дополнительных токов. Вместе с тем, любое электронное средство является источником помех. Для обеспечения совместного нормального функционирования РЭС необходимо, чтобы уровень создаваемых ими помех не превышал допустимых уровней. Для обеспечения этого требования вводят обязательную сертификацию РЭС по ЭМС.

Согласно [3], проектируемая, а также ввозимая на территорию Российской Федерации аппаратура подлежит сертификационным испытаниям по ряду параметров, которые можно классифицировать как относящиеся к устойчивости РЭС

к внешним помехам и к уровню помехоэмиссии. В части последней также можно выделить две группы параметров, по которым выполняется сертификация — характеристики кондуктивных и излучаемых помех.

Основной проблемой при осуществлении сертификационных испытания является их высокая стоимость. Согласно действующим нормам, они могут проводиться только в аккредитованных испытательных центрах. Стоимость полных исследований одного образца РЭС может достигать нескольких десятков тысяч долларов, что определяется стоимостью задействованного оборудования и объемом испытаний. Диапазон исследуемых частот составляет от 9 кГц до 18 ГГц.

В случае, если в ходе сертификационных испытаний РЭС выявлено превышение норм помехоэмиссии, изделие требуется доработать. Однако результаты испытаний не дают однозначной информации о направлении такой доработки. Таким образом, возникает противоречие между требованием по обеспечению соответствия РЭС требованиям продуктовых стандартов и длительностью, количеством итераций и затратами на повторные испытания.

В качестве альтернативы лабораторным исследованиям в работах [4, 5] была предложена концепция виртуальной сертификации РЭС по показателям помехоэмиссии. Она заключается в том, что объект исследований, условия и средства проведения измерений подвергаются совместному моделированию. Такая задача требует очень больших вычислительных затрат, и поэтому должна решаться на основе упрощений и приближений.

Одной из центральных, узловых задач в теории виртуальной сертификации является разработка моделей измерительных приемников (ИП), которые являются основными измерительными приборами при исследованиях в области ЭМС. Таким образом, целью настоящей работы является создание виртуального измерительного прибора, удовлетворяющего требованиям стандартов [4, 5].

Анализ требований, предъявляемых к ИП

Требования к ИП были детально проанализированы в работе [6], в которой выявлены пути моделирования измерительных приемников в целом. Помехи, возникающие на разных участках радиочастотного спектра, оказывают различное влияние на радиоприем. Частотный диапазон подразделяется на следующие полосы:

— от 9 до 150 кГц (А); — от 300 до 1000 МГц ф);

— от 0,15 до 30 МГц (Б); — от 1 до 18 ГГц (Б).

— от 30 до 300 МГц (С);

Согласно [4], ИП должны измерять квазипиковое, пиковое, среднее и среднеквадратичное значения. ИП с квазипиковым детектором должны функционировать в диапазоне от 9 кГц до 1 ГГц. Сигнал с входного устройства (антенны, эквивалента сети и т.д.) подается на несимметричный вход с волновым сопротивлением 50 Ом.

Основные параметры ИП с квазипиковым детектором приведены в таблице 1. Важно отметить, что в стандартах задается не только ширина полосы по уровню минус 6 дБ, но и весьма широкие границы, в которых должна располагаться кривая избирательности тракта ПЧ. Это позволяет использовать множество технических реализаций. Кривые избирательности ИП с квазипиковым детектором для диапазонов частот А — D приведены на рис. 1, где на осях координат в качестве ^ обозначен коэффициент ослабления, а в качестве df — абсолютная отстройка по частоте.

Таблица 1. Основные параметры ИП с квазипиковым детектором

Параметр Полоса частот

А В С, Б

Номинальная ширина полосы пропускания по уровню минус 6 дБ, кГц 0,2 9 120

Постоянная времени заряда детектора, мс 45 1 1

Постоянная времени разряда детектора, мс 500 160 550

Механическая постоянная времени индикаторного прибора с критическим демпфированием, мс 160 160 160

Коэффициент перегрузки каскадов, предшествующих детектору, не менее, дБ 24 30 43,5

Коэффициент перегрузки усилителя постоянного тока между детектором и индикаторным прибором, не менее, дБ 6 12 6

Рис. 1. Границы характеристик избирательности для фильтра промежуточной частоты с полосой пропускания по уровню минус 6 дБ: а) 200 Гц; б) 9 кГц; в) 120 кГц Для ИП задаются характеристики избирательности по побочным каналам приема, промежуточной частоте и т.п. Этим требованиям должен отвечать высокочастотный тракт, поэтому в ИП должен быть перестраиваемый преселектор с достаточно широкой полосой пропускания и ослаблением не менее заданного на частотах заграждения. В [4] отмечается, что ослабление сигналов для частоты приема, равной промежуточной, а также для любых побочных каналов приема должно быть не менее 70 дБ на частотах до 30 МГц и не менее 60 дБ для частот свыше 30 МГц.

В стандарте [5] приводится подробное описание требований к ИП с детекторами других типов. Для ИП с детектором пиковых значений ширина полосы пропускания

по уровню минус 6 дБ в частотных диапазонах А — Б соответствует квазипикововму детектору; для Е-диапазона в качестве такой характеристики используется импульсная полоса пропускания, принятая равной 1 МГц, которая может быть легко пересчитана к полосе пропускания по уровню минус 6 дБ, составляющей для фильтра с критической связью колебательных контуров 952,381 кГц. Этот тип ИП, по сути, отличается от измерительного приемника с квазипиковым детектором только большим отношением постоянных времени разряда и заряда и низкой инерционностью индикаторного прибора на выходе ИП. Если имеется возможность удержания пикового значения, то оно должно составлять от 30 мс до 3 с; при этом требования по соотношению постоянных времени заряда и разряда для пикового детектора не предъявляется.

Как отмечается в стандарте [5], для того, чтобы показания ИП находились в 10 % от истинного значения, соотношения постоянных времени разряда и заряда должны быть не менее значений, указанных в таблице 2. Требования по избирательности, ослаблению в побочных каналах приема и значению входного сопротивления для ИП с пиковым детектором аналогичны предыдущему случаю.

Таблица 2. Минимальные значения отношения постоянных времени разряда и

заряда пикового детектора ИП для разных полос частот

Полоса частот, МГц

1П о" 9 о о, 0,15...30 0 0 0 0 3 О о о 00 о о о

Значение 8 • О 2 О 0 ,6 3 • О 00

параметра

ИП с детекторами средних значений используются для частот от 9 кГц до 18 ГГц. Требования к ИП с детектором средних значений практически сходным с требованиями, предъявляемыми к предыдущему типу ИП, в т.ч. по частотной избирательности, входному сопротивлению, подавлению побочных каналов приема. Отличие ИП сстоит в функциональности детектора. При необходимости обеспечения более высокой избирательности в электросетях для ослабления низкочастотных составляющих перед входом ИП устанавливают фильтр верхних частот, являющийся дополнительным измерительным устройством.

Требования к ИП с детектором среднеквадратичных значений, применяемых в диапазоне частот от 9 кГц до 18 ГГц, практически совпадают с аналогичными для ИП с детектором средних значений.

Приведенные выше требования к характеристикам ИП должны быть учтены в модели, но не охватывают всех стандартизуемых параметров ИП. Ряд требований, предъявляемых к измерительным приемникам, при построении моделей будет нивелироваться. Действительно, для функционально-интерфейсных моделей ИП, предложенных в работе [7] такие понятия, как коэффициент перегрузки и сетевой коэффициент экранирования, параметры, описывающие интермодуляционные явления и т.п. [4, 5], не будут иметь смысла. Априори можно полагать, что модели ИП, разрабатываемые ниже, будут отвечать любым требованиям по данным параметрам.

Сигнал на входе измерительного приемника претерпевает последовательные преобразования: преселекцию, перенос на промежуточную частоту, фильтрацию при помощи полосового резонансного фильтра, детектирование и индикацию. Для обеспечения малого разброса интегральных характеристик и идентичности, а также проверки соответствия ИП установленным требованиям измерительные приемники должны удовлетворять условиям абсолютной и относительной калибровки. Они определяют точность измерения импульсных напряжений при помощи ИП. Калибровочным испытаниям подвергаются ИП с любыми типами детекторов.

Разработка структурных схем моделей ИП

На рис. 2 и 3 приводятся структурные схемы моделей измерительных приемников с квазипиковым детектором и детекторами других типов. Их отличие состоит в том, что динамический эквивалент для стрелочного индикаторного прибора (ДЭСИП) [7], моделирующий инерционное нелинейное усреднение выходного сигнала квазипикового детектора (рис. 2), в ИП с другими типами детекторов не используется. Модели отдельных узлов ИП и методы идентификации их параметров были рассмотрены в работах [8, 9, 10].

На рис. 2 и 3 в качестве индексов при напряжениях введены обозначения параметров, определяющих конфигурацию модели. Они перечислены в таблице 3.

Рассмотрим принципы функционирования моделей. Сопротивление ЯВХ, которое в общем случае может быть комплексным, задает сопротивление входа ИП, управляемый напряжением источник напряжения Б] обеспечивает развязку входа от остальных цепей модели. В качестве управляющих воздействий для функциональных блоков в параметрической модели измерительных приемников используются напряжения, численно равные значениям соответствующих параметров. Параметрическая модель преселектора конфигурируется при помощи воздействий, задающих частоту настройки, промежуточную частоту, коэффициент ослабления по зеркальному каналу и коэффициент связи контуров. Перенос на промежуточную частоту осуществляется в узле, обозначенном на рис. 2 и 3 как смеситель, объединенный с гетеродином.

Цю^ Цд^

Смеситель И гетеродин

ивхО)

иті и,4- іЦ

Рис. 2. Структурная схема модели ИП с квазипиковым детектором

ивх№

0 *- <|>—

К

ВХ

Цпч^ Цпч^ и^ч^ ЦА^

ИНУН ПМ Смеситель и

~г преселектора -► гетеродин

«1

і

и

Ufo

і

Цко Цкс Параметры,

определяемые -типом детектора

ПМ

селективных цепей ПЧ

I

и

кс1

ПМ детектора

ГО СС

і- т л о Ш оСО |Ц

0) 53

0_ с[

о

Рис. 3. Структурная схема модели ИП с детекторами, отличными от

квазипикового

Практика моделирования ИП показала рациональность такого объединения. Дело в том, что управляемый генератор синусоидального сигнала в ряде систем моделирования может быть построен только на основе комбинации источника линейного нарастающего напряжения, эквивалентного течению времени для моделируемой системы, и нелинейного управляемого источника с необходимой

функциональностью. Фильтр промежуточной частоты, замещаемый параметрической моделью селективных цепей на рис. 2 и 3, управляется при помощи сигналов, задающих значения промежуточной частоты, ширины полосы пропускания по уроню минус 6 дБ, а также коэффициента связи между контурами. Он построен на основе параллельных колебательных контуров с индуктивной связью и имеет два каскада [9].

Таблица 3. Конфигурирующие параметры для моделей узлов измерительных

приемников

Обозначение Наименование

/о Частота настройки измерительного приемника

/пч Промежуточная частота

Ко Коэффициент ослабления на частоте зеркального канала

кс Коэффициент связи контуров в каскаде фильтра преселектора

а/ Полоса пропускания фильтра ПЧ на уровне минус 6 дБ

кС1 Коэффициент связи контуров в каскаде фильтра ПЧ

т Механическая постоянная времени стрелочного индикаторного прибора

в Коэффициент демпфирования стрелочного индикаторного прибора

М Максимальное показание стрелочного индикаторного прибора

Модель квазипикового детектора на рис. 2, рассмотренная в [8], не является параметрической. При разработке методов идентификации параметров квазипикового детектора были выявлены трудности построения параметрических моделей для них, связанные с численным решением нелинейных уравнений непосредственно в электрической схеме. Поэтому параметры элементов детекторов должны быть предварительно рассчитаны в соответствии с [8]. Для детекторов других типов используются параметрические модели. Для них конфигурирующие воздействия определяются в [8]. Подробно теория параметрических моделей рассмотрена в работе [11].

ДЭСИП используется только в ИП с квазипиковым детектором и влияет на результат моделирования при низких частотах повторения импульсных сигналов. Его конфигурирование выполняется при помощи напряжений, задающих коэффициент демпфирования, механическую постоянную времени и максимальное показание стрелочного индикаторного прибора [10, 12].

Для каждого из диапазонов частот можно ограничиться единственным

конфигурирующим воздействием — частой настройки измерительного приемника.

- 199 -

Такие модели ИП можно назвать диапазонными. Они будут требовать меньших вычислительных затрат, и при прочих равных условиях моделирование будет занимать меньшее время в силу существенного упрощения цепей формирования управляющих воздействий.

Установление текущих показаний при изменении конфигурирующих воздействий в этом случае требует завершения переходных процессов. Минимальная длительность переходного процесса, очевидно, будет соответствовать скачкообразному изменению конфигурирующих напряжений и составит не менее аналогичного параметра для начального этапа моделирования.

Параметрические модели основных узлов ИП были предложены в работах [8, 9,

Выбор значения промежуточной частоты

В [13] отмечается, что выбор значения промежуточной частоты (ПЧ) определяется оптимальной добротностью колебательных контуров, используемых в фильтре ПЧ. Промежуточная частота должна выбираться так, чтобы заданная полоса пропускания й/пч (по уровню минус 3 дБ) получалась при некоторой нормальной добротности контуров фильтра либо усилителя ПЧ. Нормальная добротность Q определяется выбранной элементной и технологической базой. В [13] предлагается следующая формула для расчета промежуточной частоты при использовании N каскадов с критической связью:

В фильтре ПЧ, как отмечалось в работе [6], используется двухкаскадный резонансный фильтр, т.е. N = 2. Кроме того, можно показать, что А/ = \,4Ы/ПЧ. Если

задать добротность каждого из контуров Q = 100 для оценочных расчетов, то значения промежуточных частот для диапазонов А — Е будут соответствовать приведенным в таблице 4. В диапазоне частот Е для ИП с детекторами, отличными от квазипикового, задается импульсная полоса пропускания А/ИМП, равная 1 МГц [4, 5].

Для двухкаскадного фильтра с критической связью между контурами [12] имеем А/ИМП = 1,05 А/, откуда для диапазона Е А/ = 952,381 кГц. Результаты расчета значений промежуточной частоты для Q = 100 приведены в таблице 4.

10].

#ПЧ Q

(1)

Таблица 4. Расчетные и выбранные значения промежуточной частоты для

диапазонов частот А — Е

Полоса частот А В С,Б Е

Расчетное значение промежуточной частоты при Q = 100, кГц 12,470 560,900 7479 59360

Выбранное для модели ИП значение промежуточной частоты, кГц 5 100 1000 10000

Вместе с тем, в [13] отмечается, что специфика приемных устройств часто приводит к тому, что уравнение (1) не всегда возможно либо нецелесообразно использовать для расчета ПЧ. Классический случай состоит в нахождении значения ПЧ в диапазоне принимаемых частот, когда на детектор приемника действует сочетание промежуточной частоты и частот принимаемых сигналов. В этом случае интервал принимаемых частот вблизи промежуточной окажется пораженным интерференционным свистом. Это соответствует рассчитанным значениям /пч для выбранного значения добротности в диапазоне частот А и В, и использовать их в моделях ИП нельзя.

С учетом сделанных выше замечаний, а также проведенных экспериментальных исследований можно предложить к использованию значения промежуточных частот, указанных в таблице 4. В целом, при проведении моделирования возможно использование любых значений ПЧ, не лежащих вблизи нулевых значений и обеспечивающих селекцию в полосе, на порядок большей А/ для данного интервала частот.

Пример моделирования ИП с квазипиковым детектором

В качестве примера моделирования ИП с квазипиковым детектором рассмотрим случай абсолютной калибровки последнего для диапазона А. Её основным назначением является проверка передаточной функции тракта в ИП; в данном случае это относится к его модели.

Абсолютная калибровка состоит в том, что показания индикаторного прибора измерителя должны быть одинаковы при подаче на вход немодулированного синусоидального напряжения с действующим значением 2 мВ (66 дБмкВ) и

последовательности коротких импульсов с частотой повторения 25 Гц и электрической площадью 13,5 мкВ-с, имеющей однородный спектр до 150 кГц. Результаты моделирования для данных воздействий приведены на рис. 4 и 5. При моделировании использовались прямоугольные импульсы с амплитудой 13,5 В и длительностью 1 мкс. Шаг моделирования принудительно ограничивался значением

0,28 мкс, что необходимо для повышения точности расчета моделей высокодобротных узлов в составе модели ИП [14].

а) б)

Рис. 4. Результаты моделирования при входном синусоидальном напряжении:

а) напряжение на выходе квазипикового детектора; б) напряжение на выходе ДЭСИП (показания по модели ИП)

а) б)

Рис.5. Результаты моделирования при входном напряжении в виде последовательности импульсов: а) напряжение на выходе квазипикового детектора;

б) напряжение на выходе ДЭСИП (показания по модели ИП)

При синусоидальном входном воздействии выходное напряжение, определяющее результат моделирования, равно 2,327 мВ, а для последовательности импульсов —

2,393 мВ. Согласно [5], допустимая погрешность в установке действующего значения

входного синусоидального напряжения относительно 2 мВ, при которой обеспечивается выполнение условий абсолютной калибровки, составляет не более ±1,5 дБ, т.е. около 20%. Согласно результатам моделирования, указанная погрешность составляет 2,8%, т.е. существенно меньше допуска, установленного для реальных ИП.

Таким образом, моделирование подтверждает соответствие модели условию абсолютной калибровки. В будущем будут проведены дополнительные исследования разработанных моделей ИП с разными типами детекторов.

Литература

1. ГОСТ 50397-92 «Совместимость радиоэлектронных средств

электромагнитная. Термины и определения» — М.: Издательство Стандартов, 1993.

— 15 с.

2. Уильямс Т. ЭМС для разработчиков продукции. — Пер. с англ. Кармашева В.С., Кечиева Л.Н. — М.: Издательский дом «Технологии», 2003. —540 с.

3. ГОСТ 29037-91 «Совместимость технических средств электромагнитная. Сертификационные испытания. Общие положения» — М.: Издательство Стандартов, 1991. — 7 с.

4. ГОСТ Р 51319-99 «Совместимость технических средств электромагнитная. Приборы для измерения индустриальных радиопомех. Технические требования и методы испытаний». — М.: Издательство Стандартов, 2000. — 57 с.

5. ГОСТ Р 51318.16.1.1-2007 «Совместимость технических средств

электромагнитная. Требования к аппаратуре для измерения параметров индустриальных радиопомех и методы измерений. Часть 1-1. Аппаратура для измерения параметров индустриальных радиопомех и помехоустойчивости. Приборы для измерения индустриальных радиопомех». — М.: Стандартинформ, 2008. — 58 с.

6. Лемешко Н.В. Анализ требований, предъявляемых к измерительным приемникам для оценки уровня радиопомех, и выявление путей их моделирования. — Труды НИИР, сборник научных статей / Под ред. Бутенко В.В. — М.: НИИР, 2010, №2. — с.73-81.

7. Лемешко Н.В. Функционально-интерфейсные модели как средство моделирования радиоэлектронных устройств. — «Электромагнитная совместимость и

проектирование электронных средств», сборник научных трудов / Под ред. Кечиева Л.Н. — М.: МИЭМ, 2G1G. — с.77-84.

8. Лемешко Н.В, Моделирование и идентификация параметров моделей детекторов измерительных приемников. — Под ред. Бутенко В.В. — М.: НИИР, 2G1G, №4. — с.47-62.

9. Лемешко Н.В. Разработка параметрической модели частотно-избирательных цепей измерительных приемников для исследования радиопомех. — Под ред. Бутенко В.В. — М.: НИИР, 2G1G, №4. — с.27-3З.

1G. Лемешко Н.В. Разработка динамического эквивалента для стрелочных индикаторных приборов. — Труды НИИР, сборник научных статей / Под ред. Бутенко В.В. — М.: НИИР, 2G1G, №3. — с.64-72.

11. Лемешко Н.В. Параметрические модели радиоэлектронных средств и узлов.

— Труды НИИР, сборник научных статей / Под ред. Бутенко В.В. — М.: НИИР, 2G1G, №3. — с.73-79.

12. Измерители радиопомех. — Под ред. Фастовского И. А. — М.: Связь, 1973. — 4З2 с.

13. Изюмов Н.М. Радиоприем. — М.: Военное издательство министерства обороны СССР, 19З4. — 506 с.

14. Тумковский С.Р. Сервер SPICE - первое знакомство. — М.: МИЭМ, 2GG1. —

42 с.

- 2G4 -