Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,737

АНАЛИЗ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩЕГО ФИЛЬТРА В СОСТАВЕ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА ПЕРСПЕКТИВНОЙ РАДИОНАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

Кузьмин Е.В. 1 Зограф Ф.Г. 1 Вепринцев В.И. 1 Былкова Г.К. 1 Бауточко А.В. 1
1 ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» (СФУ)
В статье приводятся результаты разработки аналитического описания пассивного фильтрующего звена (ППФ) радиочастотного тракта перспективной радионавигационной системы (РНС). Особенностью РНС является применение шумоподобных сигналов (ШПС) с минимальной частотной манипуляцией. Аналитическое описание ППФ получено в виде комплексного коэффициента передачи и позволяет проанализировать частотные и динамические характеристики фильтра. Адекватность полученного описания ППФ подтверждается результатами моделирования, проведенного в системе схемотехнического проектирования OrCAD. Приведены амплитудно-частотная (АЧХ), фазо-частотная (ФЧХ) характеристики и групповое время запаздывания (ГВЗ) ППФ. Нелинейность частотных характеристик радиочастотного тракта оказывает влияние на качество сигнала РНС. Представленные результаты будут использоваться для оценки влияния радиочастотного тракта на характеристики РНС и необходимости принятия решений по коррекции характеристик цифровыми методами, параметрической или структурной оптимизации.
влияние радиотракта
групповое время запаздывания
неравномерность амплитудно-частотной характеристики
1. Бондаренко В. Н., Кокорин В. И. Широкополосные радионавигационные системы с шумоподобными частотно-манипулированными сигналами. – Новосибирск: Наука, 2011. – 257 с.
2. Кузьмин Е. В. Методы равновесовой обработки шумоподобных сигналов с минимальной частотной манипуляцией // Электронное издание «Журнал радиоэлектроники» РАН. – № 9. – 2007. – URL: http://jre.cplire.ru/jre/sep07/2/text.html (дата обращения: 20.03.13).
3. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации / под ред. В. Б. Пестрякова. – М.: Сов. радио, 1973. – 424 с.
4. Kuzmin E.V. Accelerated Phase-lock-loop Frequency Control Methods of User’s Equipment in Perspective Radio Navigation Systems // Journal of Siberian Federal University. Engineering&Technologies. – 2008. – Vol. 1, № 3. – P. 276–286.
5. Kuzmin E. V. Comparative analysis of phase-lock control system algorithms for spread-spectrum signal receiver // Journal of Siberian federal university. Engineering&technologies. – 2011. – Vol. 4, № 1. – Р. 35–39.

Важной частью РНС является радиоканал, включающий в себя среду передачи и радиотехнические устройства от входа передатчика до выхода приемника. Обычно при исследовании свойств навигационных систем предполагается, что радиоканал обладает идеальными характеристиками и не вносит искажений в сигнал. Однако и среда, и аппаратура могут вносить существенные искажения в сигнал. Радиоканал оказывает влияние на амплитуду сигнала, его начальную фазу, смещение несущей частоты сигнала, неопределенность задержки и т.п. [3]. В данной работе анализируются характеристики ППФ в составе радиочастотного тракта РНС с ШПС.

Исследования и принципы работы рассматриваемой РНС приведены в [1], в работах [1, 2, 4, 5] предлагаются методы улучшения точностных характеристик РНС, включающие реализацию разработанных алгоритмов на ПЛИС. Частотный спектр рассматриваемой РНС лежит в пределах от 1,6 МГц до 2,2 МГц, центральная частота ШПС ≈ 2 МГц.

Методы оценки влияния радиочастотных трактов на прием ШПС, в общем виде, рассматриваются, например, в [3]. Применительно к рассматриваемой РНС, необходимо, в первую очередь, разработать аналитические описания звеньев радиочастотного тракта, позволяющие оценить и учесть влияние нелинейностей частотных характеристик на параметры РНС.

ППФ в составе РНС предназначен для подавления внеполосных излучений.

На рис. 1 приведен вариант исполнения принципиальной схемы ППФ четырнадцатого порядка.

Рис. 1. Принципиальная схема фильтра, выполненная в OrCAD

На основе принципиальной схемы (рис. 1) методом узловых потенциалов было получено аналитическое выражение для комплексного коэффициента передачи ППФ:

 (1)

В формуле (1) использованы следующие обозначения и подстановки: – угловая частота, , , , , , ,

 (2)

 (3)

 (4)

 (5)

 (6)

 (7)

 (8)

 (9)

 (10)

 (11)

 (12)

 (13)

 (14)

 (15)

Для сокращения объема записей в обозначениях функций (5–11, 13, 15) опущена переменная . На основе (1) в системе математического моделирования MatLAB были рассчитаны АЧХ, ФЧХ и ГВЗ. Для проверки полученного аналитического описания ППФ было проведено схемотехническое моделирование в программе PSpice A/D пакета CadenceOrCAD. Результаты расчетов полностью совпали с численным моделированием в OrCAD. На рис. 2–5 приведены графики частотных характеристик.

Рис. 2. Амплитудночастотная характеристика фильтра

Рис. 3. Фазочастотная характеристика фильтра

Рис. 4. Фазочастотная характеристика фильтра и линейная аппроксимация ФЧХ (y(x))

Рис. 5. Зависимость групового времени запаздывания фильтра от частоты

Из графиков (рис. 2–5) следует, что фильтрующее звено радиочастотного тракта РНС имеет существенно неравномерные частотные характеристики. В пределах рассматриваемой полосы частот неравномерность АЧХ составила ≈4,6 дБ, максимальная неравномерность ФЧХ – более 29°, а ГВЗ – свыше 2,59 мкс. Неравномерность ФЧХ определялась по величине отклонения характеристики в пределах частотного спектра от линейной зависимости, полученной путем линейной аппроксимации рассчитанной ФЧХ. Неравномерность ГВЗ приведена как разница между максимумом характеристики и значением на центральной частоте ШПС.

Амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики радиотехнических устройств изменяют спектры ШПС, т. е. влияют на закон их формирования, независимо от того, действует один сигнал или совместно с помехами [3].

Предварительный анализ частотных характеристик ППФ подтверждает актуальность и необходимость проводимых в этом направлении исследований.

Выводы

Получена аналитическая модель полосно-пропускающего фильтра в составе радиочастотного тракта РНС с ШПС.

Аналитическая модель представлена в форме комплексного коэффициента передачи.

Представленные результаты моделирования свидетельствуют о правильности разработанной модели.

Полученная аналитическая модель позволит в дальнейшем оценить влияние радиочастотного тракта на точностные параметры РНС и при необходимости осуществить коррекцию частотных характеристик цифровыми методами, или же принять решение о параметрической или структурной оптимизации радиочастотного тракта.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта, выделенного на выполнение поисковых научно-исследовательских работ в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы (Государственный контракт от 31.10.2011 г. № 16.740.11.0764).

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) № 12-08-31097мол_а на 2012–2013 годы.

Рецензенты:

Алдонин Геннадий Михайлович, доктор технических наук, профессор кафедры «Приборостроение и наноэлектроника» ИИФиРЭ ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», г. Красноярск.

Толстиков Александр Сергеевич, доктор технических наук, начальник отдела времени и частоты ФГУП «Сибирский ордена трудового красного знамени научно-исследовательский институт метрологии», г. Новосибирск.


Библиографическая ссылка

Кузьмин Е.В., Зограф Ф.Г., Вепринцев В.И., Былкова Г.К., Бауточко А.В. АНАЛИЗ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩЕГО ФИЛЬТРА В СОСТАВЕ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА ПЕРСПЕКТИВНОЙ РАДИОНАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 2.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=8730 (дата обращения: 23.07.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252