Моделирование фазовых пассивных систем синхронизации, использующих квадратурную обработку сигналов

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

-------------------? ?------------------------
Описано принцип роботи фазових пасивних радіотехнічних систем частотно-часової синхронізації рознесених еталонів. Отримано співвідношення для оцінок похибок і невизначеностей таких систем. Приведено результати моделювання похибок фазових пасивних систем синхронізації для випадку узгодженої фільтрації і кореляційної обробки сигналів у квадратурних каналах. Оцінено порогові відношенні сигнал/перешкода таких варіантів вимірювань
Ключові слова: корельовані завади, багато-променевість, похибки, узгоджений фільтр, квадратурна обробка
?----------------------------------?
Описан принцип работы фазовых пассивных радиотехнических систем частотно-временной синхронизации разнесенных эталонов. Получены соотношения для оценок погрешностей и неопределенностей таких систем. Приведены результаты моделирования погрешностей фазовых пассивных систем синхронизации для случая согласованной фильтрации и корреляционной обработки сигналов в квадратурных каналах. Оценены пороговые отношения сигнал/помеха таких вариантов измерений
Ключевые слова: коррелированные помехи, многолучевость, погрешности, согласованный фильтр, квадратурная обработка -------------------? ?------------------------
1. Введение
Непрерывный рост требований к точности частотно-временной синхронизации территориально разнесенных эталонов времени и частоты обусловлен высоким темпом совершенствования эталонов, относительная нестабильность которых в настоящее время достигла 10& quot-15… 10"-16, и расширением круга задач, решаемых с применением высокоточных частотно-временных методов [1].
Кроме традиционных областей применения этих методов (метрология, системы координатно-временного обеспечения, радиоастрономия, радиолокация), появляются и новые, например, — компьютерные и цифровые сети связи. В последнем случае для синхронизации разработаны стандартные протоколы (Network Time Protokol — NTP и Precision Time Protocol — PTP) [2].
Помимо прямого метода (перевозимые квантовые часы — ПКЧ), наибольшую точность обеспечивают радиотехнические методы синхронизации с использованием различных частотных диапазонов. C 70-х годов прошлого века и до 2000 г. наибольшую точность обеспечивал радиометеорный метод сличения (РМС) [3], а в настоящее время — метод, основанный на использовании спутниковых радионавигационных систем (СРНС) GPS и ГЛОНАСС [4, 5].
Используется также ретрансляция сигналов через геостационарные спутники (ГС) [6].
УДК 621. 396. 96
МОДЕЛИРОВАНИЕ ФАЗОВЫХ ПАССИВНЫХ СИСТЕМ СИНХРОНИЗАЦИИ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ КВАДРАТУРНУЮ ОБРАБОТКУ СИГНАЛОВ
В. Ю. Приймак
Аспирант* Е-mail: pryimak_viacheslav@i. ua А. Ф. Хуссе й н
Аспирант* *Кафедра основ радиотехники Харьковский национальный университет радиоэлектроники пр. Ленина, 14, г. Харьков, Украина, 61 166
В ХНУРЭ проводятся работы по совершенствованию пассивных систем синхронизации, основанных на, так называемом, алгоритме общего охвата (АОО, англ. термин — «common-view») с применением сигналов новых общих источников (геостационарные ИСЗ, ТВ и FM станций) [7 — 9].
Одним из перспективных направлений совершенствования существующих и разработки новых радиотехнических систем синхронизации является использование фазовых принципов их построения. К достоинствам фазовых методов синхронизации (ФМС) относятся: высокая потенциальная точность и простота устройств для измерений временного положения сигналов- возможности высокоточного формирования сигналов и гетеродинов от сигналов эталонов- симметрия измерительного сигнала, имеющего гармоническую форму.
Основным недостатком ФМС является их неоднозначность в пределах периода (Т0) частоты несущей.
Хотя разработка фазовой радиометеорной аппаратуры проводилась [3], а в СРНС используются когерентные сигналы и выполняются фазовые измерения [4, 5], анализ погрешностей и неопределенностей фазовых пассивных систем синхронизации времени отсутствует.
Учитывая это, в статье сделана попытка провести такой анализ как теоретически, так и путем моделирования для случая широко используемой квадратурной обработки сигналов.
2. Теоретический анализ погрешностей и неопределенностей фазовых пассивных систем синхронизации
Принципиальное отличие ФМС от методов с применением огибающих сигналов заключается в том, что для измерений используются не синхронные со шкалами времени огибающие радиоимпульсов, а их фазы.
Упрощенная временная диаграмма, иллюстрирующая сущность фазового АОО, построена на рис. 1, где применены обозначения:
— ю0 -известная несущая частота сигнала общего источника-
— ф=ю^ - текущие фазы сигналов-
— На (ф), Нь (ф) — фазовые шкалы времени пунктов a и Ь соответственно-
— ДТаЬ, Дф, ь =ю0ДТаЬ — сдвиги шкал во времени и по фазе-
— фа=ю0^, фь= ю0^ь, — фазовые сдвиги принимаемых сигналов относительно фазовых шкал времени пунктов a и Ь соответственно.
ХЪ) А, А Л, А Л, А Л, А А Л, А / Л
0 *¦
5о (ф) «ф1 — ®01 L
Н (ф) Дф"'- -ш, ДТ"'- -- ««(ФтФ?)
л л л л л л л i г Л Л Л Л — Wt: '- ! i: t! *'-
& gt-ф=®(/
Рис. 1. Фазовый алгоритм общего охвата
Основными источниками погрешностей ФМС являются: амплитудные и фазовые искажения сигналов- тракты аппаратуры, имеющие нестабильность фазовой задержки сигналов- конечное отношение сигнал/помеха- фазовая нестабильности сигналов эталонов и устройств привязки к этим сигналам- непостоянство измеряемой величины из-за взаимного хода шкал сверяемых эталонов- каналы обмена измерительной информацией между пунктами- алгоритмы обработки результатов измерений. Грубые погрешности (промахи) в ФМС возникают из-за ошибок в устранении неоднозначности фазовых измерений, аномальных измерений временного положения сигналов (случае измерений по ложным выбросам помехи), многолучевости РРВ и ошибок в канале связи (случай, когда измерения сопряжены с передачей данных).
Исходя из принятой в теории информационно-измерительных систем терминологии, к основным видам погрешностей относятся: помеховые, которые еще называют потенциальными (из-за их неизбежности) — канальные, зависящие от характеристик РРВ- аппаратурные.
Ограничиваясь основными источниками погрешностей, можно получить соотношения для оценок фазовых сдвигов шкал Дф' и величин канальной (§ ДЬф (РРВ)), помеховой «(с/п)) и аппаратурной (§ АВ (ап)) слагаемых суммарной погрешности:
АфАВ =К-Ф?)-(ф°РВ-фррв)-(??. -Аф^
8?(РРБ) = (ф» — фОРВ) —
-(фРРВ -фррв) — (^AB (с/п))= 51-
(§ 1ЬФ (0п)) = § 1ЬФ (0n) = (АфПрм -ЛфпЬрм) — (АфПрм -АфпЬрм),
где 8*1, 81, 8*2, 82 — случайные абсолютные значения помеховых погрешностей измерений фазовых сдвигов принимаемых сигналов относительно фазовых шкал времени пунктов, А и В-
ФррВ, ФррВ, ФррВ, ФррВ — истинные значения и оценки фазовых задержек общего сигнала при РРВ до пунктов a и b-
'- ---а, ---П ---а, --- П
прм 7 прм 7Фпрм 7 ^^фпрм 7Фпрд 7 ДФпрд- АФ"РД- АФпрд —
истинные и оценочные величины фазовых задержек в приемных и передающих трактах пунктов a и b соответственно-
Соотношения для расчета среднеквадратических отклонений (СКО) помеховых погрешностей измерения фазового сдвига шкал в пункте a (оДФ), а также коэффициента корреляции помеховых погрешностей в пунктах (R[§ 1Ьф (с/п)у5д* (c/п)]) приведены в табл. 1, где приняты обозначения:
— ma = (°ф/ °Ф)2 — коэффициент, учитывающий различие помеховых обстановок в пунктах a и b-
— оФ, — СКО помеховых погрешностей измерений фазовых сдвигов принимаемых сигналов в пунктах a и b соответственно.
Формулы для случайных погрешностей измерения фазового сдвига шкалы пункта b относительно шкалы пункта a (оД,) отличаются от приведенных в табл. 3 индексами. СКО оФ следует заменить на о?, а коэффициент ma — на mb =(0Ф/0Ф).
Таблица 1
Коэффициент корреляции помеховых погрешностей
_ab оДФ R [§ 1Ьф (с/п)у5^-(с/п)]
0Ф& gt-/1 + ma -1
Преимущество фазового АОО по сравнению с аналогичным алгоритмом при измерениях по огибающим сигналов состоит в меньшем объеме передаваемой информации о результатах измерений, поскольку диапазон значений фА, фв составляет -я…я или 0… 2п.
Основными достоинства ми фа зового АОО, как и АОО с использованием огибающих сигналов, являются отсутствие излучения в синхронизируемых пунктах (это обеспечивает скрытность, электромагнитную совместимость, экологическую и информационную безопасность) и возможность использования для измерения сдвига шкал взаимокорреляционную обработку (ВКО) сигналов.
Применение ВКО дает возможность использования общих сигналов so (ф) с не полностью известными параметрами. В случае фазового АОО необходимо, чтобы несущая частота сигнала so (ф) была известна и достаточно стабильна.
Принцип применения ВКО показан на рис. 2, где показаны:
ф, — w0t,
3
зо (ф-ф4а), зо (ф-ф4ь) — сведенные в одном из пунктов сигналы общего источника, принятые в синхронизируемых пункт ах-
SфвкФ (фт)= I So (ф-ФlЬ)so (ф-фf-Фт)dф — фазовая вза-
имокорреляционная функция (ФВКФ) сигналов So (ф-фl) и So (ф-фf).
Можно показать, что ВКФ зфВкФ представляет собой согласованно обработанный сигнал общего источника, смещенный на величину (ф1 -ф1). При этом огибающая и колебание несущей сигнала общего источника не обязательно должны быть когерентными (см. построенные на рис. 4 пунктиром заполнения несущей у принятых сигналов).
СФ. ¦^Дф
1 — РСФ Г1 (МЯаь)2 1
і 12
qaЬ =
qaqь
& gt-/(ч.)2+(qь)'
— эквивалентное отношение сиг-
нал/помеха для АОО-
Ра =-
(ч. Г
-, Рь =-
веро-
Соотношения для случая ВКО:
Дф
qaЬ
1 _ рвко Г1 (2Mqaь)21
12
где Рвко = -
(ч.ь)2
-г вероятность ошибочных ^аЬ) + 0,5М-1е0,5(ч-ь & gt- измерений сдвига шкал при ВКО сигналов.
Без учета аномальных измерений (случай, так называемых, нормальных измерений) СКО измерений сдвига шкал для фазового АОО описывается выражением
1
-_СФ _вко -1- /0 4
Одф =Одф =------, (3)
Чаь
а в случае Яа= Яь = Ч 2
оДф=оДко = -.
Дф Дф ч
Построенные в соответствии с выражениями (1) -(3) графики для случая ча = чь = ч приведены на рис. 3.
Рис. 2. Применение взаимокорреляционной обработки сигналов для фазового АОО
В случае согласованной фильтрации (СФ) соотношения для СКО измерения сдвига шкал фазового АОО с учетом аномальных измерений, рассмотренных в работе [10], имеют вид:
(1)
где qa, qь — отношения сигнал/помеха в пунктах, а и Ь соответственно-
Рис. 3. Зависимости СКО помеховых погрешностей фазового алгоритма общего охвата для СФ и ВКО сигналов
Помимо погрешностей, для оценки качества измерений в настоящее время используются неопределенности измерений [11, 12]. Появились работы, в которых рассматривается неопределенность и при сличениях эталонов времени и частоты [13, 14].
Поскольку СКО помеховых погрешности в ФМС
Дф
определяются при статистической
отке ре-
РШ = -Ы) — вероятность ошибочных
) К) _
измерений сдвига шкал в при СФ сигналов в пунктах-
(д-)2
(qa)2 + М-'е0'5(ч-) ОШ (дь)2 + М-1е°'5(чь)2
ятности ошибочных измерений временного положения сигналов в пунктах, а и ь соответственно- ю0 = 2Ц, -угловая частота несущей: М = Т0ю0 = Т2П0 = 2п — число элементов разрешения на интервале наблюдения-
Т0 — интервал наблюдения, равный периоду несущей частоты.
(2)
зультатов измерений сдвига шкал, эта оценка погрешности соответствует стандартной неопределенности
типа «А» [11, 13] и"л"/Дф = ОДф.
Канальную § Дьф (РРВ) и аппаратурную (ап) погрешности нельзя определить путем статистической обработки результатов измерений. Поэтому, согласно [11, 12], эти погрешности формируют неопределенность типа «В».
Для оценки стандартной фазовой канальной неопределенности и"в"/Дф (РРВ) применимы модели канала РРВ и независимые каналы калибровки, а для фазовой аппаратурной неопределенности и& lt-в/Дф (ап) -измерения («пилотирование») фазовых аппаратурных задержек или проведение измерений в режиме «нулевой базы» (аппаратурные комплексы пунктов совмещаются).
Структура и классификация источников погрешностей ФМС, а также принцип формирования соотношений для неопределенностей измерений приведены на рис. 4.
1
?
Нестабильность фазовых задержек в аппаратуре
Нестабильность и необратимость фазовых задержек в канале РРВ Помехи и шумы Фазовая нестабильность сигналов эталонов Канал обмена данными
I
Ї
I
Аппаратурные Канальные Помеховые Динамические
(РРВ) (потенциальные)
ФАЗОВЫЕ АЛГОРИТМЫ ИЗМЕРЕНИИ
Методы обработки результатов
Стандартная неопределенность типа «А»
X
Слагаемые стандартной неопределенности типа «В»
В"/4у (
««В"/А™ (РРВ), /л™ (ап ]
А
Грубые промахи
Суммарная стандартная неопределенность 1 г Расширенная неопределенность «р/л™ = ^'ис/л™
Мс/4у=/(М"Ь/4у) +[М& lt-В"/4у (РРВ)] +[М"В"/4у (аП)] >
Рис. 4. Структура погрешностей и неопределенностей измерений для ФМС
3. Принцип и структура модели
Модель разработана в пакете Matchcad-14 и состоит из блока формирования сигналов и помех (рис. 5), а также блоков обработки сигналов и статистической оценки результатов измерений — с применением СФ (рис. 6) и ВКО (рис. 7).
Блок формирования сигналов и помех (рис. 5) включает: генератор общего сигнала 8"(ф) (модулятор — М, формирователи несущей sн (t) и огибающей
. Ї1а (0'-
Дф
q
Статистическая обработки результатов измерений в пунктах, а и (или) в
Фі
Рис. 6. Структурная схема блока обработки сигналов (случай СФ)
Sог (t)) — генераторы помех па (ф), пв (ф) — фазовые линии задержки ф», фов — аттенюаторы — АТ.- сумматоры «+».
50 г (0
Па (ф)
Ат.
фР
м н 1 1 фрв
і Шо 1 1 1 1 -н і-і ¦
(О ИИИМ
+
Пв (ф)
+
1
(Ф)
Чв (Ф)
Ат.
Рис. 5. Структурная схема блока формирования сигналов и помех
Кроме структуры модели, на рис. 5−7 приведены основные временные диаграммы.
Блоки обработки (рис. 6, 7) состоят из квадратурных каналов (гетеродин sн (t), умножители «х», фазовращатель на п /2, СФ — рис. 6, фильтр нижних частот — рис. 5), сигналы с выхода которыхяп2а (^), Scos2а (t), Ssin2 В (t), ScoS2 В (t)) используются для измерения ф°, ф2 в пунктах (рис. 6), либо — Дф02=ф1°-ф2 по ВКФ К02 (фт) (рис. 7).
В блоке обработки с применением СФ (рис. 6) оценки фазовых задержек (ф°, ф42) производятся по мгновенным значениям фаз ф°(^, ф42^) для моментов, соответствующих максимумам соответствующих огибающих, в измерителе фаз (ИФ-1).
Для этого определяются огибающие $ог2а (^) и Soг2 В (t) и измеряются их временные положения (ИВП).
В блоке обработки, приведенном на рис. 7, ВКО применяется дважды — для огибающихог2а (^), Soг2 В (t)) и
«А"/Аф Л™
для восстановленных радиосигналов (ВРС). В первом случае находится ВКФ
КОпб (т) = J Sor2a (t)Sor2B (t -T)dt ,
а во втором — RpBH (cpT).
С помощью ВКФ RpBH (cpT) и R"6(t) в квадратурном измерителе фаз ИФ-2 оценивается фазовый сдвиг шкал Дф"=ф1а -фВ (рис. 7).
Модель позволяет определять среднее значение фазового сдвига шкал Дф =ю0 ДТ и СКО измерений оДф, а также строить гистограммы и проверить гипотезы о законах распределения.
стд.
«т Д|=0 |Д|=3л/4 |Д|=7л/3
2 / / / /
/ j /
1 /
5» * теория [7]


qncp. Tecp.
11 13 1
і9
qnh ЛЕЇ
(|Дф3л/4)
qnh ЛЕЇ
(|д|=7л®)
q
Sla (t)
SlB (t)
Рис. 7. Структурная схема блока обработки сигналов (случай ВКО)
4. Результаты моделирования и выводы
Результаты исследования приведены на рис. 8, 9.
Рис. 9. Результаты моделирования для случая ВКОФ
Значения пороговых отношений сигнал/помеха, полученные в результате моделирования для КОС (qnc, p. c<-b -рис. 6 и qnop. BKo — рис. 7) примерно на 3 дБ превышают теоретические значения.
При одинаковых значениях Дф, qnopCb больше qnop. BKo также на
3 дБ.
Модельные значения пороговых отношений сигнал/помеха
(ЯпорСФ, Япор/КО) практически совпадают с теоретическими. По мере приближения у0 к границам интервала наблюдения (-П & lt- Дф& lt- п) величины Япор/СФ и Япор/КО существенно возрастают (рис. 8 и рис. 9).
Практическиустра-нить влияние значений Дф на пороговые эффекты можно, если проводить параллельно обработку не только для интервала наблюдения -п& lt-Дф<-п, но и для интервала 0 & lt- Дф& lt- 2п.
Из результатов обработки для этих интервалах выбирается то, для которого СКО минимально (рис. 10).
24
18
12
6
0
N
ППп п
Vo,
N, 30 24 18 12 6
0




«п.. Пппп
2п
Vo,
Рис. 8. Результаты моделирования для случая СФ
Теоретические зависимости приведены на основании (1) — (3) — для числа элементов разрешения М=Т°ю° = 2п.
а) б)
Рис. 10. Гистограммы единичных измерений для ^0=± 1700 при выборе интервалов наблюдения -л& lt-у° & lt-п (а) и 0 & lt-у° & lt- 2п (б)
3
0

Литература
1. Финкельштейн, А. М. Фундаментальное координатно-временное обеспечение [Текст] / А. М. Финкельштейн, // Вестник Российской Академии наук. — 200У. — Т. УУ, № У. — С. 608−61У.
2. Миллс Дэвид, Л. Сличение времени в компьютерных сетях: Протокол сетевого времени на Земле и в космосе [Текст]
: Пер. с англ. / Миллс Дэвид, Л. — Под ред. А. В. Савчука. — К: WIRCOM, 2011 — 464 с.
3. Антипов, И. Е. Развитие теории и совершенствование радиометеорных систем связи и синхронизации» [Текст] / И. Е. Антипов, Ю. А. Коваль, В. В. Oбельченко // Харьков: Коллегиум, 2006. — 416 с.
4. Zhang, V. S. Multi-Channel GPS/GLONASS Common-View between NIST and USNO. [Текст] / Zhang, V. S. Parker, T. E. Weiss, M. A. Vannicola. F. M. // EEE International Frequency Control Symposium, pp. 598−606, June 2000.
5. Гужва, Ю. Г. Синхронизация часов по сигналам «ГЛOНАCC» [Текст] / Ю. Г. Гужва, А. Г. Геворкян, П. П. Богданов, В. В. Oвчинников // Радионавигация и время. 1994. № 1. C. 11.
6. Recomendation ITU-R TF. 1153−3, «The operational use of two-way satellite time and frequency transfer employing PN time codes». ITU, Radiocommunication Study Group, Geneva, Last update 2005.
У. Пат. 3816У Україна, МПК51 (2006), G04G У/00. Спосіб частотно-часової синхронізації просторово рознесених еталонів та стандартів часу і частоти /Нестеренко Г. В., Коваль Ю Л, Іванова O.O., заявник та власник Харківський нац. університет радіоелектр. — № u2008 9 468, подано 21. 0У. 2008- опубл. 25. 12. 2008, Бюл. № 24.
8. Коваль, Ю. А. Анализ возможностей метода общего охвата для высокоточной синхронизации стандартов времени и частоты в пределах прямой видимость [Текст] / Ю. А. Коваль, А. А. Костыря, В. В. Oбельченко, Е. Ю Бондарь, Е. А. Иванова, Е. П. Ермолаев, М. В. Милях // Радиоэлектроника. Информатика. Управление. Науковий журнал. 2009. Вып. 1(20) С. 21−30.
9. Коваль, Ю. А. Экспериментальные исследования возможностей частотно-временной синхронизации при использовании сигналов геостационарных ИСЗ системы SBAS [Текст] / Ю. А. Коваль, Е. А. Иванова, А. А. Костыря, Е. А. Иванова, Б. А. Ал-Твежри, А. Ф. Хусейн, Х. Х. Асаад / / Радиотехника: Всеукр. межвед. научн. -техн. сб. — 2011. -№. 165. — С. 46−55.
10. Ширман, Я. Д. Теоретические основы радиолокации [Текст] / Я. Д. Ширман, В. Н. Голиков, И. Н. Бусыгин и др- под ред. Я. Д. Ширмана // Учебное пособие для вузов. — М.: Советское радио, 19У0. — 3У4 с.
11. Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement: First edition. — ISO, Switzerland, 1993.
12. РМГ 91−2009. ГСИ. Совместное использование понятий «погрешность измерения» и «неопределенность измерения». Oбщие принципы. [Текст].
13. W. Lewandowski, D. Matsakis, G. Panfilo and P Tavella, The evaluation of uncertainties in [UTC — UTC (k)], Metrologia 43 (2006). pp 2У8−286.
14. Коваль, Ю. А. Oценивание неопределенности измерений при сличениях эталонов времени и частоты радиотехническими методами [Текст] / Ю. А. Коваль, А. А. Костыря, В. Ю. Приймак / / Системи обробки інформації. — Харків.: ХУПС, 2012. -Вип. 21 (99). С. 30−33.
З

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой