Пошаговое описание алгоритма

Базовый алгоритм фрактального кодирования изображений выполняется следующим образом.

1. Разбивается изображение f на неперекрывающиеся ранговые блоки{ }. В данной работе ранговые блоки - это прямоугольники, но могут использоваться и другие формы, например, треугольники. Блоки , могут быть равными, но чаще используется адаптивное разбиение с переменным размером блоков. Это дает возможность плотно заполнять ранговыми блоками маленького размера части изображения, содержащие мелкие детали. Один распространенный тип адаптивной схемы разбиения это - метод квадродерева (quadtr e partitioning), описанный у Фишера.

2. Покрывается изображение последовательностью доменных блоков, возможно перекрывающихся. Домены могут быть разных размеров и, обычно их количество исчисляется сотнями и тысячами.

3. Для каждого рангового блока выполняется поиск домена и соответствующее преобразование, которое наилучшим образом покрывает ранговый блок. Обычно это аффинное преобразование вида. Настраиваются параметры преобразования, такие как контрастность и яркость, для наилучшего соответствия.

4. Если достаточно точного соответствия не получилось, то происходит разбивка ранговых блоков на меньшие ранговые блоки.

Продолжается этот процесс до тех пор, пока или не достигается приемлемое соответствие, или размер ранговых блоков не достигнет некоторого заранее определенного предела.

Алгоритм распаковки состоит в итерационных преобразованиях, выполняемых с помощью коэффициентов IFS. Достаточно 15-20 итераций, чтобы полностью восстановить изображение (т.е. стабилизировать изображение, привести к аттрактору).

Мы сохраняли в файл такие данные, как число регионов по Х и У, размер региона и коэффициенты IFS.

Для распаковки выполняем следующее:

- создаем прототип исходного изображения. Его размеры соответствуют числу регионов, умноженному на размер региона. Все пиксели закрашиваются одним и тем же цветом (например, серым). Размер региона не обязательно брать таким, каким мы его сохраняли в файл (сохраняли мы его для других целей). Если задать размер региона меньше, чем сохраненный, то изображение будет уменьшено, если больше – то увеличено;

- запоминаем масштабный коэффициент. Без него мы не сможем в дальнейшем рассчитать по координатам, хранящимся в IFS, смещение домена. Коэффициент рассчитывается как отношение размера региона, взятого из файла, к размеру региона, заданного пользователем;

- в цикле (например, 15 итераций) выполняем следующее:

а) по исходному изображению создаем доменное изображение. Оно создается точно также, как и при сжатии изображения, однако на домены оно не разбивается, т.к. информация об усредненной цветояркости нам уже не нужна;

б) перебираются все регионы, и для каждого региона выполняется заданное (в IFS) аффинное преобразование над доменом, координаты которого определяются как координаты, взятые из IFS и деленные на масштабный коэффициент. Изображение, полученное в результате аффинного преобразования, копируется в текущий регион исходного изображения, но при этом яркость каждого пикселя складывается со значением разности яркости, хранящимся в IFS.

В результате мы получим восстановленное (стабилизированное) изображение, т.е. аттрактор.

Плюсы: - высокая скорость восстановления изображения; - возможность многократного увеличения изображения без возникновения пикселизации.

Литература

1. Уэлстид С. Фракталы и вейвлеты для сжатия изображений в действии. Учебное пособ.-М.: Издательство Триумф, 2003-320 с.: ил.

2. Столниц Э., ДеРоуз Т., Салезин Д. Вейвлеты в компьютерной графике. Учебное пособ. М.: Издательство Престиж, 2002. 271 с.: ил.

3. Шляхтин С. В мире фрактальной графики. – СПб., Компьютер Price, 2005. 184 с.: ил.

4. Шредер М. Фракталы, хаос, степенные законы. - Ижевск: НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика", 2001, 528 с.

5. Божокин С.В., Паршин Д.А. Фракталы и мультифракталы. - Ижевск: НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика", 2001, 128 с.

6. Балханов В.К. Введение в теорию фрактального исчисления. - Улан-Удэ.: Изд. Бурятского гос. ун-та, 2001, 58 с.

7. Балханов В.К., Башкуев Ю.Б. Фрактальные разветвленные структуры. Дельта реки Селенга // Горный информационно - аналитический бюллетень, 2002. № 4. С. 20-23.

8. Сокол А.В. «Оптимизация алгоритма сжатия изображений JPEG 2000 с помощью подбора длины R-D кривых».//Электронный журнал "Исследовано в России», 56. 2005. С. 625-643.

Воронежский институт высоких технологий (ВИВТ)

УДК 681.3

М.С. Мохненко

Электроэнергия из водосточных труб

В мире с каждым годом растёт спрос на экологически чистые и дешёвые источники энергии. Одним из самых экономически выгодных направлений в энергетике является получение энергии из природных явлений окружающей среды. В практике уже давно используются солнечные батареи, однако они обладают существенным недостатком - они работают только в ясную погоду. Необходимо разработать методы получения энергии в пасмурную погоду. Одним из таких методов является получение энергии за счет течения дождевой воды в водосточных трубах

В связи с повышением цен на топливные ресурсы и ухудшающейся экологической обстановкой человечество всё более начинает использовать альтернативные источники энергии. Например, ветрогенераторы, они обладают КПД 25-35 % и средней мощностью 6 Мвт. Для ветрогенераторов важен высокий среднегодовой уровень ветра. Ветряные электростанции строят в местах с высокой средней скоростью ветра — от 4,5 м/с и выше. Для воронежской области средняя скорость ветра составляет 4,8 -5,1 м/с [1], что не многим выше нижнего порогового значения. Другой пример - солнечные батареи, они имеют КПД 9-24 %, мощность одной секции в среднем составляет около 100 - 175 Вт [2]. Однако солнечные батареи обладают существенным недостатком - они работают только в ясную погоду.

Все эти источники, помимо экологической чистоты, обладают практически неисчерпаемым сроком службы, так как принцип их работы основан на использовании возобновляемых природных ресурсов. Ещё одним из таких источников являются гидрогенераторы. В настоящий момент гидроэлектростанции работают только в тех местах, где есть водоёмы с большими потоками воды. Самая большая ГЭС в России - Саяно-Шушенская ГЭС, она стоит на реке Енисей и до аварии вырабатывала мощность 1,28 ГВт.

В пасмурную погоду, когда идёт дождь, на землю падают огромные объёмы воды, при этом на крышах зданий скапливается достаточное количество воды для приведения в действие небольшого гидрогенератора. Целесообразно устанавливать эти генераторы в самом низу водосточных труб, так как именно там почти вся потенциальная энергия падающей воды перейдёт в кинетическую и будет равна [1]

где: m - масса падающей воды; g - ускорение свободного падения; h - высота водосточной трубы;

При этом часть энергии будет неизбежно рассеяна на трение воды о стенки трубы. Так же накопленная на гидрогенераторе энергия будет зависеть от КПД самого генератора

где: - кинетическая энергия падающей воды;

- энергия рассеянная на трение;

Поскольку движение дождевой воды вниз по трубе представляет собой турбулентное течение которое очень сильно зависит от многих параметров, точно рассчитать практически невозможно. Однако можно избавиться от этого члена вычислив экспериментально скорость течения воды в конкретной трубе. При этом мы получим скорость уже с поправками на трение. Накопленная за час гидрогенератором энергия в этом случае будет равна

где: - скорость течения воды (кг/сек);

Рассмотрим полученные соотношения на конкретном примере: определим, сколько можно собрать энергии, установив гидрогенератор в водосточной трубе здания Воронежского Института Высоких Технологий. Высоту здания, а с ним и длину водосточной трубы можно определить методом триангуляции, в данном случае она составляет 38 метров. Экспериментально было установлено, что средняя скорость течения воды по трубам во время дождя составляет около 0.33 килограмм в секунду. КПД капсульных гидрогенераторов составляет 95% [4]. Если дождь шёл один час, то накопленная энергия будет равна

джоулей или 0.11 кВт·ч. Данного количества энергии достаточно чтобы лампа дневного света мощностью 23 ватта работала в течении

часов.

Другой пример - высота галереи Чижова в Воронеже составляет около 100 метров. Если по углам здания установить четыре водосточные трубы, оснащенные гидрогенераторами, то накопленная за час энергия будет составлять

джоулей или 1,22 кВт·ч. Этой энергии достаточно чтобы лампа дневного света мощностью 23 ватта работала в течении 53,4 часов.

Поскольку гидрогенераторы обладают достаточно большим КПД – 95 %, а среднегодовое количество осадков в Воронеже 579 мм[2], что выше среднего по России, это делает достаточно выгодным установку гидрогенераторов в водосточных трубах. Мощность этой системы во время дождя в среднем составляет 123 Вт, что делает её сравнимой с мощностью солнечных батарей в солнечную погоду.

Рис. 1. Зависимость получаемой за час энергии от высоты здания

и скорости течения

Эти результаты показывает выгоду, которую можно получить, установив гидрогенератор всего в одной водосточной трубе. Количество накопленной энергии линейно зависит от высоты здания и скорости течения дождевой воды по водосточной трубе и пропорционально количеству водосточных труб. Однако труб не должно быть слишком много, иначе уменьшиться скорость течения дождевой воды по трубе.

Рис. 2. График сравнения солнечных батарей и гидрогенераторов

в водосточной трубе

Установив на крышах зданий фотоэлементы, а в трубах гидрогенераторы можно извлекать двойную выгоду.

Литература

1. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: Учеб. пособие для втузов. 2-e издание, испр. и доп. М.: Высш. шк., 1999. 718 с: ил.

2. Справочник по электрическим машинам: В 2 т./ Под общ. ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова. Т. 1. - М.: Энергоатомиздат, 1988. 456 с: ил.

Воронежский Институт Высоких Технологий (ВИВТ)

УДК 681.3

Г.И. Петращук

МЕНЕДЖМЕНТ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЯХ

Телекоммуникационные услуги должны предоставляться потребителям с установленным уровнем качества на основе международных стандартов и отвечать уровню развития телекоммуникационных сетей

В Концепции развития телекоммуникаций в России до 2010 г. определено, что "телекоммуникационные услуги должны предоставляться потребителям с установленным уровнем (системой показателей) качества на основе международных стандартов и отвечать уровню развития телекоммуникационных сетей и платежеспособности потребителей телекоммуникационных услуг в России. Потребители должны иметь право выбора телекоммуникационных услуг по их качеству и цене, а также получать от операторов или провайдеров телекоммуникаций информацию о показателях качества и условиях предоставления услуг". Требования к субъектам рынка, предоставляющим телекоммуникационные услуги (операторам и провайдерам телекоммуникаций) по обеспечению установленного уровня качества предоставляемых телекоммуникационных услуг, отражены в Законе России "О телекоммуникациях", а также в "Правилах предоставления и получения телекоммуникационных услуг". Кроме того, демонополизация телекоммуникационного рынка, внедрение современных технологий в телекоммуникационных сетях России диктуют повышение качества телекоммуникационных услуг, что на современном этапе рассматривается в качестве метода привлечения новых потребителей и абонентов. В таких условиях операторы и провайдеры вынуждены перестраивать свои отношения с потребителями услуг. Если в мировой практике организация деятельности предприятий сферы телекоммуникаций на основе систем управления качеством стала массовым явлением, то для России это явление уникальное, несмотря на наличие целого ряда нормативных документов в сфере телекоммуникаций. Для начала стоит разобраться в терминологии. Лицензионные условия обязывают операторов-лицензиатов придерживаться требований нормативно-правовых актов и отраслевых нормативных документов, которые регулируют деятельность в сфере телекоммуникаций, в том числе определяют:

• технические нормы и параметры каналов электросвязи и оборудования телекоммуникаций;

• нормы на показатели качества предоставления телекоммуникационных услуг.

Нормы на показатели качества услуг связи и методики проведения их оценочных испытаний представлены в таблице.

Таким образом, телекоммуникационная услуга может иметь свои потребительские свойства (в примере - "доступность связи"), которые могут характеризоваться показателями качества услуги. Потребительские свойства услуги - это интегральные характеристики одного или нескольких свойств услуги, которые определяют ее качество и которые должны поддаваться аудиту как со стороны операторов регулирующих органов, так и со стороны потребителей услуг, и могут быть получены по результатам измерений, обработки статистических данных и опросов. Показатели качества услуги - это количественные характеристики одного или нескольких свойств телекоммуникационной услуги, определяющие ее качество и совокупность технических показателей, которые должны поддаваться аудиту как со стороны операторов регулирующих органов, так и со стороны потребителей услуг, и могут быть получены по результатам измерений, обработки статистических данных и опросов. Показатели качества работы сети - это количественные характеристики, технические показатели, полученные в результате испытаний и измерений параметров телекоммуникационной сети, каналов электросвязи, технических средств телекоммуникаций. С учетом сложившейся практики под термином "качество телекоммуникационных услуг" следует понимать совокупность потребительских свойств и показателей услуги, которые определяют способность удовлетворить установленные или прогнозируемые потребности потребителя телекоммуникационных ус Модель системы менеджмента качества, основанная на процессном подходе, иллюстрирует связи между процессами.

Для любого управленца характерно:

Требование - потребность или ожидание, которое установлено; обычно предполагается или является обязательным. В примечаниях говорится, что "обычно предполагается" означает, что это общепринятая практика организации, ее потребителей и других заинтересованных сторон, когда предполагаются рассматриваемые потребности или ожидания. Для обозначения конкретного вида требования могут применяться определяющие слова, например требование к продукции, требование к системе качества, требование потребителя. Установленным является такое требование, которое определено, например, в документе. Требования могут выдвигаться различными заинтересованными сторонами. Удовлетворенность потребителей - восприятие потребителями степени выполнения их требований. В примечаниях оговаривается, что жалобы потребителей являются показателем низкой удовлетворенности потребителей, однако их отсутствие не обязательно предполагает высокую удовлетворенность потребителей. И даже если требования потребителей были согласованы и выполнены, это не обязательно обеспечивает высокую удовлетворенность потребителей. Характеристика качества - присущая характеристика продукции, процесса или системы, вытекающая из требования. В примечаниях говорится, что "присущая" означает имеющаяся в чем-то. Прежде всего, это относится к постоянной характеристике. Присвоенные характеристики продукции, процесса или системы (например, цена продукции, владелец продукции) не являются характеристиками ее качества, процесса или системы.

Под "менеджментом качества" телекоммуникационного предприятия понимают административную деятельность, которая направлена на установление перечня показателей и соответствующих им нормативов качества комплексного обслуживания потребителей, оценку соответствия качества услуги этим нормативам, принятие мер при выходе показателя за пределы норматива, коррекцию нормативов в сторону их улучшения с точки зрения потребителя. Система менеджмента качества телекоммуникационного предприятия должна учитывать особенности, присущие своей сфере. Так, важным элементом системы менеджмента качества является метод базовых оценок, состоящий в том, что характеристики и показатели качества обслуживания оператором потребителей телекоммуникационной услуги сопоставляются с мировыми стандартами. В составе показателей качества услуги наиболее важным является степень удовлетворения требований потребителей. Общедоступная (универсальная) услуга - это обобщенное понятие, включающее в себя совокупность услуг приемлемого качества, которые предоставляются на некоторой географической территории (отдельной страны, ряда государств) всем потребителям независимо от их местонахождения и по доступным ценам, на которые влияют национальные условия. Алгоритм процесса определения требований к качеству обслуживания потребителей телекоммуникационных услуг. Рассмотрим алгоритм процесса определения требований к качеству обслуживания потребителей телекоммуникационных услуг применительно к сфере телекоммуникаций России. В соответствии с классификацией, приведенной в "Правилах предоставления и получения телекоммуникационных услуг", для каждого вида этих услуг определяются основные и дополнительные услуги. Требования для качества основных услуг должны определяться как обязательные. Нормативы на показатели качества могут быть общими для нескольких видов услуг, а также специфическими для отдельных.

Показатели качества обслуживания потребителей телекоммуникационных услуг подразделяются на группы:

показатели качества работы телекоммуникационной сети;

количественные показатели качества телекоммуникационных услуг;

показатели степени удовлетворенности потребителей обслуживанием.

Каждое потребительское свойство услуги характеризуется определенными техническими показателями качеств услуги. В свою очередь, каждый показатель качества услуги определяется одним или несколькими показателями качества работы телекоммуникационной сети. Алгоритм процесса определения требований к показателям качества обслуживания потребителей и качеству телекоммуникационных услуг с учетом рассмотренных выше подходов включает в себя следующие параметры:

• формирование номенклатуры показателей качества телекоммуникационных услуг;

• формирование норм (нормирование) на показатели качества телекоммуникационных услуг;

• выбор методов и разработка методик оценки показателей качества телекоммуникационных услуг;

• сравнение фактических значений с нормированными значениями показателей качества телекоммуникационных услуг.

Показатели степени удовлетворенности потребителей обслуживанием. Потребительские требования к услуге выражаются на основе характеристик и показателей качества услуги. Выполнение этих требований обеспечивается выполнением технических требований к услуге, которые определяются показателями качества услуги, а также технологическими показателями обслуживания потребителей оператором, провайдером телекоммуникаций. Сравнение фактических значений с нормированными значениями показателей качества обслуживания потребителей и качества телекоммуникационных услуг может проводиться на основе результатов, полученных:

• при проведении внутренних аудитов операторами телекоммуникаций;

• по результатам внешних аудитов и оценки показателей качества телекоммуникационных услуг.

Таким образом, нормативы на показатели качества обслуживания потребителей и качество телекоммуникационных услуг, методы и методики их оценки должны быть описаны в нормативных документах. При этом в случае разработки дополнительных нормативных документов (национальных или отраслевых) они должны быть гармонизированы с действующими европейскими. Рассмотренный европейский опыт по обеспечению гарантированного уровня качества телекоммуникационных услуг и уровня качества обслуживания потребителей телекоммуникационных услуг представляет особый интерес в условиях интеграции Украины в европейское сообщество. Выполнение телекоммуникационными предприятиями обязательств перед потребителями в странах ЕС реализуется целой системой мер, которые после совершенствования и адаптации к состоянию телекоммуникационного рынка целесообразно использовать в нашей стране операторам и регулирующим органам.

Воронежский институт высоких технологий (ВИВТ)

УДК 681.3

А.А. Пирогов, О.Ю. Макаров

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ КАНАЛЬНОГО КОДИРОВАНИЯ

СИГНАЛОВ В СЕТЯХ СВЯЗИ АБОНЕТСКОГО ДОСТУПА

Одной из основных особенностей современно общества является его высокая мобильность и, как следствие этого, широкое использование подвижных систем связи. В настоящее время в большинстве стран количество абонентов подвижной связи начинает превосходить количество абонентов стационарных сетей. В связи с этим вопрос о качестве сотовой связи является достаточно актуальным

Надежность сотовой связи и ее качество зависит от ряда факторов от особенностей местности, погодных радио и электромагнитных условий. Поэтому есть вероятность того, что связь требуемого качества не всегда будет предоставлена абоненту в любом месте и в любое время. По средствам сетей сотовой связи GSM реализуется не только передача речевой информации между абонентами, но также и иных различных данных, таких как текстовые сообщения, файлы мультимедиа. Пользователю сети представляется большее информационное пространство, сохраняя при этом его мобильность.

В связи с этим возникает задача обеспечения абонентов высококачественной связью в любой момент времени. Немаловажным фактором в обеспечении высококачественной связью играют методы и средства кодирования и преобразования передаваемого сигнала. Основной задачей помехоустойчивого кодирования является решение проблемы обеспечения высокой достоверности передаваемых данных за счет применения устройств кодирования/декодирования (кодеков).

Актуальность задачи можно сформулировать как необходимость разработки универсальных методов, математических моделей, алгоритмов канального кодирования и декодирования передаваемой информации для стандартов сетей GSM абонентского доступа, работающих с различными скоростями кодирования, позволяющих повысить помехоустойчивость сети и сократить затраты времени на проведение проектирования и тестирования используемых кодеков.

Система передачи цифровой информации. Основной задачей помехоустойчивого кодирования является решение проблемы обеспечения высокой достоверности передаваемой информации за счет применения устройств кодирования/декодирования в составе системы передачи цифровой информации, структурная схема которой представлена на рис. 1. Данная схема широко используется в теории помехоустойчивого кодирования, поскольку она охватывает большинство ситуаций, которые встречаются на практике.

Рис. 1. Структурная схема системы передачи цифровой информации

Рассмотрим основные принципы работы представленной схемы. Сначала источник данных порождает данные в виде двоичных символов. Обычно предполагают, что «нули» и «единицы» появляются независимо друг от друга и с одинаковыми вероятностями. Затем кодер канала вносит в принятую информационную последовательность некоторую избыточность (данный процесс называется кодированием), которую декодер сможет использовать для исправления возникающих при передаче данных по каналу связи ошибок.

Закодированные данные с выхода кодера поступают на модулятор, который с помощью какого-либо метода модуляции реализует их отображение в аналоговый сигнал S(t). Модулятор может просто отобразить каждый двоичный символ в один из М = 2 возможных сигналов s₀(t) и s₁(t) (в этом случае говорят о двоичной модуляции), а может передавать q-битовые блоки (q>1) при помощи М > 2 возможных сигналов (М - позиционная модуляция).

В физическом канале сигнал S(t) подвергается воздействию шума n(t). Для количественной оценки степени влияния шума n(t) на сигнал S(t) обычно используют отношение сигнал - шум E_s/N₀ определяемое как отношение мощности сигнала Р_с к мощности шума Р_щ. Данное отношение выражается в децибелах, т.е.:

E_s/N₀ = 10 lg(P_с/P_ш)

Далее демодулятор преобразует принятый из канала сигнал R(t) в последовательность чисел, представляющих оценку переданных данных. После этого детектор квантует выход демодулятора на Q – уровней. В случае если Q = M, то говорят, что детектор выносит жесткое решение относительно переданных символов, если же Q > M, то детектор выносит мягкие решения.

Затем квантованный выход детектора поступает на декодер канала, который, используя внесенную кодером избыточность, определяет переданное источником сообщение (данный процесс называется декодированием).

Канальное кодирование. Из-за влияния естественных или искусственных электромагнитных помех закодированная речь или сигналы данных, передаваемые по радиоинтерфейсу, должны быть защищены от ошибок. В сетях сотовой связи абонентского доступа GSM используется, как правило, сверточное кодирование. Конкретные алгоритмы для речи и для различных скоростей передачи данных в значительной степени отличаются между собой.

Сверточное кодирование – это метод передачи с исправлением ошибок, при котором каждое поле входной последовательности длины k преобразуется в канальный поток данных длины n. Здесь k – длина кодового ограничения, она указывает длину регистра сдвига, запоминающего поле входного потока. Каждый бит выходной последовательности получается как результат суммирования по модулю 2 нескольких последовательно передаваемых k символов входной последовательности. Отношение длины исходной информационной последовательности к длине кодированной последовательности называется скоростью кодирования и обозначается r:

r = k/n

Схема кодека сети абонентского доступа. В данной работе предложен вариант достижения поставленной цели за счет применения в структуре кодека структур каскадного кодирования/декодирования. В основе построения, которых лежит идея совместного использования нескольких составляющих кодов. Данный подход позволит существенно повысить эффективность применения кодирования по сравнению с базовыми некаскадными методами.

Декодирование каскадного кода осуществляется в обратном порядке, т.е. принятая из канала последовательность сначала декодируется декодером внутреннего кода, а затем полученная последовательность декодируется декодером внешнего кода

Наиболее подходящей в данном случае будет каскадная схема, в которой внешним кодом является недвоичный код Рида-Соломона, а внутренним - сверточный код (далее будем рассматривать сверточный код Финка). Также целесообразно в схеме между внешним и внутренним кодером/декодером включить устройство перемежения и восстановления (деперемежения), осуществляющие псевдослучайную перестановку символов внешнего кода и восстановление исходного порядка символов соответственно. Это необходимо для устранения групповых ошибок в информационной последовательности. А применение двоичного сверточного кода и каскадной недвоичной кодировки предотвратит появление единичных ошибок.

Для согласования работы кодека в сетях различных стандартов GSM, необходимо предусмотреть в кодере возможность изменения скорости кодирования и, соответственно, длину кода. Это осуществимо посредствам перфорации кода. В результате, выходная последовательность принадлежит перфорированному коду более высокой скорости. Это позволяет сделать более универсальной систему кодер-декодер, с возможностью работы с разными скоростями кодирования информации в различных каналах связи. Структурная схема кодека сети абонентского доступа представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема кодека сети абонентского доступа

В системах с ограниченной энергетикой кодирование позволяет уменьшить необходимое отношение сигнал – шум, оптимальным образом распределить мощность ретранслятора между каналами и увеличить число каналов.

Анализ схемы кодека сети абонентского доступа. Рассмотрим идею построения рекуррентного сверточного кода Финка. В этом коде последовательность кодовых символов не разделяется на отдельные кодовые комбинации. В поток информационных символов включаются корректирующие символы, так что между каждыми двумя информационными символами помещается один корректирующий.

(а) (б)

Рис. 3. Алгоритмы работы системы кодер-декодер двоичного сверточного рекуррентного кода Финка

Обозначая информационные символы через a_i, а корректирующие через b_i получаем такую последовательность символов (пункт 2, рис. 3а):

a₁b₁ a₂b₂ a₃b₃ …….a _kb _k a _k+1b _k+1

Информационные символы определяются передаваемым сообщением, а корректирующие формируются по следующему правилу (пункт 3, рис. 3а):

b_i = a_k–S + a_k+S+1 (mod2)

где s – произвольное целое число, называемое шагом кода (s = 0,1,2…).

На рис. 3а представлен полный алгоритм кодирования рекуррентного сверточного кода Финка.

На стороне приема осуществляется та же самая процедура получения проверочных символов, что и на стороне передачи, и производится сравнение их с принятыми проверочными символами. Если при приеме ошибок нет, то результат суммирования по модулю 2 (сравнение) будет состоять из последовательности, содержащей одни нули. Эта последовательность, так же как в блочных циклических кодах, называется синдромом S (пункты 4, 5, рис. 3б).

Декодирование при ошибке в одном проверочном символе при разных значениях шага s вызывает в результате суммирования различие только в одном символе, что не влияет на правильный прием информативной последовательности (пункт 9, рис. 3б).

Полный алгоритм кодирования кода Рида-Соломона, применительно к сетям сотовой связи абонентского доступа показан на рис. 4а. Рассмотрим подробнее каждый из эго этапов.

Ниже представлена наиболее распространенная форма кодов Рида-Соломона через параметры n, k, t и некоторое положительное число m > 2 (пункты 1, 2, рис. 4а).

Здесь n - k = 2t – число контрольных символов, t – количество ошибочных битов в символе, которые может исправить код. Генерирующий полином для кода Рида-Соломона имеет следующий вид:

Степень полиномиального генератора равна числу контрольных символов. Поскольку полиномиальный генератор имеет порядок 2t, мы должны иметь в точности 2t последовательные степени α, которые являются корнями полинома. Обозначим корни g(X) как: α, α², ..., α ^2t. Нет необходимости начинать именно с корня α, это можно сделать с помощью любой степени α. Возьмем используемый в сетях связи код (7, 3) с возможностью коррекции двухсимвольных ошибок. Мы выразим полиномиальный генератор через 2t = n - k = 4 корня следующим образом (пункт 3, рис. 4а):

(а) (б)

Рис. 4. Алгоритмы работы системы кодер-декодер недвоичного кода

Рида-Соломона

Так как код Рида-Соломона является циклическим, кодирование в систематической форме аналогично процедуре двоичного кодирования. Мы можем осуществить сдвиг полинома сообщения m(Х) в крайние правые к разряды регистра кодового слова и произвести последующее прибавление полинома четности р(Х) в крайние левые n - k разряды.

Здесь q(X) и р(Х) – это частное и остаток от полиномиального деления. Как и в случае двоичного кодирования, остаток будет четным.

Результирующий полином кодового слова U(X), можно переписать указанным выше уравнением (пункт 5, рис. 4):

Рассмотрим алгоритм декодирования на примере сообщения, кодируемого в систематической форме с помощью кода Рида-Соломона (7, 3). Допустим, что в ходе передачи кодовое слово подверглось искажению: 2 символа были приняты с ошибкой. (Такое количество ошибок соответствует максимальной способности кода к коррекции ошибок.) При использовании 7-символьного кодового слова модель ошибки можно представить в полиномиальной форме следующим образом:

В данном случае принятый полином поврежденного кодового слова r(Х) представляется в виде суммы полинома переданного кодового слова и полинома модели ошибки, как показано ниже (пункт 2, рис. 4б).

Также осуществляется операция определения синдрома и локализации ошибок. Показанный алгоритм восстанавливает принятый полином, выдавая в итоге предполагаемое переданное кодовое слово и, в конечном счете, декодированное сообщение (пункты 13, 14, рис. 4б).

Перфорация кода состоит в систематическом удалении из процесса передачи в канал некоторых битов (символов) с выхода низкоскоростного кодера. Так как структура решетки низкоскоростного кодера не изменяется, то количество информационных символов не изменяется. В результате, выходная последовательность принадлежит перфорированному свершенному коду более высокой скорости.

Практическая реализация сверточных кодов со скоростями R = k/n встречает затруднения, особенно в случае больших скоростей передачи данных. Упрощение алгоритма обработки может быть получено при выборе кода с R = 1/n и «выкалывании» или удалении некоторых символов в выходной последовательности для получения кода с R = k/n. В частности, кодовые последовательности требуемого кода с R = 2/3 могут быть получены из последовательностей кода с R = 1/2 путем периодического вычеркивания (перфорации) символов. Полученный код будет иметь три символа на выходе декодера для каждых двух информационных символов, т.е. его скорость будет равна R = 2/3. Такие коды называются перфорированными.

Рис. 5. Образование символов перфорированного кода

На рис. 5 показан процесс перфорации. При поступлении на вход кодера информационного символа u на его выходе образуется пара символов p и q. В перфораторе, состоящем из четырех тактируемых регистров, производится такое преобразование последовательностей p и q в кодовые последовательности P и Q, при котором символы q₂ и q₄ на выходе отсутствуют. Четырем информационным символам на входе кодера соответствуют восемь символов на его выходах p₁p₂p₃p₄ и q₁q₂q₃q₄ и шесть символов на выходах перфоратора p₁p₃p₄ и q₁q₃p₂. При этом скорость перфорированного кода 2/3. На приемной стороне необходимо обратное преобразование

Результатом исследования будет являться алгоритмическая модель кодека сети связи, реализованная в RTL коде с использованием языка аппаратного описания VHDL. Данная модель является наиболее оптимальным результатом для дальнейшего проектирования устройства.

Литература

1. Регламент радиосвязи. Междунар. Союз Электросвязи. М.: Радио и связь, 1985. Т. 1. 511 с.

2. Регламент радиосвязи. Приложения, резолюции и рекомендации. Междунар. Союз Электросвязи. М.: Радио и связь, 1986. Т. 2. 747 с.

3. Князев А.Д., Кечиев Л.Н., Петров Б.В. Конструирование радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости. М.: Радио и связь, 1989. 224 с. ил.

Воронежский государственный технический университет

УДК 681.3

В.А. Сладких

Амплитудный метод определения координат

источников радиоизлучения СВЧ-диапазона

В статье приведены результаты исследования влияния скорости вращения, ширины диаграммы направленности приемной измерительной антенны, скорости движения мобильной станции радиомониторинга на точность определения координат источников радиоизлучения СВЧ-диапазона

В настоящее время все большее развитие получают радиосистемы сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона частот, в том числе системы спутниковой радиосвязи и вещания, разнообразные системы радиосвязи и передачи данных, радиорелейные системы и т.д., что повышает необходимость контроля радиочастотного спектра в этом диапазоне.

Необходимым аспектом контроля радиочастотного спектра является пеленгование и определение местоположения источников радиоизлучения (ИРИ).

Для пеленгования и локализации ИРИ в настоящее время используются стационарные и мобильные станции радиомониторинга, оснащенные автоматическими радиопеленгаторами [1]. При этом наиболее оправдано применение мобильных станций ввиду того, что в СВЧ диапазоне радиосредства часто используют антенны с узкой диаграммой направленности (ДН) и малым уровнем боковых лепестков. Поэтому их обнаружение c земной поверхности в большинстве случаев возможно лишь за счет бокового излучения и только с небольшого расстояния.

Мобильные станции радиомониторинга обычно оснащаются измерительными одноканальными приемниками с поворотными антеннами. Диапазон рабочих частот обычно достигает 18 ГГц и выше. Такая аппаратура может использоваться в качестве амплитудного пеленгатора, она относительно недорогая по сравнению с автоматическими радиопеленгаторами, имеющими в своем составе сложные широкодиапазонные антенные решетки и многоканальные приемники.

Метод определения местоположения ИРИ при использовании одной направленной вращающейся антенны основан на обработке результатов измерений уровня электромагнитного поля и навигационной информации. На рис. , в качестве примера, показана мобильная станция радиомониторинга АРГУМЕНТ-И с направленной измерительной антенной П6-23М [2].

Сильная интерференция и многолучевое распространение радиоволн, свойственные городской застройке, низкий уровень сигналов, излучаемых по боковым лепесткам антенн передающих СВЧ радиосредств, делает предпочтительной работу мобильной станции в движении. Мобильная станция радиомониторинга, находящаяся в движении, является многопозиционной системой с поочерёдной обработкой принимаемых сигналов из точек, составляющих маршрут станции. Определение координат ИРИ осуществляется путём пространственно-временной обработки результатов измерения амплитуд принимаемых сигналов. Очевидно, что точность определения координат ИРИ будет зависеть от многих факторов, в том числе от скорости движения автомобиля, угловой скорости вращения направленной антенны и ширины ее диаграммы направленности.

Рис. 1. – Станция АРГУМЕНТ-И с направленной измерительной антенной П6-23М

Целью настоящей работы является выработка практических рекомендаций по выбору скорости движения, ширины диаграммы направленности антенны и ее скорости вращения для достижения достаточной в большинстве практических случаев точности локализации ИРИ при использовании амплитудного метода.

Структурная схема оборудования для локализации источников радиоизлучения приведена на рис. Рис. 2.

Поворотное устройство вращает установленную на мачте автомобиля направленную измерительную приемную антенну, которая преобразует электромагнитное поле в электрический сигнал. Цифровое радиоприемное устройство (ЦРПУ) выделяет, преобразует и усиливает полученный от антенны сигнал. На выходе ЦРПУ формируются отсчеты амплитуды измеряемого сигнала , которые поступают в обработчик данных – персональную ЭВМ (ПЭВМ). Туда же от поворотного устройства передаются данные о положении максимума ДН антенны. От спутникового навигационного приемника на вход ПЭВМ поступает информация о текущем местоположении станции и ее курсе. ПЭВМ осуществляет обработку полученных данных в соответствии с рассмотренным ниже алгоритмом местоопределения и выдает расчетные координаты ИРИ.

Рис. 2. Структурная схема оборудования для локализации ИРИ

Амплитудный метод локализации ИРИ основан на учете зависимости напряженности поля сигнала от расстояния до него [3]. Район возможного нахождения ИРИ разбивается на квадратные ячейки с координатами центра , где координаты представлены в декартовой системе, в комплексном виде, – мнимая единица. Шаг квантования координат определяется требуемой точностью (в настоящей работе принято 50 м). Амплитудный метод предполагает расчет функции с последующим определением ячейки с ее максимальным значением

,	(1)
,	(2)

где – размер выборки измерений, – расчетное значение множителя ослабления сигнала в n-ой точке приема при предполагаемом расположении ИРИ в точке .

Нормированную амплитудную диаграмму направленности приемной антенны будем считать известной: , где – угол, отсчитываемый от максимума диаграммы по часовой стрелке. За счет вращения антенны максимум ее диаграммы направленности поворачивается в азимутальной плоскости с угловой скоростью , град/с. Типовые поворотные устройства, например YAESU компании R-QUAD [4], обеспечивают угловую скорость от 3-4 до 9 град/с. При средней скорости движения автомобиля в городских условиях порядка 40 км/ч полный оборот антенна сделает за 0.4-1 км пути. Соответственно, максимум ДН при каждом измерении будет смещен на угол относительно курса станции. Кроме того, в процессе движения возможно и изменение курса самой станции (угол между направлением на север и продольной осью станции).

Множитель ослабления будем считать определенным с точностью до зависимости напряженности поля от расстояния до него, например, в соответствии с квадратичным приближением Введенского [5]. С учетом поворота приемной измерительной антенны множитель ослабления равен

,

(3)

где – направление из n-ой точки приема на ячейку с координатами .

Таким образом, исходными данными для алгоритма местоопределения ИРИ являются: амплитуда сигнала , курс , смещение максимума ДН антенны относительно курса за счет вращения и собственные координаты станции .

В качества инструмента исследований в настоящей работе использовался пакет программ для анализа алгоритмов локализации, рассмотренный в [6]. Математическая модель, имитирующая движение станции радиомониторинга и воспроизводящая процесс локализации ИРИ, обеспечивала выполнение следующих условий:

• задание произвольной ширины и вида диаграммы направленности приемной антенны пеленгатора;

• задание произвольной угловой скорости вращения мачты;

• задание трека движения автомобиля, его скорости, темпа измерений;

• расчет амплитуды сигнала в точке приема с учетом расстояния до источника и характеристик помех;

• отображение результатов моделирования – рабочей зоны с областью неопределенности, трека станции, амплитуды принимаемого сигнала, линейную и среднеквадратическую ошибку локализации при статистических экспериментах.

Для расчета амплитуды сигнала в точке приема использовалась следующая формула [7]:

,

(4)

где – мощность излучателя, Вт; – коэффициент усиления антенны передатчика в направлении n-ого приемного пункта, раз; и – высоты подвеса передающей и приемной антенн соответственно, м; – длина волны излучения, м; – расстояние от излучателя с координатами до n-ого приемного пункта с координатами , м.

Полагалось, что высоты антенн, мощность излучения и частота сигнала являются постоянными величинами. Уровень, ширина и расположение главного и боковых лепестков передающих антенн, как правило, априорно неизвестны, поэтому строгий учет данных величин затруднителен. Поэтому было использовано упрощение, согласно которому диаграмма направленности передающей антенны принималась круговой, а напряженность поля определялась как

, .

(5)

Для учета флуктуаций амплитуды сигнала в точке приема использовалось центрированное логарифмически нормальное распределение [] с единичным значением дисперсии. Уровень помехи при этом определяется уровнем сигнала и отношением сигнал/шум H:

,

(6)

где – случайная величина с логнормальным распределением.

С учетом значения диаграммы направленности в направлении на ИРИ результирующая амплитуда принимаемого сигнала для формулы определялась как

,

(7)

где – истинный азимут на ИРИ из n-ой ячейки пространства.

На рис.Рис. 3 построены распределения нормированных величин согласно рассмотренной выше математической модели в виде изолиний. Использовалась ненаправленная антенна и направленная антенна с шириной диаграммы направленности 10°. Показаны также соответствующие изменения уровней сигнала вдоль трека. Исходные данные для моделирования принимались следующими: протяженность маршрута движения станции, показанного на рис.Рис. 3 в виде линии, соединяющей точку А и Б, была равна 800 м, скорость движения автомобиля 30 км/ч, скорость вращения антенны 9 град/с, темп измерений уровня сигнала 100 отсчетов в секунду, отношение сигнал/шум 2. Район вероятного местоположения ИРИ (рабочая зона) задавался в виде прямоугольника размером 1.5×1.6 км.

На рис. Рис. 3 символом ′o′ отмечены расчетные координаты ИРИ, символом ′*′ – истинные координаты. В качестве зоны неопределённости выбрана область между источником и ближайшей к нему изолинией со значением . Как видим, область неопределенности для узконаправленной антенны значительно меньше, чем для ненаправленной, и координаты ИРИ определены более точно.

Преимущество использования направленных приемных антенн для локализации ИРИ объясняется тем, что в этом случае местоопределение осуществляется не только за счет измерения уровня принимаемого сигнала вдоль трека, как для ненаправленной антенны, но и за счет пеленгования источника в тех точках, где максимум диаграммы направленности приемной антенны совпадает с истинным направлением на ИРИ.

Рассмотренные выше результаты не учитывают влияния многолучевости, свойственное реальным условиям распространения радиоволн. В действительности принимаемое электромагнитное поле является результатом сложения нескольких лучей, обусловленных отражением волны от местных предметов. В результате направление прихода радиоволны не соответствует направлению на источник радиоизлучения. Так, результаты экспериментальных исследований, приведенные в [1, 3], показывают, что вероятность взятия пеленгов с ошибкой менее 5° на частоте 900 МГц не превышает 15%, при этом с увеличением частоты вероятность получения “истинных” пеленгов заметно уменьшается. Поэтому в дальнейшем в данной работе влияние многолучевости учитывалось с помощью простой модели, согласно которой при расчете амплитуды сигнала (7) направление прихода волны задавалось следующим образом: 10 % азимутов соответствовали истинному направлению на ИРИ, остальные распределялись по равномерному закону в диапазоне от 0 до 360 градусов.

а) антенна с круговой диаграммой направленности

б) антенна с шириной диаграммы направленности 10°

Рис. 3. Распределение нормированных величин q(x,y) в рабочей зоне в виде изолиний (слева) и изменение уровня принимаемого сигнала (справа)

Исследования проводились для двух маршрутов движения автомобиля, изображенных на рис. Рис. 4, Г-образного и S-образного, характерных для движения по кварталам городской застройки. Местоположение ИРИ на рисунках отмечено треугольником.

Рис. 4. Расположение трека автомобиля, рабочей области и координаты ИРИ

Длина маршрутов составляла 1 км, минимальное расстояние до ИРИ во время движения 500 м. Скорость движения станции задавалась равной 30 и 60 км/ч. При темпе измерений 100 отсчетов в секунду для скорости 30 км/ч во время движения накапливалось12000 отсчетов амплитуды сигнала при различном положении диаграммы направленности приемной антенны в равномерно распределенных по треку точках, для скорости 60 км/ч – 6000 отсчетов. Отношение сигнал/шум H было равно 2. Ширина диаграммы направленности по уровню 3 дБ принималась равной 120°, 60°, 10°. Угловая скорость вращения антенны задавалась 6, 24 и 48 град/с. Положение максимума диаграммы направленности относительно направления на ИРИ в начале движения задавалось случайным образом по равномерному закону. Район вероятного местоположения (рабочая зона) задавался в виде прямоугольника размером 1.5×1.6 км.

Для накопления статистики для каждого случая проводилось 1000 экспериментов. В качестве критерия оценки точности локализации выступали значения средней линейной ошибки Δ (расстояние между истинными координатами ИРИ и расчетными) и значение среднеквадратического отклонения линейной ошибки.

На рис. построены полученные зависимости линейной ошибки локализации ИРИ от угловой скорости вращения антенны для Г-образного трека. Для сравнения на том же рисунке показано значение ошибки локализации для антенны с круговой диаграммой направленности.

а) скорость движения – 30 км/ч б) скорость движения – 60 км/ч

Рис. 5. Зависимость линейной ошибки локализации ИРИ от угловой скорости вращения при разной ширине ДН антенны (1 – круговая ДН, 2 – ширина ДН 10°, 3 – ширина ДН 60°, 4 – ширина ДН 120°)

Для S-образного трека результаты моделирования показаны на рис.Рис. 6.

а) скорость движения – 30 км/ч б) скорость движения – 60 км/ч

Рис. 6 – Зависимость линейной ошибки локализации ИРИ от угловой скорости вращения при разной ширине ДН антенны (1 – круговая ДН, 2 – ширина ДН 10°, 3 – ширина ДН 60°, 4 – ширина ДН 120°) для S-образного трека

Полученные результаты позволяют выбирать диаграммы направленности, скорости вращения антенн, скорости движения станции. Например, для обеспечения точности локализации порядка 80-130 м при длине маршрута 1 км и скорости движения около 30 км/ч целесообразно использовать антенны с шириной ДН не более 60°, при этом скорость вращения должна не менее 40 град/с.

С увеличением скорости вращения направленных антенн ошибки локализации приближаются к значениям ошибок, полученным для ненаправленной антенны. При этом использование антенны с более узкой диаграммой дают лучшие результаты. Увеличение скорости вращения при высоком темпе измерений эквивалентно использованию ненаправленной антенны, и местоопределение преимущественно происходит за счет общего изменения амплитуды сигнала по маршруту движения станции. Несмотря на выигрыш ненаправленной антенны в точности локализации, следует иметь в виду, что ненаправленная антенна в диапазоне СВЧ уступает в эффективности направленной антенне на 10 – 15 дБ, поэтому ее применение для обнаружения слабых сигналов может оказаться неэффективным.

С уменьшением скорости движения станции ошибки локализации уменьшаются за счет увеличения накопленного объема измерений. При ограничении на скорость вращения антенны и скорость движения автомобиля точность локализации можно увеличить за счет повышения темпа измерений или удлинения маршрута движения станции.

Литература

1. Рембовский А.М., Ашихмин А.В., Козьмин В.А. Радиомониторинг: задачи, методы, средства/ Под редакцией А.М. Рембовского.– М: Горячая линия – Телеком. 2006.

2. Каталог ИРКОС. 2010. Технические средства радиомониторинга. М.: ЗАО ИРКОС, 75 с.

3. Козьмин В.А., Савельев А.М., Уфаев В.А., Чубов Е.А. Сравнение методов местоопределения источников радиоизлучения // Специальная техника. 2007. № 1. С. 30-38.

4. www.quad.ru/production/rotator.php

5. Долуханов М.П. Распространение радиоволн. Учебник для вузов. М., “Связь”, 1972.

6. Козьмин В.А., Сладких В.А., Мякинин И.С. Математическая модель для исследования алгоритмов пеленгования и локализации источников радиоизлучения мобильной станцией радиомониторинга // Антенны. 2009. № 5.

7. Уфаев В.А., Афанасьев В.И., Разиньков С.Н. Оценка координат источника радиоизлучения на основе измерений амплитуды электромагнитного поля // Радиотехника. 2003. № 10. С. 71-73.

8. Куликов А.Н., Лавренков Ю.В., Пономарев Г.А., Сильвинский С.В. Ослабление и рассеяние ультракоротких радиоволн в городах и пригородных зонах // Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника. М.: ВИНТИ. 1991. Т. 42.

Воронежский государственный технический университет

УДК 624.156

А.Т. Бабкин, Л.С. Очнева, Н.Э. Самойленко

ВТОРИЧНЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Рассматривается вопрос разработки блока питания сетевого с частотно-импульсным регулированием, предназначенного для питания радиостанции УКВ диапазона

Источники электропитания являются одной из основных частей любого радиоэлектронного устройства. Первичные источники электропитания – промышленная сеть переменного тока в стационарных установках, электрохимические источники тока, солнечные батареи, термоэлементы – не в состоянии удовлетворить требованиям, предъявляемым современным РЭС к качеству питающих напряжений. Современным РЭС требуется большое количество номиналов питающего напряжения постоянного и переменного тока при различных значениях потребляемых токов. Нормальная работа большинства радиоэлектронных устройств обеспечивается лишь при поддержании питающих напряжений с заданной степенью точности в течение всего времени работы. Эти и ряд других задач решаются средствами вторичного электропитания.

Средства вторичного электропитания обеспечивают: преобразование напряжения постоянного или переменного тока одного номинала в одно или несколько напряжений того же вида другого номинала; преобразование напряжения переменного тока в напряжение постоянного и наоборот; гальваническую развязку выходных цепей одну от другой и от цепей первичного питания; защиту первичного источника, источников вторичного электропитания и нагрузок при возникновении аварийных ситуаций; контроль и индикацию исправного состояния источников и пр. Импульсные режимы работы аппаратуры, значительные колебания напряжения первичных источников электропитания, широкий диапазон рабочих температур, влияние электрических и магнитных полей и других воздействий приводит к тому, что стабилизация напряжения постоянного и переменного тока является одной из основных функций, выполняемых средствами вторичного электропитания.

Как и любые другие РЭС, источники вторичного электропитания (ИВЭ) должны иметь высокую надежность, большой КПД, высокие удельные показатели, удобство в эксплуатации, ремонтопригодность, взаимозаменяемость. Широкое применение полупроводниковых приборов, микросхем, позволяет создавать источники, в достаточной мере отвечающие отмеченным выше требованиям. Однако на фоне постоянного совершенствования и миниатюризации аппаратуры становится все более очевидным, что ИВЭ отстают в своем развитии и, в значительной мере, стали определять надежность, габаритные размеры и вес самой аппаратуры.

Объем, занимаемый ИВЭ в общем объеме РЭС, доходит до 50 %, что в значительной мере объясняется несовершенством ИВЭ в конструктивном, технологическом и схемотехническом отношениях.

Поэтому уменьшение габаритов и массы ИВЭ при одновременном повышении надежности и обеспечении высоких энергетических и качественных показателей, автоматизация контроля и защиты, как источников, так и аппаратуры, а также электромагнитная совместимость источников питания и аппаратуры являются наиболее существенными проблемами при разработке и проектировании блоков питания сетевых (БПС).

Отличительной особенностью БПС является их высокая энергонасыщенность и тепловая нагруженность. Стремление к снижению габаритов источников питания приводит к необходимости решения проблем отвода тепла и повышения коэффициента полезного действия (КПД) БПС. В этой связи возникает необходимость использования импульсных способов преобразования и стабилизации напряжения. Однако импульсное преобразование характеризуется значительным усложнением схемотехнических решений. Кроме того, повышается число реактивных элементов. Для уменьшения габаритов реактивных элементов применяется преобразование на повышенной частоте.

В настоящее время широкое применение нашли более сложные БПС с импульсным преобразованием на повышенной частоте (до 20 кГц и выше). Это позволяет значительно уменьшить габариты и массу ИВЭ, т.к. повышение частоты преобразования дает возможность применения меньших реактивных элементов трансформаторов, дросселей, конденсаторов. Так, при изменении частоты преобразования со значений от 50 до Гц до 10 кГц или с 10 кГц до 200 кГц масса трансформаторов уменьшается примерно в десять раз.

КПД импульсных источников питания может достигать значений более 90 %, что упрощает систему обеспечения теплового режима и позволяет реализовывать конструкцию с высокими удельными показателями.

Следует, однако, иметь в виду, что с ростом частоты происходит увеличение динамических потерь мощности в силовых транзисторах и диодах, т.е. нужно соответственно увеличивать теплоотводящие устройства (радиаторы). Такое же противоречие можно наблюдать с ростом частоты преобразования и при выборе элементов сглаживающих фильтров. Коэффициент сглаживания пульсаций фильтра увеличивается пропорционально квадрату частоты переменной составляющей напряжения. Таким образом, при заданном коэффициенте пульсаций с ростом частоты необходимые индуктивность дросселя и емкость конденсатора уменьшаются. В то же самое время происходит уменьшение емкости конденсаторов и индуктивности дросселей, снижается максимально допустимое значение переменной составляющей напряжения на этих элементах.

Для каждого ИВЭ существует частота преобразования, при которой его масса (или объем) в заданных условиях эксплуатации будет наименьшей. С другой стороны, существует частота преобразования, при которой КПД источника будет максимальным. Как правило, эти частоты не совпадают. Практически стремятся выбрать оптимальную частоту, при которой можно достичь компромисса между такими противоречивыми требованиями. Частота эта будет оптимальной для данного устройства лишь при существующем уровне развития техники. Разработка и освоение новых безинерционных полупроводниковых приборов, малогабаритных высокочастотных трансформаторов и дросселей фильтров, электролитических конденсаторов с улучшенными характеристиками, применение более эффективных способов отвода тепла, микроминиатюризация элементной базы – все это ведет к увеличению оптимальных частот преобразования, т.е. улучшению удельных показателей ИВЭ.

В настоящее время требования к удельной мощности, весу, надежности ИВЭ возросли. Надежность источника питания является одной из важнейших эксплуатационных характеристик и определяет надежность всей РЭС.

В настоящее время требования к удельной мощности, весу, надежности ИВЭ возросли. Надежность источника питания является одной из важнейших эксплуатационных характеристик и определяет надежность всей РЭС. Согласно исследованиям, проведенным в США, 20 % отказов радиоэлектронной аппаратуры происходит по вине ИВЭ. Основные причины отказов - повышенная температура и вибрационные нагрузки (таблица).

Таблица

Причины отказов РЭC

Причина отказа	Удельный вес, %
Температура	21
Вибрация	14
Влажность	10
Причины, связанные с факторами окружающей среды	7
Причины не связанные с окружающей средой	48

Экспериментально установлено, что изменение температуры на десять градусов вызывает изменение интенсивности отказов на 15 - 50 % в различных участках температурного диапазона. С этих позиций наиболее критичными являются емкостные элементы. Электролитические конденсаторы, нашедшие широкое применение в ИВЭ, имеют максимальную рабочую температуру 85° С. Следовательно, максимальная средняя температура воздуха в блоке не должна превышать указанную. При этом конденсаторы не должны располагаться вблизи тепловыделяющих элементов.

Многообразие требований к качеству выходных напряжений стабилизированных источников, необходимость преобразования энергии постоянного и переменного тока, широкий диапазон выходных мощностей, большие различия в режимах работы и условиях эксплуатации – все это привело к созданию большого числа различных вариантов стабилизированных БПС и их функциональных узлов.

Cтабилизированные БПС находят широкое применение в составе различных радиотехнических устройств: аппаратуры связи, автоматики, вычислительной и измерительной техники. Повышение надежности и экономичности работы, снижение массы, объема и стоимости РЭС в значительной степени зависят от правильного выбора и проектирования источников вторичного электропитания.

Воронежский государственный технический университет

УДК 681. 3

А.В. Лопин, А.В. Муратов

СИНТЕЗИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ОБРАЗОВ ЭЛЕМЕНТОВ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

Представлена модель синтезирования тепловых образов элементов печатных плат радиоэлектронных средств разработанная на основе аналитического метода расчёта температурного поля пластины с локальными источниками

Технология создания радиоэлектронных средств (РЭС) обладающих высокими характеристиками надежности предполагает, что в условиях их проектирования необходимо наличие широкого спектра диагностических процессов направленных на проверку соответствия рабочих характеристик отдельных элементов требуемым номиналам. Одним из таких процессов, который существенным образом влияет на характеристики надежности, является оценка тепловых режимов элементов РЭС и разработка рекомендаций по выбору номиналов и оптимизации их размещения на этапе эскизно-технического проектирования. Результаты экспериментальных исследований [1] показывают, что для блоков РЭС с воздушным охлаждением при изменении температуры от 40 до 70 ⁰С интенсивность отказов увеличивается в 2...6 раз (рис. 1). В данных условиях становиться очевидным необходимость проектирования таких РЭС, элементы которых могли бы функционировать в оптимальных тепловых режимах, обеспечивающих высокие надежностные эксплуатационные характеристики. Одним из путей прогнозирования оптимальных тепловых режимов работы отдельных элементов РЭС является синтезирование и анализ теплового образа, отражающего их температурный режим в виде количественной характеристики.

Учитывая, что базовой конструктивной составляющей современных РЭС являются узлы на печатных платах, целью настоящей статьи является представление математической модели синтезирования теплового образа элементов печатных плат РЭС на основе аналитического описания процесса теплообмена.

Выбор аналитического описания процесса синтезирования теплового образа элементов печатных плат РЭС прежде всего обусловлен тем, что при проектировании и оптимизации конструкций, требуются многовариантные расчеты, учитывающие различные комбинации технических характеристик применяемых элементов, их размещение и условия охлаждения.

Рис. 1. Изменение интенсивности отказов λ радиоэлементов

с температурой Т для РЭС с воздушным охлаждением

Аналитическое описание процесса синтезирования теплового образа элементов печатных плат РЭС может быть представлено через модель пластины с локальными источниками теплоты. При этом двухмерное стационарное распределение перегрева в пластине (x,y) определяется путем решения уравнения [2]:

(1)

где l_x, l_y - размеры пластины, м;

δ - толщина пластины, м;

λ_x, λ_y - эффективные теплопроводности в направлении осей x и y, Вт/(м·К);

α - сумма коэффициентов теплоотдачи с обеих сторон боковой поверхности (α=const), Вт/(м²·К);

q(x,y) - поверхностная плотность теплового потока от локальных источников, равная нулю вне зон расположения источников и постоянная в пределах зоны действия каждого j-го источника, определяемая по формуле:

	(1)
	(1)
		(1)

(2)

Во многих практически важных случаях теплоотдачей с торцов можно пренебречь по сравнению с теплоотдачей на боковой поверхности и

тогда граничные условия имеют вид:

(3)

Применив к уравнению (1) конечное интегральное преобразование по переменным x и y, а так же учитывая граничные условия (3) перегрев элементов на плате рассчитывается по формуле:

(4)

где Р_j - рассеиваемая мощность, Вт; , -собственные числа, определяющие степень аппроксимации изображения; Δx_i, Δy_j – размер элемента, м.

Представленный аналитический метод расчёта температурного поля пластины с локальными источниками наиболее адекватно подходит для математической модели синтезирования теплового образа различных узлов РЭС, включающих как элементарные резисторы, так и различные микросхемы и микросборки, установленные на общем основании (плате). Применение итогового выражения (4) позволяет рассчитывать любое количество источников. При этом следует заметить, что хотя выражение (4) является несколько громоздким, но обладает существенным достоинством - при ограниченном наборе исходных данных имеет достаточный уровень погрешности при воспроизведении количественных характеристик перегрева элементов РЭС [2].

Так, например, на основе реализации предложенного аналитического описания процесса синтезирования теплового образа элементов РЭС проведено синтезирование теплового образа универсального блока питания, принципиальная схема и схема размещения элементов, на плате которого приведена на рис. 2.

а)

б)

Рис. 2. Принципиальная схема (а) и схема расположения деталей (б)

на плате универсального блока питания

Результаты синтезирования теплового образа элементов печатной платы универсального блока питания представлены на рис. 3.

Рис. 3. Тепловой образ элементов печатной платы универсального блока

питания (1-Т1; 2-5-V1-V4; 6-V5; 7-V6; 8-V7; 9-V8; 10-C1; 11-R1; 12-R2; 13-R3; 14-R4; 15-R5)

Выходным результатом моделирования является синтезированный тепловой образ печатной платы в виде квазицветного изображения, где каждому цвету соответствует определенное значение температуры. Разработанная математическая модель синтезирования теплового образа элементов РЭС предполагает расчёт следующих параметров:

- поверхностной плотности теплового потока источника;

- температуры корпуса элемента;

- поверхностного перегрева платы;

- фонового перегрева;

- собственного и наведенного перегрева элементов.

На основе результатов синтезирования теплового образа, а точнее на основе анализа его количественных характеристик, может быть осуществлен расчёт характеристик надёжности и проведена диагностика, как отдельных элементов, так и устройства в целом.

Очевидная полезность предложенной математической модели синтезирования теплового образа элементов печатных плат РЭС обусловлена тем, что она позволяет решать ряд значимых задач при эскизно-техническом проектировании:

- выявление картины распределения температуры и обнаружение локальных источников повышенного теплового излучения элементов печатной платы, появление которых вызвано неправильным выбором номиналов элементов и теплотехнических характеристик устройства (например, тип материала и толщина печатной платы) при проектировании или блокированием воздушного потока самими компонентами, а также вспомогательными элементами монтажа;

- формирование базы данных типовых дефектов элементов РЭС с целью последующего их диагностирования, обусловленных изменением параметров рассеивающей мощности на элементах за счет таких дефектов как изменение теплового баланса элементов РЭС при нарушении целостности паяных соединений, внутреннего дефекта элемента, нарушении токопроводящих свойств элементов и др.,

- расчёт надежностных характеристик и разработка рекомендаций по выбору номиналов и размещения на печатной плате элементов РЭС;

- формирование эталонных образов тепловых портретов элементов печатных плат с целью последующей диагностики тепловизионных изображений диагностируемых печатных плат с эталонными на основе их сличения.

Литература

1. Ненашев А.П. Конструирование радиоэлектронных средств. М.: Высш. шк., 1990.

2. Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигалов А.В. Методы расчета теплового режима приборов. М.: Радио и связь, 1990.

Воронежский государственный технический университет

		(1)
		(1)
	(1)

УДК 681.3

И.С. Бобылкин, О.Ю. Макаров

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ

ХАРАКТЕРИСТИК БЛОКОВ РЭС

Статья посвящается разработки автоматизированных средств оценки и прогнозирования тепловых режимов РЭС на ранних этапах конструкторского проектирования с учетом ограниченности и неполноты исходных данных, а так же позволяющих получать значения тепловых характеристик и их отклонений, обусловленных особенности реализации конкретных конструкций и систем охлаждения

Актуальной является задача разработки автоматизированных средств оценки и прогнозирования тепловых режимов РЭС уже на ранних этапах конструкторского проектирования с учетом ограниченности и неполноты исходных данных, а так же позволяющих получать значения тепловых характеристик и их отклонений, обусловленных особенности реализации конкретных конструкций и систем охлаждения. Что требует наличия соответствующих математических моделей, методик и программного обеспечения. Многообразие конструктивно-компоновочных схем РЭС с воздушным охлаждением сводится к двум типовым расчетным тепловым моделям: РЭС с шасси и РЭС кассетной конструкции. Воздушное охлаждение является одним из основных способов обеспечения теплового режима современной теплонагруженной РЭС. Простота конструкции, надежность, удобство в эксплуатации и ремонте основные преимущества систем воздушного охлаждения. В данном дипломном проекте для этих конструкций рассматривалось применение систем воздушного охлаждения с использованием естественной и принудительной конвекции.

В качестве базовых тепловых моделей, которые применимы уже на начальный этапах проектирование были выбраны модели “корпус – нагретая зона” Исходными данными для оценки и прогнозирования тепловых режимов с их помощью являются: габаритные размеры конструкции, объемный коэффициент заполнения, выделяемая мощность расход воздуха, допустимый перегрев нагретой зоны. Методика моделирования основана на использовании удельных величин влияющих на тепловой режим удельный поверхностный тепловой поток нагретой зоны и удельный объемный расход воздуха на один кВт мощности.

q_в = Ф/S - удельный тепловой поток с единицы поверхности эквивалентной,

где,

,

· ч-кВ - удельный объемный расход охлаждающего воздуха (на 1 кВт рассеиваемой в РЭC мощности);

Оценка перегревов нагретой зоны и воздуха внутри блоков с их помощью осуществляется на основе зависимостей полученных путем статистической обработки экспериментальных и расчетных результатов. Эти зависимости позволяют прогнозировать тепловой режим для случаев естественной и принудительной конвекции блоков с шасси и кассетной конструкции с герметичным и не герметичным исполнением.

Для расчета средних квадратичных отклонений оцениваемых перегревов с учетов параметров конкретных конструкций используются математические модели приведенные.

для естественной конвекции

для естественной вентиляции

, для принудительной вентеляции

. для принудительной циркуляции

На основе используемых математических моделей для решения поставленной задачи были разработаны алгоритмы. представлены алгоритмы оценки тепловых режимов.

При разработке программного обеспечения использовалась среда программирования Delphi. Программа построена на модульном принципе, при котором тело программы разбивается на отдельные модули.

Каждый модуль выполняет определенный набор операций, что позволяет оптимальным образом структурировать тело программы и обеспечить более гибкую систему обмена данными между отдельными частями программы. Программа состоит из 4-х модулей Form, Model, Base и Diagnostics. Где Form - модуль для ввода и вывода данных, являющегося стартовым и позволяющем перейти к другим программным модулям, Model - модуль для расчета теплового поля платы и первичной диагностики, Base – модуль создания базы типовых дефектов, Diagnostic – модуль диагностики платы. Алгоритм работы программы, а так же результаты расчётов моделирования теплового портрета печатной платы и диагностики представлены. Программа способна произвести расчет вспомогательных коэффициентов, произвести проверку условия герметичности корпуса, проверку условий нормального теплового режима при естественной конвекции, проверку условий нормального теплового режима при принудительной циркуляции. Предназначена для использования в процессе сквозного конструкторско-технологического проектирования РЭС и имеет преимущества перед аналогичными программами- конкурентами:

-простой интерфейс программы

-многофункциональность программы

- меньшие требования к исходным данным

- меньшие затраты времени, что позволяет использовать ее на ранних этапах проектирования, когда нет детальной проработки конструкции.)

Неотъемлемой частью современных программных средств является удобный и понятный интерфейс. В дипломном проекте этому было уделено большое внимание. Интерфейс разработанного программного продукта выполнен в стандартном стиле приложений WINDOWS, вследствие этого он интуитивно понятен и доступен для пользователей. Поля ввода и вывода данных для моделирования также здесь показаны поля ввода и вывода данных для диагностики, и приведен пример графического окна с изображением теплового портрета платы.)

Разработанные средства использовались для оценки и прогнозирования тепловых режимов в следующих конструкций (минимум 2 исходные данные и результаты для шасси и кассетной конструкции).

Главное окно программы

Окно модуля моделирования касетной конструкции РЭС

Окно модуля моделирования РЭС на шасси

Литература

1. Дульнев Г.Н., Тарновский Н.Н. Тепловые режимы электронной аппаратуры– Л.: Энергия, 1971. – 248 с.

2. Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигалов А.В. Методы расчета теплового режима приборов– М.: Радио и связь, 1990. – 312с.

3. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре: учебник / Г.Н. Дульнев – М.: Высш. шк., 1984. – 247 с.

4. Роткоп Л.Л. Обеспечение тепловых режимов при конструировании радиоэлектронной аппаратуры: учебник для вузов / Л.Л. Роткоп, Ю.Е. Спокойный – М., 1976. – 229 с.

5.Стоян Ю.Г. Оптимизация блоков РЭС по динамике теплового режима и компоновочным характеристикам/ Ю.Г. Стоян, В.П. Путятин, Б.С. Элькин // Проблемы машиностроения.– Харьков, 1983. – 40 с.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.3

Д.В. Солод

К ПОНЯТИЮ ИНФОРМАЦИОННОЙ ЗАМЕТНОСТИ ВВТ

Обосновано понятие информационной заметности вооружения и военной техники (ВВТ) как одно из актуальных направлений расширения понятия заметности ВВТ. Описана проблема снижения информационной заметности ВВТ, лежащая на пересечении проблемы снижения заметности ВВТ и проблемы защиты информации в автоматизированных системах военного назначения от несанкционированного доступа

Повышение живучести вооружения и военной техники (ВВТ) является одной из основных задач строительства Вооруженных Сил. При этом такие традиционные меры повышения живучести ВВТ, как активная защита, броневая защита, уже близки к пределу своих возможностей. В этих условиях на передний план выходят задачи совершенствования мер повышения живучести ВВТ, связанных с информационными компонентами в применении средств поражения. А именно, одним из возможных способов повышения живучести ВВТ и вытекающего из этого снижения наступательных возможностей противника является лишение его достоверной информации о наших войсках. Важной современной тенденцией в вооруженной борьбе является постоянно повышающаяся роль и значение информации, циркулирующей в системах управления силами и оружием. Количество и качество информации о противнике определяющим образом влияют на эффективность принятия решений и применения оружия, а в конечном счете – на ход и исход ведения боевых действий в современной войне. Это обусловливает основополагающую роль разведки при проведении боевых операций, что подтверждается имеющимся опытом современных локальных войн.

В настоящее время разведка способна обеспечивать добывание достаточно полных и достоверных данных о войсках противника в масштабе времени, близком к реальному. Высокие возможности разведки обусловлены тем, что в последние десятилетия, вследствие большого внимания со стороны руководства вооруженных сил западных стран, произошел качественный скачок в ее развитии. Один из аспектов этого скачка заключается в том, что резко возросла степень комплексности при добывании разведывательных данных одновременно несколькими разнородными средствами оптической (фотографической, телевизионной, инфракрасной, лазерной), радио-, радиотехнической, радиолокационной, радиометрической, акустической, сейсмической и других видов разведки и возможности войск по их совместной обработке. В результате резко повышается достоверность и точность разведывательной информации.

Комплексность разведки базируется на комплексности демаскирующих признаков ВВТ. Важность информационных компонентов в применении средств поражения определяет возможность существенного повышения живучести ВВТ путем комплексного уменьшения уровня его демаскирующих признаков. Одним из путей комплексного уменьшения уровня демаскирующих признаков ВВТ (наряду со специальными мерами инженерного обеспечения, маскировки, РЭП) является снижение заметности. В этом случае в роли демаскирующих признаков выступают различия между объектом наблюдения и фоном наблюдения.

Заметность является комплексным фактором, определяющим множество различных свойств объекта и фонов наблюдения, которые непосредственно проявляются в возможностях информационных средств (ИС), входящих в системы разведки и управления оружием противника, по выполнению своих задач [1]. При этом под ИС понимается любое техническое устройство, предназначенное для добывания информации об объекте в процессе его функционирования.

В соответствии с принятыми правительственными решениями до настоящего времени работы по снижению заметности были в основном ориентированы на снижение оптической и особенно радиолокационной заметности ВВТ. Вместе с тем, имеют место также существенные демаскирующие факторы совершенно другой природы. В связи с резким возрастанием степени комплексности при добывании разведывательных данных настало время расширения самого понятия заметности ВВТ в направлении комплексного учета демаскирующих факторов.

Одним из таких направлений расширения понятия заметности ВВТ является введение понятия информационной заметности ВВТ. Оно основано на том, что разведывательные данные о ВВТ могут добываться, кроме всего прочего, путем несанкционированного доступа к информации о ВВТ, циркулирующей в автоматизированных системах (АС) военного назначения (ВН). В этом случае демаскирующие признаки ВВТ имеют смысл незащищенности (в некотором смысле) циркулирующей в АС ВН информации о ВВТ, а наблюдение за ВВТ осуществляется через несанкционированный доступ к этой информации. Тогда фоном наблюдения является пользовательская рабочая среда АС ВН, представляющая собой совокупность программных средств и обрабатываемой информации, доступных пользователю (наблюдателю). Если противник в качестве неуполномоченного (в соответствии с существующей политикой безопасности) пользователя АС ВН не может обнаружить наличие информации о ВВТ, то это значит, что относительно него как наблюдателя данная информация сливается с фоном наблюдения.

Таким образом, понятие информационной заметности ВВТ можно определить следующим образом. Информационная заметность ВВТ является одним из компонентов заметности ВВТ, определяющим свойства циркулирующей в АС ВН информации о ВВТ на фоне пользовательской рабочей среды АС ВН, которые непосредственно проявляются в возможностях противника в качестве неуполномоченного пользователя АС ВН по обнаружению информации о ВВТ.

Информационная заметность ВВТ является частным аспектом защищенности от несанкционированного доступа к циркулирующей в АС ВН информации о ВВТ. Другими частными аспектами являются свойства АС ВН по защите информации о ВВТ от несанкционированного раскрытия при условии ее обнаружения, а также от модификации или потери возможности использования информации при воздействии угроз, являющихся результатом как преднамеренных действий противника, так и непреднамеренных действий штатного персонала АС ВН. Тем самым, проблема снижения информационной заметности ВВТ лежит на пересечении проблемы снижения заметности ВВТ и проблемы защиты информации в АС ВН от несанкционированного доступа. Поэтому для решения проблемы снижения информационной заметности ВВТ должны использоваться методы защиты информации в АС ВН от несанкционированного доступа, но при этом упор должен делаться именно на специфике заметности.

При этом интерес представляют не непреднамеренные действия штатного персонала АС ВН (которые и не так опасны), а преднамеренные действия противника. Противник не должен иметь возможность вообще обнаружить информацию о ВВТ в АС ВН, не говоря уже о ее копировании, распознавании и др. Необнаруженную информацию противник не может использовать в своих целях по добыванию разведывательных данных. Даже если противник нарушит целостность и доступность этой информации без ее обнаружения, то вопрос стоит лишь о своевременном восстановлении целостности и доступности, а не о возможном ущербе от разведывательных действий противника. Это показывает особую значимость проблемы снижения информационной заметности ВВТ в рамках более общей проблемы защиты информации в АС ВН от несанкционированного доступа. А значимость проблемы снижения информационной заметности ВВТ в рамках проблемы снижения заметности ВВТ вообще обусловлена возрастанием степени автоматизации управления войсками и оружием, с одной стороны, и совершенствованием способов и средств проникновения противника в АС ВН.

Таким образом, введение понятия информационной заметности ВВТ является естественным и насущным направлением расширением понятия заметности ВВТ, а проблема снижения информационной заметности ВВТ актуальна и практически значима. Теоретическим фундаментом для ее решения являются методы защиты информации в АС ВН от несанкционированного доступа.

Литература

1. Губарев В.А., Нестеров В.Н., Герасименко О.М., Воронов В.А. Показатели и метод комплексной оценки заметности летательных аппаратов // Оборонная техника. – 1995. - № 12. С. 9 – 11.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.396

А.В. Муратов, С.В. Иванов, Е.Ю. Карелин

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

В данной статье кратко изложены современные технологии изготовления микроэлектромеханических систем, представлено описание конструкций и области их применения, а также указаны их основные отличия от других систем

Технологии микромеханики, или микроэлектромеханических систем (МЭМС, или MEMS – microelectromechanical systems), быстро развиваются в настоящее время. Во многом это объясняется тем, что их ключевые преимущества, которыми являются миниатюрность, функциональность, надёжность, малое энергопотребление, простота интегрирования, востребованы сегодня практически всеми рынками электроники. Также МЭМС способны работать при очень высоких температурах, обеспечивают высокую скорость реагирования (доли микросекунды), при этом информацию с них можно считывать оптически или передавать по миниатюрному электрическому каналу связи [4].

Следует отметить, что конструкции МЭМС обладают трехмерностью и подчиняются законам классической физики, в отличие от наносистем. В связи с тем, что МЭМС обладают значительно меньшими размерами в сравнении с классическими механическими системами, необходимо учитывать особенности поведения используемых материалов в таком масштабе. При этом классическая физика предсказывает для микроустройств особые свойства. Все это требует ряда совершенно новых подходов к проектированию, технологиям изготовления и материалам МЭМС. Новые задачи в проектировании связаны с необходимостью расчета и моделирования не только задач схемотехники и логики, но и совокупности проблем механики твердого тела, термоупругости, газо- и гидродинамики. Несмотря на то, что монокристаллический кремний имеет ряд уникальных свойств, необходимы и другие материалы с новыми сочетаниями электро-физико-механических параментров [1]. Новые задачи технологии связаны с наиболее характерными отличиями микросистем от изделий микроэлектроники: если последние по существу двумерны и механически статичны, то микросистемы трехмерные структуры, элементы которых должны иметь возможность относительного механического перемещения.

Концепция МЭМС построена на интеграции микромеханических структур датчиков (сенсорной, измерительной части) и актюаторов (исполнительной, управляющей части) с электроникой, выполняющей функции сбора, анализа, контроля, формирования управляющих сигналов на общей подложке посредством технологий микропроизводства. Эти технологии во многом сходны с теми, что используются для производства интегральных схем (ИС). Поэтому интегральные МЭМС устройства обеспечивают высокий уровень функциональности, надёжности, низкую цену, что и предполагает столь же широкое использование МЭМС-компонентов, какое получили ИС. Возможность достижения малой себестоимости изделий МЭМС обусловливает более широкое применения подобных сенсорных сетей там, где прежде системным интеграторам это могло бы показаться избыточным [2].

В МЭМС датчиках давления и движения (акселерометрах, гироскопах) производится моделирование процессов, параметры которых измеряются микромеханической структурой. Эти устройства не имеют движущихся частей, связанных с объектом, поэтому они классифицируются как бесконтактные устройства. В том случае, если подвижная структура тщательно спроектирована и полностью защищена корпусом датчика, миниатюрные датчики высоконадежны и могут обеспечивать функциональные характеристики в условиях различных сред и фазовых состояний, перепадов температур, вибрации, ударных волн, влажности, загрязнений, электромагнитных помех и радиационного воздействия. Причём надёжная и точная работа обеспечивается не в статических или квазистатических, а в динамических условиях. Микродвигатели, радиочастотные переключатели, радиопередатчики функционируют в аналогичных условиях, однако их подвижная структура выполняет электромеханические преобразовательные функции [3].

Механические датчики должны создавать электрический сигнал. Наиболее часто в МЭМС для создания электрического сигнала используют такие механические явления как взаимное смещение двух частей конструкции и резонансные колебания структуры.

Отметим, что смещения и колебания могут возникать при изменении температуры или внешней нагрузки. При этом выделим два процесса, приводящих к возникновению электрического сигнала. Первый состоит в изменении электрического сопротивления термопары при изменении температуры или деформации. Этот принцип широко используют в микромеханических датчиках уже более 20 лет. Второй основан на изменении электрической емкости двух параллельных плоскостей, одна из которых может перемещаться. В некоторых ситуациях движение может быть обнаружено оптически, что позволяет комбинировать тензодатчики и оптические волокна. Хотя этот метод кажется привлекательным, на практике он не получил широкого распространения [4].

Микроактюатор представляет собой устройство, которое преобразовывает энергию в управляемое движение. Основные используемые методы получения активации (движение, деформация, приведение в действие) в таких устройствах могут быть сведены к следующим: электростатический, магнитный, пьезоэлектрический, гидравлический и тепловой. Наиболее перспективными методами считаются пьезоэлектрический и гидравлический. Электростатическая активация применяется примерно в одной трети актюаторов, и, вероятно, это наиболее общий и хорошо разработанный метод, его главные недостатки это износ и слипание. Магнитные актюаторы обычно требуют относительно большой электрический ток, также на микроскопическом уровне при использовании электростатических методов активации, получаемый выходной сигнал на относительную единицу размерности лучше, чем при использовании магнитных методов, т.е. при одном и том же размере электростатическое устройство выдаёт более хороший выходной сигнал. Тепловые актюаторы тоже потребляют относительно большое количество электрической энергии, и главный их недостаток в том, что генерируемое тепло рассеивается. В настоящее время разрабатываются микроактюаторы, основанные на эффекте памяти формы, которые могут быть минитюаризированы до субмикронных размеров [1].

На сегодняшний день МЭМС можно разделить на два вида:

- гибридные микросистемы, представляющие собой комбинацию МЭМС устройства с дискретной ИС, установленных на общей подложке-субстрате из кремния или других подходящих материалов, например, стекла или кварца;

- монолитные микросистемы, являющиеся стандартным КМОП ИС устройством с интегрированными МЭМС функциями.

Одним из достижений в разработке процессов производства стала возможность монолитной интеграции МЭМС с электроникой, выполняющей управляющие, контролирующие и сигналообрабатывающие функции. Монолитная интеграция достигалась за счёт микрообработки поликремниевой поверхности, и допустила, в частности, массовое производство и коммерческий успех МЭМС и интегрированных МЭМС акселерометров и гироскопов широко известной фирмы «Analog Devices».

Монолитная интеграция позволяет улучшить характеристики МЭМС, снизить цену производства, корпусирования, тестирования, поскольку этапы для получения МЭМС и ИС объединены. Множество компонентов замещаются одним миниатюрным компонентом, и всё это было достигнуто за счёт технологий производства, позволивших объединить МЭМС и ИС [3].

Большой интерес представляют также МЭМС на основе гироскопического измерительного элемента. Принцип их работы основан на действии кориолисовой центробежной силы. Эта сила модулирует резонансную частоту колебаний вращающегося элемента в форме кольца или бокала. Сила Кориолиса приводит к различному изменению резонансных частот по двум направлениям в плоскости вращения, причем разность резонансных частот пропорциональна скорости вращения. Одним из достоинств таких гироскопов является отсутствие вращающихся подшипников. Микросистемы с колебательным элементом в форме бокала разрабатывали по крайней мере 25 лет, но несмотря на это он не нашел широкого применения до сих пор. Это обусловлено тем, что для получения высокой чувствительности необходима чрезвычайно высокая точность производства деталей. Производство осуществляется с допусками до сотен или даже тысяч слоев кремния, но чувствительность датчика ограничена малой массой. Тем не менее, микромеханический кремниевый гироскоп еще не раскрыл весь свой потенциал [4].

Современные технологии, на базе которых, изготавливают ИС, включают в себя такие этапы производства как наращивание слоев, допирование, литография, травление, разделение на чипы и др. Микросистемная технология непригодна для производства опытных образцов в виду длительности производственного цикла. Так, например, в зависимости от сложности изделия, производственный цикл может занимать от нескольких дней до нескольких месяцев. Для изготовления МЭМС главным образом используются групповые технологические процессы. При использовании подобных технологий одновременно обрабатывается большое количество элементов с высокой степенью автоматизации производственных процессов.

В основном, изготовление МЭМС оказывается дешевле традиционной сборочной технологии, применяемой для создания макроскопических механических устройств, поскольку при создании МЭМС расходуется меньше материала, а промышленное производство МЭМС является параллельным процессом, при котором за один цикл на одной кремниевой пластине можно произвести сразу сотни готовых устройств. Кроме того, при создании сложных устройств, состоящих из множества компонентов, МЭМС-технология позволяет повысить надежность (поскольку все компоненты интегрированы в одной плате) и эффективность (т.к. компоненты расходуют мало энергии вследствие своего микроскопического размера и близкого расположения элементов) [5].

Современные МЭМС изготавливаются посредством прослаивания, комбинирования и клиентской адаптации производственных процессов, в основе которых используются те же технологии, что приняты для производства ИС. МЭМС технологии сегодня объединяются с наноэлектромеханическими системами (НЭМС). Прежде всего, объединение касается таких применений, как биотехнологии, радиочастотных МЭМС и акселерометров [3].

Следует отметить, что стоимость заводов по производству МЭМС высока, необходимо соблюдать особые требования по чистоте производственных помещений и используемых материалов. Также производственное оборудование требует очень высокой точности, и, следовательно, значительных капиталовложений. Кроме того, высоких издержек требуют управление, обслуживание и контроль на всех этапах производственных процессов.

В настоящее время существует несколько базовых технологий производства МЭМС. Первой из базовых технологий является кремниевая объемная микрообработка. Под ней понимают технологию глубинного объёмного травления, при этом травление может быть как жидкое химическое анизотропное, так и плазменное. Главной особенностью кремниевой поверхностной микрообработки является то, что данная технология совместима с полупроводниковой технологией, для которой используется КМОП технология.

Второй является сухое травление. Это метод селективного удаления не маскированных участков поверхности. Особенности процесса заключаются в том, что этот процесс можно комбинировать с технологией тонких плёнок и с технологией КМОП. Также посредством физико-химического травления контролируется профиль травления.

Следующей технологией является жидкое химическое анизотропное травление. В этом процессе используется тот факт, что разные кристаллографические направления кристалла травятся с разной скоростью

Также выделим технологии LIGA (рентгенолитография, гальваника и формовка) и SIGA (ультрафиолетовая литография, гальваника и формовка). Сущность технологии LIGA заключается в использовании рентгеновского излучения от синхротрона для получения глубоких, с отвесными стенками топологических картин в полимерном материале. Излучение синхротрона имеет сверхмалый угол расходимости пучка. Источником излучения являются высокоэнергетические электроны (энергия Е > 1 ГэВ) движущиеся с релятивистскими скоростями. Глубина проникновения излучения достигает единиц миллиметров. Это обуславливает высокую эффективность экспонирования при малых временных затратах [2]. Из особенностей технологии SIGA следует отметить возможность управления шириной профиля и то, что технология совместима с технологией тонких плёнок.

Помимо вышеописанных технологий, существует технология корпускулярно-лучевого формообразования. В настоящее время существуют две разновидности данной технологии: локально-стимулированный рост (осаждение или полимеризация) и локально-стимулированное прецизионное травление, в основе которых лежит воздействие на среду или материал концентрированного потока энергии (световые, электронные, ионные пучки) управляемого во времени и пространстве. Традиционной технологией формирования объемного рисунка в стекле, полимерах, керамике является обработка объекта остросфокусированным лазерным пучком (лазерное микрофрезерование). Также используется технология MUMPs (многопользовательская МЭМС технология – известная коммерческая программа), представляющая собой процесс трех слойной поликристаллической поверхностной микрообработки, который успешно сочетает в себе основные стадии более простых процессов.

Рассмотрим так называемую «волоконную технологию», суть которой заключается в спекании пучка стеклянных волокон (полых или сплошных), различающихся избирательностью к травлению по отношению к растворителю, вытягивании этого пучка до требуемого поперечного размера, разрезании вытянутой части пучка на куски и вытравливании затем из куска растворимых волокон. Укладка волокон в пучок осуществляется таким образом, что нерастворимые волокна образуют в сечении пучка структуру (топологию) изготавливаемой микроструктуры в некотором масштабе. Волоконная технология может быть отнесена к групповой технологии, так как однотипные изделия тиражируются в данном случае в составе одного волоконного пучка [1].

Для изготовления МЭМС используются материалы, которые в основном делятся на два типа: конструкционные и «активные умные». К конструкционным материалам относятся стекло, монокристаллический, поликристаллический, пористый кремний, диоксид и нитрид кремния, полиимид, вольфрам, никель, медь, золото и др. Они используются для формирования несущих конструкций, токоразводки и смазки. К «активным умным» относятся никель/титан, пермаллой, кварц, окись цинка, пьезокерамика, материалы группы A3B5 и А4В6. Они выполняют функции источников и передачи движения, сенсорных и активирующих сред за счет электростатических, электромеханических, пьезоэлектрических, магнитных, оптических явлений и эффекта памяти формы.

Большое значение имеют системы, в которых наряду с кремнием и другими полупроводниковыми материалами используются полимеры, керамика, металлы, поскольку технологий кремниевой микромеханики и обработки информации на кремнии недостаточно для успешного развития МЭМС [1]. При создании микросистем различного функционального назначения на основе композиций разнородных материалов должны учитываться следующие параметры: кристаллохимическая совместимость; термомеханическая совместимость; тепловая стойкость; электрическая стойкость; механическая стойкость; механическая усталость.

Области применений МЭМС ранжированы от самых массовых рынков – автомобильного и потребительского, до рынков сложных приборов специального назначения, производимых небольшими партиями: медицинских приборов, военной и аэрокосмической техники, промышленных автоматизированных систем управления и др.

Для массовых рынков важнейшим требованием является соотношение низкая цена и высокие объёмы производства, а для рынков приборов специального назначения ключевым требованием являются высокие рабочие характеристики.

Микросистемные устройства являются сегодня частью уже многих продуктов. Датчики и актюаторы, а именно микрофоны, акселерометры, дисплеи интегрируются в автомобильные, медицинские, телекоммуникационные, промышленные, портативные и другие системы и устройства. Примерами МЭМС могут служить следующие изделия:

- миниатюрные детали: гидравлические и пневмоклапаны, струйные сопла принтера и др.;

- микроинструменты: скальпели и пинцеты для работы с объектами микронных размеров;

- микромашины: моторы, насосы, турбины и др.;

- автомобильные микродатчики (датчики давления и ускорения, датчики, используемые в активных системах подвески, автоматических дверных замках, противоугонных системах, системах воздушных подушек и др.);

- акселерометры, применяемые в сейсмических системах записи, мониторах станков и механизмов, диагностических системах, то есть там, где необходимо измерять ускорение, удар и вибрацию;

- микророботы, микроиглы, микрофильтры, микроклапаны, микронасосы, микрозеркала и др. [1, 4].

Таким образом, в заключение данной статьи следует сделать вывод о том, что потенциал МЭМС не использован в полном объеме, необходимы новые разработки материалов, конструкций и технологий их изготовления с поиском различных вариантов более широкого применения.

Литература

1. Материалы сайта www.nanometer.ru/2010.

2. Варадан В. ВЧ МЭМС и их применение / В. Варадан, К. Виной, К. Джозе. М.: Техносфера, 2004. 528 с.

3. Материалы сайта www.sovtest.ru/publication.php.

4. Материалы сайта http://www.new.turbinist.ru/main/kip/86-mikrojelektromekhanicheskie-sistemy.

5. Материалы сайта www.nanometer.ru/2008.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.3

Д.В. Солод

МЕТОДИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ИССЛЕДОВАНИЮ

КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ КАК ОБЪЕКТОВ ВОЗДЕЙСТВИЯ

УГРОЗ

Проведен анализ уязвимых мест телекоммуникационных систем как объектов воздействия угроз несанкционированного доступа (НСД)

Анализ многообразия угроз НСД [1-3] позволил установить, что объектом их воздействия являются вычислительные сети — интегрированные, многомашинные, территориально рассредоточенные компьютерные системы, состоящие из взаимодействующих компьютеров и подсистемы связи для передачи данных [2].

В качестве абонентских пунктов сети (рабочих станций) используются персональные компьютеры малой и средней производительности. Территориально близкие и удаленные (через линии связи) абонентские пункты объединяются в локальную вычислительную сеть при помощи серверов локальных сетей. В качестве серверов локальных сетей используются персональные компьютеры средней и большой производительности.

Серверы локальной сети, в свою очередь, могут быть соединены между собой и подключены к концентратору сообщений, объединяющему потоки информации с нескольких локальных вычислительных сетей и изолированных абонентских пунктов. Объединенный концентратором сообщений информационный поток поступает на коммуникационную машину, которая производит логическую коммутацию передаваемых информационных потоков в другие локальные вычислительные сети, их объединения, или концентраторы сообщений изолированных абонентских пунктов. Коммуникационные машины функционируют в узлах вычислительной сети и являются средством распределенной обработки данных. В качестве коммутационных машин используются персональные компьютеры большой производительности.

Основными последствиями воздействия негативных факторов на вычислительные сети являются [3]:

Для абонентских пунктов сети:

искажение или удаление файлов и системных областей операционной системы;

уменьшение скорости работы, неадекватная реакция на команды пользователя;

вмешательство в процесс обмена сообщениями по сети путем непрерывной посылки хаотических сообщений;

блокирование и искажение принимаемых или передаваемых сообщений;

имитация физических сбоев;

имитация пользовательского интерфейса или приглашений ввода паролей с целью их запоминания;

накопление обрабатываемой и конфиденциальной информации в скрытых областях внешней памяти;

анализ кодов оперативной памяти с целью выявления ключевых таблиц или фрагментов ценной информации;

искажение программ и данных в оперативной памяти компьютеров.

Для серверов локальных сетей:

искажение информации проходящей через сервер (при обмене между абонентскими пунктами);

сохранение проходящей информации в скрытых областях внешней памяти;

нарушение работы локальной сети путем искажения или уничтожения собственной информации сервера (в частности идентификационных таблиц);

внедрение вирусов в файлы пересылаемые внутри локальной сети или на удаленные абонентские пункты.

Для коммуникационных машин:

разрушение собственного программного обеспечения коммуникационной машины и вывод из строя коммуникационного узла вместе со всеми присоединенными абонентскими пунктами;

засылка пакетов не по адресу, потеря пакетов, неверная сборка пакетов, подмена пакетов;

контроль активности абонентов коммуникационной машины для получения косвенных данных о характере информации, которой обмениваются абоненты сети.

Результаты проведенного анализа позволяют разрабатывать эффективные методы противодействия негативным факторам.