Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Диссертационная работа:

Дмитриев Вадим Николаевич. Развитие теории и методов анализа высокоскоростных направляющих систем в устройствах вычислительной техники и распределенных системах управления : Дис. ... д-ра техн. наук : 05.13.05, 05.12.13 : Астрахань, 2002 353 c. РГБ ОД, 71:04-5/170-6

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 5

1. РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И ВЫБОР ОБОБЩЕННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ МНОГОПРОВОДНЫХ НАПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ 25

1.1. Постановка задачи 25

1.2. Методы анализа переходных процессов в НС 26

1.3. Классификация направляющих систем 29

1.4. Классификация временных характеристик НС 37

1.5. Условия квазистационарности для НС во временной области 45

1.6. Обобщенная математическая модель НС 49

1.7. Описание динамических процессов в НС на основе их ВХ 50

1.7.1. Уравнения для ТЕМ-волн в многопроводных НС 50

1.7.2. Анализ согласованно включенной линии 53

1.7.3. Анализ линий передачи с нелинейной нагрузкой 55

1.8. Выводы 57

2. ОБОБЩЕННЫЕ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОДНОРОДНЫХ НАПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ 59

2.1. Постановка задачи 59

2.2. Электрические характеристики проводников в обычных условиях 60

2.2.1. Частотно-температурные зависимости параметров проводников 60

2.2.2. Обобщенное представление поверхностного сопротивления 62

2.3. Электрические характеристики проводников в условиях охлаждения . 64

2.4. Электрические характеристики НТСП 69

2.4.1. Частотно-температурные зависимости параметров НТСП 72

2.4.2. Обобщенное представление поверхностного сопротивления НТСП 73

2.5. Электрические характеристики ВТСП 75

2.5.1. Частотно-температурные зависимости параметров ВТСП 75 .

2.5.2. Обобщенное представление поверхностного сопротивления ВТСП 79

2.6. Электрические характеристики реальных поверхностей проводников 84

2.7. Электрические характеристики диэлектриков 85

2.8. Обобщенная форма частотных характеристик однородных НС 87

2.8.1. Коэффициент распространения 88

2.8.2. Волновое сопротивление 92

2.9. Выводы 93

3. ОБОБЩЕННЫЕ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОДНОРОДНЫХ НАПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ 96

3.1. Постановка задачи 96

3.2. Обобщенная форма передаточных функций однородных НС 100

3.3. Обобщенные математические модели ВХ 104

3.3.1. ВХ в интегральной форме 104

3.3.2. ВХ в форме рядов 106

3.3.3. ВХ в форме элементарных и специальных функций 107

3.3.4. ВХ для области малых и области больших времен 109

3.4. Алгоритмы расчета временных характеристик 110

3.5. Исследование параметров ВХ однородных НС 113

3.5.1. Параметры нормализованных ВХ 117

3.5.2. Взаимосвязь параметров частотных и временных функций 121

3.5.3. Зависимость параметров ВХ от расстояния 121

3.5.4. Зависимость параметров ВХ от температуры 123

3.6. Выводы 129

4. ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРЕДАЧИ НЕОДНОРОДНЫХ НАПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ 131

4.1. Постановка задач 131

4.2. Влияние отклонения конструктивных параметров НС на их ВХП 132

4.3. ВХП НС с равномерно распределенными по длине неоднородностями. 136

4.4. ВХП нерегулярных НС 141

4.4.1. Математические модели нерегулярных НС в частотной области . 142

4.4.2. Математические модели нерегулярных НС во временной области. 146

4.5. ВХП НС при частотно-зависимом рассогласовании с нагрузкой 149

4.5.1. Обобщенные частотные характеристики несогласованной линии.. 150

4.5.2. Временные характеристики несогласованной линии 152

4.6. Выводы 159

5. ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЛИЯНИЯ И ЭКРАНИРОВАНИЯ 0 НАПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ 163

5.1. Постановка задачи 163

5.2. Обобщенная модель цепи взаимного влияния 166

5.3. Температурно-частотные зависимости сопротивления связи 171

5.3.1. Общие соотношения для сопротивления связи 171

5.3.2. Сопротивление связи проводников в криогенном режиме 177

5.3.3. Сопротивление связи сверхпроводящих экранов 178

5.4. Временные характеристики взаимного влияния в НС 181

5.4.1. ВХВ электрически коротких линий 181

5.4.2. ВХВ электрически длинных линий 193

5.4.3. Зависимость ВХВ от конструкции экрана и температуры 200

5.5. Оценка защищенности цепей от импульсных взаимных помех 203

5.6. Оценка защитных свойств проводящих оболочек от импульсных внешних помех 206

5.7. Частотные характеристики экранирования 208

5.8. Временные характеристики экранирования проводящих оболочек 211

5.8.1. ВХЭ проводящих оболочек в обычных условиях 211

5.8.2. Временные функции поглощения обычных экранов 211

5.9. Криогенные экранирующие оболочки 214

5.10. Сверхпроводящие экранирующие оболочки 219

5.10.1. Экранирующие оболочки из НТСП материалов 219

5.10.2. Экранирующие оболочки из ВТСП материалов 222

5.11. Влияние конструкции реальных оболочек на параметры ВХЭ 225

5.12. ВХЭ коаксиальных трубок 225

5.13. Защита цепей от импульсных электромагнитных помех 228

5.14. Выводы 230

6. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ НАПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ ВО ВРЕМЕННОЙ ОБЛАСТИ 234

6.1. Постановка задачи 234

6.2. Измерение временных характеристик передачи НС 236

6.2.1. Прямые методы измерения ВХ 236

6.2.2. Косвенные методы измерения ВХ 241

6.3. Определение параметров НС по результатам импульсных измерений . 247

6.4. Экспериментальные исследования НС во временной области 251

6.5. Расчет искажений импульсов в НС по их ВХ 253

6.6. Коррекция и восстановления импульсных сигналов 264

6.7. Параметрическая идентификация НС 265

6.8. Оценка скоростных возможностей НС 268

6.9. Оптимизации конструкции НС по их ВХП 276

6.9.1. Коаксиальные цепи 276

6.9.2. Симметричные цепи 282

6.10. Выводы 285

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 288

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 298

ПРИЛОЖЕНИЯ 310

П.1. Параметры передачи НС 310

П. 1.1. Двухпроводные линии передачи 310

П. 1.1.1. Вторичные параметры двухпроводных линий 310

П.1.1.2. Двухпроводные линии в нормальных условиях 311

П.1.1.3. Криогенные линии 312

П.1.1.4. Сверхпроводящие линии на основе НТСП 315

П. 1.1.5. Сверхпроводящие линии на основе ВТСП 318

П. 1.2. Металлические волноводы 320

П.1.3. Диэлектрические волноводы 323

П.1.4. Линии поверхностной волны 324

П.1.5. Оптические кабели 326

П. 1.6. Регрессионный анализ частотных характеристик НС 326

П.2. Алгоритмы численного моделирования временных характеристик 333

П.2.1. ВХ в интегральной форме 333

П.2.2. ВХ в форме рядов 334

П.2.3. ВХ в форме специальных функций Эйри 336

П.2.4. Условия соответствия ВХ устойчивым распределениям 337

П.З. Таблицы нормализованных временных характеристик НС 339

П.4. Отзывы по материалам диссертации 353 

Введение к работе:

Актуальность проблемы. Уровень развития экономики независимого государства в определенной степени зависит и определяется уровнем развития электросвязи. Администрации связи развитых стран приняли решение о постепенном превращении своих сетей в цифровые сети связи [1...5]. Создание новых и перевод существующих сетей на цифровые методы передачи и обработки информации позволит значительно повысить помехоустойчивость, надежность функционирования систем управления, улучшить качество связи и предоставить новые услуги путем интеграции вычислительной техники и средств электросвязи в широкополосных цифровых сетях интегрального обслуживания [6, 7].

В качестве физической среды передачи импульсных сигналов в цифровых системах передачи и обработки информации (ЦСПО) могут использоваться различные направляющие системы (НС), в виде металлических, металлодиэлектрических или диэлектрических конструкций [8]. Потребность в передаче и обработке все больших объемов информации вызывает необходимость расширения диапазона рабочих частот и использования новых НС, особое место среди которых занимают многожильные металлодиэлектрические НС при низких (криогенных) температурах. Такие НС потенциально могут иметь низкие потери в широкой полосе частот при малом уровне собственных шумов и высокой защищенности от внешних и взаимных помех [8... 12].

Искажение формы импульсных сигналов в НС определяются рядом причин. Для однородных НС: частотно-независимые тепловые потери, приводящие к уменьшению импульса без изменения его формы, снижению отношения сигнал/помеха и повышению вероятности ошибок при приеме сигналов; частотно-зависимые потери в металле за счет поверхностного эффекта; потери в диэлектрике за счет поляризационных эффектов и диффузионных потерь; потери на излучение в открытых и частично открытых НС; дисперсионные искажения для волноводов. Для неоднородных НС: несогласованность волнового сопротивления НС с генератором и нагрузкой; дискретные неоднородности в НС (стыки, подключения, ответвления и др.); технологические (периодические и случайные) нерегулярности НС; регулярные неоднородности за счет асимметрии формы НС (смещение, деформации, эксцентриситет и др.). Для многопроводных НС: взаимные влияния на ближнем и дальнем концах линии. Для открытых и полуоткрытых НС: внешние помехи от грозовых разрядов и мощных электромагнитных импульсов от энергетических и физических установок.

Поиски способов уплотнения существующих, а также разработка новых перспективных НС с целью повышения экономичности и надежности высокоскоростных ЦСПО непосредственно связаны с теоретическим и экспериментальным исследованием передающих свойств отдельных цепей, внешнего и взаимного влияния между цепями многопроводных линий в широком диапазоне частот, занимаемом существующими и перспективными высокоскоростными ЦСПО с наносекундными и пикосекундными импульсными сигналами.

Интенсивное развитие аналоговых систем передачи в предыдущие годы связано с детальным изучением частотных характеристик НС в обычных условиях в достаточно узком диапазоне частот аналоговых систем связи. В процессе внедрения цифровых систем передачи (ЦСП) возникла необходимость в исследовании временных характеристик (ВХ) направляющих систем. Это связано с особенностью работы ЦСП, где сигнал представляется в виде кодовой последовательности импульсов, искажение которых при распространении по НС может привести к ошибкам в принятии решений регенератором. Вероятность ошибки регенератора, определяемая работой решающего устройства, зависит от соотношения мгновенных значений сигнала и помехи в момент принятия решения, что указывает на необходимость тщательного исследования искажений импульса при его распространении по НС и влияние помех [4].

Сложный характер взаимосвязи между величинами допусков на временную и частотную характеристики НС существенно ограничивают возможности оптимального построения линий связи ЦСП непосредственно по частотным характеристикам. В то же время искажение формы импульса при передаче по НС проще и в ряде случаев точнее определяется по ее ВХ. Временные характеристики НС являются основой для расчета искажений импульсных сигналов и выявления причин, определяющих эти искажения, дают возможность оценить эффективность использования существующих и перспективных конструкций НС для высокоскоростных цифровых систем, облегчить расчет и оптимальное построение линий связи ЦСП, решить многие вопросы защиты информации и электромагнитной совместимости (ЭМС), повысить точность измерения ряда параметров НС импульсным методом. Все это повышает экономическую эффективность проектирования, изготовления и эксплуатации цифровых систем передачи и обработки информации. Проблема дальнейшего развития теории и методов анализа перспективных НС для передачи широкополосных импульсных сигналов отличается особой актуальностью.

Данные исследования проводились автором в течение ряда лет в соответствии с программами хоздоговорных и госбюджетных НИОКР [204...214].

Целью диссертационной работы является дальнейшее совершенствование теории и методов анализа во временной области существующих и перспективных НС, используемых для передачи и обработки импульсных сигналов, создание методики расчета искажений импульсных сигналов в таких системах, разработка рекомендаций по оценке и уменьшению этих искажений, решение вопросов ЭМС.

Объектом исследования являются временные характеристики направляющих систем в виде многопроводных линий передачи существующих и перспективных конструкций, используемых в ЭВМ, внутриобъектовой, местной, зоновой и дальней связи.

Состояние вопроса. Импульсные приборы и методы работы получили в настоящее время широкое применение в самых разнообразных областях техники: радиотехнике, связи, автоматике, телемеханике, радиолокации, измерительной технике и др. Это объясняется тем, что импульсные сигналы обладают рядом преимуществ по сравнению с гармоническими, одно из которых - возможность передачи информации о моменте отсчета времени с высокой точностью. Кроме того, использование импульсных методов дает возможность повысить быстродействие системы передачи информации, позволяет существенно увеличить мгновенную мощность, форсировать режимы работы устройств, производить временное разделение каналов связи и осуществлять другие действия, выполнение которых с помощью її частотных (аналоговых) методов весьма затруднительно.

Для исследования квазигармонических колебаний разработан спектральный метод, который в его современном понимании является мощным аппаратом анализа в радиотехнике, технике связи и других областях. Одновременно с совершенствованием спектрального метода в радиотехнике и технике связи происходил непрерывный процесс усложнения используемых сигналов, связанный в первую очередь с локализацией их во времени. Это обстоятельство вызвало необходимость пересмотра методов исследования, как самих процессов, так и систем, в которых они происходят.

Для развивающейся импульсной техники существующий спектральный метод оказался слишком громоздким и часто недостаточно эффективным. Это привело к тому, что частотный метод стал постепенно вытесняться временными методами исследования. Дело в том, что при использовании импульсов наиболее важную роль играют переходные процессы в электрических цепях. С точки зрения импульсной техники более желателен такой метод исследования, при котором переходные процессы и изменение формы импульса имели бы большую физическую наглядность.

Во временном методе вместо испытательного воздействия в виде гармонического колебания принят сигнал, описываемый ступенчатой единичной функцией. Такой сигнал позволяет провести исследование системы сразу в двух режимах: в режиме мгновенного скачка и в режиме полного постоянства входного воздействия. Реакция системы на единичную функцию дает наиболее наглядное и полное представление о переходных процессах в системе. Временной метод стал не только методом аналитического исследования, но и экспериментального. Спектральные методы отодвинулись на второй план. Это вызвано тем, что при работе с импульсными сигналами их спектры оказываются настолько сложными, что теряется наглядная связь между формой импульса и его спектром. По искажению спектра становится трудно судить, как искажается форма сигнала при его прохождении через линейную систему. Хотя формально с математической стороны спектральный метод остается безупречным и в применении к анализу импульсных сигналов, но столько при этом проигрывает в наглядности, что практическое применение его встречает значительные трудности. Кроме того, аппаратура, позволяющая исследовать импульсные процессы с позиции спектрального метода, получается слишком сложной и мало эффективной.

Несмотря на то, что в последние годы в импульсной технике временной метод занял главенствующее положение в исследовании электрических цепей с сосредоточенными параметрами, при исследовании пространственно распределенных цепей, в частности, направляющих систем передачи импульсных сигналов, многие вопросы до настоящего времени не решены и для своего решения требуют развития теории, а также аналитических и экспериментальных методов исследования НС во временной области.

В настоящее время в технике передачи и обработке информации используются весьма разнообразные НС: кабели связи симметричной и коаксиальной конструкции и воздушные линии связи, металлические и диэлектрические волноводы, энергетические (силовые) воздушные высоковольтные и кабельные линии, радиочастотные кабели и линии передачи, монтажные провода и кабели, симметричные витые пары, коаксиальные и полосковые линии ЭВМ и др. [8]. Спектр частот импульсных сигналов, передаваемых по НС в современных системах передачи и обработки информации занимает диапазон 0...1015 Гц. Несмотря на разнообразие конструкций НС, диапазонов используемых частот и условий работы при решении задач передачи электромагнитной энергии во всех случаях необходимо учитывать процессы распространение энергии вдоль НС, взаимные влияния между направляющими структурами, находящимися в одной линии связи, а также внешние влияния на НС. В связи с этим, к НС предъявляются требования передачи импульсных сигналов с допустимыми искажениями и при ограниченных помехах, с учетом обеспечения высокой технико-экономической эффективности систем передачи и обработки информации. Поэтому существует необходимость теоретического и экспериментального изучения как процессов распространения импульсных сигналов вдоль НС, так и процессов взаимных и внешних влияний, с тем, чтобы на основе выявленных закономерностей создавать оптимальные в технико-экономическом отношении конструкции НС и в целом ЦСПО.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие наиболее существенные и недостаточно изученные задачи.

1. Изучение и критический анализ известных теорий и методик анализа и расчета существующих линий передачи, используемых в устройствах передачи и обработки информации.

2. Разработка методологии исследования НС непосредственно во временной области независимо от конструкции и условий работы.

3. Развитие теории нестационарных процессов в многопроводных металлодиэлектрических НС. Разработка методики определения реакции многопроводных линий на ближнем и дальнем концах на стандартные единичные воздействия при различных нагрузках.

4. Разработка математических моделей и исследование временных характеристик однородных НС с учетом частотно-зависимых потерь в проводниках и диэлектрике при различных температурах в широком диапазоне частот. Разработка методик расчета искажений импульсных сигналов в продольно однородных НС.

5. Разработка математических моделей неоднородных НС и исследование влияния различных неоднородностеи на параметры временных характеристик передачи (ВХП).

6. Разработка математических моделей временных характеристик взаимного влияния (ВХВ) в многопроводных НС и исследование влияние конструкции, видов включения и внешних условий работы на параметры ВХВ.

7. Разработка математических моделей временных характеристик экранирования (ВХЭ) и исследование влияния конструкции, параметров и внешних условий работы на параметры ВХЭ.

8. Разработка методик экспериментального определения временных характеристик НС.

9. Создание методик расчета искажений импульсных сигналов в 0 многопроводных НС на базе их ВХ при учете суммарных потерь в проводниках и диэлектрике, неоднородностей линии, взаимного влияния между цепями и внешних дестабилизирующих факторов.

10. Разработка методов расчета уровня помех на входах решающих устройств регенераторов ЦСП, методик анализа электромагнитной совместимости цепей линий передачи и практических рекомендаций по обеспечению их ЭМС в линиях связи ЦСПО.

О 11. Разработка методологии тестирования, диагностики и идентификации НС по их ВХ. Исследование взаимосвязи между конструктивными особенностями НС ее временными и частотными характеристиками.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Теория нестационарных электромагнитных процессов в многопроводных НС, удовлетворяющих условиям распространения квази- ТЕМ-волн. Анализ многопроводных НС методом временных Ф характеристик.

2. Методика аппроксимации поверхностного импеданса, диэлектрических потерь и коэффициента ослабления продольно однородных НС степенными функциями с дробным показателем и представление коэффициента передачи и передаточной функции продольно однородных НС в обобщенной форме.

3. Математические модели, методика и алгоритмы расчета обобщенных ВХП продольно однородных НС в обычных условиях и условиях глубокого охлаждения, включая режимы низкотемпературной (НТСП) и высокотемпературной (ВТСП) сверхпроводимости. Математические модели, методика и алгоритмы расчета временных характеристик неоднородных НС. 0 4. Математические модели, методика и алгоритмы расчета, результаты теоретических и экспериментальных исследований электромагнитных влияний между коаксиальными цепями многопроводных линий во временной области.

5. Аналитические выражения, методика и алгоритмы расчета временных характеристик экранирования металлических оболочек в широком интервале температур, включая режимы сверхпроводимости. О 6. Аналитические выражения и методики расчета искажений импульсов в НС, учитывающие потери в« проводниках и диэлектрике, несогласованность включения, неоднородности и взаимные влияния между цепями.

7. Методики идентификации и диагностики НС по результатам импульсных измерений.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы теории цепей, математический аппарат дифференциального и интегрального исчислений, функций комплексного переменного, операционных преобразований, теории вероятностей, численного моделирования на ЭВМ. Выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, основаны на теоретических и экспериментальных исследованиях.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Развита теория нестационарных электромагнитных процессов в многопроводных НС удовлетворяющих условиям существования квази-ТЕМ-волн. Получены интегральные уравнения для определения временных характеристик НС и разработаны алгоритмы определения реакции НС при произвольном воздействии и произвольной нагрузке при учете частотно-зависимых потерь в линии. Принятое математическое описание достаточно гибко трансформируется для разных частных случаев и в зависимости от сложности НС задача определения реакции может решаться аналитическим или численным методами.

2. Дано решение задачи расчета ВХП продольно однородных НС при учете суммарных потерь в проводниках (при различных типах поверхностного эффекта) и диэлектрике, основанное на аппроксимации частотной зависимости поверхностного импеданса, диэлектрических потерь и коэффициента ослабления линии степенной функцией с дробным показателем. Решение распространяется на широкий класс продольно однородных НС (при условии отсутствия высших типов волн) в широком диапазоне частот (до 100 ГГц) и широком интервале температур (4...300 К). От известных предложенное решение отличается общим подходом и в ряде случаев более высокой точностью.

3. Предложен и исследован метод степенной аппроксимации частотной зависимости поверхностного импеданса проводников при слабом и сильном скин-эффекте для нормальных металлов в обычном (293 К) и криогенном (70 К) режимах, для сверхпроводящих металлов в режиме НТСП и для композитных проводников в режиме ВТСП, а также метод аппроксимации частотной зависимости потерь в различных диэлектриках в широком диапазоне частот и интервале температур. Разработаны алгоритмы аппроксимации частотных зависимостей потерь в проводниках и 0» диэлектрике степенной функцией с дробным показателем по методу наименьших квадратов и определена погрешность аппроксимации для различных диапазонов частот ЦСП.

4. Исследована зависимость параметров ВХП продольно однородных НС от длины и температуры, а также получены простые аналитические соотношения, устанавливающие взаимосвязь между параметрами (Q временных и частотных характеристик этих систем.

5. Выполнен анализ влияния нестабильности геометрических размеров НС на параметры ВХП и даны рекомендации по выбору различных типов линий, предназначенных для передачи широкополосных импульсных сигналов с учетом требований минимального увеличения длительности фронта импульса, минимальной задержки и минимальной чувствительности параметров импульса к нестабильности геометрических размеров О продольно однородных НС.

— 6. Обобщен метод исследования искажений импульсных сигналов по нормированным ВХП однородных линий на случай неоднородных линий. Получены математические модели ВХ нерегулярной линии и исследовано влияние на эти характеристики неоднородностей в виде стыковых и оконечных соединений, а также неоднородностей, равномерно распределенных по длине линии (асимметрия, эксцентриситет, продольное вмятие и гофрирование коаксиальной цепи и др.).

7. Исследованы вопросы влияния температуры на электромагнитные связи в многопроводных НС. Получены математические модели для сопротивления связи микрокоаксиальных цепей с однородными и неоднородными внешними проводниками в широком интервале температур (4...300 К) и широком диапазоне частот (до 100 ГГц). Полученные аналитические соотношения позволяют выполнить расчет частотных и временных характеристик взаимного влияния в жгутах микрокоаксиальных кабелей в обычном и криогенном режимах, а также линий передачи на основе НТСП и ВТСП.

8. Разработаны алгоритмы и методики оценки электромагнитных влияний между цепями многопроводных линий во временной области. Методика позволяет определить наличие соответствия взаимных влияний в жгутах многопроводных коаксиальных линий и между отдельными цепями требованиям ЭМС на ранних стадиях проектирования кабельных сетей объектовой связи и межсоединений ЭВМ, что уменьшает стоимость и сроки их разработки.

9. Разработана методика экспериментального исследования ВХП, ВХВ и ВХЭ в многопроводных экранированных НС. Предложены макеты измерительных установок для диагностики и тестирования НС во временной области. Для различных линий передачи измерены ВХ. Результаты измерений подтвердили теоретические положения, развитые в работе. .

10. Предложены и исследованы методы оценки параметров цепей НС по результатам импульсных измерений, проводимых с одного из концов линии, в частности, оценены следующие параметры: время задержки и связанные с ним параметры линий с погрешностью 0,1...0,3 %; частотные зависимости коэффициента ослабления и фазы с погрешностью до 5 %; распределение электромагнитных связей в многопроводных НС с неоднородными внешними проводниками.

Достоверность полученных результатов обеспечена обоснованностью использования современного математического аппарата, высоким уровнем сходимости теоретических выводов с многочисленными экспериментальными данными и результатами численного моделирования.

Практическая ценность. На основе принятого математического описания нестационарных электромагнитных процессов разработана единая теория и созданы математические модели временных характеристик многопроводных НС различных конструкций, учитывающие потери в проводниках при нормальном и аномальном поверхностном эффекте, частотно-зависимые потери в диэлектрике, неоднородности линии, взаимные и внешние влияния.

Разработанные модели ВХ позволяют решать задачи анализа и оптимизации (по различным критериям) электрических цепей многопроводных линий передачи в нормальных условиях, при криогенных температурах, а также сверхпроводящих линий на основе низкотемпературной и высокотемпературной сверхпроводимости.

Теория, алгоритмы и разработанные методики открывают возможность выполнения анализа ЭМС цепей передачи информации на стадии проектирования различных цифровых систем передачи и обработки информации.

Разработаны алгоритмы и программы численного моделирования на ЭВМ, выполнен расчет и составлен каталог нормированных ВХП широкого класса однородных НС. На базе нормированных ВХП создана методика инженерного расчета искажений импульсных сигналов в многопроводных линиях и приведены примеры расчета искажений импульсов различной формы, что облегчает применение полученных в работе аналитических соотношений разработчиками при расчете, выборе и оптимизации технических параметров высокоскоростных ЦСПО.

Даны практические рекомендации по выбору волнового сопротивления, диэлектрической проницаемости изоляции, состояния промежуточных цепей и других характеристик многопроводных линий, предназначенных для передачи импульсов малой длительности. Эти рекомендации могут быть использованы при разработке новых более эффективных НС для высокоскоростных ЦСПО.

Разработан метод расчета временных характеристик взаимного влияния между коаксиальными цепями многопроводных линий и получены формулы для расчета ВХВ коаксиальных цепей с однородными и неоднородными внешними проводниками. Даны рекомендации по выбору состояния промежуточных цепей для ослабления взаимных импульсных помех в много парных линиях передачи информации.

Разработаны алгоритмы расчета частотных и временных характеристик влияния для широкого класса НС. Алгоритмы позволяют рассчитывать на ЭВМ характеристики взаимного влияния для различных практически используемых и перспективных конструкций НС с учетом всей совокупности присущих им особенностей применения в сетях внутри объектовой связи и межсоединений ЭВМ.

Предложена методика и аналитические соотношения для определения результирующих временных характеристик влияния многопроводных линий, объединенных в жгут. На базе временных характеристик создана методика расчета искажений импульсных сигналов различной формы в линиях связи ЦСПО.

Основные положения теоретического и экспериментального исследований ВХ цепей многопроводных НС использованы при расчете и оптимизации линейных трактов высокоскоростных ЦСП, при оценке защищенности от импульсных взаимных и внешних помех в коаксиальных и симметричных цепях в сетях ЭВМ, а также при оценке параметров передачи и влияния различных линий объектовой связи и цепей диагностики физических установок для термоядерных исследований.

Реализация и внедрение результатов исследования. Основные положения теоретического и экспериментального исследований направляющих систем передачи широкополосных импульсных сигналов, разработанные математические модели и методы расчета временных характеристик передачи, влияния и экранирования внедрены на ряде предприятий и использовались для определения длин регенерационных участков, оптимизации корректирующих усилителей регенераторов, определения норм на параметры электромагнитных влияний, выборе методов контроля и обеспечения электромагнитной совместимости цепей кабельных линий объектовой связи, а также при разработке нормативных документов.

Научные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы, в частности, методы исследования импульсных внешних и взаимных помех в многоканальных системах диагностики, методика расчета уровня взаимных помех в электрических цепях систем диагностики в зависимости от типа и длины линии, нагрузки и дополнительных экранов, рекомендации по выбору типа и конструкции линии передачи и требований к дополнительным экранам при воздействии мощных импульсных помех позволили значительно снизить трудоемкость оценки защищенности цепей от внешних и взаимных импульсных помех, а также выявить места сосредоточенных электромагнитных связей, что в конечном итоге привело к оптимизации конструкции экранирующих средств и значительному снижению затрат на экранирование системы диагностики высокотемпературной плазмы в токамаках нового поколения (ТСП, Т-15, ИТЭР и др.). Созданные НПО "Академприбор" АН Узбекистана. Совместно с ТЭИС изделия эксплуатируются с 1991 года в системах диагностики и управления токамаками Т-15 и ТСП, обеспечивая надежный контроль режимов работы в условиях сильных электромагнитных помех (ТРИНИТИ, Россия).

Разработанная методика инженерного расчета искажений импульсных сигналов в многопроводных НС, а также пакет программ внедрены на ряде предприятий (НТП "Беруни" Узбекистан, АГПТ "Алтеба" Казахстан, НИИ "Дельта" НІЖ "Красная заря" Россия) и используются при анализе и прогнозировании ЭМС кабельных сетей внутриобъектовой связи, локальных вычислительных сетях, а также в проводных линий межсоединений ЭВМ.

Разработанная теория нестационарных электромагнитных процессов в многопроводных НС, основные теоретические положения анализа временных характеристик передачи и влияния, формулы и методики расчета и измерения параметров линий передачи во временной области внедрены в учебный процесс (ТЭИС, Казахский НГУ).

Вклад автора в разработку проблемы. Постановка задач, теоретические исследования, обобщение полученных результатов, представляемых к защите, выполнены автором самостоятельно. Экспериментальные исследования, разработка методик и проведение измерений параметров различных направляющих систем во временной области проведено при непосредственном участии автора. Все результаты, представленные в диссертации, получены автором лично.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Всемирной конференции "Интеллектуальные системы для индустриальной автоматизации" (WCIS-2000, Ташкент 2000 г.), на международных конференциях "Новые информационные технологии в региональной инфраструктуре и образовании" (НИТРИО-2001, Астрахань 2001 г.), "Информационные методы повышения эффективности и помехоустойчивости радиосистем и систем связи", "Интеллектуализация систем управления и обработки информации", "Математическое моделирование и вычислительный эксперимент", "Системный анализ, моделирование и управление сложными процессами и объектами на базе ЭВМ", "Теория и методы расчета нелинейных цепей и систем", "Метрология в почтовой связи и телекоммуникациях" (Ташкент 1990, 1993, 1994, 1995, 1998 гг.), "Техника и технология связи" (Минск, 1999 г., Одесса, 2000 г.), на научных сессиях НТО ГЭС, посвященных Дню радио (Москва 1990, 1992 гг.), на республиканских НТК, "Цифровые сети и системы связи Республики Узбекистан", "Современное состояние, проблемы и перспективы развития информатизации в Узбекистане" (Ташкент 1993, 1994, 1999 гг.), а также на конференциях профессорско-преподавательского состава ТЭИС, (Ташкент, 1989...2000 гг.), АГГУ, (Астрахань, 2001, 2002 гг.).

Основные положения, новые научные результаты и выводы диссертации являлись предметом обсуждения на научных семинарах кафедры электротехники All У (Астрахань), кафедры ЭВМ, системы, сети Волг.ГТУ (Волгоград), кафедр линий связи МТУСИ (Москва), ПГАТИ (Самара), кафедры теории электрических цепей ТЭИС (Ташкент).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 79 научных работ [125...203], в том числе 40 статей [125, 127,134...141, 143...148,151, 152, 154, 159, 167,168,170 174...182, 185,186,189,193, 196, 199, 200], два учебных пособия [149,150]. Часть результатов отражены в 6 зарегистрированных в НТИЦ отчетах по НИОКР [204...214]. Основные результаты опубликованы в научных трудах, написанных автором лично. Вклад автора в работы, выполненные в соавторстве, состоит в постановке и формализации задач исследований, разработке и анализе математических моделей.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 6 глав, заключения, приложений и списка литературы из 214 наименований. Основная часть диссертации изложена на 248 страницах машинописного текста, содержит 88 рисунков и 19 таблиц.

Во введении дана характеристика современного состояния и тенденций развития систем передачи и обработки информации.

В первой главе приведен обзор методов анализа электрических цепей с распределенными параметрами, классификация НС, обзор состояния и тенденций развития теории и практики НС, классификация параметров, характеризующих НС во временной области. Дано математическое описание нестационарных электромагнитных процессов в многопроводных линиях, основанное на понятиях временных характеристик.

Во второй главе разработаны обобщенные математические модели частотных характеристик передачи однородных НС. Исследованы частотно-зависимые потери в проводниках и диэлектрике на основе известных теоретических выражений и экспериментальных данных. Определены частотно-температурные зависимости поверхностного импеданса для нормальных металлов в случае нормального и аномального поверхностного эффекта, а также проводников в условиях НТСП и ВТСП. Исследованы частотные зависимости ослабления однородных линий, определяемые потерями в металле, диэлектрике, а также суммарными потерями в металле и диэлектрике и выполнена их аппроксимация. Разработана обобщенная форма представления частотных зависимостей вторичных параметров НС в виде степенных функций.

В третьей главе разработаны обобщенные математические модели ВХП однородных НС в условиях согласованного включения. Приведены результаты разработки и исследования обобщенных ВХ однородных распределенных систем (ОРС) в широком интервале времен (до 1 пс) и температур (4...300 К) с учетом частотно-зависимых потерь в диэлектрике, в проводниках из нормальных металлов при нормальном и аномальном скин-эффекте, а также в проводниках на основе НТСП и ВТСП. Получены аналитические выражения для обобщенных временных характеристик в форме специальных функций, разработаны алгоритмы и программы генерирования ВХ на ЭВМ и выполнено их табулирование.

Нормализованные временные функции однородных распределенных систем являются основой для построения временных характеристик передачи и отражения неоднородных линий, а также временных характеристик влияния и экранирования в многопроводных НС.

В четвертой главе результаты разработки ВХП однородных линий развиваются на неоднородные линии. Разработаны и исследованы математические модели ВХП и временные характеристик отражения (ВХО) неоднородных линий. Составлены и исследованы математические модели ВХ однородных НС в условиях частотно-зависимого и частотно-независимого рассогласования волнового сопротивления линии и нагрузки. Исследовано влияние равномерно распределенных по длине НС неоднородностей в виде асимметрии, эксцентриситета, деформации проводников. Исследованы ВХП и ВХО нерегулярных линий в виде сумм основного, попутного и встречного импульсных потоков в зависимости от вида нерегулярности и температурного режима работы НС. Полученные ВХ нерегулярных линий позволили обобщить методику расчета искажений импульсных сигналов по нормированным ВХП однородных линий на неоднородные линии.

В пятой главе разработаны основы теории влияния между проводными цепями НС, а также элементы теории экранирования проводящих оболочек во временной области и получены математические модели для ВХВ и ВХЭ. Математическое описание нестационарных электромагнитных процессов в НС, выполненные в первой главе, конкретизируются для случаев многопроводных коаксиальных линий. Разработана методика расчета ВХВ между цепями многопроводных линий для различных конструкций и режимов работы. Получены аналитические соотношения для ВХВ в виде суммы ВХВ в области больших и области малых времен электрически коротких и электрически длинных линий. Выполнен анализ зависимости формы и амплитуды наведенных импульсов от длины, расстояния между КП, температуры, наличия дополнительных экранов, а также состояния промежуточной цепи. Рассмотрены ВХЭ проводящих оболочек НС. Определены и исследованы ВХЭ экранных оболочек выполненных из нормальных металлов, а также из материалов на основе НТСП и ВТСП. Исследованы вопросы эффективности экранирования проводящих оболочек в зависимости от температуры.

В шестой главе рассмотрены вопросы использования ВХ в практических целях. Разработаны методы экспериментального исследования ВХ, а также импульсные методы диагностики и тестирования НС. Сформулированы требования к испытательным импульсным воздействиям, выполнена оценка точности импульсных измерений ВХ, приведены результаты измерений ВХ различных цепей. Рассмотрены вопросы расчета искажений импульсных сигналов в НС, методы коррекции искажений сигналов и алгоритмы их (Восстановления. Приведен метод оценки соответствия электромагнитных влияний между цепями многопроводных линий межсоединений и объектовой связи требованиям ЭМС. Приводятся результаты исследования вопросов параметрической идентификации НС на основе ВХП. Предложены решения задач оптимизации конструкций симметричных и коаксиальных цепей по критерию минимума конструктивной постоянной времени линии.

В заключении подведены итоги работы, приведены результаты практической реализации и перспективы дальнейшего развития выбранного направления исследования.

В приложение включены выводы некоторых формул, алгоритмы численного моделирования и таблицы нормализованных временных функций, а также отзывы различных предприятий.

Подобные работы
Петров Андрей Борисович
Методы и алгоритмы анализа элементов устройств вычислительной техники и систем управления на предсказуемость поведения
Сухинец Жанна Артуровна
Исследование функциональных устройств вычислительной техники и систем управления на базе цепных моделей
Суворова Елена Александровна
Параллельные устройства вычислительной техники класса "системы-на-кристалле"
Кукушкин Юрий Тимофеевич
Управление исполнительными устройствами систем автоматизированного электропривода на основе бесконтактных двигателей постоянного тока
Алехин Владимир Александрович
Развитие теории проектирования, разработка и реализация новых принципов функционирования оптических и термографических устройств регистрации и отображения с линейной записью информации
Демин Алексей Юрьевич
Измерительные генераторы малой заданной электрической мощности (Развитие теории, исследования и разработка)
Коробкова Елена Николаевна
Методы и алгоритмы анализа и синтеза цифровых устройств, основанные на представлении логических функций в обобщенной форме
Лихачев Александр Сергеевич
Методика анализа и синтеза элементов тракта речепреобразования для низкоскоростных систем связи
Стешина Людмила Александровна
Синтез устройств системы управления процессом гранулирования суспензий твердых сплавов
Вербин, Владимир Сергеевич
Разработка методологической базы для исследования и обеспечения помехоустойчивости управляющих систем и устройств на информационных объектах

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net