Диссертация (Повышение энергетической эффективности сверхширокополосных сигналов)

На правах рукописиСУДАКОВ АЛЕКСАНДР АНАТОЛЬЕВИЧПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИСВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВСпециальность: 05.02.23 Стандартизация и управление качеством продукцииДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 20171ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 41 Метод оценки энергетической эффективности сверхширокополосногосигнала ......................................................................................................................

91.1 Постановка задачи ....................................................................................... 161.2 Метод оценки эффективности сверхширокополосных сигналовсуществовавший ранее ...................................................................................... 171.3 Предлагаемый метод оценки эффективности сверхширокополосныхсигналов .............................................................................................................. 192 Определение СШП сигналов, обладающих наилучшей энергетическойэффективностью .................................................................................................... 222.1 Связь энергии сигнала ошибки и передаточной функциичетырёхполюсника...........................................................................................

2332.2 Минимизация энергии ошибки вне полосы частот сигнала ................... 242.3 Минимизация энергии ошибки в полосе частот сигнала ........................ 242.4 Ортогональные сигналы с прямоугольной огибающей модуляспектральной плотности ...................................................................................

272.5 Практическая реализация прямоугольной АЧХ канала связи испектральной плотности сигнала ..................................................................... 292.6 Соотношение сигнал/шум в канале передачи для сигналов с наилучшейэнергетической эффективностью ..................................................................... 312.7 Скорость передачи информации для радиосистем, использующихсигналы с наилучшей энергетической эффективностью............................... 363 Доказательство существования минимума энергетических потерь сигналапри согласовании его спектральной плотности с частотной характеристикойканала...................................................................................................................... 413.1 Гауссовская спектральная плотность ........................................................

423.2 Спектральная плотность типа sinc(x) ........................................................ 4723.3 Спектральная плотность типа sinc2(x) ....................................................... 503.4 Спектральная плотность с косинусоидальной огибающей ..................... 533.5 Спектральная плотность с огибающей типа “приподнятый косинус” .. 563.6 Спектральная плотность с треугольной огибающей ............................... 593.7 Сравнительные характеристики рассмотренных сигналов .....................

614 Новый вид сигналов для использования в СШП импульсных РСПИ……...645 Эксперимент ....................................................................................................... 735.1 Формирование сигналов, огибающая которых во временной областиизменяется по закону модуля sin(x)/х ..............................................................

735.2 Эксперимент с системой СШП радиосвязи для передачи несжатыхвидеоданных ....................................................................................................... 84ВЫВОДЫ ............................................................................................................. 105СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ......................................... 1103ВВЕДЕНИЕАктуальность. Задачи улучшения функциональных свойств приемопередающих трактов радиотехнических систем тесно связаны с оценкой качества формируемых сигналов и его энергетических характеристик.Большинство традиционных радиотехнических систем работает в узкойполосе частот, а в качестве несущего колебания использует гармонические(синусоидальные) сигналы.

Причина проста: резонансные свойства узкополосных систем позволяют легко отделять один информационный канал отдругого. Поэтому частотная селекция является в радиотехнике основнымспособом разделения каналов, каждый из которых имеет узкую полосу частот, намного меньшую их несущей частоты. Вся теория и практика современной радиотехники построена на этой основе.Теория информации показывает, что количество информации, передаваемой по каналу в единицу времени, прямо пропорционально его полосе частот. Поэтому узкая полоса частот ограничивает пропускную способностьрадиотехнических систем. Для повышения информационных возможностейсистемы необходимо эту полосу расширять. Расширение полосы частот радиосистемы до нескольких гигагерц, позволяет, по сравнению с традиционными узкополосными системами, увеличить на несколько порядков количество передаваемой информации.

Радиосистемы, имеющие такую полосу частот, носят название сверхширокополосные (СШП) радиосистемы. За счётрасширения полосы рабочих частот также достигается высокая энергетическая скрытность системы [1-4], что выражается в отсутствии помех традиционным системам, работающим в той же полосе частот.Исследованию эффективности сигналов посвящены многочисленныепубликации [50-57]. Среди отечественных авторов можно отметить работыИ.Я.

Иммореева и Л.И. Телятникова определяющие энергетическую эффективность СШП радиосигналов [50], а также работы А.Г. Зюко [51], определяющие эффективность методов модуляции сигнала. Современные зарубеж-4ные публикации [52-57] исследуют энергетическую эффективность (другойраспространённый термин – спектральную эффективность) импульсныхСШП сигналов, проходящих через канал передачи с заданной частотной характеристикой в пределах полосы частот, выделенной для работы радиосистемы.Таким образом, создание радиотехнических систем передачи сверхширокополосных сигналов с высокой энергетической эффективностью, являетсяактуальной задачей.Цель работы – создание научно-обоснованных методов и техническихрешений, обеспечивающих формирование энергетически эффективныхсверхширокополосных радиосигналов и возможность создания системы связи на их основе.Задачи исследования.1.

Анализ причин, вызывающих потери сигнала в СШП канале передачи, и разработка метода оценки энергетической эффективности СШП сигналов.2. Поиск новых, ранее не используемых в практике сигналов, обладающих наилучшей энергетической эффективностью.3. Оценка энергетической эффективности известных и применяемых напрактике СШП сигналов и оптимизация их параметров для достижениянаименьших потерь энергии в канале СШП передачи.4. Анализ современной элементной базы и разработка новых технических решений для реализации системы связи, использующей СШП сигнал,обладающий наилучшей энергетической эффективностью.Методы исследования, обоснованность и достоверность.При выполнении работы использовались методы математического анализа, статистической радиотехники, теории вероятности и случайных процессов, теории оптимального приёма, а также моделирования и расчётов наЭВМ.Обоснованность применяемых методов подтверждается их широким5использованием в радиотехнике.Достоверность результатов и выводов работы обусловлена использованием фундаментальных теоретических положений.Соответствие паспорту специальности.Согласно паспорту специальности 05.02.23 «Стандартизация и управление качеством продукции», задачи, рассмотренные в диссертации, соответствуют областям исследований:1.

Методы анализа, синтеза и оптимизации, математические и информационные модели состояния и динамики качества объектов.2. Квалиметрические методы оценки качества объектов, стандартизации и процессов управления качеством.Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что:1. Впервые предложен метод оценки энергетической эффективностиСШП излучения, заключающийся в одновременном учёте потерь энергиисигнала внутри и вне рабочей полосы частот.2. Для непрерывного канала с ограниченной полосой частот определен,не используемый ранее в практике, согласованный сигнал, энергетическаяэффективность которого, согласно предложенному методу, максимальна.3.Доказано, что параметры сигналов с симметричной спектральнойплотностью, которая имеет один максимум и интегрируема на интервале своей протяжённости, могут быть выбраны так, чтобы обеспечить его наилучшую энергетическую эффективность, согласно предложенному методу, в непрерывном канале с ограниченной полосой частот.Основные положения, выносимые на защиту1.

Метод оценки энергетической эффективности сигнала, заключающийся в суммировании потерь энергии сигнала, вызванных неполным использованием полосы частот, выделенной для работы радиосистемы, и потерь энергии сигнала, действующей вне полосы частот, позволяет учесть всеэнергетические потери сигнала при его прохождении через непрерывный ка-6нал с ограниченной полосой частот, а также равномерным в полосе и постоянным во времени модулем передаточной функции.2. Сверхширокополосный сигнал, обладающий наилучшей энергетической эффективностью.Практическая значимость. Полученные в работе результаты, могутбыть использованы при разработке СШП систем радиосвязи, параметры которой, приблизятся к пределу Шеннона.Предложенная методика может использоваться не только для оценкиэнергетической эффективности СШП сигналов, но также и для оценки узкополосных сигналов.Осуществлено внедрение полученных в диссертационной работе научных результатов в виде прототипов СШП систем радиосвязи, в которых используются предложенные технические решения для обеспечения задачи радиосвязи в целом, от передачи, приёма и синхронизации, до обработки принимаемой информации.