Использование устройств телекоммуникации в качестве цифровых измерителей помех

УДК 621.391

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УСТРОЙСТВ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ В КАЧЕСТВЕ ЦИФРОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ПОМЕХ Л.Н. Коротков, А.Б. Токарев

Рассматривается проблема измерения радиопомех при практическом использовании систем и устройств телекоммуникации. Выявлены факторы, снижающие точность оценивания интенсивности помех. Даны рекомендации по построению подсистемы оценивания помех в составе устройств телекоммуникации

Ключевые слова: телекоммуникационные устройства, измерение радиопомех, пиковый детектор

Эффективность функционирования телекоммуникационных устройств существенно зависит от интенсивности помех, действующих в полосе частот, используемой для передачи информации. Повышенная интенсивность помех приводит к заметному снижению скорости передачи информации или даже к полной потере работоспособности системы телекоммуникации. Соответственно, для диагностирования возможных проблем, возникающих при практическом использовании устройств телекоммуникации целесообразно иметь в составе подобных устройств подсистемы, предназначенные для оценки интенсивности помех в используемой полосе частот.

Для аналоговых устройств функциональные расширения возможны лишь за счет внесения схемотехнических изменений в конструкцию устройства. Цифровые устройства телекоммуникации позволяют внедрять новые возможности за счет корректировки программного обеспечения. Однако для обеспечения метрологической точности измерений при проектировании подсистемы оценки интенсивности помех необходимо учитывать требования нормативных документов, предъявляемые к измерителям радиопомех [1, 1].

При наличии в используемой полосе частот импульсных или импульсно-модулированных помех документы [1, 1] рекомендуют для оценки их интенсивности применять измерители помех с пиковым детектором. Особенность подобного детектора состоит в том, что его постоянная времени разряда должна на несколько порядков превышать постоянную времени заряда. Столь существенные отличия постоянных времени и порождают определенные проблемы при цифровой реализации подсистемы измерения помех, анализируемой в настоящей работе.

Коротков Леонид Николаевич - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, тел. (473) 246-66-47

Токарев Антон Борисович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: TokarevAB@ircoc.vrn.ru

Цифровая обработка в системах телекоммуникации часто подразумевает применение понижающих цифровых преобразователей частоты, осуществляющих перенос принимаемого колебания в область нулевых частот и его комплексную фильтрацию. При использовании понижающих преобразователей на вход собственно цифрового детектора воздействует последовательность отсчетов комплексной огибающей принимаемого колебания. При увеличении огибающей на входе детектора он должен заряжаться с постоянной времени Тс, если же мгновенное значение огибающей сигнала меньше уже накопленного значения, то детектор должен разряжаться с постоянной времени Т0 >> Тс . Процессы заряда и разряда детектора допустимо реализовывать цифровыми фильтрами, спроектированными как эквивалент аналоговых ЯС-цепей, но свойства детектора могут меняться в зависимости от их способа построения. Проанализируем варианты реализации заряжающих и разряжающих цепей фильтров подробнее.

ЯС-цепь является четырехполюсником, операторный коэффициент передачи которого имеет вид

K (р) =

1

pt +1

Известно много методов перехода от непрерывных динамических систем к их дискретным аналогам. С использованием 2-преобразования можно получить системную функцию И(е), аппроксимирующую исходную передаточную функцию (1). Разностное уравнение получаемого подобным способом фильтра имеет вид

= т

2 t+ T

2 t+ T

где х[к] - массив отчётов воздействующей на вход детектора огибающей, у[к] - массив отчётов сигнала на выходе детектора, Т - период дискретизации, т - время заряда или разряда

Рис. 2. Структурная схема первого варианта реализации детектора

Рис. 1. Структурная схема второго варианта реализации детектора

(выбирается в соответствии со значением к-го наблюдаемого отсчёта сигнала). Соответствующий (2) первый вариант реализации детектора представлен на рис. 1, а правила переключения коэффициентов определяются соотношениями

а =

\Т/(2-Тс + Т), [Т/(2-Тс + Т),

х[пТ] > у[(п - 1)Т], х[пТ] < у[(п - 1)Т]/

х[пТ ] > у[(п - 1)Т ],

х[пТ ] < у[(п - 1)Т ].

Применяя метод эквивалентной импульсной характеристики, можно предложить альтернативный вариант построения цифрового аналога ЯС-цепи. Дискретная импульсная характеристика фильтра с постоянной времени т и единичным коэффициентом передачи на нулевой частоте может быть задана соотношением

Я (I) =

1 I Т

1 - ехр \ --------

-ехр

1-Т

, I > 0.

Подобной импульсной характеристикой обладает цифровой фильтр, характеризуемый разностным уравнением

уИ =

і і т

1 - ехр \---------

х[к] + ехр\ -— |-у[£-1].

Соответствующий (6) второй вариант реализации детектора показан на рис. 2, а правила переключения коэффициентов для данного случая задаются выражениями

[1 - ехр(-Т / Тс), х[пТ] > у[(п - 1)Т],

[1 - ехр(-Т /Тв), х[пТ] < у[(п - 1)Т].,

а =<

*1 =

[ехр(-Т / Тс), [ехр(-Т / Тв),

х[пТ] > у[(п - 1)Т], х[пТ] < у[(п - 1)Т].:

Отметим, что если временно заблокировать переключение коэффициентов и подать на вход обоих детекторов гармоническое колебание с постоянной амплитудой, то, как видно, например, из таблице, реакция фильтров (в которые превращаются детекторы при фиксированных коэффициентах) будет однотипной. При использовании же этих двух устройств для пикового детектирования, детектор, представленный на рис. 2, стабильно фиксирует значения максимумов огибающей обрабатываемых сигналов, а работоспособность детектора, реализованного по первой структурной схеме, зависит от соотношения периода дискретизации Т и постоянной времени заряда детектора Тс .

т

Изменение коэффициента передачи фильтров для сигнала частоты 25 кГц

Постоянные времени фильтров, мкс 20 10 5 3 2

Коэффициент передачи для первого варианта 0,294 0,510 0,775 0,885 0,904

Коэффициент передачи для второго варианта 0,295 0,524 0,781 0,901 0,963

При первом варианте реализации детектора в соответствии с (2) коэффициент Ь1 при малом периоде дискретизации, соответствующем требованию

Т < 2 —

оказывается положительным, а при нарушении условия (9) становится отрицательным. Проанализируем влияние данного изменения на поведение детектора. Для этого представим, что на вход детектора, находящегося изначально в нулевом состоянии, поступает постоянная по величине огибающая х[к] = 1,0 (для всех к >0), что соответствует воздействию на измеритель радиопомех радиоимпульс с постоянной амплитудой. Изменение отсчетов на выходе детектора определяется выражениями

у[0] = 0,5(1 - Ь1с) • х[0] + 0,0 = 0,5 (1 - Ь1с),

у[1] = 0,5 • (1 - Ьк) • (х[1] + х[0]) + Ьс • у[0] =

= (1 -Ь1с )^(1 + 0,5 • Ь1с), ...

у[к ]

-> 1 - 0,5-Ьк

где Ь1с - коэффициент фильтра в состоянии подзарядки.

Если требование (9) выполняется, то при любом к значение на выходе детектора остается чуть меньше значения на входе, состояние подзарядки сохраняется, а отклик на выходе стремится к значению огибающей х[к] = 1,0.

Если же условие (9) нарушено, то для коэффициента Ь1 справедливо (-1) < Ь1с ^ 0, поэтому

х[2] -у[1] = 0,5-Ьг(1+Ь1) < 0,

т.е. перед тактом к = 2 детектор переключается в состояние разряда. Постоянная времени разряда Тв всегда превышает период дискрети-

зации Т, поэтому значение коэффициента Ь1 в состоянии разряда Ьш »1, а (1 - Ьш) » 0 . В результате, отсчеты на выходе детектора практически перестают изменяться

у[2] =(1 - ) /2 - (х[2] + х[1]) + Ьш - у[1] » у[1],

6-Т /Т +1 , ,

у[к ] =

(2 -— / Т +1)2

к > 1.

Соотношение (12) определяет зависимость показаний детектора у[к] от отношения периода дискретизации и постоянной времени заряда детектора. Погрешность, рассчитанная в соответствии с (12), показана на рис. 3. Из рисунка видно, что при увеличении периода дискретизации и нарушении требования (9) наблюдается резкое возрастание погрешности пикового детектирования.

Рис. 3. Зависимость погрешности показаний пикового детектора от соотношения периода дискретизации Т и постоянной времени заряда детектора Тс

При втором варианте реализации детектора отмеченного выше эффекта возрастания погрешности не наблюдается. Действительно, рост показаний этого детектора может быть представлен выражениями

у[0] = (1-*1)-х[0] + 0,0 = (1 -*1), у[1] = (1 - *1)-х[1] + Ьг у[0] = (1 - *1 )(1 + *1),

.У[к] =(1 - Ь1 )- [1 + Ь1 + Ь12 + ... + Ь1 ] --------—  ^

т.е. детектор длительно сохраняет состояние подзарядки, а отклик на его выходе быстро стремится к значению огибающей, воздействующей на вход.

Возникновение погрешности в первом варианте детектора связано с изменением формы импульсной характеристики, которая вместо апе-

к

риодической становится колебательной. При фильтрации сигналов к отрицательным последствиям это не приводит, т. к. колебания быстро затухают, и фильтр переходит в установившийся режим работы. Переключение же коэффициентов при детектировании нарушает «балансировку» потока отсчетов, что и приводит к явно наблюдаемой погрешности.

Выводы:

1. При построении цифрового пикового детектора второй из представленных вариант реализации структурной схемы является предпочтительным.

2. При использовании первого варианта необходимо, чтобы период дискретизации комплексной огибающей сигнала Т не превышал удвоенной постоянной времени заряда детектора Тс .

Воронежский государственный технический университет

USE OF TELECOMMUNICATION DEVICES AS A DIGITAL RADIO DISTURBANCE MESUARING INSTRUMENT L.N. Korotkov, A.B. Tokarev

Article addresses the problem of radio disturbance measurement in the practical use of telecommunication systems and devices. Factors that reduce the accuracy of the disturbance intensity estimation are identified. Recommendations for building the disturbance measurement subsystem are given

Key words: telecommunication devices, disturbance measurement, peak detector

Литература

1. ГОСТ Р 51319-99. Совместимость технических средств электромагнитная. Приборы для измерения индустриальных радиопомех. Технические требования и методы испытаний.

2. ГОСТ Р 51318.16.1.1-2007 (СИСПР 16-1-1: 2006) Совместимость технических средств электромагнитная. Требования к аппаратуре для измерения параметров индустриальных радиопомех и помехоустойчивости и методы измерений. Часть 1-1. Аппаратура для измерения параметров индустриальных радиопомех и помехоустойчивости. Приборы для измерения индустриальных радиопомех.