CC BY
28
На рисунке 3, проиллюстрированы зависимости уровня боковых лепестков АЧХ доплеровских фильтров в зависимости от количества "точек" ДПФ, при взвешивании входной выборки оконными функциями Хэмминга
п)Х43 , Блэкмана-Хэрриса п)бх67 , а также специально сконструированной функцией п)с .
--
- N
е в to 12 11 1в 18 30 22 24 26 2П 30 32
Рисунок 3 - Уровни боковых лепестков фильтров ДПФ в зависимости от точечности ДПФ
ВЫВОДЫ
Проведено исследование спектральных характеристик фильтров ДПФ при взвешивании входной временной выборки некоторыми известными "классическими" оконными функциями для малоточечных ДПФ. Результаты приведены в виде графиков и таблиц, из которых следует:
1. Известные "классические" окна имеют значительно более высокий уровень боковых лепестков, при малом количестве точек (7...16) по сравнению с заявленным уровнем, приведенным в публикациях.
2. Специально сконструированные для малоточечных ДПФ весовые функции могут обеспечить меньший уровень боковых лепестков, практически не зависящий от числа точек ДПФ, даже при несколько более узком главном лепестке. Эти функции уменьшают спектральное просачивание из соседних фильтров и минимизируют корреляцию перекрывающихся участков "через один" фильтр, что важно для некоторых алгоритмов обработки сигналов.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. Радиотехнические системы.//Под ред. Ю.М. Казаринова., М., "Сов. радио", 1968, 496 с.
2. A.M. Пиза, Ю.Л. Мейстер. Цифровые методы формирования квадратурных составляющих в системах приёма и обработки радиолокационных сигналов. //"Радюелектрошка, ¡н-форматика, управлшня". - Запорожье, ЗГТУ, №1, 1999, с. 81-84.
3. Мейстер Ю.Л., Зайцев Е.И., Колпаков В.П., Кукольницкий А.Ф. / а.с. СССР №133322.
4. Ф.Дж.Хэррис. Использование окон при гармоническом анализе методом дискретного преобразования Фурье./Пер. с англ., М., "Мир", ТИИЭР, т.66, №1, 1978, с. 60-96.
УДК 621.373.5: 629.439
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ ТРАНСПОРТНЫМ СРЕДСТВОМ И АКТИВНОЙ ПУТЕВОЙ СТРУКТУРОЙ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ МАГНИТОЛЕВИТИРУЮЩИМИ ТРАНСПОРТНЫМИ СРЕДСТВАМИ
В.Н.Привалов, С.В.Плаксин, И.И.Соколовский, А.А.Яшин
Исследован автогенераторный датчик измерения расстояний и их девиаций между подвижными объектами, построенный на основе двух СВЧ-генераторов, один из которых является опорным. Частота излучения второго генератора, являющегося одновременно смесителем, связана с изменением фазового расстояния между объектами. Разностная частота является информационной. Определены критерии достижения максимальной чувствительности датчика.
Дослгджено автогенераторний датчик вимгру вгдстаней г Чх девгацгй мгж рухомими об'ектами, побудований на основг двох НВЧ-генераторгв, один гз яких е опорним. Частота випромгнювання другого генератора, що е одночасно змгшу-
вачем, зв'язана 3i змтою фазовог в1дстат м1ж об'ектами. Р1зтсна частота е шформацшною. Визначено критерп досяг-нення максимальной чутливостi датчика.
Explored autogenerator-sensor of distance measurement and their deviations between moving objects, built on the base two SHF-generators (cm-wave band), one of which is stable (supporting). Frequency of radiating a second generator, being simultaneously blender, connected with changing a phase distance between objects. The difference frequency is information. Determined criterion of achievement of maximum sensitivity of sensor.
Определение пространственного положения магнито-левитирующего транспортного средства (МТС) - одна из важнейших задач при создании системы управления МТС и включает определение расстояния между МТС и путевой структурой, а также между МТС и боковыми направляющими. В силу специфики условий, в которых работают устройства для определения расстояний между указанными объектами, разработка указанных устройств должна базироваться на бесконтактных методах измерения. Устройства должны быть безинерционными и отслеживать малые изменения расстояний между объектами и при этом быть помехоустойчивыми.
Как нами уже подчеркивалось [1], указанным требованиям удовлетворяют радиоволновые методы измерений, использующие электромагнитные волны диапазона сверхвысоких частот (СВЧ). Основанный на этих принципах датчик малых перемещений, разработанный нами ранее [2], и базирующийся на использовании двухкон-турного диодного СВЧ-автогенератора, соответствовал указанным выше условиям, но не был достаточно надежным из-за большесигнальности низкой частоты автоколебаний, являющейся информативной, и перегружающей генераторный полупроводниковый диод. Поэтому задачей настоящего исследования являлось обеспечение более высокой надежности функционирования радиоволнового устройства для определения расстояний с выдачей информации об изменениях указанных расстояний по радиоканалу со свободным выбором частоты информационного сигнала с тем, чтобы указанные значения частоты лежали в полосе минимальных значений помеховых сигналов.
Функционирование разработанного устройства основано на явлении затягивания частоты полупроводникового СВЧ-автогенератора рассогласованной СВЧ-нагруз-кой, в качестве которой выступает путевая структура, а само устройство устанавливается на корпусе МТС. При этом уходы частоты генерации, вызванные изменениями расстояния между ТС и частично отражающей путевой структурой, являются информативными. Информационный сигнал выделяется на контуре низкой частоты и является продуктом смешения частоты автогенератора, излучение которого взаимодействует с путевой структурой, и частоты второго СВЧ-генератора, развязанного с первым автогенератором с помощью соответствующих вентильных устройств.
На рис.1 представлена функциональная схема устройства, на рис.2 - общий вид. Полупроводниковый диод 1, размещенный в двухвходовом СВЧ генераторе 2, подключен к источнику питания 3 через фильтр нижних частот 4. К источнику питания 3 через фильтр нижних частот 5 подключен также полупроводниковый диод 6, включенный в высокостабильный СВЧ генератор 7, который через вентиль 8 и управляемый аттенюатор 9 подключен ко второму входу двухвходового СВЧ генератора 2, первый вход которого через фазовращатель 10
подключен к направленному излучателю (антенне) 11, направленному на отражающий объект 1-11. Между источником питания 3 и индикатором 12 с помощью разделительных конденсаторов 13 и 14 включен контур низкой частоты 15, образованный индуктивностью 16, резистором 17 и конденсатором 18. Излучатель 11 выполнен в виде пирамидального рупора с соотношением сторон 1,23-1,25, что обеспечивает максимальное поступление отраженного от контролируемого объекта 1-11 СВЧ сигнала. Двухвходовый СВЧ-генератор выполнен в соответствии с [3], высокостабильный одновходовый генератор аналогичен представленному в [4].
Рисунок 1 - Функциональная схема радиоволнового датчика расстояний между подвижными объектами
Рисунок 2 - Экспериментальная зависимость крутизны частотного сдвига при различных значениях фазового
расстояния между датчиком и перемещающимся отражающим объектом (|рн| = 0, 58; f = 9440 МГц)
Устройство работает следующим образом. При поступлении от источника питания 3 на полупроводниковые генераторные диоды 1 и 6 номинального напряжения двухвходовый СВЧ генератор 2 и высокостабильный
СВЧ генератор 7 генерируют СВЧ сигналы частотой Юо и Ю^ соответственно, при этом сигнал с частотой Юо
через фазовращатель 10 и направленный излучатель 11 поступает на опорную отражающую плоскость (контролируемый объект), например, на полотно дороги или боковые направляющие магнитолевитирующего транспортного средства, которые являются высокочастотной нагрузкой двухвходового СВЧ генератора 2, и вследствие эффекта "затягивания частоты" изменение расстояния между устройствами и отражающей плоскостью приводит к изменению генерируемой частоты двух-входовым СВЧ генератором.
Следуя [5], запишем условие устойчивости автоколебательного режима генератора:
g + j b = j # - ^o. + ^ + Gl m0 ! m0 m" Q
1 , GL + jBL
Í0
Qs
(1)
где Юо , Ю , Qо , Qвn - резонансное и текущее значение
частоты, собственная и внешняя добротность резонатора,
g, Ь - активная и реактивная компоненты проводимости
генераторного полупроводникового диода, , В^ -
компоненты проводимости нагрузки. В соответствии с [6], выражение для текущего значения нормированной к волновой проводимости в общем случае может быть записано в виде:
.2 m
1 - P„lg - j—)[ l + u( t - to)]
2m
(2)
1 + p„!g - j—)[ l + u(t -10)]
где I - расстояние между полупроводниковым диодом 1 и первоначальным положением опорной плоскости (t = ?о ), с = 3 • 1010 см • с, рн - коэффициент отражения волны от опорной отражающей плоскости контролируемого объекта. Решая совместно уравнения
Am
Ю'а
m
- m ' o _ I Р „| sin Ф
m
QB
ражения активной путевой структуры, т.е. |рн| = const,
и при изменении расстояния между датчиком и путевой структурой, значения частоты генерируемого двухвходо-вым генератором сигнала являются функцией фазового расстояния между МТС и путевой структурой в соответствии с выражением (3).
Согласно функциональной схеме на полупроводниковый диод 1 через вентиль 8 и управляемый аттенюатор 9 поступает сигнал Ю^, генерируемый высокостабильным СВЧ генератором 7, так что в результате смешения на диоде 1 сигналов с частотами ю'0(ф) и Ю^ на контуре низкой частоты 15 выделяется сигнал разностной частоты Юн(Ф) = Ю 0(Ф) - Юg , численное значение которой является функцией фазового расстояния ф между диодом 1 и опорной отражающей плоскостью контролируемого объекта I -11 через периодическую функцию sin ф , крутизна которой максимальна при ф = ил/2 , где n = 0, 1, 2, ... (см. рис. 2). Для обеспечения высокой чувствительности устройства, т.е. получения максимальных изменений частоты Юн (ф) , являющейся информативной, при малых изменениях l - расстояния между диодом и опорной отражающей плоскостью контролируемого объекта, фазовращателем 10 устанавливают соответствующие первоначальные значения фазового расстояния между устройством и опорной плоскостью.
Для того, чтобы изменения частоты двухвходового СВЧ генератора 2 надежно отслеживали изменения расстояния между подвижными объектами, т.е. для обеспечения надежного функционирования устройства, необходимо избежать явления принудительной синхронизации, т.е. необходимо выполнение условия, чтобы
i- ю„ (Ф)
QB„ , где P1 , P2 - мощ„ости сиг„ала,
(1) и (2), при Qo » бвн , |рн| « 1 (что чаще всего к реальной ситуации) с использованием уравнения Эйлера, eф = cos ф + i sin ф , нетрудно получить аналитические выражения, связывающие изменения частоты генерации и тока через генераторный диод, при вариациях положения нагрузки[7]:
где ф = argрн - 2ю/с[ 1 + и(t- t0)], argрн - аргумент
коэффициента отражения.
При неизменном значении модуля коэффициента от-
генерируемого двухвходовым СВЧ генератором 2, и сигнала, поступающего на диод 1 от высокостабильного СВЧ генератора 7. Соответствующий этим условиям уро-близко вень сигнала от высокостабильного СВЧ генератора 7, поступающего на диод 1, регулируется переменным аттенюатором 9, а вентиль 8 предотвращает попадание сигнала от двухвходового генератора 2 в высокостабильный СВЧ генератор 7 и обеспечивает этим стабильность его работы. Так как оба СВЧ генератора 2 и 7 запитаны от общего источника питания 3, то уходы напряжения источника питания дадут примерно равные уходы частот (3) ю'о и Юg, так что значения частоты Юн(ф) при неизменных значениях |рн| будут зависеть только от фазового расстояния между устройством и контролируемым объектом, т.е. возможно точное измерение расстояний между подвижными объектами и малых изменений этих расстояний.
0
Так как низкочастотный контур 15 подключен к генераторному диоду 1, то в принципе в этом контуре возможно возникновение автоколебаний [2]. Чтобы предотвратить возбуждение автоколебаний в этом контуре за счет внешней отрицательной проводимости диода, значения параметров диода и указанного контура должны
удовлетворять соотношению 1/Я^ < g < Я^/р2, где рк -
волновое (характеристическое) сопротивление контура,
Як - его омическое сопротивление, - отрицательная
проводимость генераторного диода.
Юстировку устройства осуществляют следующим образом. Устанавливают некоторое приемлемое (с точки зрения имеющегося индикатора) значение разностной частоты Юн(ф) при нормированном (первоначальном)
расстоянии между устройством и объектом, регулировкой фазовращателя 10 обеспечивают то положение его органа регулировки, при котором минимальные изменения градуировки фазовращателя обеспечивают максимальное изменение частоты при изменении расстояния.
Информация о перемещении объекта может быть передана по радиоканалу и индикатором может служить частотомер либо традиционный амплитудно-частотный преобразователь, переводящий изменения разностной частоты Юн(ф) в изменения напряжения, которые затем
используются в качестве информативного сигнала в системе управления транспортным средством.
Макет устройства представлен на рис.3 (общий вид). Его испытания были проведены в лабораторных условиях, где в качестве подвижной отражающей плоскости была использована грудь человека (на рис.3 - справа). Осциллограмма соответствующих вариаций расстояния представлена на рис.4: левый фронт кривой на плос-
кости амплитуда-время соответствует вдоху, задний фронт - выдоху; видны все детали этого процесса, в том числе и фаза задержки дыхания. Это означает, в частности, что устройство обладает высоким быстродействием, устойчивостью в работе, что предполагает возможность его использования не только в транспортных системах, для которых оно целенаправленно разрабатывалось, но в ряде технологических процессов, а также в медико-биологических исследованиях.
Рисунок 4 - Осциллограмма периодического изменения расстояния между датчиком и подвижным объектом
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. Привалов В.Н. Концепция построения системы управления магнитолевитирующими транспортными средствами/Вюник Днтропетровського ушверситету. Ф1зика. Радюелектрош-ка, 2000, вип.7, С.85-89
2. Привалов В.Н., Погорелая A.M., Соколовский И.И. Радио-волновый датчик вертикального зазора для высокоскоростного транспорта на магнитном подвесе / Современные методы и средства электромагнитного контроля и их применение в промышленности. Материалы VI Межвузовской конференции стран СНГ, Могилев, 26-28 сентября 1995, С.10
3. A.c. 1226602 СССР, МКИ4 H 03 В 7/14 Генератор СВЧ /
В.И.Гершун, В.С.Козлов, И.И.Соколовский, С.Д.Шулика. - 6. Опубл. 23.04.86 Бюл.№15
4. A.c. 1363422 СССР, МКИ 4 H03 В 7/14 Генератор СВЧ / 7. И.И.Соколовский, В.Я. Крысь, С.В.Плаксин.- 0публ.30.12.87 Бюл. №48
5. Слэтер Дж. Электроника сверхвысоких частот. - М.: Сов.
радио, 1965.- 336 с.
Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ - М.: Высшая школа, 1970.- 421 с.
Патент Украши по з-ш № 99063502 в1д 22.06.99, МПК-6: 001Б 13/00, 001Р 3/42 Пристрш для вим1рювання малих перем1щень / В.М.Привалов, ¡.¡.Соколовський, М.Ф.Загу-ральський, В.В. Коломоець, О.В. Кравченко, О.Ю. Палаг/н.
УДК 621.396.962
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АДАПТИВНОЙ КОМПОЗИЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ И ТРАДИЦИОННОЙ АДАПТИВНОЙ СИСТЕМЫ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВЕСОВОГО СУММИРОВАНИЯ
В.П.Прокофьев, Ю.П.Чиняев
Приведены результаты экспериментальной проверки коэффициента подавления активных шумовых помех, быстродействия и чувствительности к аппаратурным ошибкам многоканальных адаптивных систем с параллельной и параллельно-последовательной обработкой сигналов. Полученные результаты подтверждают теоретические выводы о преимуществах систем с параллельно-последовательной обработкой сигналов (композиционных адаптивных систем).
Приведено результати експериментальноЧ перев1рки коеф1-цгента придушення активних шумових завад, швидкодИ i чутливост1 до апаратурних помилок багатоканальних адап-тивних систем з паралельною i паралельно-послiдовною оброб-кою сигналiв. Отримат результати тдтверджують теоре-тичт висновки про переваги систем з паралельно-послiдовною обробкою сигналiв (композицшних адаптивних систем).
The results of experimental evaluation of interference cancellation factor, transient response and sensitivity to intrasystem errors of multi-channel adaptive system with parallel and parallel-serial processing of signals are presented. Obtained results confirm theoretical inferences on advantages of systems with parallel-serial signals processing (composition adaptive systems).
Благодаря широкой области применения, адаптивные методы компенсации помеховых сигналов до сих пор являются предметом интенсивных научных исследований. Применительно к области радиолокации среди систем адаптивной компенсации помех наибольшее распространение, в силу относительной простоты технической реализации, получили адаптивные системы параллельного весового суммирования (системы с параллельной обработкой сигналов), реализующие градиентную процедуру поиска весовых коэффициентов в соответствии с критерием минимизации мощности помехи на выходе [1].
Однако опыт разработки и эксплуатации таких систем свидетельствует о том, что их практическая реализация сопровождается проявлением целого ряда существенных недостатков, присущих всем системам параллельного весового суммирования, что, в конечном итоге, особенно по мере увеличения числа приемных каналов и
независимых источников помех, приводит к резкому ухудшению реальной эффективности.
Основная причина такого отличия реальных показателей качества от потенциально достижимых заложена с самой структуре построения систем параллельного весового суммирования, характеризующейся наличием глобальной обратной связи и реализацией параллельной обработки сигналов (ПОС), что и приводит на практике к проявлению таких недостатков систем с ПОС как низкая устойчивость, высокая чувствительность к различного рода внутрисистемным ошибкам (которые всегда присутствуют в реальной аппаратуре), недостаточно высокое быстродействие и пр.
Одним из способов, позволяющих существенно ослабить недостатки, присущие традиционным системам, является переход к новому методу построения адаптивных систем, названному композиционным [1,2].
Реализованные на базе композиционного метода адаптивные системы с параллельно-последовательной обработкой сигналов (ППОС) отличаются высокой степенью унификации и миниатюризации, повышенной надежностью, простотой структурной реконфигурации и многофункциональностью. При этом следует отметить, что если теоретическим исследованиям таких систем посвящено достаточно большое количество публикаций, то вопросы экспериментальной оценки эффективности их функционирования практически не нашли отражения в научной литературе.
В этой связи представляет несомненный интерес проведение сравнительных экспериментальных исследований адаптивной композиционной системы с параллельно-последовательной обработкой сигналов и традиционной адаптивной системы параллельного весового суммирования.
Исследуемые многоканальные адаптивные системы с параллельной и параллельно-последовательной обработ-
