МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СИНХРОНИЗАЦИИ ДВУХ ОПОРНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ЧЕРЕЗ АТМОСФЕРНЫЙ КАНАЛ СВЯЗИ

January 29, 2013 by admin Комментировать »

Широков и.Б., Сердюк И.В., Синицын Д.В., Мартынюк Д. Севастопольский национальный технический университет, Севастополь, Стрелецкая бухта, Студгородок, 99053, СевНТУ, кафедра радиотехники тел. (+38 0692) 55-000-5, факс 55-414-5, E-mail: shirokov@stel.sebastopol.ua

Аннотация — В работе произведено моделирование передачи начальной фазы гармонического низкочастотного сигнала при помощи частотной модуляции через атмосферный канал связи. Целью данного моделирования является определение влияния фазовой стабильности канала связи на стабильность начальной фазы низкочастотных колебаний в точке приёма.

I.                                       Введение

Предметом многих изысканий является экспериментальные исследования изменений амплитуды и фазы СВЧ колебаний в линиях связи прямой видимости. Некоторые статьи, посвященные в последнее время исследованиям в этой области: [1-3]. Главным достоинством этих исследований является выполнение измерений набега фазы СВЧ колебаний в линиях связи прямой видимости.

Эти исследования проводились в рамках работы по проектированию установки, реализующей гомо- динный метод измерения флуктуации набега фазы и амплитуды в атмосферном канале связи.

При синхронизации двух гармонических опорных генераторов необходимо передать начальную фазу низкочастотных колебаний (1 кГц) от одного генератора к другому через атмосферный канал связи с аддитивным шумом.

В данной работе представлены результаты моделирования передачи начальной фазы низкочастотных колебаний, при помощи частотной модуляции несущей, от одной части измерительной линии к другой.

Целью данного моделирования является определение влияния фазовой стабильности канала связи на стабильность начальной фазы низкочастотных колебаний в точке приёма.

II.                               Основная часть

Структурная схема синхронизации генераторов через атмосферный канал связи при действии флуктуации фазы в канале приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Структурная схема синхронизации генераторов.

Fig. 1. Generator synchronization flowchart

Так как канал связи является открытым, то изменение постоянной распространения электромагнитных колебаний приводит к флуктуациям амплитуды и фазы передаваемого сигнала. Главными причинами этих флуктуаций являются: нестабильность комплексного коэффициента передачи канала связи и многолучевое распространение высокочастотных колебаний.

Нестабильность ослабления вносимого каналом связи приводит к паразитной амплитудной модуляции сигнала. Этой паразитной модуляцией можно пренебречь, так как для передачи информации используется частотная модуляция.

Нестабильность электрической длины канала связи и многолучевое распространение сигнала приводит к появлению изменений полной фазы передаваемых высокочастотных колебаний.

Для передачи используется тональная частотная модуляция. Длина волны несущего колебания выбрана 2 м. Длина измерительной трассы была выбрана 3 км. Для электромагнитной волны длиной 2 м и оговоренной выше длины трассы влияние нестабильности электрической длины трассы мало. И составляет несколько промиль.

С другой стороны многолучевое распространение сигнала значительно влияет на полную фазу принятого высокочастотного колебания.

Частотно модулированный сигнал может быть описан следующим выражением:

где А — амплитуда;

ψ(/) — полная фаза;

Шо — частота несущей; т — индекс модуляции;

Ω — частота модулирующего колебания; φι — начальная фаза модулирующего сигнала; фо — начальная фаза несущего колебания.

Фазовый сдвиг, вносимый каналом связи равен:

где– волновое число;

d(t) — зависимость длины электрического пути пройденного сигналом от времени.

Представим фазовый сдвиг, вносимый каналом связи в следующем виде:

где с = 3-10 ®, м/с — скорость света в свободном пространстве.

Все изменения диэлектрических свойств среды мы относим к электрической длине канала связи.

Круговая частота и полная фаза сигнала связанны между собой соотношением:

Следовательно собственная частота модулированного сигнала равна:

где ω^=ηι·Ω. —девиация частоты.

Таким образом, фазовый сдвиг, вносимый каналом связи, определяется выражением:

Длина электрического пути пройденного сигналом равна:

d{t) = d+M{t),                                                                         (2)

где d — длина трассы, её величина постоянна;

/S.d — флуктуация длины измерительной трассы, связанная с турбулентностями, изменением погодных условий и интерференцией в канале связи.

Так как поверхностная рефракция составляет порядка 260 — 470 промилле, то учитывая, что длина трассы d равна 3 км, амплитуда флуктуаций электрической длины трассы hd равна 0,2 м и её величина зависит от времени. Принимаем индекс модуляции да = 1, что соответствует реальным значениям. Тогда девиация частоты Ша равна Ω. Учитывая это, выражение (1) запишем в следующем виде:

где Al — амплитуда сигнала прошедшего через атмосферный канал связи.

Рис. 3. Временные диаграммы работы модели Fig. 3. Timing chart of the model operation

Модулированный сигнал на приёмной стороне может быть записан в таком виде:

Четвёртым слагаемым можно пренебречь, по сравнению с третьим. Следовательно фазовый сдвиг, вносимый каналом связи, определяется выражением:

Введём обозначение для полной фазы сигнала, прошедшего через канал связи:

Её можно принять постоянной, так как используется сигнал с угловой модуляцией. В качестве фазового демодулятора используем частотно-фазовый детектор с фазосдвигающим контуром и перемножи- телем сигналов.

Амплитудно-частотная характеристика фазосдвигающего контура определяется следующим соотношением:

где ξ — обобщенная расстройка.

Выражение для ФЧХ фазосдвигающего контура имеет следующий вид:

Необходимым условием работы демодулятора является ξ «1. Иначе детектор будет искажать информационный сигнал.

В работе [1] было получено аналитическое выражение для демодулированного сигнала прошедшего через атмосферный канал связи:

где А — амплитуда выходного сигнала; Q — добротность фазосдвигающего контура.

Для количественного анализа влияния флуктуации фазы на начальную фазу демодулированного сигнала было проведено моделирование в пакете программ MatLab 6.5. Блок-схема модели приведена на рисунке 2. Временные диаграммы работы модели приведены на рисунке 3 .

Рисунок 4. График зависимости фазового сдвига от частоты флуктуаций фазы в канале связи.

На рисунке 4 приведён график зависимости фазового сдвига между сигналом, имеющим шумовую составляющую и эталонным сигналом от частоты сЬлукгуаиий сЬазы в канале связи.

Fig. 4. Phase shift vs phase fluctuation frequency in communication link Из графика 4 видно, что с увеличением частоты флуктуаций фазы до 1 кГц максимальный фазовый сдвиг уменьшается. Дальнейшее увеличение частоты приводит к увеличению фазового сдвига. Это связанно с тем, что до частоты 1 кГц помеха является сосредоточенной для данного приёмника, а свыше этой частоты — флукгуационной.

Увеличение частоты сосредоточенной помехи приводит к её взаимной компенсации на перемножи- теле сигналов в детекторе. Однако, увеличение частоты флуктуационной помехи приводит к накоплению ошибки при определении начальной фазы.

По результатам многих экспериментальных исследований флуктуации фазы являются медленными, и ширина их спектра не превышает 10 Гц. Как видно из графика 4 влияние этих флуктуаций на передаваемый информационный сигнал мало. Для дальнейшего уменьшения влияния флуктуации фазы можно применять следующие методы:

1)          Увеличивать индекс модуляции передаваемого сигнала;

2)          Использовать более сложные фильтры для выделения сигнала на выходе детектора;

3)          Применять систему фазовой автоподстройки частоты высокостабильного опорного генератора на приёмной стороне.

III.                                   Заключение

Оценено влияния флуктуаций фазы в канале связи на принимаемый информационный сигнал. Показано, что влияние флуктуаций фазы мало. Таким образом, доказано, что фазовые флуктуации в атмосферном канале связи практически не сказываются на модулирующем сигнале, если длина волны модулирующего сигнала значительно больше длины трассы.

IV.                           Список литературы

[1]    /. в. Shirokov, /. V. Serdyuk, D. V. Sinitsyn «The Phase Synchronization of Reference Oscillators Through Atmospheric Channel» IGARSS’2006, Conf. Proc. Denver, Colorado 31 July – 4 August 2006.

[2]    /. B. Shirokov, S. Shaban «Experimental Investigations of Amplitude and Phase Progression Fluctuations on Microwave Line-of-Sight Links» IGARSS’2002, Conf. Proc. Toronto, Canada, 24-28 June 2002, Vol. VI: pp 3559-3560

[3]    /. B. Shirokov, S. Shaban, S. Poiivkin, D. Sinitsyn «Theoretical Modeling and Experimental Investigations of Amplitude and Phase Progression Fluctuations on Microwave Line-of-Sight Links in Relation with Natural Medium Conditions» IGARSS’03, Conf. Proc. Toulouse, France, July 21- 25 2003, Vol. VII, pp. 4177-4179.

SIMULATION OF PHASE SYNCHRONIZATION PROCESSES IN TWO REFERENCE OSCILLATORS FOR OVER-THE-AIR LINK

Shirokov I. B., Serdyuk I. V., Sinitsyn D. V., Martynyuk D. Sevastopol National Technical University Studgorodok, Sevastopol, 99053, Ukralna phone (+380 692) 55-000-5, fax 55-414-5 E-mall: shlrokov@stel. sebastopol. ua

Abstract — The over-the-air transmission of initial phase of harmonic LF signals using frequency modulation has been simulated. The main objective of this simulation was to determine the influence of communication link phase stability on the stability of initial phase of LF oscillations at the receiving point.

I.                                         Introduction

Amplitude and phase variations of microwave oscillations in LOS communication links have been extensively researched elsewhere. To synchronize two harmonic reference oscillators, the initial phase of LF oscillations (1 kHz) should be transmitted from one oscillator to the other via over-the-air links with additive noise.

The results of transmitting an initial phase of LF oscillations involving RF carrier frequency modulation are presented. The carrier wavelength was 2 m. The length of a test microwave link, as well as that of a separate RF link varied and did not exceed 3 km.

II.                                        Main part

Since the RF link is an open one, changes in propagation conditions result in amplitude and total phase fluctuations. These fluctuations are due to two basic reasons: instability of the RF link complex transfer ratio, and multipath propagation of RF oscillations.

The attenuation instability introduced by the communication link causes spurious amplitude modulation. This spurious modulation may be ignored as long as frequency modulation is used in data transmission.

Electrical length instability in the communication link along with the multipath propagation cause variations in the total phase of transmitted RF oscillations.

The electrical length may be presented as (2), where d is the fixed link length; Δ d(t) — link length fluctuation due to turbulences, change of weather and interference in the LOS link. The phase shift introduced in the communication link may be presented as (3).

The received signal is further processed using frequency- phase detector with a phase-shifting circuit and signal multiplier for phase demodulator.

The amplitude-frequency characteristic of the phase-shifting circuit is defined as (6), where ξ is generalized detuning. The phase-frequency variation of the phase-shifting circuit is defined as (7). As shown in [1], the demodulator output signal may be presented as (8).

The results of the simulation are presented in Figures 3 and

4.  In Figure 3(a) the time dependence of the initial phase shift (in degrees) on LF modulation oscillations is shown. Figure 3(6) shows the time dependence of phase fluctuations in degrees.

III.                                       Conclusion

It has been shown that the influence of phase instability in RF communication links on the phase stability of LF modulation oscillations may be neglected. This holds true for slow phase fluctuations whose spectrum does not exceed 10 Hz.

In has also been shown that phase fluctuations in over-the- air RF links do not affect the stability of modulating signals if the wavelength of those LF oscillations is greater than that of the communication link. In such way, microwave phase measurements in test links may be performed with high accuracy.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты