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.

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.