Preview

Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника

Расширенный поиск
Том 25, № 4 (2022)
Скачать выпуск PDF

РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПЕРЕДАЧИ, ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ 

6-22 234
Аннотация

Введение. Рост объемов передаваемой информации по каналам связи приводит к их существенной перегруженности. Практически все используемые традиционные методы повышения скорости передачи данных в заданных полосах частот исчерпаны. В этой связи представляет интерес использование новых подходов, направленных на повышение спектральной эффективности радиотехнических и телекоммуникационных систем путем применения оптимальных сигналов, позволяющих задействовать резервы пропускной способности каналов передачи, которые дает теория Шеннона.

Цель работы. Повышение спектральной эффективности систем передачи цифровых сообщений путем применения сигналов с компактным спектром и увеличения объема канального алфавита при минимизации энергетических потерь.

Материалы и методы. При поиске оптимальных сигналов используется математический аппарат теории связи и функционального анализа, а также методы вариационного исчисления. Оценка помехоустойчивости приема полученных оптимальных сигналов при передаче в канале с аддитивным белым гауссовским шумом выполнена в среде MatLab.

Результаты. Установлено, что в канале с аддитивным белым гауссовским шумом оптимальные сигналы при размере сигнального созвездия 64 в случае квадратурной амплитудно-фазовой модуляции обеспечивают энергетический выигрыш более 1 дБ относительно сигналов, которые получаются путем узкополосной фильтрации в условиях неконтролируемой межсимвольной интерференции. Показано, что оптимальные сигналы позволяют получить энергетический выигрыш 4.9 дБ по отношению к сигналам, построенным на основе узкополосной фильтрации, при фиксированной спектральной эффективности 7 (бит/с)/Гц.

Заключение. Предложен метод повышения спектральной эффективности квадратурных сигналов с амплитудно-фазовой модуляцией, основанный на применении оптимальных форм импульсов, полученных в ходе решения оптимизационной задачи. Приведена процедура решения оптимизационной задачи по критерию минимизации внеполосных излучений при наличии ограничения на помехоустойчивость приема в случае амплитудно-фазовой модуляции. Выполнено сравнение энергетической и спектральной эффективности, обеспечиваемой сигналами с оптимальными формами импульсов и сигналами, построенными на основе узкополосной фильтрации.

23-40 308
Аннотация

Введение. При расчете полосно-пропускающих фильтров (ППФ) с частотами бесконечного затухания методом преобразования частоты параметры прототипа – инверсного или квазиэллиптического фильтра нижних частот (ФНЧ) – пересчитываются по известным формулам в параметры ППФ. При выбранных частоте среза ФНЧ и добротности полосового фильтра произвольно можно выбрать только одну частоту бесконечного затухания (полюс затухания). Для подавления пары конкретных частот в полосе задерживания синтез ППФ необходимо начинать с фиксации частот максимального затухания и центральной частоты фильтра. Обратный переход к параметрам частотной характеристики низкочастотного прототипа осуществляется с применением формул преобразования частоты.

Цель работы. Разработка методики расчета ППФ с фиксированными полюсами затухания.

Материалы и методы. В статье в качестве низкочастотных прототипов ППФ с полюсами затухания используются фильтры нечетного порядка с дополнительным конденсатором в поперечной ветви П-звена и индуктивностью в продольной ветви Т-звена. Аппроксимация частотной характеристики низкочастотного прототипа (инверсный или квазиэллиптический ФНЧ) выполнена методами, основанными на решении систем нелинейных уравнений.

Результаты. Реализуемая передаточная функция (ПФ) ФНЧ n-го порядка с полюсами затухания записана в виде отношения произведения двучленов и многочлена степени n с вещественными коэффициентами. Приведены системы уравнений для расчета коэффициентов амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ФНЧ с заданной частотой максимального подавления помехи для обоих типов фильтров. Аналитические выражения для ПФ ФНЧ-прототипов порядков 3 и 5 записаны через емкости контуров ППФ, настроенных на центральную и подавляемые частоты, что дает возможность непосредственно рассчитать искомые емкости. Индуктивности ППФ определяются по формулам, выражающим зависимости центральной частоты ППФ от параметров контуров, с учетом соотношений, приведенных в статье. Приведен пример расчета квазиэллиптического ППФ десятого порядка.

Заключение. Представленная методика позволяет непосредственно определить параметры ППФ без промежуточного расчета и последующего преобразования параметров ФНЧ-прототипа. Приведенные аналитические выражения АЧХ П- и Т-образных ППФ шестого и десятого порядков дают возможность проверки выполненных расчетов и коррекции АЧХ с помощью индуктивностей при замене расчетных значений емкостей стандартными.

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА, МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА, АНТЕННЫ 

41-51 269
Аннотация

Введение. В настоящее время одной из проблем разработки антенных-фидерных устройств для систем спутниковой связи (ССС) является создание антенно-волноводных трактов многодиапазонных зеркальных антенн (АВТ МЗА), предполагающее построение адекватной математической модели АВТ МЗА без реализации и с реализацией функции автосопровождения, построенного на основе способа "разделение по частоте – разделение по поляризации". Однако существующие математические модели разработаны только для конкретных типов АВТ МЗА, что делает невозможным их использование при разработке новых АВТ МЗА. Предлагаемая модель может применяться при произвольном числе совмещаемых диапазонов частот и видах поляризации.

Цель работы. Разработка математической модели АВТ МЗА ССС без реализации и с реализацией функции автосопровождения, построенной на основе способа "разделение по частоте – разделение по поляризации".

Материалы и методы. Рассматриваемая математическая модель предполагает описание АВТ МЗА с использованием блочных матриц. Каждая из этих матриц описывает комплексные амплитуды сигналов, возникающих в каждом из устройств АВТ МЗА. Это, в свою очередь, позволяет проанализировать влияние параметров каждого из устройств на характеристики АВТ МЗА ССС в целом при произвольном числе совмещаемых диапазонов частот и видах поляризации.

Результаты. Предложены два варианта построения АВТ МЗА ССС. Первый вариант может быть использован в ССС с программным сопровождением, второй вариант – с реализацией моноимпульсного метода сопровождения. Для построения модели АВТ МЗА предложено использовать матричное описание его характеристик, что позволяет в широких пределах варьировать структуру рассматриваемого АВТ МЗА.

Заключение. Разработанная математическая модель позволяет описать характеристики каждого из устройств в составе АВТ МЗА с использованием некоторого многополюсника. Использование предложенной модели открывает широкие возможности на каждом этапе разработки, производства и отладки контролировать как характеристики каждого из устройств в составе АВТ МЗА, так и коэффициент передачи и поляризационную развязку в каждом частотном диапазоне всего АВТ МЗА в целом. Представленные зависимости дают возможность оценить взаимосвязь между допусками на параметры устройств и пределами изменения характеристик АВТ МЗА.

РАДИОЛОКАЦИЯ И РАДИОНАВИГАЦИЯ 

52-62 225
Аннотация

Введение. При получении профиля земной поверхности методом дистанционного зондирования используется радиолокационный радиовысотомер (РВМ). При этом информационным параметром является зависимость мощности эхосигнала от времени, усредненная по совокупности серии зондирований. В частности, по характеристикам профиля мощности оцениваются параметры морской поверхности. Для расчета профиля мощности при наличии морского волнения требуются сведения о плотности распределения вероятности (ПРВ) аппликат морской поверхности. Существующие модели ПРВ аппликат (линейная модель, модель на основе усеченных рядов Грама–Шарлье, комбинированная модель) имеют известные недостатки, что приводит к ошибкам при оценке параметров морской поверхности по профилю мощности эхосигнала. В результате актуальной является задача поиска моделей ПРВ, обеспечивающих лучшие результаты определения профиля мощности. Одной из таких моделей, ранее не применявшихся в рассматриваемой задаче, является нелинейная модель Кримера.

Цель работы. Апробировать нелинейную модель Кримера для получения оценки ПРВ аппликат морской поверхности в задаче моделирования профиля мощности эхосигнала РВМ с учетом однозначной связи между статистическими параметрами ПРВ и скоростью ветра.

Материалы и методы. Для оценки ПРВ аппликат морской поверхности выполнено математическое моделирование в среде MatLab двумерной морской поверхности конечных размеров с пространственным спектром Эльфохейли для линейной модели и нелинейной модели Кримера. Получена зависимость профиля мощности эхосигнала РВМ от времени с учетом скорости ветра над морской поверхностью и параметров РВМ.

Результаты. Апробация нелинейной модели Кримера для получения оценки ПРВ аппликат морской поверхности при моделировании профиля мощности эхосигнала РВМ дала положительный результат. Установлено, что при небольших значениях скорости ветра (до 3 м/c) ПРВ аппликат морской поверхности, полученная по нелинейной модели Кримера, подчиняется гауссовскому закону. При бо́ льших скоростях ветра идентифицировать закон распределения не удалось, в связи с чем предложено использовать в качестве оценки ПРВ при расчетах выборочные гистограммы. Результаты расчета показали, что для нелинейной модели увеличение длительности эхосигнала РВМ с возрастанием скорости ветра происходит медленнее, в среднем на 5.47 %, чем для линейной модели. Временной сдвиг переднего фронта эхосигнала для нелинейной модели относительно линейной из-за трансформации ПРВ может достигать 70 нс, что эквивалентно 10.5 м.

Заключение. Использование нелинейной модели Кримера в задаче моделирования профиля мощности эхосигнала РВМ при наличии морского волнения обеспечивает однозначную связь между статистическими параметрами ПРВ аппликат морской поверхности и скоростью ветра. Модель рекомендуется к использованию при формировании теоретического профиля мощности эхосигнала, используемого в качестве исходных данных при оценке информационных параметров эхосигнала РВМ на этапе дообработки.

63-71 201
Аннотация

Introduction. Two-axis gimbal systems are applied for stabilizing and controlling the line of sight (LOS) of an optical or imaging system mounted on a moving vehicle. Gimbal systems are intended to isolate various disturbance torques and control the LOS toward the direction of a target. Two-axis gimbals can be of two main types, namely Yaw-Pitch and Swing-Roll type. In this article, we focus on investigating mathematical models of two-axis gimbals, which describe the impact of cross-disturbance torques on their stability and control performance. Simulations were conducted to compare advantages and disadvantages of the two types of two-axis gimbals.

Aim. To study mathematical models describing the impact of cross-disturbance torques on the stability and control performance of two-axis gimbals.

Materials and methods. Mathematical models of two-axis gimbal systems were synthesized by the Lagrange method. The operation of two-axis gimbal systems was simulated in the Matlab-Simulink environment. Results. Mathematical models and structural diagrams of the synthesized Yaw-Pitch and Swing-Roll gimbals were obtained. The conducted simulations of typical cases revealed different cross-disturbance effects.

Conclusion. Motion equations for Swing-Roll and Yaw-Pitch gimbals were derived using similar methodology. The impact of cross-disturbance torques on gimbal systems was evaluated. The obtained results form a basis for selecting an optimal structure of tracking systems meeting the desired characteristics.

72-80 183
Аннотация

Введение. Следящие радиовысотомеры (РВ) малых высот широко используются в гражданской авиации. В этих РВ применяются непрерывные периодические частотно-модулированные сигналы, а измерение высоты основано на обработке сигнала биений. Для этого в РВ организуется замкнутый контур автоматического регулирования, задачей которого является поддержание частоты сигнала биений на фиксированном уровне за счет изменения параметров излучаемого сигнала – девиации частоты или периода частотной модуляции. Существует иной способ построения контура слежения за изменениями высоты, работа которого основана на использовании измерительной петли фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ), которая подстраивает опорный сигнал – копию излучаемого сигнала – для получения максимума взаимной корреляции сигнала биений и опорного сигнала. Является актуальным сравнение качества функционирования РВ с ФАПЧ с известными в настоящее время следящими РВ при использовании различных типов частотной модуляции излучаемого сигнала.

Цель работы. Анализ влияния вида частотной модуляции излучаемого РВ сигнала на точность оценки высоты в РВ с измерительным контуром ФАПЧ, а также сравнительный анализ данного РВ с известными следящими РВ.

Материалы и методы. Предложена математическая модель следящих РВ и проведено математическое моделирование их работы для случая измерения высоты над гладкой плоской поверхностью.

Результаты. Сравнительный анализ следящих РВ показал устойчивую работу измерительного контура ФАПЧ при работе с сигналами, использующими разные виды частотной модуляции (несимметричной и симметричной ЛЧМ, гармонической ЧМ). Оценки высоты в РВ с измерительным контуром ФАПЧ являются несмещенными, а их СКО при отношении сигнал/шум большем 10 дБ и при принятых в работе сценарных параметрах не превышает 3 см. Сравнение следящего РВ с измерительным контуром ФАПЧ со следящими РВ других типов показало, что СКО ошибки у данного типа РВ на порядок меньше.

Заключение. Следящий высотомер, использующий измерительный контур ФАПЧ, может быть использован для измерения высоты полета воздушных судов. Качество получаемых оценок высоты у данного типа РВ лучше, чем у других известных следящих РВ. Дальнейшие исследования будут связаны с изучением точности оценивания высоты у следящих измерителей при работе по шероховатой поверхности и проведению натурных испытаний.

81-89 335
Аннотация

Введение. Твердотельный волновой гироскоп (ТВГ) является одним из перспективных датчиков инерциальной информации, применяемых в составе навигационных систем летательных и космических аппаратов. В последнее десятилетие большое внимание уделяется проблеме повышения точности ТВГ. Одним из возможных решений актуальной проблемы повышения точности измерений инерциальных навигационных приборов является применение алгоритмов, что и послужило причиной проведения работы, по результатам которой написана настоящая статья. В АО "НИИ командных приборов" в рамках научно-исследовательской работы разрабатывается датчик угловой скорости (ДУС) компенсационного типа на базе ТВГ с металлическим резонатором цилиндрической формы, электростатической системой возбуждения колебаний и съема информации, с цифровой обратной связью.

Цель работы. Разработать методы повышения точности ТВГ на основании связи между каналами измерения и возбуждения, а также с помощью учета погрешности замыкания обратной связи.

Материалы и методы. Для получения информации о выходном сигнале чувствительного элемента использовано быстрое преобразование Фурье. Для управления воздействием на чувствительный элемент применен ПИД-регулятор.

Результаты. Разработаны методы повышения точности ДУС на базе ТВГ посредством компенсации погрешностей выходного сигнала. Эксперименты подтвердили корректность работы предложенного метода. В результате применения разработанного алгоритма снижения нестабильности нулевого сигнала скорости среднеквадратическое отклонение этого сигнала в запуске уменьшилось на 76.4 %. В результате применения метода повышения точности с помощью нескомпенсированной составляющей среднеквадратическое отклонение уменьшилось на 69.52 %.

Заключение. Результаты экспериментов наглядно демонстрируют возможность значительного улучшения характеристик прибора за счет применения различных математических алгоритмов обработки информации.

МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ 

90-104 267
Аннотация

Введение. Систематические ошибки микроэлектромеханических (МЭМС) инерциальных датчиков, относящиеся к ошибкам смещения нуля, масштабного коэффициента и неортогональности чувствительных осей, являются источниками погрешностей бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС). Некомпенсированные ошибки датчика со временем накапливаются как ошибки состояния движения, из-за чего снижается точность БИНС. Следовательно, калибровка МЭМС инерциальных датчиков является важной задачей. Недостаток существующих методов калибровки датчиков – жесткое требование к точности начальной выставки чувствительных осей датчиков относительно опорной системы координат, что приводит к трудности и увеличению времени начальной выставки. Для преодоления этой проблемы необходимы разработка и исследование новых методов калибровки МЭМС-датчиков.

Цель работы. Разработка алгоритма калибровки МЭМС-датчиков, инвариантного к угловой ориентации чувствительных осей датчиков относительно опорной системы координат при начальной установке.

Материалы и методы. Используется стандартная математическая модель выходных сигналов триады микромеханического акселерометра (ММА), рассмотренная в российских и зарубежных учебниках и публикациях о современных методах испытаний и калибровки датчиков за последние 10 лет. Предлагаемый алгоритм калибровки датчиков выполняется методом наименьших квадратов при реализации позиционирований ММА в гравитационном поле Земли. Апробация выполняется посредством обработки сигналов, записанных от трехосного ММА ADXL325.

Результаты. Алгоритм определения калибровочных параметров датчиков вне зависимости от начальной выставки чувствительных осей датчиков относительно опорной системы. Представление простой альтернативной конструкции средства для испытания МЭМС-датчиков.

Заключение. Предлагается метод калибровки МЭМС инерциальных датчиков, отличающийся от традиционных методов калибровки тем, что результаты определения калибровочных коэффициентов ММА не зависят от его углового положения относительно географической системы координат, что позволяет повысить достоверность получаемых результатов и упростить конструкцию средства испытаний. Результаты работы значимы для повышения точности БИНС на основе МЭМС инерциальных датчиков.

ПРИБОРЫ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ, КОНТРОЛЯ СРЕДЫ, ВЕЩЕСТВ, МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ 

105-115 245
Аннотация

Введение. До 17 % детей диагностированы с нарушениями когнитивного развития. Выявление задержки развития детей на раннем этапе позволяет осуществлять раннее лечение с большей эффективностью. Современная диагностика имеет ряд ограничений, связанных с проблемой корректной оценки маркеров поведения детей. Классический метод зависит от квалификации специалистов и способности родителей своевременно выявить и информативно сообщить о проблеме.

Цель работы. Разработка компьютеризированной методики и алгоритма оценки разделенной интенциональности в парах мать–ребенок, создание биотехнической системы ранней диагностики отставания когнитивного развития детей.

Материалы и методы. Анализируются собственные исследования, в которых целью являлось измерение интеллектуальной деятельности группы при стимулировании их разделенной интенциональности; независимой переменной было интеллектуальное задание; описаны стимулы разделенной интенциональности. Применен математический аппарат теории измерений, теории систем и статистического исследования зависимостей.

Результаты. Создана биотехническая система, использующая программное обеспечение для диагностики когнитивного отставания детей в течение 15-минутного квиц-теста. Два фактора воздействия биотехнической системы на объект оценки: электромагнитное поле для стимуляции разделенной интенциональности и интеллектуальный тест. Результаты оценки предоставляются пользователю (специалисту или родителям) моментально в форме рекомендаций, понятных неспециалисту, и в форме базы данных, удобной для дальнейшего хранения и обработки.

Заключение. Преимущество метода – в объективности компьютеризированной оценки, диагностирующей объект также онлайн, в отличие от классического подхода, основанного на маркерах поведения детей. Еще одно преимущество метода оценки заключается в возможности диагностирования отставания когнитивного развития детей в более раннем возрасте, который еще не предполагает вербальной коммуникации.

116-122 452
Аннотация

Introduction. Patients with diabetes are exposed to various cardiovascular risk factors, which lead to an increased risk of cardiac complications. Therefore, the development of a diagnostic system for diabetes and cardiovascular disease (CVD) is a relevant research task. In addition, the identification of the most significant indicators of both diseases may help physicians improve treatment, speed the diagnosis, and decrease its computational costs.

Aim. To classify subjects with different diabetes types, predict the risk of cardiovascular diseases in diabetic patients using machine learning methods by finding the correlational indicators.

Materials and methods. The NHANES database was used following preprocessing and balancing its data. Machine learning methods were used to classify diabetes based on physical examination data and laboratory data. Feature selection methods were used to derive the most significant indicators for predicting CVD risk in diabetic patients. Performance optimization of the developed classification and prediction models was carried out based on different evaluation metrics.

Results. The developed model (Random Forest) achieved the accuracy of 93.1 % (based on laboratory data) and 88 % (based on pysicical examination plus laboratory data). The top five most common predictors in diabetes and prediabetes were found to be glycohemoglobin, basophil count, triglyceride level, waist size, and body mass index (BMI). These results seem logical, since glycohemoglobin is commonly used to check the amount of glucose (sugar) bound to the hemoglobin in the red blood cells. For CVD patients, the most common predictors inlcude eosinophil count (indicative of blood diseases), gamma-glutamyl transferase (GGT), glycohemoglobin, overall oral health, and hand stiffness.

Conclusion. Balancing the dataset and deleting NaN values improved the performance of the developed models. The RFC and XGBoost models achieved higher accuracy using gradient descending order to minimize the loss function. The final prediction is made using a weighted majority vote of all the decisions. The result was an automated system for predicting CVD risk in diabetic patients.

ОТ РЕДАКЦИИ 



Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1993-8985 (Print)
ISSN 2658-4794 (Online)