Комплекс телеуправления с защитой от интенсивных радиопомех тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Кульпин, Сергей Иванович

• Кульпин, Сергей Иванович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кульпин, Сергей Иванович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СТРУКТУРА СИГНАЛОВ ЭФФЕКТИВНЫХ ПРИ ПЕРЕДАЧЕ ИНФОРМАЦИИ В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВНУТРИСИСТЕМНЫХ ПОМЕХ.

1.1 Вероятностные характеристики потока внутрисистемных помех.

1.2. Воздействие внутрисистемных помех на рабочие характеристики приемника информационных сигналов.

1.3. Структура и эффективность алгоритма приема информационных сигналов на фоне негауссовских помех, использующего их нелинейное преобразование.

1.4. синтез сигналов, минимизирующих уровень внутрисистемных помех.

1.5. амплитудный уровень помех на выходе согласованных фильтров при воздействии простых и частотно-модулированных сигналов.

1.6. Влияние нелинейных эффектов на соотношение сигнал/помеха на выходе согласованного фильтра.

1.7. Выводы.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОЦЕНКИ ВРЕМЕНИ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ МОЩНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ПОМЕХ.

2.1. Некоторые особенности прямого прохождения помехи и блокирования РПУ.

2.2. Время восстановления коэффициента усиления многокаскадной системы с учетом перегрузки усилительных каскадов.

2.3. Время последействия многокаскадной системы с учетом перегрузки отдельных каскадов.

2.4. Некоторые особенности в определении времени потери чувствительности приемного тракта.

2.5. Выводы.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОТЕРИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПРИЕМНОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПОТОКА ИМПУЛЬСНЫХ РАДИОПОМЕХ.

3.1. Потеря чувствительности избирательного усилителя, работающего в перегруженном режиме.

3.2. Экспериментальная оценка блокирования УПЧ помехами большого уровня.

3.3. Особенности блокирования приемной системы потоком случайных импульсных помех [102].

3.4. Характеристики обнаружения импульсных систем (прямое прохождение импульсных помех).

3.5. Выводы.

4. СИНТЕЗ МНОГОПРОЦЕССОРНОГО КОМПЛЕКСА ТЕЛЕУПРАВЛЕНИЯ, УСТОЙЧИВОГО К ВНЕШНИМ ПОМЕХАМ.

4.1. Комплекс с телеуправлением как многоуровневая иерархическая система.

4.2. Унифицированный комплекс телемеханики УНК ТМ с защищенным от помех радиоканалом.

4.2.1. Назначение комплекса.

4.2.2. Основные технические характеристики УНКТМ:.

4.2.3. Параметры достоверности передачи информации и команд.

4.2.4. Контролируемые пункты системы.

4.3. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Комплекс телеуправления с защитой от интенсивных радиопомех»

Актуальность проблемы.

При создании многоуровневых систем оперативно - диспетчерского управления технологическими процессами транспорта газа возникает необходимость передачи информации на большие (до сотен километров) Л расстояния. В этой ситуации в комплексах телемеханики для магистральных газопроводов наиболее часто используется радиоканал, что обусловлено факторами экономичности, оперативности и невозможностью прокладки кабельных линий связи [1]. Однако наличие радиоканала наряду с достоинствами по отношению к таким системам телеуправления как NETWORK 3000, MMG-AM, PROTEUS 2000 требует решения проблемы защиты комплекса управления от помех. Это связано с тем, что передачу информации по радиоканалу зачастую приходится проводить при наличии целого комплекса помех, обусловленных работой бытовых и специальных радиоустановок. Одним из наиболее распространенных видов помех являются щ импульсные помехи, обусловленные работой автомобильных систем зажигания, локационных и связных систем, бытовых электросистем электротранспорта и т.д. При действии импульсной помехи на радиоканал возможна регистрация помехи вместо полезного сигнала, а также потеря полезного сигнала, что ведет к увеличению погрешности измерений. Учитывая существующую тенденцию к непрерывному увеличению мощности передатчиков и чувствительности радиоприемных устройств можно отметить, что в целом складывается ситуация, которая получила название проблемы электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств (ЭМС РЭС) [2,3,4].

Проблема ЭМС РЭС является определенной конкретизацией известной проблемы помехозащищенности РЭС. Фундаментальные работы * В.А. Котельникова [6], Д. В. Агеева [5], JI.C. Гуткина [7] , В.И. Тихонова [8],

А.П. Трифонова [9] и многих других ученых, решающие общие задачи помехоустойчивости радиоприемных устройств, подготовили обширную теоретическую базу для решения многих конкретных задач ЭМС. Тем не менее, проблема обеспечения ЭМС РЭС ставит некоторые новые задачи, определяемые спецификой совместной работы большого числа радиоэлектронных средств.

В общем случае решение проблемы ЭМС комплексов в настоящее время проводится по двум направлениям: техническими методами и организационными мероприятиями.

- Организационные методы обеспечения ЭМС РЭС радиоканала.

Организационные меры применяются, в основном, для защиты от непреднамеренных помех, создаваемых «своими» источниками. Задача обеспечения необходимой развязки приемников и передатчиков должна рассматриваться как задача оптимизации совместной работы, структуры и свойств коллектива РЭС на основе выбранного критерия оценки взаимного влияния РЭС комплекса - например, модифицированного критерия Неймана-Пирсона [10]. В частности, решение проблемы может сводиться как к задаче оптимизации их пространственного расположения [11] РЭС, так и задаче оптимального управления параметрами сигналов и характеристик РЭС [10, 12,13].

Одним из основных путей повышения помехоустойчивости РЭС, работающих в группировке в условиях непреднамеренных импульсных помех является упорядочивание импульсных потоков [14]. Проводимые организационные и технические мероприятия создают условия для недопущения помех от передающих средств на вход приемных устройств за счет синхронизации передающих устройств [15] или проведения жесткой регламентации использования временного и частотного ресурса [16,17]. При этом, однако, не решается проблема защиты от мешающих сигналов -переотражений и зондирующих импульсов РЭС, не охваченных организационными мерами, а также от организованных помех различной структуры и интенсивности.

- Технические методы обеспечения ЭМС РЭС радиоканала.

Технические меры защиты от непреднамеренных и организованных помех предусматривают принятие действенных мер индивидуальной защиты РПУ. ф Защита от радиопомех различной природы, структуры и интенсивности базируется на отличии структуры и закономерностей изменения параметров, свойственных полезным сигналам и мешающим воздействиям. Она обеспечивается защитой от перегрузок приемников, селекцией от помех, компенсацией помех, использованием адаптивных методов защиты [18].

В современных РЭС для борьбы с локальными (многоточечными по пространству) помехами в настоящее время применяют некогерентные компенсаторы, запрещающие прохождение помеховых сигналов, если их значение в основном канале приема меньше значения в компенсационном канале с ненаправленной антенной [19]. Однако использование принципа ^ запрета приводит к тому, что наряду с помеховыми сигналами могут подавляться и полезные сигналы.

Более плодотворным способом борьбы с распределенными в пространстве помехами является формирование провалов (нулей) ДН антенны в направлении на помехи, реализуемое с помощью адаптивных фазированных антенных решеток (АФАР) [19,20,21], либо широко применяемых в наземных и корабельных PJIC автокомпенсаторов боковых лепестков.

В [22] описан адаптивный алгоритм выделения полезного сигнала на фоне интенсивных помех произвольного вида в многоканальной приемной системе. Качество обнаружения полезного сигнала с помощью этого алгоритма зависит лишь от степени линейной зависимости полезного сигнала и помех.

Одним из путей повышения помехоустойчивости радиотехнических систем %ч связи является применение широкополосных шумоподобных сигналов (ШПС), формируемых на основе технологии расширения спектра (Spread Spectrum, SS).

Расширение спектра [24,25,26,27] представляет собой метод формирования сигнала с расширенным спектром с помощью дополнительной ступени модуляции, обеспечивающей не только расширение спектра сигнала, но и ослабление его влияния на другие РЭС. Дополнительная модуляция никак не связана с передаваемым сообщением, поэтому подобное расширение полосы не позволяет ослабить влияние аддитивного белого шума. Широкополосные системы связи (ШСС) находят применение благодаря своим потенциальным преимуществам [27,1]: Исследование помехоустойчивости ШСС проводится в [28,29,30].

При работе в линейном режиме системы с расширением спектра обеспечивают существенное подавление как узкополосных помех (в частности, гармонических), так и широкополосных помех, обеспечивая выигрыш при обработке G=fo/fb , где fo - частота следования информационных символов, /ь -скорость передачи. Выигрыш обеспечивается за счет корреляционного сжатия спектра принятого полезного сигнала в полосе модулирующих частот при одновременном расширении спектра помехи.

К современным методам защиты цифровых РЭС от аддитивных помех, а также от мультипликативных помех, обусловленных особенностями трасс распространения сигнала, замираний за счет многолучевого распространения сигнала, фазового шума, доплеровского сдвига частоты можно отнести использование оптимальных (квазиоптимальных) алгоритмов демодуляции цифрового сигнала [31], выбор оптимальной структуры сигнала [32], а также использование адаптивных помехоустойчивых кодов, согласованных с каналом связи [33]. При синтезе оптимальных структур и алгоритмов в качестве критериев оптимальности обычно используются критерии максимальной инвариантности к воздействию помех [32], минимума аппаратурных искажений сигнала, минимума вероятности ошибочного приема.

Для защиты ШСС от помех, уровень которых превышает обеспечиваемый базой допустимый запас помехоустойчивости (уровень вероятности ошибки на бит), применяют различные методы подавления [29]. Указанные методы можно разделить на две группы — режекция пораженной части спектра ШПС и компенсация помехи в РПУ путем создания ее копии с последующим вычитанием созданной копии помехи из входного сигнала. Реализация дополнительных методов защиты осуществляется, в основном, цифровым 4 способом на промежуточной или видеочастоте РПУ. При этом полагают, что входные сверхвысокочастотные (СВЧ) каскады РПУ преобразуют входную смесь полезного сигнала, шума и помех линейно, не внося значительных искажений в принимаемый сигнал.

- Проблема непреднамеренных помех большой мощности.

Однако на вход РЭС зачастую поступают помехи такого уровня, который превышает динамический диапазон РПУ. В РЭС мешающие сигналы такого уровня могут поступать, например, от собственного передатчика за счет недостаточной эффективности блокировки приемного устройства. Специфика некоторых объектов вообще требует работы приемников и передатчиков на ф одну общую широкополосную антенну [И].

Воздействие на приемное устройство мощных помех может привести к значительным изменениям в режимах работы отдельных каскадов, к проявлению существенных нелинейных эффектов, значительно ухудшающих качество выделения полезной информации из входной смеси. Таким образом, при одновременной работе собственных передатчиков и приемников, находящихся в ограниченном пространстве, а также воздействия организованных помех, реальна ситуация, при которой на вход приемного устройства попадает сигнал с напряжением, достаточным для того, чтобы изменить соотношение сигнал/шум. Более того, возможно попадание основного излучения радиопередающего устройства в полосу побочного канала приема и внеполосного излучения в основной канал приема, что, естественно, нарушает * нормальный (линейный) режим работы приемных устройств.

В условиях растущего количества работающих радиотехнических систем (беспроводной связи), которое наблюдается в последнее десятилетие, возникают ситуации, когда уровень помех, поступающих на вход ШСС, превышает возможности динамического диапазона РПУ. В этом случае входные СВЧ каскады РПУ, а именно малошумящий усилитель (МШУ) и смеситель переходят в нелинейный режим работы. Искажения полезного ШПС, возникающие вследствие нелинейных преобразований во входных каскадах РПУ, невозможно компенсировать последующей цифровой обработкой, так как характер таких искажений трудно предсказуем. Следовательно, возникает необходимость дополнительной защиты входных каскадов ШСС от воздействия мощных помех.

Исследованию нелинейных эффектов, сопровождающих прохождение сигнала большой мощности (или смеси сигнала и помехи) по приемному тракту посвящено достаточно много работ. Подробно исследованы явления перегрузки усилительных устройств [35], перекрестные искажения и явление интермодуляции [36], вопросы образования комбинационных частот [37], явление подавления слабого сигнала в детекторе [38], проведен анализ взаимной модуляции в полупроводниковом смесителе [39,40,41], эффекты потери чувствительности в приемном тракте [42,43] и т.д. Основные результаты этих исследований систематизированы в работах [44,45,46]. Однако, проблема потери чувствительности РПУ при воздействии импульсных помех и одновременном учете нелинейных и нестационарных свойств его каскадов пока не нашла своего решения.

Отметим, что наиболее подробно изучены нелинейные явления в оконечных усилительных каскадах, так как обычно предполагалось, что на преобразовательные каскады и на первые каскады усилителя поступают сравнительно слабые сигналы, и каскады не перегружены. Тем не менее, пока нет полной ясности каково соотношение эффектов прямого прохождения помех и эффектов блокирования в РПУ.

Широкое использование в системах связи цифровой обработки сигналов, ключевым элементом которой являются аналого-цифровые преобразователи, требует рассмотрения их нелинейных и инерционных свойств, проявляющихся в виде комбинационных компонент при взаимодействии нескольких сигналов, по крайней мере один из которых значительно превышает другой [47].

В большинстве существующих в настоящее время методов обработки смеси сигнала с помехой фильтрация сигнала производится либо на промежуточной, либо на видеочастоте в предположении линейности преобразования смеси сигнала с помехой в каскадах РПУ. Это, вообще говоря, не всегда справедливо, особенно, если уровень помехи превышает динамический диапазон входного усилителя. Разработанный арсенал средств защиты от помех, не превышающих динамический диапазон РПУ, достаточно широк [48] и обеспечивает защиту от практически любой конкретной помехи. Способы защиты радиоканала от мощных помех.

Разработанные к настоящему времени технические методы и способы борьбы с мощными помехами можно свести к двум основным направлениям.

Первый путь включает в себя различные способы по недопущению воздействия помехи на РПУ (или существенного ослабления уровня мешающего сигнала). Второй путь заключается в соответствующей обработке в самом приемном устройстве входной смеси с целью наилучшего выделения полезной информации.

В первом случае, для предотвращения попадания мощной помехи на вход РПУ используются различного рода преселекторы [34,49,50] компенсационные схемы [5] и схемы быстрой перестройки частоты [52]. Эти методы, по-видимому, малоперспективны в условиях все возрастающих мощностей помех.

Использование специальных преселекторов неперспективно в первую очередь по экономическим соображениям: размер, вес, стоимость [53] использование компенсационных схем ограничено их недостаточным быстродействием [51] или малым динамическим диапазоном [44].

Защиту РЭС от воздействия узкополосных помех, мощность которых превышает границы динамического диапазона приемного устройства, необходимо осуществлять во входных каскадах РПУ, до малошумящего усилителя и смесителя. Непрерывные узкополосные помехи могут быть подавлены на входе приемника РТС с помощью режекторных фильтров [53,54,55]. Использование режекторных фильтров на входе для подавления мощных помех, ширина спектра которых значительно меньше ширины спектра полезного сигнала AFyn « AF, рекомендуется также для современных систем связи с ШПС [56]. Современные технологии позволяют создавать высокодобротные узкополосные фильтры (например, на диэлектрических резонаторах [34], либо на основе ядерного магнитного резонанса [49]). Для защиты РПУ от мощных нестационарных узкополосных помех можно использовать блоки таких фильтров или перестраиваемые режекторные СВЧ фильтры [34].

Максимально возможное количество узкополосных помех в системе ШПС, которые могут быть подавлены указанным способом, зависит от ширины спектра полезного сигнала, ширины полосы режекции каждого фильтра и величины порогового уровня основного пика корреляционной функции, при котором происходит обнаружение полезного сигнала, принятого в конкретной системе. В системе без расширения спектра (с базой AFr=l), режекция может привести к полному блокированию узкополосного полезного сигнала, при совпадении несущей частоты сигнала с частотой режекции. Неприемлемо использование режекторных фильтров, выполненных на активных элементах, при воздействии мощных импульсных помех, так как возникающие нелинейные эффекты могут привести к полному запиранию тракта.

В приемниках радиосвязи для борьбы с импульсными помехами большой амплитуды и малой длительностью используются устройства, выполненные по схеме ШОУ (Широкополосный усилитель - амплитудный Ограничитель-Узкополосный усилитель), ШПУ (Широкополосный усилитель - Прерыватель

Узкополосный усилитель) [18]. В частности, системы ШОУ используются для защиты от импульсных помех в современных приемниках (ладцаргаСОМА [25].

Еще одним из распространенных способов защиты приемников от импульсных помех является бланкирование [18]. Бланкирование помехи является эффективным способом подавления импульсных помех разной интенсивности, в т.ч. и превышающих динамический диапазон РПУ и обычно осуществляется прерывателем, расположенным перед защищаемым каскадом. Импульсы управляющего напряжения формируются в дополнительном канале выделения помехи. В системах с бланкированием реальна ситуация, когда из-за эффекта последействия и потери чувствительности, длительность управляющих импульсов больше длительности импульсов помехи. Вследствие этого, приемник будет закрыт для приема полезного сигнала, следующего непосредственно за помехой. Эффект последействия и потери чувствительности при линейном режиме работы усилительных каскадов может быть устранен (или значительно снижен) путем использования специальных технических решений [57,58,59].

Оценки эффективности перечисленных систем защиты от импульсных помех приведены в работах [60,61], где показано, что общим свойством систем подавления импульсных помех является ухудшение их эффективности при воздействии на них помех, по своей структуре приближающихся к "неимпульсным". Причем, чем выше устойчивость любой системы подавления к импульсным помехам, тем более ухудшается её устойчивость к неимпульсным помехам. Системы с бланкированием и устройства ШПУ в условиях непрерывных помех вообще теряют свою работоспособность. Представляется целесообразным определение такого параметра как время потери чувствительности в РТС, снабженных этими устройствами защиты, для оценки их эффективности.

Во втором случае, как правило, решается задача расширения динамического диапазона усилительного устройства и последующая компенсация помехи, находящейся в аддитивной смеси с сигналом [62]. Для расширения динамического диапазона усилительных каскадов широко используются схемы автоматической регулировки усиления АРУ, линеаризирующие каскады, логарифмические усилители и т.д. В работе [62] подробно рассматриваются преимущества и недостатки этих способов. Отметим только, что автоматическая регулировка мощности (АРМ) и схемы АРУ заметно уменьшают способность приемного устройства выделять слабый сигнал на фоне сильной помехи, увеличивая, кроме всего прочего, и инерционность приемного устройства. Нелинейные методы линеаризации приводят к явно выраженным усложнениям схемы [63,64] , которые становятся еще более значительными, если синтез линеаризуемых элементов проводить на основе теории нелинейной фильтрации [64].

Проведенный выше анализ показывает, что при разработке информационно-измерительных комплексов одной из наиболее важных является проблема минимизации степени взаимного влияния автономных радиотехнических систем, входящих в состав комплексов. Такое влияние возникает вследствие недостаточной направленности антенных систем, большого уровня боковых лепестков диаграмм направленности, недостаточного частотного разноса рабочих частот [66], проявления нелинейных эффектов при больших уровнях мощности используемых сигналов. Поэтому необходимо оценить влияние нелинейно-нестационарных эффектов при воздействии на радиоканал мощных импульсных помех.

В этой ситуации расчет уровня внутрисистемных помех может быть проведен лишь весьма приблизительно, поэтому необходимо провести поиск алгоритмов обработки сигналов на фоне помех и рационально выбрать закон модуляции рабочих сигналов. Соответствующий анализ позволит приблизиться к потенциальным точностным характеристикам комплекса, определяемым чувствительностью приемных систем и мощностью сигналов.

Цели и задачи работы.

Целью работы является разработка многопроцессорного комплекса телеуправления, устойчиво работающего в условиях внешних и внутрисистемных импульсных помех.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:

- выбор структуры радиосигнала для передачи информации в условиях воздействия внутрисистемных импульсных помех;

- исследование нелинейных и нестационарных эффектов, сопровождающих воздействие мощных импульсных помех на радиоканал; обоснование структуры многопроцессорного комплекса телеуправления с защитой от интенсивных радиопомех.

Методы исследования:

- математическое моделирование типовых радиотехнических комплексов; экспериментальные исследования характеристик РПУ двухсигнальным методом; методы статистической радиофизики; методы системного анализа.

Научная новизна:

- Проведен анализ статистических характеристик потоков внутрисистемных помех и их влияния на рабочие характеристики приемных устройств. Показано, в частности, значительное повышение помехоустойчивости при уменьшении коэффициента взаимной корреляции используемых сигналов.

Обоснована структура алгоритмов обработки сигнала при воздействии внутрисистемных помех и проведен синтез сигналов, минимизирующих влияние таких помех.

Показано, что использование сложных сигналов с частотной или фазовой модуляцией существенно снижает степень взаимного влияния приемнощ передающих комплексов, функционирующих в условиях, когда уровень внутрисистемных помех настолько велик, что существенным образом проявляются нелинейные явления в приемных трактах.

Исследовано явление блокирования радиотракта внеполосными импульсными помехами;

Определены эффекты, приводящие к потере чувствительности усилительных каскадов после воздействия мощных импульсных помех;

Предложены способы уменьшения времени потери чувствительности усилительных каскадов радиотракта;

Оценено влияние на характеристики обнаружения потери gi чувствительности радиотракта и взаимной корреляции сигнала и помех;

Синтезирован многопроцессорный комплекс управления, имеющий защищенный от помех радиоканал.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретические и экспериментальные результаты работы могут быть использованы при разработке помехоустойчивых радиоканалов, работающих в условиях импульсных помех.

Предложенная структура многопроцессорной системы управления уже используются а ОАО «Газпром» и может быть рекомендована для других отраслей промышленности.

Вклад автора.

Лично автором выполнены следующие научно-исследовательские работы:

- провел выбор оптимальной структуры сигнала, предназначенного для передачи измерительной информации;

- исследовал потерю чувствительности многокаскадного усилителя при нелинейном режиме его работы;

- получил характеристики блокирования и обнаружения с учетом потери чувствительности радиотракта;

- обосновал структуру многопроцессорного комплекса управления;

- оценил основные метрологические характеристики комплекса и параметры достоверности передачи информации.

На защиту выносятся следующие результаты:

- результаты анализа статистических характеристик потоков внутрисистемных помех с учетом параметров антенных систем и их влияния на рабочие характеристики приемных устройств;

- математическая модель резонансного каскада, работающего в широком диапазоне входных сигналов, представленная в виде системы параметрических уравнений, учитывающих резонансные свойства каскада и детекторные эффекты на транзисторных переходах;

- методы уменьшения времени последействия импульсных помех путем взаимной нейтрализации детекторных эффектов в базовой цепи и в цепи коллектора;

- характеристики блокирования РПУ потоком импульсных помех;

- многопроцессорный комплекс телеуправления с помехозащищенным радиоканалом.

Апробация результатов работы и публикации.

По результатам работы опубликованы 2 статьи в рецензируемых центральных журналах; опубликованы материалы двух докладов в трудах научной конференции по радиофизике в ННГУ; опубликованы тезисы 5 докладов на международных и региональных конференциях.

Результаты исследования доложены на третьей международной конференции «Энергодиагностика и Condition monitoring» (2000г.), на конференции по радиофизике в ННГУ (2002г.), на научно-практической конференции «Итоги и перспективы развития десятилетнего сотрудничества Минатома РФ и ОАО «Газпром» (1999г.).

Работа выполнена в ФГУП НИИ измерительных систем им. Ю.Е.

Седакова, г. Н. Новгород.

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Кульпин, Сергей Иванович

4.3. Выводы.

1. В целях обеспечения эффективности управления комплексом целесообразно использование двухуровневой системы, обладающей организационной иерархией. Это повышает оперативность управления и уменьшает требования к пропускной способности радиоканала.

2. Определяется следующая архитектура комплекса телеуправления: обработка данных от датчиков и сигнализаторов должна производиться в модулях, выполняющих строго определенную функцию по собственным независимым программам на базе собственных микропроцессорных контроллеров, а результаты обработки (выход телеизмерений за заданные установки, срабатывание телесигнализации и т.д.) должны передаваться в управляющий модуль КП (который реализован на собственном микропроцессорном контроллере и производит непрерывный опрос функциональных модулей на предмет наличия отклонений, наличия транзитной информации, вычисление расхода газа) для дальнейшей передачи на ПУ по каналам связи. Удаленный ПУ, функционирующий на базе центрального универсального вычислительного комплекса, выполняет функции контроля, управления несколькими КП и регистрации данных.

3. Введение в систему телеуправления собственного помехозащищенного радиоканала позволяет оперативно управлять измерительным комплексом и иметь надежную связь в условиях местности с неразвитой телекоммуникационной структурой.

4. При синтезе радиоканала многопроцессорной системы достаточным является использование частотной телеграфии с некогерентной обработкой сигнала, что приводит к минимизации взаимных помех. Структура передаваемой информации может быть построена в виде коротких и длинных посылок, кодируемых кодом Хэминга с пятью исправляющими символами для коротких посылок и кодируемых полиномом шестнадцатой степени для длинных посылок, что обеспечивает надежную защиту информации.

5. Использование многопроцессорной системы в комплексе с блоками помехозащиты позволили получить высокие (на мировом уровне) метрологические характеристики комплекса даже при сложной помеховой обстановке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для комплексов, которые разнесены зачастую на большие расстояния друг от друга и объединены системой управления по беспроводной связи, актуальной становится задача обеспечения их электромагнитной совместимости.

Одной из важных задач обеспечения электромагнитной совместимости РЭС комплексов с измерительными системами является устранение или сведения к минимуму внутрисистемных помех. Вместе с тем, устранение внутрисистемных помех для территориально разнесенных РЭС на сложной земной поверхности в условиях определенных ограничений по выбору рабочих частот РЭС при их большом количестве и технических характеристиках применяемого оборудования радиоканалов, не всегда представляется возможным. Наличие соседствующих комплексов с измерительными системами, выполненных на аналогичном оборудовании и имеющими радиоканалы в одних и тех же частотных диапазонах, вызывают аналогичные взаимные внутрисистемные помехи на стыках этих комплексов, усиленные эффектом возникновения атмосферных каналов связи при распространении радиоволн.

Решение этой задачи может быть достигнуто совместным использованием организационных и технических мер. Технические меры предполагают необходимость исследования статистических характеристик потоков внутрисистемных помех с учетом параметров антенных систем. Показано, что распределение амплитуд внутрисистемных помех в радиоканале с достаточной точностью можно считать нормально-логарифмическим, распределение мгновенных значений редких (л<<:1) радиоимпульсных потоков внутрисистемных помех хорошо аппроксимируется экспоненциальным законом. Распределение мгновенных значений плотных потоков перекрывающихся импульсов приближается к нормальному по мере увеличения степени перекрытия импульсов.

Анализ эффективности предложенной структуры сигналов, предназначенных для передачи информации в условиях воздействия непреднамеренных помех, показал следующее: система радиоимпульсных сигналов с одинаковой огибающей и одинаковой несущей частотой, фазы которых модулированы определенным образом, является ортогональной, то есть такие сигналы на приемной стороне радиотракта системы управления могут быть разделены без взаимных помех в отсчетные моменты времени. Практическое применение таких сигналов позволит свести к минимуму степень взаимного влияния внутрисистемных помех без расширения полосы частот, занимаемой системой управления. Эквивалентные сложные сигналы вследствие временного сжатия после согласованной фильтрации при одновременном растяжении импульса помехи вследствие дисперсионности согласованного фильтра, обеспечивают значительно большее соотношение сигнал/помеха на выходе устройств типа ограничитель -согласованный фильтр.

Наибольшую опасность для радиотракта представляют помехи, превышающие динамический диапазон приемных каскадов. Экспериментальные исследования показали, что явление нелинейного взаимодействия помехи и сигнала (блокирование, перекрестная модуляция) и эффект прямого прохождения помехи, в принципе, могут иметь место одновременно. Причем для систем с хорошей прямоугольностью резонансной кривой явление прямого прохождения помехи практически полностью отсутствует вне полосы приема. Для таких систем влияние сильной внеполосной помехи сказывается в явлениях блокирования и перекрестной модуляции. В этих системах необходимо расширение динамического диапазона первых каскадов приемного тракта. Для систем с плохой прямоугольностью резонансной характеристики явления нелинейного взаимодействия сигнала и помехи и прямое прохождение помехи сопутствуют друг другу даже при значительных расстройках. В таких системах необходимо наряду с характеристикой блокирования знание характеристики прямого прохождения помехи. В этих системах наиболее подверженными перегрузке являются оконечные каскады приемного тракта, которые и требуют наибольшего динамического диапазона.

Воздействие мощных импульсных помех сопровождается не только блокированием РПУ, но и эффектами последействия и потери чувствительности. Это связано с тем, что по окончании импульса помехи каскада имеют место переходные процессы, обусловленные динамическим смещением детектирующих элементов этих каскадов. Эти эффекты приводят к потере чувствительности каскада по окончании действия помехи, т.е. к увеличению длительности импульсов потока совпадения помехи и сигнала на единицы — десятки микросекунд. Уменьшить время последействия каскада можно путем взаимной нейтрализации нелинейных эффектов в базовой цепи и в цепи коллектора, а также введением частотной коррекции.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований показывают, что уровень импульсных помех, вызывающих блокирование, обратно пропорционален средней длительности импульсов и частоты потока совпадения. При бланкировании РПУ блокирование определяется только временными параметрами потока импульсных помех и сигнала. Причем априорное знание помеховой ситуации (плотность потока помех) позволяет изменить требования по допустимому динамическому диапазону информационно-измерительной системы. Так, при изменении скважности потока помех от 1 (непрерывная помеха) до 5, динамический диапазон по блокированию (без изменения структуры РПУ) увеличивается более чем на 20 дБ.

Характеристики обнаружения РЭС существенно зависят не только от эффекта блокирования, но и от времени потери чувствительности РЭС. Наряду с уменьшением вероятности правильного обнаружения до 0,5 при нелинейном режиме работы каскада потеря чувствительности приводит и к уменьшению вероятности ложной тревоги.

Организационные меры обеспечения ЭМС комплекса предполагают переход на многоуровневую систему управления. В целях обеспечения эффективности управления комплексом целесообразно использование двухуровневой системы, обладающей организационной иерархией. Это повышает оперативность управления и уменьшает требования к пропускной способности радиоканала.

Предложена следующая архитектура комплекса телеуправления: обработка данных от датчиков и сигнализаторов должна производиться в модулях, выполняющих строго определенную функцию по собственным независимым программам на базе собственных микропроцессорных контроллеров; результаты обработки (выход телеизмерений за заданные установки, срабатывание телесигнализации и т.д.) должны передаваться в управляющий модуль КП (который реализован на собственном микропроцессорном контроллере и производит непрерывный опрос функциональных модулей на предмет наличия отклонений, наличия транзитной информации, вычисление расхода газа) для дальнейшей передачи на ПУ по каналам связи; удаленный ПУ, функционирующий на базе центрального универсального вычислительного комплекса, выполняет функции контроля, управления несколькими КП и регистрации данных.

Введение в систему управления собственного помехозащищенного радиоканала позволяет оперативно управлять комплексом и иметь надежную связь в условиях сложной местности и при воздействии непреднамеренных помех. При синтезе радиоканала многопроцессорной системы достаточным является использование сигналов частотной телеграфии с некогерентной обработкой сигнала, что обеспечивает допустимый уровень взаимных помех.

Структура передаваемой информации может быть построена в виде посылок, кодируемых кодом Хэмминга и полиномом 16-й степени (CRC-16), что обеспечивает достаточную защиту информации.

Использование в многопроцессорном комплексе телеуправления с защитой от интенсивных радиопомех специального протокола обмена информацией и алгоритмов ее обработки позволило получить следующие показатели достоверности передачи информации: вероятность трансформации информации Ртр.инф = 3,6*10'10; вероятность потери информации (при повторении до 5 раз)

12 15

Рпотери= Ю ; вероятность образования ЛОЖНЫХ команд РЛож.команд = 10" .

Акты о внедрении и использовании результатов диссертационной работы приведены в Приложении 4.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кульпин, Сергей Иванович, 2003 год

1. Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширенияспектра. М. Радио и связь, 2000.

2. Князев А.Д., Пчёлкин В.Ф. Проблемы обеспечения совместной работырадиоэлектронной аппаратуры . М.: Сов. радио, 1971.

3. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и системред. Царьков Н.М.), М, РиС, 1985.

4. Winkler М. A technique for improving cosite compatibility "IEEE

5. Electromagnetic. Compatib. Sympos Rec. Asbury Park, N.Y. 1969" New York, 1969,68-71.

6. Агеев Д.В. Теория линейной селекции и проблемы пропускной способности "эфира". Кандидатская диссертация. 1938, ЛЭИС.

7. Котельников В.А. Теория потенциальной помехоустойчивости,1. Госэнергоиздат, 1956.

8. Гуткин JI.C. Теория оптимальных методов радиоприёма прифлуктуационных помехах. Госэнергоиздат, 1972.

9. Тихонов В.И. Помехоустойчивость оптимальных методов приёмафазомодулированных и частотно-модулированных радиосигналов.// Электро-связь. 1969, № 3.

10. Трифонов А.П. Шинаков Ю.С. Совместное различение сигналов иоценка их параметров на фоне помех М.: Радио и связь, 1986.

11. Орлов И.Я., Батищев. Д.И. Задача ЭМС радиотехнических средств как задача оптимизации.//Некоторые вопросы проблемы ЭМС радиосистем. Серия радиофизическая. Сборник статей. Выпуск 3. Издание Горьк. гос. ун-т, Горький, 1975, С.87.

12. Волчков Н.М., Сальников И.М. 0 совместной работе коллектива радиостанций. //Проблемы передачи информации, т. VI, вып. 4, 1970.

13. Вазин В.А., Железцов В.Р., Соловьев В.М. Оптимизация характеристик ЭМС РТС путем автоматического управления ее параметрами. //Радиоизмерительная аппаратура для решения задач ЭМС РЭС. Межвузовский сборник, Горький, Горьк. гос. ун-т, 1989, С.30.

14. Силин А.В. Оценка ЭМС в комплексе РЭС связи. // Радиоизмерительная аппаратура для решения задач ЭМС РЭС. Межвузовский сборник, Горький, Горьк. гос. ун-т, 1989, С.98.

15. Седякин Н.М. Элементы теории случайных импульсных потоков. -М.: Советское радио, 1965.

16. Стиффлер Дж.Дж. Теория синхронной связи. Пер. с англ. Б.С. Цыбакова под ред. Э.М. Габидулина. -М.: Связь, 1975.

17. Лившиц А.Р., Биленко А.П. Многоканальные асинхронные системы передачи информации. -М.: Связь, 1974.

18. Вервельский А., Стефанович А. Система коллективной защиты «Подзаголовок-23». // Военный парад. 2002, №49, январь-февраль.

19. Защита от радиопомех. Под ред. Максимова М.В. М.: Сов.радио, 1976.

20. Монзинго Р.А., Миллер Т.У., Адаптивные антенные решетки: Пер. с англ./ Под ред. В.А. Лексаченко. -М.: Радио и связь. 1986.

21. Савинов И.В. Работа адаптивной антенной решетки в условиях переключающихся источников помех. // Радиоизмерительная аппаратура для решения задач ЭМС РЭС. Межвузовский сборник, Горький, Горьк. гос. ун-т, 1989,С. 10.

22. Дрогалин В.В., Казаков В.В. и др. Способы и алгоритмы помехозащиты бортовых радиолокационных систем от многоточечных нестационарных помех. // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники, 2001, № 2.

23. Черемисин О.П. Адаптивное выделение сигналов на фоне интенсивных помех в многоканальных системах. // Радиотехника и электроника. 1992, №3.

24. Brust R., Torriner P. Designing microvave mixers for increased dynamic range. "IEEE Trans Electromagnetic Compatibility", v.l 1 N4, 1969.

25. Feher K. Digital Communications: Satellite/Earth Stations Engeneering. Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, NJ, 1983.

26. Dixon R.C. Spread Spectrum Systems. Wiley-Interscience. J. Wiley &Sons. NY 1976.

27. Pickholtz R.L., Schilling D.L., Milstein L.B. Theory of spread-spectrum communications: A Tutorial. IEEE Transactions on Communications. May 1982.

28. Варакин JI.E. Системы связи с шумоподобными сигналами. — М.: Радио и связь, 1985 г.

29. Козлов Д.Г., Люсин С.В. Повышение гарантированной помехоустойчивости устройств обработки псевдошумовых сигналов. // Радиотехника и электроника. 1992, С. 1043.

30. Милстайн Л.Б. Методы подавления помех в системах радиосвязи с широкополосными сигналами. // ТИИЭР. 1988. - Т. 76, № 6.

31. Астапенко А.В., Игнатов В.В., Мельников В.Г. Анализ помехоустойчивости схемы комбинированной обработки составных широкополосных сигналов в каналах с флуктуационными и сосредоточенными помехами.//Радиоэлектроника. 1991, №4. С.13.

32. Subasinyne-Dias D andK.Feher. Baseband Pulse shaping for п/ч — KQPSK in nonlinearly amplified mjbile channels. IEEE Trons on Communications, 1994.

33. Федоренко В.В., Краснокутский А.В. Алгоритм выбора оптимальной структуры сигналов в каналах с искажениями и помехами. // Радиоэлектроника, 1999, №10, С. 11.

34. Лукьянчук А.Г., Афонин И.Л., Савицкий И.В. Повышение помехоустойчивости системы спутниковой связи методом адаптивного приема.//Радиоэлектроника. 1997, №8.

35. Ильченко М.Е., Взятышев В.Ф., Л.Г. Гассанов и др. Диэлектрические резонаторы/.; Под ред. М.Е. Ильченко. — М.: Радио и связь, 1989.

36. Неронский Л.Б., Прохождение сигнала и шума через приёмное устройство с нелинейной амплитудной характеристикой. //Известия ВУЗов СССР- Радиотехника. 1964, т.VII, №6.

37. Конюхов В.В. Помехоустойчивость многоканальных систем ОФТ при перекрёстных помехах. // Вопросы радиоэлектроники. 1965,сер. XII, вып. 18.

38. Лаврентьев В.П. К расчёту уровней комбинационных частот приёмника. // Вопросы радиоэлектроники. 1968, сер. XII, вып. 25.

39. Сифоров В.И. Об одновременном воздействии на детектор двух модулированных напряжений высокой частоты. // Электросвязь. 1938, №3.

40. Lotch Н. Theory of nonlinear distortion produced in a semiconductor diode //IEEE Trans, 1968 ED-15, № 5.

41. Катунцев В.Д., Болдырев H.M. Определение чувствительности паразитных каналов приёма супергетеродинных приёмников. // Известия ВУЗов СССР. Радиоэлектроника. 1967, т. 12, №. 5.

42. Лифшиц В.В. Преобразование частоты большого сигнала и расширение динамического диапазона смесительных диодов СВЧ. Сборник «Полупроводниковые приборы и их применение», вып. 17, 1967.

43. Золотарев ИД. Переходные процессы в избирательных усилителях на транзисторах. М.: Связь, 1976 г.

44. Егорычев В.П., Кобрин М.М., Кузьмин В.Г., Орлов И.Я. О некоторых особенностях прохождения шумового сигнала через параметрическую систему.// Радиотехника и электроника, 1980, т.25, №11.

45. Грибов И.Б. Нелинейные явления в приемно-передающем тракте аппаратуры связи на транзисторах.- М: Связь, 1971.

46. Голубев В.Н. Частотная избирательность радиоприёмников AM сигналов. М.: Связь, 1970.

47. Кузьмин В.Г. Исследование влияния нестационарных и нелинейных явлений в приемном тракте на эффективность работы адаптивных информационно-измерительных систем. Кандидатская диссертация. Горький, 1984.

48. Рыжак И.С. О нелинейных искажениях в аналого-цифровых преобразователях. // Радиотехника и электроника. 1991, С.755.

49. Цветное В.В. Демин В.П., Куприянов А.И. Радиоэлектронная борьба: Радиомаскировка и помехозащита. М: Изд-во МАИ, 1999.

50. Баруздин С. А. Нелинейная фильтрация узкополосных помех на основе ядерного магнитного резонанса. // Радиотехника, 2001, №5.

51. Шелухин О.И., Фомин А.Ф., Артюшенко В.М. Квазиоптимальная дискретная демодуляция сигналов на фоне аддитивной и мультипликативной негауссовых помех. // Радиоэлектроника, 1991, №1.

52. Синглер Д.В. Система для подавления радиопомех, патент США, N 3256487, 1962.

53. Гущин В.А. Односевцев В.А. Синхронно-компенсационный метод подавления импульсных помех в модуляционной радиометрии.//Радиоизмерительная аппаратура для решения задач ЭМС РЭС. Межвузовский сборник, Горький, Горьк. гос. ун-т, 1989, С.35.

54. Электромагнитная совместимость радиоэлектронной аппаратуры.// Радиоэлектроника за рубежом, № 19, 1968.

55. Балов А.В., Новак Л.Л. А.С. №324715 (СССР). Устройство подавления узкополосных помех с произвольным спектром. Опубл. в Б.И., 1972, №2.

56. Горбачев А.А., Шушин В.М. А.С. № 443488 (СССР). Устройство для компенсации узкополосных помех. Опубл. В Б.И., 1975, №34.

57. Малыгин В.И. Один из способов защиты широкополосных систем связи от мощных узкополосных помех.// Телекоммуникации. 2001, №11.

58. Орлов И.Я., Разина Т.Д. К вопросу об уменьшении времени последействия помех в радиоприемных устройствах. //Некоторые вопросы проблемы ЭМС радиосистем. Серия радиофизическая. Сборник статей. Выпуск 3. Издание Горьк. гос. ун-т, Горький, 1975. С.91.

59. Кузьмин В.Г., Орлов И.Я. А.С. № 907784 (СССР). Импульсный усилитель.- Опубл. в Б.И., 1982, №7.

60. Боровков К.В., Малыгин И.В. Перспективные способы модуляции в широкополосных системах передачи данных. Технологии и средства связи, 1998, №5.

61. Гольдберг А.П. Характеристики систем подавления импульсных помех. «Электросвязь», 1966, №2.

62. Венскаускас К.К., Малахов JI.M., Импульсные помехи и их воздействие на системы радиосвязи. //Зарубежная радиоэлектроника. 1978, №1, С.95.

63. Лукошкин А.П. Радиолокационные усилители с большим диапазоном входных сигналов. М.: Сов. радио, 1964.

64. Rosen F. Linear amplifier with a non-linear feedback network Патент США, Кл. 330-110, N 3166720, 10.01.1965.

65. Ван-Трис Г. Синтез оптимальных нелинейных систем управления.- М.: Мир, 1964.

66. Палий А.И. Радиоэлектронная борьба.- М.: Военное издательство, 1989.

67. Смирнов Н.И., Сивов В.А., Караваев Ю.А. Обеспечение электромагнитной совместимости систем с кодовым и временным разделением каналов на путях перехода к IMT-2000 // Мобильные системы, 2001, №2.

68. Акимов П.С., Бакут П.А. .Богданович В.А. и др. Теория обнаружения сигналов. Под ред. П.А.Бакута. - :М. -Радио и связь, 1984.-440с.

69. Куликов Е.И. .Трифонов А.П. Оценка параметров сигналов на фоне помех.-М. :Сов.радио, 1978.-296с.

70. Калинин А.И., Черепкова E.JI. Распространение, радиоволн и работа радиолиний. -М. :Связь, 1971.-440с.

71. Шифрин Я. С. Вопросы статистическом теории антенн. Радио и связь, 1970.-3 84с.

72. Коростелев А.А., Клюев Н.Ф., Мельник Ю.Д. и др. Теоретические основы радиолокации. Под. ред. В.Е.Дулевича. - М.:Сов.радио,1978.-680с.

73. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. -М.: Сов.радио,1989.-656с.

74. Бейтмен Г., Эрдейи А. Высшие трансцендентные функции. T.I.-M.: Наука, 1973.-296с.

75. Рытое С.М. Введение в статистическую радиофизику. М.:Наука, 1976.-344с.

76. Бейтмен Г., Эрдейи А. Таблицы интегральных преобразований. Т.1-М.: Наука, 1969.-344с.

77. Теория и методы электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. Под.ред. Ю.А.Феоктистова. -М.:Радио и связь, 1988.-216с.

78. Кашкин В.Б. Функциональные полиномы в задачах статистической радиотехники . -Новосибирск: Наука, 1983. -144с.

79. Дядюнов И.Г., Селин А.И. Ортогональные и квазиортогональные сигналы. М.: Связь, 1977.224с.

80. ХармутХФ. Передачи информации ортогональными функциями. -М.: Связъ, 1975.-272с.

81. Арфкен Г. Математические методы в физике. -М.: Атомиздат, 1970. -712с.

82. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. -М.: Радио и связь, 1982.-620с.

83. Ширман Я. Д. Разрешение и сжатие сигналов. -М.: Сов.радио, 1974. -360с.

84. Голубев В.Н. Частотная избирательность AM сигналов. М.: Связь, 1970.

85. Голубев В.Н. Эффективная избирательность радиоприемных устройств. М: Связь, 1978. 239с.

86. Богданович Б.М. Нелинейные искажения в приемно-усилительных устройствах. М. :Связь, 1980. —279с.

87. Кузнецов A.M., Кузьмин В.Г., Орлов И.Я. К вопросу о потере чувствительности параметрического усилителя // Известия вузов -Радиофизика, 1978, № 1.

88. Соловьев В.М. Математическая модель для оценки электромагнитной совместимости радиолокационного комплекса.

89. Miller К Schwarzh Jn the interference ofpulse trains. J. Oppl. Phys, 1963 p 27.

90. ГОСТ 23872-79 Совместимость РЭС электромагнитная. Номенклатура параметров и классификация технических характеристик.

91. ГОСТ 23611-79 Совместимость РЭС электромагнитная. Термины и определения.

92. Месарович М. и др. Теория иерархических многоуровневых систем. М.:Мир. 1973.

93. Buss L.A., Cutts R.L. United States national spectrum management. -Telecommunication I., 1980 v ITV,p320-334

94. Cohel D., Mayer R. The use of computerized analical techniques in spectrum management. In: Symp. and Technical exhib. EMS- Rotterdam, 1979.- p45-60.

95. Семисошенко M.A. Оценка эффективности системы радиосвязи в сложной помеховой обстановке. // Радиотехника. 1996, №5, С. 15.

96. Кульпин С.И., Васильев B.C., Сутугин B.C. Программно-технические средства линейной телемеханики МГ // Газовая промышленность, июль 2000 г., с. 69-70.

97. Кульпин С.И., Кузьмин В.Т., Орлов И.Я. Особенности блокирования приемной системы потоком импульсных помех // Датчики и системы 2002 №4, с. 16-19.

98. Кульпин С.И., Жаров С.А., Модуль управления//Труды шестой научной конференции по радиофизике, ННГУ, 2002г., с. 177-179.

99. Кульпин С.И., Петрищев B.YI. Устройство преобразования сигналов. //Труды шестой научной конференции по радиофизике, ННГУ, 2002г., с.179-181.

100. И.Р. Бухвалов, С.И. Ермолаев, С.И. Кульпин, А.С. Кульпин.

101. Разработка программного обеспечения системы контроля утечек для магистральных газопроводов И Тезисы докладов региональной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки Нижегородского региона», c.l 1, Нижний Новгород, 16 мая 2003г

102. Кульпин С.И. и др. Патент №29594 от 20.05.2003 г. на полезную модель «Комплекс телемеханики» от 20 мая 2003 г.

103. Кульпин С.И. и др. Свидетельство №2003610468 об официальной регистрации программы для ЭВМ. Программное обеспечение пункта управления унифицированным комплексом телемеханики в среде QNX (ПО ПУ УНК ТМ в среде QNX).