автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Исследование сверхширокополосных сигналов и их применения в специальных системах спутниковой связи

Введение.

1. Исследование и выбор сверхширокополосных сигналов для систем связи.

1.1 Современное состояние вопросов исследования и применения сверхширокополосных сигналов.

1.2 Особенности и критерии выбора моделей сверхширокополосных сигналов.

1.3 Модели импульсных сверхширокополосных сигналов.

1.4 Модели сверхширокополосных сигналов в виде кодированных последовательностей импульсов.

2. Оценка искажений сверхширокополосного сигнала в радиоканале Земля-Космос.

2.1 Методика оценки искажений сверхширокополосного сигнала в радиоканале.

2.2 Анализ распространения СШП сигнала в космическом радиоканале.

3. Анализ электромагнитной совместимости сверхширокополосной спутниковой системы связи и узкополосных радиотехнических систем.

3.1 Формулировка задачи оценки электромагнитной совместимости для сверхширокополосной спутниковой системы связи.

3.2 Оценка уровня помех, создаваемых сверхширокополосной спутниковой системой связи приемникам узкополосных систем связи.

3.3 Оценка уровня помех, создаваемых узкополосными системами связи сверхширокополосной системе связи.

4. Структурная схема спутниковой сверхширокополосной спутниковой системы связи и элементы ее аппаратной реализации.

4.1 Структурная схема сверхширокополосной спутниковой системы связи.

4.2 Формирователи сигналов.

4.3 Передающие и приемные антенны для сверхширокополосной спутниковой системы связи.

4.4 Усилители сверхширокополосных сигналов.

4.5 Устройства обработки сверхширокополосных сигналов.

Актуальность проблемы.

В последнее время отмечается рост числа различных систем связи, и в частности, спутниковых систем связи (ССС). В связи с этим возникают проблемы, связанные с нехваткой частотных ресурсов для работы новых ССС. Обычно такие проблемы решаются путем координации параметров ССС. Однако в некоторых специальных случаях проблемы, связанные с нехваткой частотных ресурсов необходимо решать с применением спутниковых систем связи, использующих сверхширокополосные (СШП) сигналы (СШП ССС). СШП сигналы представляют собой последовательности импульсов с длительностью порядка наносекунды или дискретно-частотные сигналы, ширина спектра которых составляет порядка одного гигагерца. Следовательно, такие сигналы обладают очень широким спектром, что позволяет при излучении распределять энергию передатчика в широком диапазоне частот до незначительных уровней, не оказывающих существенного влияния на работу традиционных радиотехнических систем (РТС), использующих узкополосные сигналы и работающих в том же диапазоне частот. Поэтому, применение СШП сигналов в ССС позволяет вторично использовать диапазоны частот. Кроме этого, использование СШП сигналов в ССС позволяет улучшить их характеристики. В частности, повысить скорость передачи информации (до млн. бит/сек.) или увеличить число пользователей.

Далее под термином "специальные системы спутниковой связи" будем подразумевать системы спутниковой связи, использующие частотный спектр на вторичной основе.

Цель диссертации

Целью диссертации является исследование СШП сигналов и возможностей их применения в ССС. Работа включает в себя вопросы выбора СШП сигналов для передачи информации, оценки искажения СШП сигналов в космическом радиоканале и степени их 4 влияния' на работу СШП ССС, . оценки электромагнитной совместимости СШП ССС с существующими РТС, а также анализ возможностей реализации СШП ССС на имеющейся элементной базе.

Основные проблемы, являющиеся предметом исследования в диссертационной работе.

1.Исследование СШП сигналов, пригодных для использования в ССС.

2.Анализ искажений СШП сигналов при распространении в космическом радиоканале и влияния таких искажений на характеристики СШП ССС.

3.Оценка электромагнитной совместимости СШП ССС с существующими наземными и спутниковыми РТС. 4.Анализ вариантов реализации устройств СШП ССС на имеющейся элементной базе.

Ожидаемые конечные результаты.

В результате диссертационной работы должны быть сформулированы требования к моделям СШП сигналов, пригодным для использования в РСПИ и произведен выбор таких моделей. Также необходимо оценить уровень искажений СШП сигналов в космическом радиоканале и оценку электромагнитной совместимости СШП ССС с узкополосными РТС. В диссертации необходимо разработать структурную схему СШП ССС и произвести оценку возможностей реализации СШП ССС на имеющейся элементной базе. Некоторые из вопросов, затронутых в диссертации, в частности вопросы исследования моделей СШП сигналов и особенностей функционирования аппаратуры в режиме работы со СШП сигналами представляют самостоятельный научный интерес.

Методы научного исследования.

Основные результаты диссертации получены на основе использования статистической радиотехники, теории электромагнитного поля, функционального и спектрального анализа, моделирование осуществлялось с использованием пакета научных программ "Matlab" версии 4.2с.1. 5

Научная новизна работы.

• Проведен анализ моделей СШП сигналов и их спектров и выбраны сигналы, пригодные для использования в ССС.

• Для оценки искажений СШП сигналов предложен метод пространственно-временной эквивалентности. Результаты исследований доказывают возможность применения данных сигналов в системах связи.

• Предложена методика оценки ЭМС СШП ССС и узкополосных РТС, основанная на представлении группы узкополосных РТС статистической моделью.

Практическая ценность диссертации.

• Для использования в специальной СШП ССС рекомендованы СШП сигналы в виде кодированных последовательностей СКИ, обеспечивающие вторичное использование спектра и кодово-временное разделение абонентов.

• Произведен расчет искажений СШП сигнала при распространении в космическом радиоканале. Получены оценки влияния этих искажений на работу СШП ССС и определены параметры корректора канала.

• Оценка электромагнитной совместимости СШП ССС с существующими радиотехническими системами космического и наземного базирования показывает, что помехи, создаваемые СШП системой узкополосным системам, допустимы с точки зрения требований МККР.

• Предложена структурная схема СШП ССС и рассмотрены варианты ее реализации на имеющейся элементной базе.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на международной научно-технической конференции в МЭИ (1996 г.), на LII научной сессии НТОРЭС им.

Попова (1997 г.), на научно-технической конференции Академии информатизации МТУСИ (1997 г.), а также на профессорско6 преподавательских конференциях МТУСИ (1995 г., 1996 г., 1997 г.).

Публикации.

Основные положения диссертации опубликованы в научно-технических журналах (5 работ), в материалах конференций (6 работ), а также в ряде научно-технических отчетов. Всего опубликовано 11 работ.

Внедрение результатов работы.

Результаты работы внедрялись в научно-исследовательские работы, проводимые в ЦНИИМАШ, в частности, в НИР "Спейс-2" "Исследование ключевых проблем создания и определение технического облика радиолинии с СКИ для проектирования спутниковых систем связи" и "Спейс-3" "Исследования затухания и фазовых искажений сверхкоротких импульсов в диапазоне частот 1.2 ГГц при их распространении в атмосфере Земли". Кроме того, результаты работы внедрялись в НИР "Аспект-96" "Исследование принципов создания перспективных систем радиосвязи с использованием кодированных последовательностей СКИ" и "Аспект-98" "Исследование сверхширокополосных систем космической радиосвязи". Практическую ценность полученных результатов подтверждают соответствующие документы.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа изложена на 104 страницах машинописного текста, иллюстрируется рисунками и состоит из введения, заключения, четырех глав и библиографического списка из 96 наименований.

Положения, выносимые на защиту.

• Сформулированы требования к моделям СШП сигналов в системах связи. Для использования в СШП ССС предложен сложный СШП сигнал, представляющий собой кодированную последовательность фазоманипулированных СКИ. 7

• Результаты расчетов искажений СШП сигналов, прошедших радиоканал. Оценку искажений предлагается проводить по изменению взаимнокорреляционной функции сигналов на входе и выходе радиоканала.

• Методика оценки электромагнитной совместимости СШП ССС с узкополосными системами связи'. Разработанная методика позволяет получить оценку электромагнитной совместимости СШП системы связи с существующими узкополосными системами связи в условиях ограниченной информации о характеристиках этих систем.

• Предложена обобщенная структурная схема СШП ССС, а также современная элементная база для реализации СШП системы. 8

Выводы к четвертой главе

1. Предложена структурная схема сверхширокополосной спутниковой системы связи. К особенностям этой схемы относится отсутствие традиционных для узкополосных систем связи узлов как генератор несущей, смеситель и детектор.

2. Проведенный анализ устройств формирования СШП сигналов позволил сделать вывод, что наиболее перспективным среди существующих устройств являются устройства, реализующие метод ударного возбуждения активных элементов и метод видеоимпульсного возбуждения ЛБВ.

3. В качестве антенн или антенных элементов для приема-передачи СШП сигналов пригодны традиционные широкополосные антенны, такие как спирали, рупора и т. д. При этом будут наблюдаться некоторые допустимые искажения СШП сигналов, которые при надлежащем качестве исполнения антенн могут быть сведены к минимуму. Особое внимание при подборе антенн для передачи и приема следует обращать на согласованность их передаточных функций во избежание значительных искажений СШП сигнала.

4. Для усиления СШП сигналов целесообразно использовать широкополосные усилители на СаАэ-полевых транзисторах с высокой подвижностью электронов, а также транзисторные усилители с распределенным усилением, которые способны усиливать сигнал в полосе частот от 0.05 до 20 ГГц. Кроме

101

Заключение

В данной диссертации рассматривается возможность использования СШП кодированных сигналов в спутниковой системе связи.

Для этого проведен анализ с целью определения моделей СШП сигналов наилучшим образом подходящих для синтеза, анализа и использования в СШП системе связи. В процессе проведенного анализа были выделены следующие особенности. Во-первых, спектры всех рассмотренных моделей явно несимметричны относительно центральной частоты. Это является принципиальной особенностью СШП сигналов относительно узкополосных. В следствии несимметричности спектра при демодуляции возможны искажения и это обстоятельство необходимо учитывать при построении аппаратуры. Во-вторых, из-за того, что формирователи СКИ и антенны не пропускают составляющие спектра СШП сигнала лежащие примерно до 500 Мгц, нецелесообразно использовать СШП сигналы со спектром, сосредоточенным в диапазоне до 500 МГц. Поэтому, реальные СКИ будут искажаться в значительно меньшей степени, чем СКИ, у которых основная энергия СКИ сосредоточена в области низких частот (0-1 ГГц).

Сделанный анализ позволяет сделать выводы, что для использования в системах сверхширокополосной связи наилучшим образом подходят модели в виде кодированных последовательностей синусоидальных и экспоненциальных импульсов. Проведенные исследования позволяют выбрать модели сигналов и спектров наиболее подходящие для синтеза и анализа СШП систем передачи информации с учетом их типа и назначения.

Для выбранной модели СШП сигнала проведен анализ и оценка искажений, возникающих в процессе распространения сигнала в космическом канале связи.

Проведенные исследования распространения СШП сигналов в космическом канале связи показали, что, во-первых, СШП сигналы, из-за широкой полосы частот, испытывают в космическом

102 канале связи значительные искажения. При этом СШП сигналы, имеющие спектр в полосе частот от 500 МГц до 10 ГГц испытывают дисперсионные искажения в верхних слоях атмосферы. Сигналы, имеющие спектр в полосе частот от 10 ГГц и выше искажаются в нижних слоях атмосферы из-за поглощения в водяных парах и газах. ■ Для уменьшения влияния искажений на параметры функционирования системы связи в приемнике необходимо использовать адаптивный корректор.

В диссертации исследовалась проблема электромагнитной совместимости СШП ССС с существующими узкополосными системами спутниковой связи. Установлено, что значения ППМ, создаваемые бортовым передатчиком СШП ССС в на 10-20 дБ меньше предельных, указанных в Регламенте радиосвязи. Таким образом, влияние СШП ССС на работу узкополосных систем связи, даже тех, которые работают в той же полосе частот, ничтожно. Гораздо более значительным является влияние работы множества узкополосных спутниковых систем связи на наземный приемник СШП системы связи. Установлено, что для компенсации этого влияния требуется увеличить мощность бортового передатчика примерно в 8 раз.

Однако с помощью некоторых специальных мер, например, использования кодового разделения и временной селекции это влияние можно уменьшить.

Разработаны функциональные схемы устройств формирования и обработки сигналов, использующие современную СВЧ технику.

Итак, было показано, что для формирования СШП сигналов наилучшим образом подходят формирователи на ЛБВ с импульсным возбуждением. В передатчиках наземных комплексов СШП ССС допустимо использование других видов формирователей, например, формирователей с ударным возбуждением активного прибора.

В качестве антенн или антенных элементов для приема-передачи СШП сигналов могут быть выбраны традиционные широкополосные антенны, такие как диполи, горны, спирали и т. д. При этом будут наблюдаться некоторые допустимые искажения СШП сигналов, которые при надлежащем качестве исполнения антенн могут быть сведены к минимуму. В качестве антенны для

103

СШП сигналов целесообразно использовать апертурную антенну с рупорным облучателем или облучателем в виде ТЕМ-горна. Особое внимание при подборе антенн для передачи и приема следует обращать на согласованность их передаточных функций.

Для СШП сигналов можно использовать широкополосные усилители на СаДв-полевых транзисторах с высокой подвижностью электронов, а также транзисторные усилители с распределённым усилением, которые способны усиливать сигнал в полосе частот от 0.05 до 20 ГГц. Перспективно использование широкополосных матричных усилителей.

В качестве устройств обработки СШП сигналов удобно применять согласованные фильтры. Показано, что передаточная функция согласованного фильтра СШП сигнала отличается от передаточной функции согласованного фильтра узкополосного сигнала. Синтез согласованного фильтра можно проводить на нерегулярных линиях передачи (НЛП), которые представляют собой линии с неодинаковым по длине волновым сопротивлением. Изменение волнового сопротивления достигается или изменением поперечного сечения одного проводника, или изменением расстояния между проводниками, или использованием неоднородной диэлектрической среды.

В целом, проведенное исследование доказывает принципиальную возможность и перспективность использования СШП сигналов в спутниковых системах связи.

1. Harmuth Н. F. Radio communication with orthogonal time functions., Trans. AIEE Commun. Electron., vol. 79, p. 221 -228, I960

2. Harmuth H. F. On the transmission of information by orthogonal time functions., Trans. AIEE Commun. Electron., vol. 79, p. 248 255, 1960

3. Хармут X. Ф. Несинусоидальные волны в радиолокации и радиосвязи.: Пер. с англ. М.: Радио и связь., 1985. - 376 с.

4. Хармут X. Ф. Теория секвентного анализа.: Пер. с англ. М. : Мир., 1980. - 574 с.

5. Ahmed N., Rao К. Orthogonal transforms for digital signal processing., Springer-Verlag, Berlin and New-York, 1974. 322 P

6. Beauchamp K-. G. Walsh functions and their applications., Academic Press, New York, 1975. 245 p.

7. Karpovsky M. G. Finite orthogonal series in the design of digital devices., Wiley, New York, 1976. 367 p.

8. Трахтман А. В., Трахтман В. А. Основы теории дискретных сигналов на конечных интервалах. М. : Сов. радио, 1975. - 207 с.

9. Chapman J. С. Experimental results with a Walsh wave radiator., IEEE Natl. Telecom. Conf. Symp. Rep., p. 44.2.1 44.2.3

10. Cook J. C. Proposed monocycle-pulse very high frequency radar for airborne ice and snow measurement., Trans. AIEE Commun. Electron., vol. 79, p. 588 594

11. Annan. A. P., Davis J. L. Impulse radar sounding in permafrost., Radio Sci., vol. 2, №4, p. 384 394

12. Cook J. C. Radar exploration through rock in advance of mining., Trans. Soc. Min. Eng. AIME, vol. 254, p. 140 146

13. Kovacs A, Morey R. M. Anisotropic properties of sea ice in the 50 to 150 MHz range., J. Geophys. Res., vol. 84, p. 5749 5759105

14. Moffat D. L., Puskar R. J. A subsurface electromagnetic pulse radar., Geophysics, vol. 41, p. 506 518

15. OSD/DARPA, Ultra-wideband radar review panel., Assessment of Ultra-wideband (UWB) technology., DARPA, Arlington, VA, 1990

16. Fowler C., Eusminger J., Corum J. Assessment of Ultra-wideband (UWB) technology., IEEE AES Mag., p. 45 49, 1990

17. Вайнштейн Jl. А., Вакман Д. E. Разделение частот в теории колебаний. М.: Наука, 1983. - 288 с.

18. Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы. Пер. с англ. -М.: Сов. радио., 1978. 568 с.

19. PULS0N new technology for UWB system., Time Domain Corp., http://www.time-domain.com, 1998.

20. The OCI ultrawideband (UWB) short pulse (SP) communication system uses baseband transmission of codes built from time shifted and inverted replicas of short RF pulses., ОС Inc., http://www.oc-inc.com, 1999.

21. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. 4-е изд., перераб. - М.: Радио и связь, 1986, 512 с.

22. Бендат Дж., Пирсол А. Применение корреляционного и спектрального анализа.: пер. с англ. М.: Мир, 1983. - 312 с.

23. Астанин J1. Ю. , Костылев А. А. Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений. М.: Радио и связь, 1989. - 192 с.

24. Hussain М. G. М. Principles of high resolution radar based on nonsinusoidal waves, part 1, Signal representation and pulse compression, IEEE Trans. Electromagn. Compat., vol. 31, №4, p. 359 368, 1989

25. Варакин Л. E. Системы связи с шумоподобными сигналами. М. : Радио и связь, 1985. - 384 с.

26. Диксон Р. К. Широкополосные системы.: пер. с англ. М. : Связь, 1979, 304 с.

27. Харкевич А. А. Спектры и анализ. М. : Гос. изд. технико-теоретической литературы, 1957. - 236 с.

28. Фелсен Л., Меркувиц Н. Излучение и рассеяние волн. Т. 1. М. :1061. Мир., 1978. 547 с.

29. Analysis of millimicrosecond RF puise transmission., Proc. of IRE., v. 10, №11, 1958, p. 120 125

30. Гинзбург В. Jl. Распространение электромагнитных волн в плазме.- М.: Физматгиз, i960. 552 с.

31. Виноградова М. Б., Руденко 0. П., Сухоурков А. П. Теория волн., М.: Наука, 1982. 432 с.32.0ughstun К. Е., Shurman G. С. Propagation of electromagnetic puises in a linear dispersive médium with absorption., J. Opt. Soc. Am., №5, p. 817 849, 1988

32. Радиотехнические системы. Под ред. Казаринова Ю. M. М. : Высшая школа, 1990. - 496 с.

33. Haskell R. Е., Case С. T. Transient signal propagation in lossless, isotropic plasmas. IEEE Trans. Antennas and Propag., vol. 15, p. 458 464, 1967

34. Распространение очень коротких импульсов в поглощающей дисперсионной атмосфере // Экспресс информация, сер. Радиотехника СВЧ, 1991, вып. 34, с. 1 - 7

35. Ваврив Л. В., Серебрянников А. Э. Анализ распространения СШП импульсов. // Геомагнетизм и аэрономика, 1996, т. 31, №4, с. 60- 7 5

36. Сухоребров В. Г. Оценка дисперсионных искажений радиоимпульс -сигналов // Изв. вузов., сер. Радиоэлектроника. 1980. - т. 23., №11. - с. 24 - 27.

37. Вайнштейн Л. А. Электромагнитные волны. 2-е изд., перераб. -М.: Радио и связь, 1988. - 580 с.

38. Тепляков И. М. Ионосферные искажения цифровых сигналов с широкополосной модуляцией // Радиотехника, 1984, №8, с. 8 12

39. Найденов А. И. Трансформация спектров наносекундных импульсов.- М.: Энергия., 1978. 158 с.

40. Виноградов П. А., Рогошков А. И. Исследование прохождения мощных. электромагнитных импульсов через атмосферу. // Радиотехника и электроника, 1995, №6, с. 849 855107

41. Князев А. Д., Пчелкин В. Ф. Проблемы обеспечения совместной работы радиоэлектронной аппаратуры. М.: Сов. радио, 1971

42. Михайлов А. С. Измерение параметров ЭМС РЭС. М.: Связь, 1980

43. Оценки системной электромагнитной совместимости (обзор) /

44. Сост. А. М. Шестопалов и Э. Н. Журавлев // Зарубежная радиоэлектроника, 1976, №11

45. Бородич С. В. ЭМС наземных и космических радиослужб. Критерии, условия и расчет. М.: Радио и связь, 1990. - 272 с.

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

47. Регламент радиосвязи. Т. 2. М.: Радио и связь, 1986. - 747 с.

48. Чернышев С. Л. Оптимальные радиочастотные фильтры для обнаружения сигнала. // Радиотехника, 1996, №5, стр. 2 3 2 6

49. Стркжов Б. А. и др. Короткоимпульсные локационные системы. // Зарубежная радиоэлектроника, 1989, №8, стр. 51 56

50. Сверхширокополосные антенны. Пер. с англ. под ред. Бененсона., М.: Сов. радио, 1964. 195 с.

51. Кочержевский Г. Н., Ерохин Г. А., Козырев Н. Д. Антенно-фидерные устройства., М.: Радио и связь, 1989. 352 с.

52. Баум К. Э. Новые методы нестационарного (широкополосного) анализа и синтеза антенн и рассеивателей. // ТИИЭР. 1976. -т.64, №11. - с. 53 - 74

53. Астанин, Костылев. Методы теоретического и экспериментального исследования нестационарного рассеяния и излучения электромагнитных волн. // Зарубежная радиоэлектроника, 1981, №9, стр. 34-42

54. Содин J1. Г. Импульсное излучение антенн. // Радиотехника и электроника, 1998, №2, с. 1015 1020

55. Franschetti G. , Papas С. Н. Pulsed antennas., IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 22, p. 651 661, 197467.3ернов, Меркулов. Антенны в режиме излучения (приема) сверхширокополосных сигналов. // Зарубежная радиоэлектроника, 1991, №1, стр. 40 48

56. Harmuth Н. F. Radar equation for nonsinusoidal waves, IEEE109

57. Trans. Electromagn. Compat., vol. 31, №2, p. 138 147, 1989

58. Wohlers R. J. The GWIA, An extremely wide band low dispersion antenna., Cornell Aeronautical Laboratory Inc., Buffalo, NY, 1993

59. Колобов, Полухин. Сверхширокополосная СВЧ антенна. // Радиотехника, 1991, №1, стр. 2-10

60. Попов. Сверхширокополосные спиральные микрополосковые антенны. // Экспресс-информация, сер. Радиотехника СВЧ, 1992, №15, стр. 5-7

61. Hussain М. G. М. Antenna patterns for nonsinusoidal waves with the time variation of a Gaussian pulse, part 1, IEEE Trans. Electromagn. Compat., vol. 30, №4, p. 504 512, 1988

62. Самойленко В. И., Трубин И. В. Адаптивная обработка СШП сигналов в антенной решетке // Радиотехника, 1995, №7, с. 54 -58

63. Watkins-Johnson Corp. Devices for processing wideband signal. Reference 12895, 1997

64. COMSAT Labs., Report no. 23, 1993'

65. Avantec Inc. New amplifiers data book, CA, 1994

66. TRW Corp. New wideband amplifiers. Note 23-045, NY, 1995