Математическое моделирование

Основным методом решения задач электромагнитной совместимости является математическое моделирование с использованием ЭВМ. Высокое быстродействие современных вычислительных средств в сочетании с рационально построенными алгоритмами позволяет решать задачи ЭМС для совокупностей с большим числом РЭС. При построении модели необходимо в первую очередь учитывать следующие факторы: назначение модели; объем задачи; характер проводимого эксперимента.

Основой построения математических моделей служат схемы источников помех (излучателей): антенн; моделей, описывающих изменения сигнала и помех при распространении; моделей приемников; моделей, оценивающих качество работы радиосистемы по результатам прогнозирования уровней помех и сигнала на выходе приемника. Модель оценки ЭМС должна учитывать географическое (геометрическое) расположение источников помех и их перемещение относительно приемника.

Особенностью описания элементов ЭМС является то, что их характеристики должны быть определены в очень широкой полосе частот по обе стороны от рабочей частоты РЭС. Это значит, что если f_о - рабочая частота РЭС, то характеристики должны быть описаны в пределах (0,1...10) f_о или даже в более широкой полосе. Связано это с тем, что, например, радиопередатчики в силу специфики процессов модуляции и усиления наряду с полезным сигналом создают нежелательные излучения на частотах, которые значительно отличаются от рабочей частоты, а излучения многих источников индустриальных помех занимают полосу частот в десятки мегагерц. Эти излучения могут попасть в полосу пропускания приемника даже при больших расстройках его рабочей частоты относительно центральной частоты излучения и вызвать нарушение нормального режима работы приемника. С другой стороны, современные супергетеродинные приемники обладают нежелательными каналами приема, которые восприимчивы к помехам, лежащим в полосе этих каналов. Отмеченные свойства излучателей и приемников необходимо учитывать при анализе ЭМС. Эти факторы усложняют также разработку моделей каналов распространения помехи.

Модель должна учитывать влияние на качество работы РЭС каждого источника помех. Чтобы учесть эффекты, связанные с взаимодействием мешающих сигналов на нелинейностях приемника, на определенном этапе анализа рассматривают воздействие на приемник излучений двух или более источников помех одновременно. Отборочная модель дифференциального вклада представлена на рис.12.6. Для уменьшения времени анализа в модели использовано несколько этапов отбора потенциально опасных излучений и исключения из анализа источников помех, не представляющих опасности нормальному функционированию РЭС.

На первом этапе анализа ЭМС, называемом этапом амплитудного отбора, модель для выбранной пары "передатчик - приемник", используя характеристики передатчика-приемника, их антенн и канала распространения, а также учитывая взаимную ориентацию и поляризационные характеристики антенн, оценивает уровень мешающего сигнала на входе приемника и порог отбора. Селективные свойства приемника по частоте во внимание не принимаются. Сравнивая уровень помехи с порогом, модель исключает из рассмотрения излучатели, сигналы которых лежат ниже порога. На этом же этапе модель выделяет сигналы, которые могут быть причиной нелинейных эффектов и запоминает их. Отметим, что до тех пор, пока для приемника не проведен анализ влияния каждого передатчика на качество его работы и оценка нелинейных эффектов, при обращении к блоку "Выбор пары передатчик-приемник" меняется только анализируемый передатчик. И только после завершения анализа и оценки ЭМС РЭС, в состав которого входит данный приемник, производится выбор нового приемника и процесс анализа совместимости повторяется.

Следующий этап — частотный отбор. На этом этапе модель устанавливает возможные каналы проникновения помехи; рассчитывает уровень помехи, приведенный в полосе приемника к его входу, с учетом селективных свойств приемника и снова производит сравнение с порогом. Мешающие сигналы, прошедшие этот этап отбора, подвергаются дополнительному анализу, и их уровень корректируется с учетом имеющихся в приемнике средств подавления или защиты от помех. Для помех, признанных потенциально опасными после всех этапов отбора, вычисляется пороговое и прогнозируемое отношение сигнал/помеха. Модель сравнивает прогнозируемое отношение с пороговым. Если оно меньше порогового, то рассчитывает необходимое дополнительное ослабление помехи. Информацию об опасном излучателе, канале проникновения помехи и необходимом ее ослаблении модель выводит потребителю.

После завершения анализа воздействия отдельных излучателей по основному и побочным каналам приема модель переходит к исследованию нелинейных эффектов, которые могут возникнуть в приемнике от мешающих сигналов, выделенных на первом этапе анализа. Неблагоприятные результаты анализа, в том числе и анализа взаимодействия мешающих сигналов, выводятся из модели с указанием вида нелинейного эффекта и источников помех, его порождающих. Модель заканчивает работу после завершения анализа качества работы всех приемников РЭС.

Получение исходных данных для модели описанного вида требует большого объема измерений. Чтобы избежать этого, измерения характеристик обычно производят на некоторой выборке РЭС каждого типа, и статистической обработкой результатов получают обобщенные характеристики.

Наряду с рассмотренным подходом к построению модели для анализа ЭМС возможен и другой, основанный на детальном описании всего тракта формирования и прохождения помехи. Один из вариантов такого подхода состоит в представлении структуры тракта набором каскадно соединенных безынерционных нелинейных элементов (НЭ) и линейных инерционных фильтров (Ф). На рис.12.7 изображена часть приемника с использованием такого представления. Число нелинейных элементов и фильтров, представляющих выделенные блоки приемника, может быть различным в зависимости от числа каскадов в блоке и желаемой степени детализации. Характеристика НЭ аппроксимируется удобной в вычислительном отношении функцией, чаще всего степенным полиномом. Фильтр задается своей частотной характеристикой. При известном наборе сигналов в рассматриваемой точке модели и известных характеристиках НЭ и Ф можно, используя аппарат гармонического анализа, рассчитать параметры сигналов в следующем сечении и последовательно оценить уровень помех на выходе приемника. Для сокращения времени счета в каждом сечении может производиться отбор потенциально опасных помех.

Хотя рассмотренное представление обычно используется только в той части модели оценки ЭМС, которая касается радиоприемника, но и здесь ее применение встречает значительные трудности, связанные с получением характеристик нелинейности и частотных характеристик фильтров, обычно неизвестных. Тем более эти трудности возрастут при попытке применить этот подход к другим элементам схемы формирования помехи на входе приемника. Число исходных данных и время счета на модели возрастают по сравнению со случаем использования внешних характеристик РЭС.

Достоинство модели состоит в том, что структура РЭС представлена набором стандартных блоков, это облегчает программирование и автоматизацию моделирования таких устройств. При наличии необходимых характеристик модель может использоваться при анализе ситуаций с небольшим числом РЭС и для решения задач ЭМС исследовательского характера.

При размещении РЭС в уже сложившейся электромагнитной обстановке одной из задач анализа ЭМС является оценка качества их функционирования. Рассмотрим ситуацию, когда помеховая обстановка задана распределением вероятностей помех по мощности и частоте. Такого вида распределения получают путем многократных измерений параметров помех в предполагаемом районе размещения аппаратуры. Качество работы РЭС в такой обстановке можно оценить вероятностью возникновения помехи на выходе приемника, уровень которой превышает заданное пороговое значение, и решить задачу с помощью модели статистических испытаний, изображенной на рис.12.8.

Блок моделирования мешающих сигналов задает частоту и мощность поступающей на вход приемника реализации помехи. Частота и мощность являются выборками из случайных величин заданными законами распределения этих параметров.

В модели приемника корректируется уровень поступающей реализации помехи в соответствии с механизмом обработки сигналов в приемнике. Полученный после коррекции уровень помехи в модели сравнивается с пороговым. Превышение порогового уровня фиксируется как возникновение помехи на выходе приемника. Если использована выборка мешающих сигналов объемом N, то оценкой вероятности возникновения помехи на выходе служит отношение Р=n\N, где P - вероятность (оценка) появления помехи на выходе приемника, n - число превышений помехой порогового уровня, N - число испытаний (объем выборки). Изменяя порог и определяя для каждого нового его значения вероятность превышения, можно построить эмпирическую функцию распределения мощности помехи на выходе приемника.

 

Современные методы расчета ЭМС. Система «Радиоресурс»

Современные информационно-расчетные системы (ИРС) по расчету ЭМС предназначены для автоматизации решения задачи ЭМС для РЭС различного назначения и принадлежности. Такие системы обеспечивают решение следующих задач:

1. расчет условий ЭМС РЭС, позволяющий определить необходимые для обеспечения требуемого качества функционирования РЭС ограничения по их пространственному расположению и присвоение рабочих частот;

2. расчет фактического уровня радиопомех между РЭС, создаваемых радиопередающими устройствами на входе радиоприемных устройств, для которых невозможно выполнение условий ЭМС;

3. проверки частотно-пространственных условий ЭМС РЭС, учитывающая радиопомехи, обусловленные воздействием различных видов излучений радиопередающих устройств по различным каналам приема радиоприемных устройств;

4. выдачу данных справочного характера по запросам пользователя.

ИРС по расчету ЭМС должны из всех существующих видов радиопомех учитывать радиопомехи между РЭС, образующиеся в результате воздействия излучений РЭС (включая излучение гетеродинов) на радиоприемники.

При решении задачи ЭМС современные ИРС учитывают параметры РЭС, антенн, среды распространения радиоволн и электромагнитной обстановки в диапазоне частот в несколько раз большем рабочего диапазона РЭС. При решении учитываются:

1. излучаемая радиопередатчиком мощность;

2. ширина полосы радиочастот и уровни внеполосных и побочных излучений передатчика;

3. чувствительность, защитное отношение на входе и частотная избирательности по соседнему и по побочным каналам (промежуточной частоты, зеркальному и другим комбинационным каналам) радиоприемного устройства;

4. уровни излучений гетеродинов приемника;

5. диаграммы направленности и усиление антенн передатчика и приемника.

Решение об обеспечении ЭМС РЭС принимается по критерию непревышения заданного отношения суммарного уровня помех к уровню полезного сигнала на входе приемника каждого РЭС с заданной вероятностью.

Для каждого добавляемого в группировку РЭС формируются пары РЭС для расчета затухания между ними и проверки условий ЭМС, а так же тройки РЭС для расчета и проверки условий исключения интермодуляционных помех. После проверки условий ЭМС для всех РЭС определяется максимальный уровень помехи для добавляемого РЭС определяется максимальный уровень помехи для добавляемого РЭС и выводятся результаты (с заполнением базы данных).

При решении задачи ЭМС создаются и ведутся соответствующие базы данных, от обоснованности, точности и достоверности которых во многом зависит эффективности ИРС.

В состав баз данных ИРС «Радиоресурс» входят следующие БД (кроме БД параметров РЭС, которые были указаны выше), предназначенные для хранения, корректировки и пополнения данных:

6. частотно-территориальных присвоений РЭС (присвоенные частоты, координаты расположения РЭС или районы работы мобильных РЭС, типах и высотах установки антенн РЭС и их ориентации);

7. частотно-пространственных условий ЭМС РЭС (информация о видах и параметрах условий ЭМС, типах пар РЭС);

8. прогнозируемой несовместимости РЭС, для которых условия ЭМС не выполняются, а также о прогнозируемых уровнях помех между парами РЭС);

9. зафиксированных случаев несовместимости (накопленная информация о РЭС и присвоенных частотах, на которых уровни радиопомех превышают допустимые).

В состав частных задач ИРС входят следующие расчетные задачи:

1. задача расчета условий ЭМС пар РЭС (возможно графическое отображение условий ЭМС при необходимости наглядного отображения областей несовместимых сочетаний частот пар РЭС из базы данных);

2. задача расчета фактического затухания между РЭС (решается автоматически при решении первой задачи для всех пар РЭС);

3. задача проверки условий ЭМС пар РЭС (решается автоматически для всех находящихся в эксплуатации РЭС);

4. задача проверки условий исключения интермодуляционных помех;

5. задача расчета уровня радиопомех между РЭС (решается автоматически при решении первой задачи: если для пары РЭС ЭМС не обеспечивается).