Моделирование энергетического потенциала цифровых радиолиний связи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Смирнов, Александр Сергеевич

• Смирнов, Александр Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Смирнов, Александр Сергеевич

Введение.

Глава 1. Геометрия и угловая кинематика каналов тропосферных и спутниковых радиолиний связи.

1.1. Особенность геометрии и кинематики тропосферных радиолиний связи НК —JIA.

1.2. Геометрия спутниковых радиолиний связи.

1.3. Расчет угла поворота вектора поляризации облучателя антенны наземного комплекса.

Выводы.

Глава 2. Энергетический потенциал информационного сигнала в пространственных каналах связи.

2.1. Выбор основных параметров ЦЛС по энергетике с использованием мультипликативных групп.

2.2. Методика анализа энергетики тропосферных радиолиний связи.

Пространственные потери.

Диаграмма направленности и коэффициент усиления апертурной антенны.

Потери в атмосфере.

Интерференционные потери.

2.3. Пример анализа энергетики тропосферной радиолинии связи НК — JIA

2.4. Особенности энергетики ЦЛС в точках несанкционированного доступа к информации.

Круговая орбита.

Эллиптическая орбита.

Выводы.

Глава 3. Энергетика пеленгационного канала и методы селекции главного лепестка ДН антенны.

3.1. Расчет отношения мощности сигнала к мощности шума для пеленгационного сигнала в АКС и MAC.

Антенна с коническим сканирования луча ДН.

Моноимпульсная антенная система.

Принцип формирования пеленгационной характеристики в MAC.

3.2. Методы селекции главного лепестка ДН антенны.

СГЛ ДН антенны при использовании дополнительной антенны.

Расчетный метод СГЛ антенны путем определения второй производной

Определение ширины полосы пропускания ФНЧ, выполняющих селекцию сигналов в системах СГЛ и УПЦ.

Выводы.

Глава 4. Анализ энергетики и минимизация коэффициента шума приемопередающей аппаратуры и кабельных трасс.

4.1. Структура радиоприемного устройства (РПУ) и расчет его энергетики

Примеры декомпозиционного анализа энергетики РПУ.

4.2. Анализ шумовых характеристик и звенно-каскадная схема построения кабельных трасс.

Анализ коэффициента шума в схеме, состоящей из усилителя и следующего за ним диссипативного элемента.

Звенно-каскадная схема кабельной трассы.

4.3. Особенности требований, предъявляемых к коэффициенту шума в трактах передающих устройствах.

Выводы.

Глава 5. Метод разбиения частотного диапазона в заданных пропорциях.

5.1. Логарифмическая мера ширины полосы частот.

5.2. Произвольные относительные ширины парциальных полос частот. 131 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование энергетического потенциала цифровых радиолиний связи»

Актуальность темы диссертации

Разработка аппаратуры высокоскоростных (от 30 до 300 Мбит/с) цифровых радиолиний (ВЦРЛ) в тропосферных и спутниковых каналах связи для передачи сигналов аэрофотосъемки земной поверхности и командной информации в режиме реального времени является важной задачей, как для многих систем гражданского применения, так и военного назначения. Энергетический потенциал (ЭП), выражаемый отношением мощности сигнала к мощности шума в рабочей полосе частот, или отношением энергии информационного бита к спектральной плотности мощности шума, это комплексная характеристика радиолинии связи. Он определяется совокупностью таких параметров, как мощность передающего устройства, коэффициенты усиления (КУ) антенн передатчика и приемника, ширина полосы рабочих частот, техническая скорость передачи информации, шумовые характеристики трактов приемо-передающей аппаратуры, пространственные, интерференционные и поляризационные потери в канале связи и ряда других.

Как известно, снижение вероятности появления ошибки в информации, передаваемой в радиолинии, можно добиться путем увеличения мощности передатчика и КУ антенных устройств. Однако столь прямолинейный путь, как правило, с одной стороны приводит к неприемлемым затратам потребляемой от источников питания мощности и повышению уровня вредных факторов излучения, воздействующих на операторов и окружающую среду, а также излишнему загрязнению эфира, создающему трудности с обеспечением ЭМС. С другой стороны он приводит к недопустимому увеличению габаритных размеров антенных устройств и усложнению систем их точного взаимного наведения. Таким образом, при создании современных высокопроизводительных и конкурентно-способных цифровых радиолиний связи остро стоит сложная и актуальная задача не прямого наращивания ЭП ВЦРЛ, фактически определяющего облик аппаратуры, а повышения эффективности его использования.

Многие вопросы анализа ЭП радиолокационной аппаратуры и цифровых радиолиний связи рассмотрены в известных монографиях М. Сколника, Р. Берковица, В.Т. Горяинова, Дж. Спилкера, Б.Скляра, Л.Я. Кантора, а также в отечественной и зарубежной периодике. Вместе с тем, практика разработки аппаратуры свидетельствует о необходимости дальнейшего развития современных комплексных методов анализа характеристик ВЦРЛ, в том числе и моделирования энергетического потенциала на ЭВМ с помощью специальных программных комплексов в различных режимах эксплуатации, включая динамические. В диссертационной работе представлена методика, позволяющая упростить выбор базовых параметров, определяющих энергетику ВЦРЛ, а также быстро проанализировать ЭП в динамическом режиме приема сигнала в самолетных и спутниковых линиях связи. Это, в свою очередь, дает возможность путем рационального выбора базовых и вспомогательных параметров, характеризующих ВЦРЛ, повысить эффективность использования ЭП. Цель работы и задачи исследования

Целью диссертационной работы является повышение эффективности использования энергетического потенциала аппаратуры цифровых радиолиний связи. Для выполнения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Проведен анализ геометрических и кинематических характеристик тропосферных и спутниковых радиолиний связи.

2. Разработана методика расчета ЭП пространственной части канала связи между наземным комплексом и летательным аппаратом, учитывающая влияние атмосферных осадков, интерференционные затухания сигнала в тропосфере, поляризационное затухание, прием сигнала в точках несанкционированного доступа к информации.

3. Проанализированы энергетические характеристики каналов угловой пеленгации цели в моноимпульсных системах и системах с коническим сканированием луча диаграммы направленности антенны.

4. Проведен анализ коэффициента шума и разработана методика его минимизации в приемо-передающей аппаратуре и магистральных кабелях.

5. Предложен метод разбиения общего диапазона частот на составные части с произвольно задаваемым соотношением значений парциальных относительных ширин полос.

Методы исследования

При решении поставленных задач использовались методы теории радиотехнических цепей и сигналов, электродинамики, вычислительной математики, линейной алгебры, компьютерного и математического моделирования, интегральное и дифференциальное исчисление. На защиту выносятся:

1. Методика анализа геометрических и кинематических характеристик пространственного канала связи между наземным комплексом и летательным аппаратом.

2. Методика анализа ЭП пространственного канала цифровой радиолинии связи, основанная на понятии мультипликативных групп.

3. Модель канала приема сигнала, излучаемого аппаратурой спутников, в точках несанкционированного доступа к передаваемой информации (НДПИ), позволяющая определять размеры области, которая подлежит контролю на предмет НДПИ.

4. Звенно-каскадная схема построения кабельной трассы, обладающая уменьшенным коэффициентом шума, либо увеличенной длиной по сравнению с традиционной многозвенной схемой.

5. Метод разбиения частотного диапазона на литерные поддиапазоны в заданных относительных пропорциях.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Введено новое понятие - перекрестный мультипликативный коэффициент, и показано, что при его использовании удается упростить процедуру выбора параметров элементов приемо-передающего тракта некоторых типов цифровых радиолиний связи.

2. Теоретически обосновано экспериментально наблюдаемое явление немонотонного характера изменения сигнала, принимаемого в точках несанкционированного доступа к информации в спутниковых линиях связи.

3. На основании результатов анализа влияния различных факторов, от которых зависит уровень интерференционных потерь в канале связи, выданы рекомендации, позволяющие добиться их уменьшения.

4. Разработан метод линеаризации пеленгационной характеристики антенной системы путем формирования ее степенной формы по разностно-суммарному отношению.

5. Предложена звенно-каскадная схема построения кабельной трассы, обладающая преимуществом по энергетике в сравнении с традиционной многозвенной схемой с транзитными усилителями.

6. Введены понятия логарифмической меры ширины полосы частот, определяемой как натуральный логарифм отношения верхней граничной частоты диапазона к нижней, а также средней величины по разностно-логарифмическому отношению.

Практическая значимость диссертации состоит в том, что разработана эффективная методика выбора основных параметров приемо-передающей аппаратуры цифровых радиолиний в тропосферных и спутниковых каналах связи путем моделирования ЭП, что, в свою очередь, позволяет повысить эффективность его использования. Реализация и внедрение результатов работы

Основные результаты работы внедрены и нашли практическое применение при разработке аппаратуры цифровых радиолиний связи на ряде предприятий (ФГУП НИИ точных приборов, ОАО НПК НИИ дальней радиосвязи, ОАО СКБ Топаз, ЗАО Компания Радиокомсистема), а также в учебном процессе Московского государственного института электроники и математики на кафедрах "Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы" и "Информационная безопасность".

Апробация работы

Основные теоретические и практические научные результаты, полученные в диссертации, докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, Москва, 2006, 2007, 2008, 2009, а также в выступлении на семинаре МНТОРЭС им. А.С. Попова «Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот», январь 2009. Публикации

По теме работы опубликовано 10 научных трудов, в том числе 3 статьи в ведущих научных журналах, рекомендуемых ВАК для публикации основных материалов диссертации на соискание ученых степеней кандидата и доктора наук. Структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения, содержит 143 страницы машинописного текста, 82 рисунка, 15 таблиц. Список цитируемой литературы включает 71 наименование.

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Смирнов, Александр Сергеевич

Выводы

1. Введено понятие логарифмической ширины полосы частот, численно равной пределу, к которому стремится суммарная относительная= ширина полосы, частот при бесконечном количестве интервалов дробления диапазона на равные части, а также средней величины, определяемой по разностно-логарифмическому отношению;

2. Разработаны метод, алгоритм и программа, предназначенная для разбиения частотного диапазона в заданных пропорциях с использованием ЭВМ. Разделение общего диапазона на части предельно упрощается при использовании логарифмической меры для ширины полосы частот.

Заключение

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Разработана методика анализа геометрических и кинематических характеристик тропосферных и спутниковых радиолиний связи.

2. Исследованы особенности приема сигнала, излучаемого аппаратурой спутника, в точках несанкционированного доступа к передаваемой информации.

3. Разработана методика анализа энергетического потенциала информационного сигнала в пространственном канале связи, базирующаяся на понятии мультипликативных групп, и введен перекрестный мультипликативный коэффициент, применение которого позволяет упростить процедуру выполнения расчетов ЭП.

4. Проведено исследование влияния различных факторов на интерференционные потери в канале связи с использованием двулучевой модели. Выданы рекомендации по уменьшению интерференционных потерь.

5. Предложен метод линеаризации пеленгационной характеристики сканирующей антенны путем использования степенной пеленгационной характеристики по разностно-суммарному отношению.

6. Проанализирован сквозной коэффициент шума приемо-передающей аппаратуры. Разработан метод его минимизации в аппаратуре и кабельных трассах.

7. Введены понятия логарифмической меры ширины полосы частот и средней величины, определяемой по разностно-логарифмическому отношению. Разработаны метод, алгоритм и программа, предназначенная для разбиения частотного диапазона в заданных относительных пропорциях с использованием ЭВМ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Смирнов, Александр Сергеевич, 2009 год

1. Регламент связи 2007. ФГУП Космическая связь

2. Регламент радиосвязи. Т.1. М.: Радио и связь, 1985 - 509 с.

3. Чернявский Г.М., Бартенев В. А. Орбиты спутников связи. М.: -Связь, 1978.-240 с.

4. Машбиц Л.М. Зоны обслуживания систем спутниковой связи. — М.: Радио и связь, 1982. 169 с.

5. Теоретические основы радиолокации. В.Е. Дулевич, А. А. Коростелев, Ю.А. Мельник и др. — М.: Советское радио, 1964. — 710 с.

6. Основы радиоуправления. Под ред. В.А.Вейцеля и В.Н Типугина. Учебное пособие для вузов. — М.: Советское радио, 1973. — 464 с.

7. Спутниковая связь и вещание: Справочник / Бартенев В.А., Болотов Г.В., Быков В.Л. и др\ Под ред. Л.Я. Кантора.— М.: Радио и связь, 1997. —528 с.

8. Установка и настройка спутниковой антенны // Спутниковое телевидение. Справочник. Телеспутник, 2001, с. 12-19.

9. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. — М.: Наука, 1978. —831 с.

10. Голдстейн Г. Классическая механика. — М.: Наука, 1975. — 416с.

11. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. М.: Наука, 1964. - 848 с.

12. Смирнов А. С. Определение требований предъявляемых к параметрам опорно-поворотного устройства приемной антенны. Тезисыдокладов научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ М.:МИЭМ, 2007 - с.284.

13. Кочин Н.Е. Векторное исчисление и начала тензорного исчисления. — J1.-M.: Главная редакция технико-теоретической литературы, 1937. —456 с.

14. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗ. М.: Наука, 1967, 608 с.

15. Баскаков С.И. Основы электродинамики.—М.: Сов. радио, 1973248 с.

16. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильяме», 2003. - 1104 с.

17. Берковиц Р.С. Современная радиолокация. Пер. с англ. — М.: Советское радио, 1969. — 704 с.

18. В.Н Антипов, В. Т. Горяинов, А.Н. Кулин и др. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны, Под. Ред. В. Т. Горяинова. М.: Радио и связь, 1988 - 304 с.

19. Спилкер Дою. Цифровая Спутниковая связь. М.: Связь, 1979, 421с.

20. Энергетические характеристики космических радиолиний. / Под ред. Зенкевича О.А. -М.: Советское радио, 1972. 436 с.

21. Кантор Л.Я., Минашин В.П., Тимофеев В.В. Спутниковое вещание. -М.: Радио и связь, 1981.-232 с.

22. Аболиц. А. И. Системы спутниковой связи М.: ИТИС ,2004.-426с.

23. Томаси У. Электронные системы связи. — М.: Техносфера, 2007. 1360 с.

24. Прокис Дж. Цифровая связь. М.: Радио и связь, 2000. — 800 с.

25. Петров А. С., Павленко Г.П. Энергетика цифровой радиолинии связи и определение параметров антенных устройств с помощью мультипликативных коэффициентов // Электромагнитные волны и электронные системы, 2006, т. 11, № 3. с. 106-108.

26. F.Xiong. Digital modulations techniques. Artech House, 2000.653 c.

27. Смирнов A.C. Моделирование прохождения в линии связи радиосигнала с бинарной фазовой модуляцией несущей частоты. Тезисы докладов научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ - М.:МИЭМ, 2006 - с. 234.

28. Кочерлсевский Г.Н., Ерохин Г.А., Козырев НД. Антенно— фидерные устройства: Учебник для вузов/ М.: Радио и связь, 1989. 352 с.

29. Дорохов А.П. Расчет и конструирование антеино-фидерных устройств. Харьков: Издательство Харьковского ордена Красного Знамени государственного университета им. A.M. Горького, 1960. 450 с.

30. Марков Г.Т. Сазонов Д.М. Антенны. Учебник для студентов радиотехнических специальностей ВУЗов.М.: Энергия, 1975. 528 с.

31. Калинин А.И. Влияние дождя на ослабление радиоволн на трассах Земля ИСЗ // Электросвязь. - 1976. - №5. - с. 12 - 15.

32. Крейн Р.К. Прогноз влияния осадков на спутниковые системы связи // ТИИЭР.- 1977. Т.65, №3 - с. 210- 216.

33. Смирнов А.С. Влияние интерференционных потерь на энергетику тропосферной радиолинии связи. Тезисы докладов научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ -М.:МИЭМ, 2008,- с. 306-307.

34. Сивере А.П., Суслов Н.А., Метелъский В.И. Основы радиолокации. JI: Судпромгиз, 1959. — 352 с.

35. Mahafza B.R. Radar systems & analysis and design using Matlab. Chapman & Hall/CRC, 2000. — 532 pp.

36. Дьяконов В.П. MATLAB 6/6.1/6.5+simulink 4/5 в математике и моделировании. Полное руководство пользователя. М.: COJIOH-Пресс. —2003.-576 с.

37. Разевиг В.Д., Лаврентьев Г.В., Златин И.Л. SystemView — средство системного проектирования радиоэлектронных устройств. Под ред. В.Д. Разевига. М.: Горячая линия - Телеком, 2002. - 352 с.

38. Дьяконов В.П. VisSim+Mathcad+MATLAB. Визуальное математическое моделирование. М.: COJIOH-Пресс, 2004. - 384 с.

39. Бакулев П. А. Радиолокационные системы. — М.: Радиотехника,2004, 320 с.

40. Леонов А.И., Фомнчев К.И. Моноимпульсная радиолокация. М., Сов. Радио, 1970,392 с.

41. Крохин В.В. Информационно-управляющие космические радиолинии. М.: НИИЭИР, 1993, 4.II. — 210 с.

42. Справочник по радиолокационной технике / Под ред. Сколника Том 1. М., «Сов радио» 1976, 456 с.

43. Петров А.С., Смирнов А. С. Линеаризация пеленгационной характеристики сканирующей антенны. «Проектирование телекоммуникационных и информационных средств и систем», сборник научных трудов каф. РТУиС. / Под ред. Кечиева Л.Н. М.:МИЭМ, 2007.- с. 178-180.

44. Роде ДР. Введение в моноимпульсную радиолокацию. Пер. с англ. М., Сов. Радио, 1960, 160 с.

45. Жук КС., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств. М., Энергия, 1966, 648 с.

46. Антенны и устройства СВЧ. Под ред. Воскресенского Д.И., М., Сов. Радио, 1972.318 с.

47. Устройства сложения и распределения мощностей высокочастотных колебаний / Под ред. З.И. Моделя. М.: Сов. радио, 1980. — 296 с.

48. Кузовкин И.Н., Петров А. С. Миниатюрные СВЧ устройства деления-суммирования мощности (Обзор) // Успехи современной радиоэлектроники, 2004, № 12. с. 12 46.

49. Кузовкин И.Н., Петров А.С. Схемы-прототипы 4-плечных гибридных кольцевых делителей мощности // Радиотехника и электроника. 2004. Т. 49, № 8. с.919-926.

50. Сазонов Д.М., Гридин А.Н., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ. -М.: Высш. Школа, 1981.-295 с.

51. Петров А.С., Смирнов А.С. Суммирование сигналов на 4— плечных гибридных сверхвысокочастотных устройствах // Радиотехника и электроника, т. 53, №3, 2008, с. 320-323.

52. Радиоприемные устройства. Под ред. В.И. Сифорова. — М.: Сов. Радио, 1974.—559 с.

53. Заварин Г.Д., Мартынов В.А., Федорцов Б.Ф. Радиоприемные устройства / Под ред. Г Д. Заварина. — М.: Военное издательство министерства обороны СССР, 1973. — 423 с.

54. Радиоприемные устройства. Под ред. А.П. Жуковского. — М.: Высш. шк, 1989. —342 с.

55. Бобров Н.В., Максимов Г.В., Мичурин В.И., Николаев Д.П. Радиоприемные устройства / под ред. Н.В. Боброва. М.: 1971. —- 495 с.

56. Белоусов А.П., Каменецкий Ю.А. Коэффициент шума. М.: Радио и связь, 1981.- 112 с.

57. Белоусов А.П. Расет коэффициента шума радиоприемников. М.: Оборонгиз, 1959.- 136 с.

58. Алгазинов Э.К., Бобрешов A.M., Воробьев A.M., Нестеренко Ю.Н. Отношение сигнал/шум радиоприемника в условиях блокирования. ВЕСТНИК ВГУ, Серия физика, математика, 2003, №1 с. 5 18.

59. Разевиг В.Д., Потапов Ю.В., Курушин А.А. Проектирование СВЧ устройств с помощью Microwave Office. Под ред. В.Д. Разевига. М.: СОЛОН-Пресс, 2003. - 496 с.

60. Смирнов А. С. Расчет энергетики приемного устройства. «Проектирование телекоммуникационных и информационных средств и систем», сборник научных трудов каф. РТУиС. / Под ред. Кечиева Л.Н.-М.:МИЭМ, 2008.- с.150 153.

61. Дьяконов В.П. Энциклопедия Mathcad 200 li и Mathcad 11. М.: СОЛОН-Пресс, 2004. — 832 с.

62. Момот Е.Г. Проблемы и техника синхронного радиоприема. — М.: Связьиздат, 1961. — 172 с.

63. Маттей Д.Л., ЯнгЛ., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. -М.: Связь, Т.1. 1971. - 439 с.

64. Рембовский A.M., Ашихмин А.В., Козъмин В.А. Радиомониторинг: задачи, методы, средства. М.: Горячая линия — телеком, 2006. — 492 с.

65. Генераторы и усилители СВЧ / Под ред. И.В. Лебедева. — М.: Радиотехника, 2005. — 352 с.

66. Башина О.Э., Спирин А.А. Общая теория статистики 5-е изд, Финансы и статистика, 2001, 440 с.

67. Петров А.С., Смирнов А.С. Разбиение частотного диапазона в заданных пропорциях // Радиотехника и электроника т. 53 № 12, 2008, с. 1504- 1508.

68. Современная теория фильтров и их проектирование. / Под ред. Г. Темеша и С. Митра / Пер с англ. Под ред. И.Н. Теплюка. — М.: Мир, 1977.560 с.