CC BY
222
УДК 624.435
АКТУАЛЬНОСТЬ РАЗРАБОТКИ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
Ю.В. Данилов
Рассматриваются актуальность и некоторые аспекты разработки моделей процессов формирования и обработки сигналов в радиоэлектронных устройствах в интересах решения задач электромагнитной совместимости
Ключевые слова: параметр, модель, электромагнитная совместимость
Проблема обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) является одной из важнейших составляющих процесса обеспечения необходимого уровня показателей качества функционирования радиоэлектронных средств (РЭС) в реальных условиях эксплуатации и решается на основе комплекса технических и организационных мероприятий, проводимых на всех этапах жизненного цикла РЭС.
Требования по обеспечению ЭМС, как правило, находятся в противоречии с эксплуатационными характеристиками РЭС. Поэтому основной задачей, решаемой при обеспечении комплекса технических мероприятий по обеспечению ЭМС, выступает нормирование технических характеристик РЭС, влияющих на ЭМС.
Требования к параметрам радиоизлучений и приёма РЭС предъявляют в виде технических норм международного характера, предусмотренных Регламентом радиосвязи, в виде рекомендаций МККР, а также в виде национальных и ведомственных норм, стандартов, технических условий [1-3].
Эти параметры используются в ходе решения задач оценки помехозащищённости РЭС, анализа состояния и выработки мер обеспечения ЭМС РЭС, расчёта норм их частотного и территориального разноса.
В настоящее время, вследствие роста числа используемых РЭС, расширения номенклатуры типов устройств и видов используемых радиосигналов, всё более актуальной становится задача определения параметров ЭМС РЭС без проведения дорогостоящих и трудоёмких натурных испытаний. Поэтому, как правило, для определения значений параметров РЭС, влияющих на ЭМС, применяется методическое обеспечение, основанное на моделях, представляющих процессы формирования и обработки сигналов в радиоэлектронных устройствах.
Моделирование процессов формирования и обработки сигналов в радиоэлектронных уст-
ройствах является сложной задачей, однако используемые приближения предположительно позволяют задавать требования, с запасом гарантирующие обеспечение ЭМС РЭС. Получают такие приближения использованием принципа «наихудшего случая». При этом требования задаются, исходя из рассмотрения только наиболее невыгодной ситуации, через аппроксимацию характеристик, параметров и функциональных зависимостей, что называется «с запасом». Это достигается завышением значений, иногда в несколько раз, а также отказом от учёта факторов, предположительно снижающих воздействие непреднамеренных радиопомех, однако, рассмотрение которых значительно усложняет методическое обеспечение. Несмотря на явные преимущества данного подхода, выражающиеся в относительной простоте и реализуемости, следует отметить, что в условиях дефицита частот такой недостаток, как неадекватные (как правило завышенные) требования, не компенсируется практичностью и удобством применения методик.
Таким образом, разработка методического обеспечения, которое позволило бы снизить погрешности существующих методик решения задач ЭМС за счёт более полного и эффективного учёта влияния характеристик и методов обработки сигналов, является актуальной. Актуальность также усиливается постоянным появлением всё более сложных видов используемых сигналов, на которые существующие модели и методики решения задач ЭМС просто не рассчитаны.
Среди задач ЭМС, для которых существенными являются параметры модуляции, особенности формирования и обработки используемого радиосигнала, можно отметить определение:
необходимой ширины полосы частот (НШП);
огибающей внеполосных излучений спектральных характеристик;
Данилов Юрий Васильевич - ВИПС ФСО РФ, соискатель, E-mail: dnlvjurij@rambler.ru
защитного отношения сигнал/помеха, в том числе и при различных значениях отстройки.
В том или ином виде результаты решения данных задач используются в других аспектах обеспечения ЭМС, например:
оценка помехозащищённости РЭС; анализ состояния и выработки мер обеспечения ЭМС РЭС;
расчёт норм разноса РЭС по частоте и др.
В Регламенте радиосвязи (Статья 1) [1] НШП определяется как ширина полосы частот, достаточная для обеспечения передачи сообщений при данном классе излучения с необходимой скоростью и качеством. НШП передающих устройств РЭС является одним из важнейших параметров, влияющих на эффективное использование радиочастотного спектра, и в соответствии с Регламентом радиосвязи (Приложение 1) относится к числу основных характеристик, которые следует представлять при заявлении частотных присвоений. В констатирующей части Рекомендации № 63 Регламента радиосвязи отмечается, что в результате недостаточных исследований формулы для вычисления НШП приведены для ограниченного перечня классов излучений. В частности, в этом перечне отсутствуют такие перспективные классы излучений, как излучения с бинарной и четырёхпозиционной фазовой манипуляцией несущей.
Принятое в Регламенте определение НШП не исключает неоднозначности подхода к оценке её численного значения. Кроме того, сложилась практика использования в качестве НШП значения ширины спектральной плотности мощности излучения передатчика по какому-либо заданному уровню, например по уровню минус 10 дБ, что не соответствует её определению.
Естественно, что разные подходы могут привести к различным численным значениям НШП и «истинное» её значение может быть получено на основе анализа результатов подобных оценок. Поэтому неоднозначные подходы к оценке численного значения НШП, не противоречащие её определению, имеют право на существование.
Наряду с НШП важнейшей характеристикой, влияющей на процесс контроля качества передающих устройств и эффективное использование радиочастотного спектра, являются спектральные характеристики используемых в РЭС сигналов, в частности, огибающая спектральной плотности мощности излучения передатчика. Аппроксимации огибающей используются для задания стандартизованных требований по внеполосным излучениям передающих устройств, при расчёте норм частотно-территориального разноса и т.д. [2,3].
Для определения огибающей используются данные, полученные либо практическим, либо теоретическим путями, либо с использованием имитационного моделирования, что особенно актуально для сигналов со сложной частотновременной структурой, аналитическое получение спектральных характеристик которых затруднительно.
Практически для всех задач по оценке ЭМС РЭС необходимо знание защитного отношения сигнал/помеха приёмников при различных отстройках несущих полезного и мешающего сигналов. Для сигналов со сложной спектральной структурой и широкополосных сигналов эта проблема нетривиальна. Экспериментальное определение защитного отношения весьма трудоёмко и не всегда возможно из-за отсутствия необходимых средств измерений. Поэтому в настоящее время оценка защитного отношения с помощью моделирования на ЭВМ является актуальной задачей.
Достаточно мощным инструментом исследований, позволяющим решать широкий круг практических задач в области ЭМС по учёту влияния параметров сигналов различных видов, является теория оптимальных методов приёма, основы которой заложены работами В.А. Котельникова [4], Ф. Вудворда [5], и развиты в работах отечественных [4-15] и зарубежных [16-22] учёных. Построенная на основе аппарата математической статистики, она позволяет на этапе проектирования находить оптимальные структуры радиосистем по показателям помехозащищённости основных каналов приёма. Несмотря на фундаментальную значимость полученных результатов, круг решённых с помощью этого инструмента задач ограничен «классическими» случаями простейших сигналов. Использование теоретических разработок на практике сталкивается с проблемой чрезмерной громоздкости аппарата, необходимостью допущений и предположений, ведущих к существенным погрешностям. В связи с этим в интересах решения проблемы ЭМС необходимо уточнять и развивать результаты, полученные в рамках классической теории радиоприёма, для показателей качества функционирования РЭС путём верификации теоретических результатов, в том числе и результатов, полученных с помощью имитационного моделирования. Необходимо также проводить исследования с использованием доступного механизма моделирования в актуальных направлениях, ещё не решённых с помощью инструментов классической теории.
Актуальность данного научного направления подтверждается неослабевающим потоком публикаций, посвящённых вопросам формирования, обработки, оптимального приёма сигналов, их
взаимодействию с мешающими сигналами [23-30]. Частично это объясняется технологическим развитием средств связи, использованием всё более новых и сложных видов модуляции и обработки сигналов, необходимостью как проведения исследований для новых видов сигналов, так и уточнения ранее полученных результатов. Целями при этом являются либо получение энергетического выигрыша для улучшения потребительских свойств радиоэлектронной аппаратуры, либо уточнение необходимого частотного разноса между РЭС для увеличения количества РЭС, которые могут работать в условиях ограниченности частотного ресурса.
С другой стороны практически все исследования в данном направлении имеют узкоспециализированную направленность и не позволяют получать результаты, приемлемые для решения задач ЭМС. Так в теоретическом обзоре, посвящённом математическим моделям сверхширокополосных сигналов в [30], погрешности аппроксимаций представленных спектральных характеристик на энергетических уровнях, существенных с точки зрения ЭМС, перекрывают частотные диапазоны сразу нескольких радиослужб, в том числе и частотный диапазон систем сотовой связи стандарта 08М-900.
Разработку и совершенствование методического сопровождения необходимо осуществлять на основе использования адекватного математического и программного обеспечения, позволяющего получать новые результаты. Поэтому существенной частью любого исследования в данном направлении является разработка и программная реализация необходимых математических и имитационных моделей. Так, методическое обеспечение задачи определения ограничительной линии внеполосных излучений требует разработки модели формирования сигналов, методическое обеспечение задач определения защитного отношения сигнал/помеха и необходимой ширины полосы частот - моделей радиоэлектронных систем, включающих помимо модели формирования радиосигналов модели приёмных устройств.
К сожалению существует мнение, что для решения прикладных задач нет необходимости в разработке частных «кустарных» моделей. Считается, что достаточно использовать универсальные программные инструменты моделирования и проведения вычислений, такие как Ма&Сад, Ма1:ЬЬаЬ, электронные таблицы Ехе1 и др. [31]. Эти лёгкие в освоении и эффективные в обучении мощные средства обладают одним существенным недостатком - большинство их функций и процедур представляют из себя «чёрные ящики».
Между тем при решении задач ЭМС, на-
пример при определении необходимого частотного разноса, рассматриваются спектральные составляющие сигнала на уровне минус 60, минус 80 дБ от максимальной составляющей. То есть существенными оказываются элементы, имеющие энергетическую составляющую в миллионные доли процента. В этих условиях вопросы о том, какая именно аппроксимация того или иного фильтра используется, как и с какой точностью представлен фронт элементарной посылки фазо-манипулированного сигнала, количество точек дискретного представления, шаги дискретизации по времени и частоте при использовании быстрого преобразования Фурье и многие другие, становятся весьма значимыми, а «прозрачность» используемых моделей и алгоритмов просто необходимой.
Литература
1. Регламент радиосвязи Т. 1-3 // МСЭ. -Женева, 2003.
2. ГОСТ Р 50016-92. Совместимость технических средств электромагнитная. Требования к ширине полосы радиочастот и внеполосным излучениям радиопередатчиков. Методы измерений и контроля.
3. Нормы 19-02. Нормы на ширину полосы радиочастот и внеполосные излучения радиопередатчиков гражданского применения. -М.: Государственная комиссия по радиочастотам. - 2002.
4. Котельников В.А. Теория потенциальной помехоустойчивости. - М., МЭИ, 1946. Госэнергоиздат, 1956. - 152 с.
5. Вудворд Ф.М. Теория вероятностей и теория информации с применениями в радиолокации. Пер. с англ. - М., Сов. радио, 1955. -128 с.
6. Амиантов И.Н. Избранные вопросы ста-
тистической теории связи. - М., Сов. радио, 1971. - 416 с.
7. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1982. - 622 с.: ил.
8. Быков В. В. Цифровое моделирование в статистической радиотехнике. - М., Сов. Радио, 1971. - 328 с.
9. Фалькович С.Е. Оценка параметров сигналов. - М., Сов. Радио, 1970. - 336 с.
10. Куликов Е.И. Вопросы оценок параметров сигналов при наличии помех. - М., Сов. Радио, 1969. - 244 с.
11. Гуткин Л.С. Теория оптимальных методов радиоприёма при флуктуацион-ных помехах. Госэнергоиздат, 1961.
12. Вайштейн Л.А., Зубаков В.Д. Выделение сигналов на фоне флуктуационных помех. Сов. Радио, 1969.
13. Ширман Я. Д. Разрешение и сжатие сигналов. М., Сов. Радио, 1974.
14. Клюев Н. Ф. Обнаружение импульсных сигналов с помощью накопителей дискретного действия. М., «Советское радио», 1963.
15. Кремер И.Я., Владимиров В.И., Карпухин В.И. Модулирующие (мультипликативные) помехи и приём радиосигналов. Сов. Радио, 1972.
16. Миддлтон Д. Введение в статистическую теорию связи, т.1, т.2, перевод с англ. под ред. Б.Р. Левина, Сов. Радио, 1961.
17. Френкс Л. Теория сигналов. /
Пер. с англ., под ред. Д.Е. Вакмана. - М.: Сов. радио, 1974. - 344 с., ил.
18. Ван Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции, т.1. перевод с англ. под ред. Тихонова Н.И. Сов. Радио, 1972.
19. Хэлстром К. Статистическая теория обнаружения сигналов. Изд-во иностранной литературы, 1963.
20. Дженкинс Г., Ваттс Д. Спектральный анализ и его приложения Т. 1. - М.: Мир, 1971.
21. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. - М.: Сов. радио, 1970.
22. Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике. - М.: Издательство иностранной литературы, 1963.
23. Бондаренко В.Н., Клевлин А.Г. Корреляционные свойства шумоподобных сигналов с минимальной частотной манипуляцией при дополнительной цифровой модуляции // Изв. Вузов России. Радиоэлектроника. 2008.
Вып. 2. с. 3-9.
24. Гадзиковский В.И. Синтез рекурсивных комплексных цифровых фильтров по аналоговым прототипам // Изв. Вузов России. Радиоэлектроника. 2008. Вып. 3. с. 32-41.
25. Бондаренко В.Н. Система кодовой синхронизации приёмника периодического шумоподобного сигнала // Изв. Вузов России. Радиоэлектроника. 2008. Вып. 1. с. 3-12.
26. Мандрикова О.В.., Богданов
В.В., Полозов Ю.А. Моделирование
сигналов со сложной структурой на основе конструкции вейвлет преобразования // Информационные технологии. 2008. № 4. с. 12-18.
27. Кухаренко Б.Г. Технология спектрального анализа на основе быстрого преобразования Прони // Информационные технологии. 2008. № 4. с. 38-42.
28. Борисов В.И., Зинчук В.М., Лимарев А.Е. Приближённые методы оценки помехоустойчивости систем радиосвязи с шумоподобными сигналами при многостанционном доступе // Цифровая обработка сигналов. 2008. № 2. с. 7-13.
29. Основы цифровой обработки
сигналов: Курс лекций / Авторы:
А.И.Солонина, Д.А. Улахович, С.М. Арбузов, Е.Б. Соловьева / Изд. 2-е испр. и перераб. -СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 768 с.: ил.
30. Радзиевский В.Г., Трифонов П.А. Модели сверхширокополосных сигналов -Радиотехника. Информационный конфликт в спектре электромагнитных волн, 2006, №16.
31. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов: Учебник для вузов. 2-е изд. -СПб.: Питер, 2007. - 751 с.: ил.
Воронежский институт правительственной связи (филиал) Академии Федеральной службы охраны
Российской Федерации
URGENCY OF DEVELOPMENT OF MODELS FOR THE DECISION OF PROBLEMS OF ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY OF RADIO-ELECTRONIC DEVICES
Yu.V. Danilov
The urgency and some aspects of development of models of processes of formation and processing of signals in radio-electronic devices in interests of the decision of problems of electromagnetic compatibility are considered
Key words: parameter, model, electromagnetic compatibility
