Исследование динамики дискретных систем фазовой синхронизации второго порядка с нелинейным фильтром
Скачать 319.77 Kb.
|
Палей Дмитрий Эзрович ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ДИСКРЕТНЫХ СИСТЕМ ФАЗОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ ВТОРОГО ПОРЯДКА С НЕЛИНЕЙНЫМ ФИЛЬТРОМ Специальность - 05.12.01 - "Теоретические основы радиотехники" Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва - 1998 г. Работа выполнена в Ярославском государственном университете им. Демидова П.Г. на кафедре динамики электронных систем Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент Казаков Л.Н. Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Пестряков А.В. - кандидат технических наук, профессор Капранов М.В. Ведущее предприятие - конструкторское бюро “Луч”, г. Рыбинск. Защита диссертации состоится "_____"__________________199 г. в _____ч.______мин. в аудитории _________ на заседании диссертационного совета К-053.16.13 по присуждению ученой степени кандидата технических наук Московского энергетического института (технического университета). Отзывы, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Е-250, ул. Красноказарменная, д.14, Ученый Совет МЭИ. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ. Автореферат разослан "_____"____________________ 199 г. Ученый секретарь диссертационного Совета К-053.16.13 кандидат технических наук, доцент Т.И.Курочкина ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Системы фазовой синхронизации (СФС) нашли в настоящее время широкое применение во многих областях радиотехники, таких как радиопередающие и радиоприемные системы, радиолокация и радионавигация, радиоизмерительная техника и т. д. В качестве примера можно привести современные цифровые радиоприемные системы, в которых с помощью СФС решается целый ряд задач. Среди них синхронизация несущих колебаний, синхронизация и демодуляция поднесущих и модулирующих колебаний, синхронизация и демодуляция двоичных символов цифровой информации, синхронизация и свертка псевдослучайной последовательности в системах связи с использованием широкополосных сигналов. Дискретные системы фазовой синхронизации (ДСФС) в большинстве случаев составляют основу вышеперечисленных устройств. Выбором структуры колец и типов входящих в них узлов, в первую очередь, фильтров цепи управления можно создавать варианты систем, обладающие требуемыми характеристиками по точности работы, быстродействию, помехоустойчивости для различных типов входных сигналов и законов модуляции. За счет усложнения алгоритмов обработки и реализующих их устройств появляется возможность создавать гибкие алгоритмы обработки информации, оптимизации различных параметров и характеристик. Отдельно следует сказать о системах частотного синтеза, которые строятся на основе дискретных колец фазовой синхронизации. За счет усложнения цепей управления, и соответственно алгоритмов управления можно значительно повысить эффективность этих систем, расширить их функциональные возможности. Например, наряду с традиционным применением использование колец, обладающих высокими астатическими свойствами, позволяет совместить в синтезаторе функцию синтеза высокостабильной по частоте несущей с ее угловой модуляцией. Использование различных режимов управления фильтрами, как правило нелинейными, позволяет достичь высоких характеристик синтезируемых сигналов. Приведенные примеры говорят о том, что в настоящее время существует устойчивая тенденция расширения области применения систем фазовой синхронизации. Развитие дискретных и цифровых технологий только усиливает ее. Вместе с тем увеличение области применения, связанное в том числе и с расширением функциональных возможностей СФС, предполагает усложнение алгоритмов управления, а это напрямую связано с использованием сугубо нелинейных режимов функционирования. Можно утверждать, что задача повышения эффективности существующих и вновь созданных типов устройств на основе дискретных СФС достаточно актуальна. Решение этой проблемы неразрывно связано с анализом нелинейных режимов систем, при котором учитываются не только нелинейные свойства фазового детектора, но и других узлов - в первую очередь фильтра нижних частот цепи управления. При этом удачный выбор нелинейного фильтра, режима его работы позволяет не только оптимизировать динамические свойства системы, такие как область устойчивости в большом или в целом, характер движений, переходные процессы, но и придавать системе совершенно новые качества и характеристики, получение которых невозможно в системе с линейным фильтром. Таким образом речь идет об исследовании моделей дискретных СФС, имеющих несколько нелинейностей. При этом одна из них периодическая, обусловленная фазовым детектором (синусоидальная, пилообразная, треугольная и т.д.), вторая, обусловленная нелинейными свойствами фильтра, может быть периодической, либо непериодической - ограничивающей. Периодическая (чаще пилообразная) нелинейность характерна для цифровых интегрирующих фильтров со сбросом по переполнению. Нелинейность ограничивающего типа характерна для аналоговых фильтров (например при реализации их на операционном усилителе) и цифровых с переполнением без сброса. Необходимо отметить, что модель дискретной СФС с двумя и более нелинейностями представляет собой достаточно сложный объект исследования, практически неизученный до недавнего времени. Системы с перечисленными особенностями практически не рассмотрены в научно-технической литературе. Основные причины кроются в отсутствии достаточно развитой теории нелинейных дискретных систем. Основы теории систем фазовой синхронизации заложены в монографиях В. В. Шахгильдяна, А. А. Ляховкина, Г. И. Тузова, в работах Б. И. Шахтарина, В. Н. Белыха, А. В. Пестрякова, М. В. Капранова, Г. А. Леонова. Теоретическим исследованиям систем с торроидальным фазовым пространством посвящены труды В. П. Пономаренко, Т.С. Федосовой. Непосредственно исследованиям дискретных систем фазовой синхронизации с несколькими нелинейностями посвящены работы Паушкиной Т.К., Федосовой Т.С. Однако в них использованы непрерывные модели, что ограничивает область применения полученных результатов. В работах Казакова Л.Н., Широкова Ю.В. рассмотрен ряд задач по исследованию систем на основе дискретных связанных колец фазовой синхронизации, которые описываются дискретными моделями с двумя нелинейностями. В целом эти модели можно рассматривать как частный случай системы с периодическими нелинейностями. Целью диссертационной работы является исследование динамики дискретных систем фазовой синхронизации второго порядка с нелинейными фильтрами в цепи управления, включая изучение общих свойств систем с фильтрами различного типа, вопросы анализа периодических и квазипериодических движений, устойчивости в большом и целом состояния синхронизма. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи: - разработка обобщенной модели импульсных и цифровых систем фазовой синхронизации с различными типами фазовых детекторов и нелинейных фильтров в цепи управления; - разработка методики исследования и анализ периодических и квазипериодических движений в ДСФС с пилообразной характеристикой детектора с пилообразным и ограничивающим фильтром в цепи управления, включая вопросы устойчивости в большом и целом состояния синхронизма; - разработка методики исследования и анализ периодических и квазипериодических движений в ДСФС с синусоидальной характеристикой детектора с пилообразным и ограничивающим фильтром в цепи управления, включая вопросы устойчивости в большом и целом состояния синхронизма; - исследование динамических свойств ДСФС с пилообразным и ограничивающим фильтром в цепи управления при наличии шумового входного воздействия для случая синусоидальной характеристики детектора, включая вопросы статистических характеристик периодических движений, состояния синхронизма, области устойчивости в целом; - компьютерное моделирование импульсных и цифровых систем фазовой синхронизации, исследование их динамических характеристик с учетом реального поведения отдельных узлов; - проведение экспериментальных исследований импульсной системы фазовой синхронизации с нелинейным интегратором в цепи управления и цифрового синхронно-фазового демодулятора с квадратурным преобразователем на входе, проверка основных результатов теоретических исследований. Научная новизна заключается в следующем: - получена обобщенная модель ДСФС второго порядка с нелинейным фильтром, определены ее параметры, позволяющие легко интерпретировать результаты исследований для конкретных физических объектов; - предложена методика нелинейного анализа дискретных систем фазовой синхронизации второго порядка с нелинейным фильтром для различных типов характеристики фазового детектора и фильтра, основанная на качественно-аналитическом анализе структуры фазового пространства; - на основе разработанной методики и алгоритмов получены результаты нелинейного анализа дискретной СФС второго порядка с ограничивающим фильтром для пилообразной и синусоидальной характеристик детектора, включая области существования в пространстве параметров различных периодических движений, точные значения областей устойчивости в целом состояния синхронизма, графики полосы захвата; - на основе разработанной методики и алгоритмов получены результаты нелинейного анализа дискретной СФС второго порядка с пилообразным фильтром для пилообразной и синусоидальной характеристик фазового детектора, включая основные бифуркации периодических движений, области существования в зависимости от нелинейных свойств фильтра, области глобальной устойчивости, полосу захвата; - получены результаты исследований статистических свойств ДСФС с синусоидальной характеристикой фазового детектора для ограничивающей и пилообразной характеристики фильтра, включая статистические области глобальной устойчивости для различных значений дисперсии входного шума; - разработаны компьютерные модели импульсной и цифровой систем синхронизации, учитывающие свойства реальных узлов и позволяющие проводить исследования для произвольных значений параметров устройств. Практическая значимость диссертационной работы заключается в следующем: - установлены закономерности поведения дискретных систем фазовой синхронизации с различными типами нелинейности фильтра, учет которых позволяет улучшить ряд важных показателей устройств, созданных на основе подобных систем; - получены результаты теоретических исследований математической и компьютерной моделей для различных типов нелинейности фильтра и детектора в виде формул и графиков для инженерного расчета параметров радиотехнических устройств на основе ДСФС с нелинейным фильтром; - в ходе выполнения работы создан комплекс программных пакетов для персонального компьютера, позволяющий исследовать и производить расчеты необходимых характеристик импульсных и цифровых систем синхронизации с нелинейным фильтром; - в ходе выполнения работы создан программно-аппаратный комплекс, позволяющий исследовать процессы в цифровых системах и производить расчеты необходимых характеристик цифровых систем синхронизации с нелинейным фильтром; Основные положения, выносимые на защиту: 1. Обобщенная модель импульсных и цифровых СФС второго порядка с произвольной характеристикой фазового детектора и нелинейным фильтром в цепи управления. 2. Методика анализа ДСФС второго порядка с линейным фильтром для пилообразной и синусоидальной характеристик детектора. Результаты анализа обобщенной модели для данного случая, включая анализ областей существования возможных периодических движений, устойчивости в целом состояния синхронизма, графики полосы захвата. 3. Методика анализа дискретных СФС второго порядка с ограничивающим фильтром в цепи управления для пилообразной и синусоидальной характеристикой детектора. Результаты исследования обобщенной модели с данными типами нелинейностей: типы существующих в системе движений, их бифуркации и области существования в пространстве параметров, области устойчивости в целом, полоса захвата в зависимости от усиления. 4. Методика анализа дискретных СФС второго порядка с пилообразным фильтром для пилообразной и синусоидальной характеристикой детектора. Результаты, полученные при анализе обобщенной модели с данным фильтром: типы и качественные характеристики существующих в системе движений, области устойчивости в большом и целом, полоса захвата в зависимости от параметров системы. 5. Результаты исследования ДСФС с синусоидальной характеристикой детектора и нелинейным фильтром при наличии шума на входе системы, включая сравнительный анализ статистических областей глобальной устойчивости для ДСФС с различными типами нелинейности фильтра. 6. Результаты компьютерного моделирования импульсных и цифровых СФС второго порядка с различными типами нелинейных фильтров, включая полосу захвата для импульсных и цифровых систем. 7. Результаты экспериментальных исследований лабораторных модулей импульсных и цифровых СФС второго порядка с различными типами нелинейных фильтров, включая полосу захвата. Сравнительный анализ результатов, полученных при качественно-аналитическом, компьютерном и экспериментальном исследованиях. Методы исследования. Для решения перечисленных задач в диссертационной работе используются общие и прикладные методы качественной теории динамических систем и теории бифуркаций, методы анализа нелинейных разностных уравнений, теория точечных отображений, моделирование на ЭВМ. Апробация результатов работы. Работа выполнялась в отраслевой научно-исследовательской лаборатории "Дискрет" в рамках ряда научно-исследовательских программ, проводимых кафедрой радиофизики Ярославского государственного университета в течение 1991-1997 г.г. по госбюджетным темам "Университеты России", "Исследование динамики дискретных и цифровых систем передачи информации". Основные результаты работы докладывались на Научно-технической конференции "Повышение качества и эффективности устройств синхронизации в системах связи" (Ярославль,1993), Международной научно-технической конференции "Цифровая обработка сигналов" (Ярославль, 1994), The Second International Scientific School-Seminar (Nizny Novgorod, 1994), Международной научной конференции "100 - летие начала использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождения радиотехники" посвященная дню радио (Москва, 1995), Научно-техническом семинаре секции "Фазовой синхронизации" РНТО РЭС "Нелинейные свойства систем синхронизации" (С-Петербург, 1995), конференции "Актуальные проблемы естественных и гуманитарных наук" (Ярославль, 1995), на IV конференции "Нелинейные колебания механических систем" (Н. Новгород, сентябрь 1996), конференции "Направления развития систем и средств радиосвязи" (Воронеж, 1997), LII Научной сессии, посвященной дню радио РНТО РЭС (Москва, 1997), 5-th Internetional Specialist Workshop. Nonlinear Dynamics of Electronic Systems (Moskva, 1997). По результатам исследований опубликовано 15 научных работ, в том числе: 3 статьи в центральной печати, 1 доклад в материалах международной конференции по нелинейной динамике, 2 доклада в материалах Всероссийских конференций по системам связи, 5 тезисов докладов в материалах международных конференций и семинаров, 4 тезисов докладов в материалах Всероссийских и региональных конференций и семинаров. Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из четырех глав, введения, заключения и списка литературы. Работа содержит 125 страниц текста, 42 страницы рисунков и 8 страниц списка литературы. Список литературы включает 93 наименования. |
Похожие:
 | Задания для самостоятельной работы студентов по дисциплине "Математика" Кривые второго порядка. Понятия о поверхностях второго порядка: эллипсоид, гиперболоид | | Курсовой работы Знакоопределённые полиномы в качественном исследовании полиномиальных систем дифференциальных уравнений второго порядка |
| «Исследование дискретных линейных систем управления» ... | | Rc-звено второго порядка с активной компенсацией Тоу-Томсона и звена Акерберга-Мосберга по чувствительности величины добротности к коэффициентам усиления операционных усилителей.... |
| Исследование процессов в системах частотной и фазовой автоподстройки при наличии внутренних шумов Темі matlab досліджені процеси в системах частотного І фазового автопідстроювання (у системах фап) за наявності внутрішніх шумів... | | Исследование методов повышения качества работы информационно-поисковых систем Моделирование динамики процесса оценивания ответов для тестовых заданий на установление соответствия при дистанционном тестировании... |
| Исследование систем управления для специальности: 061100 «Менеджмент организаций» Учебная дисциплина «Исследование систем управления» освещает теоретические и практические аспекты процессов исследования систем управления.... | | Рабочая программа учебной дисциплины «специальные вопросы динамики и регулирования автоматизированных гидро-и пневмосистем» ... |
 | Акопян А. В. Геометрические свойства кривых второго порядка: Для учащ ст кл./ А. В. Акопян, А. А. Заславский Геометрические свойства кривых второго порядка: Для учащ ст кл./ А. В. Акопян, А. А. Заславский. М.: Мцhмо, 2007. 136 с Библиогр.:... | | Проектирование сф-блоков фапч для систем синхронизации интегральных устройств обработки информации |