автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Методы приема поляризационно-манипулированных сигналов с непрерывным изменением параметров поляризации

005015495

Жаворонков Сергей Сергеевич

МЕТОДЫ ПРИЕМА ПОЛЯРИЗАЦИОННО-МАНИПУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ С НЕПРЕРЫВНЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ ПАРАМЕТРОВ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Специальность: 05.12.04 Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 МА? Ш2

Москва 2012

005015495

Работа выполнена на кафедре радиотехнических устройств (РТУ) Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет гражданской авиации» (МГТУ ГА).

Защита состоится 16 марта 2012 г. в 15 часов 00 минут на заседании

диссертационного совета Д212.131.01 при ФГБОУ ВПО «Московский

государственный институт радиотехники, электроники и автоматики» (МГТУ МИРЭА) по адресу: г.Москва, пр. Вернадского, д.78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ МИРЭА.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 119454, г. Москва, пр. Вернадского, д. 78, диссертационный совет Д2)2.131.01. "

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Яманов Дмитрий Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шахтарин Борис Ильич

доктор технических наук, профессор Савватеев Юрий Иванович

Ведущая организация:

ФГУП ГосНИИ «Аэронавигация»

Автореферат разослан

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.131.01, к.т.н., доцент

Стариковский А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертационной работы. В настоящее время существует большое многообразие различных систем связи, продолжает наращиваться их количественный состав и энергетический потенциал, расширяются диапазоны рабочих частот. Большинство радиотехнических систем работает в сложной электромагнитной обстановке ввиду наличия большого количества внутрисистемных помех, определяемых характеристиками каналов и условиями распространения радиоволн, а также взаимных межсистемных помех, создаваемых сторонними радиосредствами.

Решение проблемы помехозащищенности путем увеличения энергии передаваемых сигналов не является рациональным, особенно с учетом загрузки радиодиапазонов. Наиболее целесообразными являются методы, основанные на использовании специальных видов сигналов и применении эффективных алгоритмов их обработки.

Основными параметрами, определяющими выбор того или иного сигнала, являются их спектральная и энергетическая эффективность. Поэтому вопросы выбора сигналов для передачи данных, превосходящих уже известные по энергетической и спектральной эффективности, а также алгоритмов обработки этих сигналов, позволяющих обеспечить высокую помехоустойчивость, являются актуальными.

В настоящее время все большее внимание уделяется поляризационно-манипулированным сигналам и методам их поляризационно-временной обработки, которые без потери пропускной способности позволяют получить значительный выигрыш в помехозащищенности систем связи. При этом поляризационные методы допускают удачное сочетание со всеми другими методами обработки. Наиболее важные результаты в данном направлении отражены в работах К.Г. Гусева, В.В. Поповского, А.П. Родимова, S. Benedetto, T.S. Chu, A. Pizurica, V. Senk и ряда других отечественных и зарубежных ученых.

В связи с тем, что сигналы с поляризационной манипуляцией обладают значительным числом степеней свободы, существуют неисследованные разновидности этих сигналов, одной из которых являются поляризационно-манипули-рованные сигналы с непрерывным изменением параметров поляризации (ПМН).

Актуальность диссертационной работы определяется тем, что она направлена на решение проблемы повышения энергетической эффективности систем передачи данных за счет использования ПМН сигналов и методов их поляризационно-временной обработки.

Целью работы является исследование ранее неизвестной разновидности сигналов с поляризационной манипуляцией - поляризационно-манипули-рованных сигналов с непрерывным изменением параметров поляризации, разработка методов их приема и оценка эффективности этих методов в различной помеховой обстановке.

Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:

1. Анализ спектральной и энергетической эффективности различных видов

V"

поляризационно-манипулированных сигналов.

2. Синтез алгоритмов оптимального приема ПМН сигналов.

3. Синтез алгоритмов поляризационно-временной обработки ПМН сигналов с флюктуирующими параметрами.

4. Разработка методов поляризационно-временной обработки ПМН сигналов на фоне нефлюктуационных помех.

5. Анализ эффективности полученных алгоритмов приема.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- ПМН сигналы превосходят по спектральной и энергетической эффективности сигналы со скачкообразным изменением параметров поляризации (ПМ), потенциальная помехоустойчивость которых соответствует помехоустойчивости сигналов ФМ-2;

- многопозиционные ПМН сигналы превосходят по энергетической эффективности двухпозиционные; энергетический выигрыш при использовании четырехпозиционной ПМН по сравнению с двухпозиционной превышает 2 дБ;

- помехоустойчивость ПМН сигналов с непрерывным изменением одного параметра поляризации соответствует помехоустойчивости частотно-манипулированных сигналов с непрерывной фазой (ЧМНФ); применение ПМН сигналов с непрерывно-последовательным изменением двух параметров поляризации - углов ориентации 0 и эллиптичности (р (ПМНц.,,,), позволяет существенно повысить помехоустойчивость приема по сравнению со случаем использования ПМН сигналов с непрерывным изменением одного параметра поляризации; в этом случае энергетический выигрыш по сравнению с ПМ сигналами при использовании четырехпозиционной ПМНо-ф превышает 4,8 дБ, а для четырехпо-зиционных ПМН сигналов с непрерывным изменением одного параметра поляризации данный энергетический выигрыш составляет только 3,04 дБ;

- использование поляризационно-временной обработки позволяет реализовать прием ПМН сигналов с флюктуирующими параметрами и на фоне нефлюктуационных помех; эффективность алгоритма компенсации при приеме ПМН сигнала на фоне гармонической помехи возрастает с увеличением разницы в поляризационных параметрах сигнала и помехи 80; величина энергетического выигрыша по сравнению с приемом без поляризационно-временной обработки при рс=10""' и бв=тс/4 составляет 2,23 дБ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые проведен анализ спектральных характеристик ПМН сигналов; показано, что ширина энергетического спектра ПМН сигналов с последовательным изменением углов ориентации и эллиптичности соответствует ширине спектра ПМН сигналов с изменением одного из параметров поляризации и значительно уже ширины спектра ПМ сигналов;

- впервые получены алгоритмы оптимального приема ПМН сигналов для различного времени анализа и законов изменения параметров поляризации (линейного, гармонического);

- проведен анализ помехоустойчивости полученных алгоритмов оптимального приема ПМН сигналов, по результатам анализа определены

индексы поляризационной манипуляции при которых достигается потенциальная помехоустойчивость; получены значения энергетического выигрыша ПМН сигналов по сравнению с ПМ сигналами;

- впервые получены алгоритмы поляризационно-временной обработки ПМН сигналов с флюктуирующими параметрами и на фоне нефлюктуационных помех, проведен анализ их эффективности.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- разработаны методы приема ПМН сигналов для различного времени анализа, позволяющие реализовать прием ПМН сигналов с учетом информационной связи между символами;

- определены параметры ПМН сигналов, применение которых в радиосистемах позволяет достигнуть максимальной энергетической эффективности;

- разработаны методы поляризационно-временной обработки ПМН сигналов с флюктуирующими параметрами и на фоне нефлюктуационных помех;

- предложена схема формирования ПМН сигнала (патент №2351072);

- разработана методика компьютерного моделирования полученных алгоритмов приема ПМН сигналов.

Апробация. Основные положения диссертации докладывались на следующих научных конференциях: 5-ая международная конференция «Авиация и космонавтика - 2006» (Москва, МАИ, 2006 г.); МНТК «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества» (Москва, МГТУ ГА,

2006 г.); Международная молодежная научная конференция «XXXIII Гагаринские чтения» (Москва, МАТИ, 2007 г.); VI МНТК «Чкаловские чтения» (Егорьевск, ЕАТК ГА, 2007 г.); МНТК «Новые информационные технологии в научных исследованиях и образовании» ( Рязань, РГРТУ, 2007 г.); Всероссийская научно-техническая конференция молодых ученых и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, Политехнический институт СФУ, 2007 г.); 6-ая международная конференция «Авиация и космонавтика - 2007» (Москва, МАИ.

2007 г.); INTERMATIC-2007 МНТК «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» 23-27 октября 2007г. (Москва, МИРЭА, 2007 г.); Информационные технологии в авиационной и космической технике - 2008 (Москва, МАИ, 2008 г.); МНТК, посвященная 85-летию гражданской авиации России «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества» (Москва, МГТУ ГА, 2008 г.); МНТК «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества» (Москва, МГ'ТУ ГА, 2011 г.).

Внедрение результатов работы. Полученные при выполнении диссертационной работы результаты нашли отражение в отчетах по трем НИР МГТУ ГА и использованы в НИР ФГУП «ЦНИИ Комета» и ФГУП ГосНИИ «Аэронавигация», внедрены в учебный процесс МГТУ ГА, что подтверждается соответствующими актами внедрения.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 печатных работ, включая тезисы докладов, шесть статей - в изданиях, включенных в перечень ВАК. Получен один патент.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка литературы, включающего 108 наименований и приложение. Общий объем диссертации составляет 162 страницы текста, включая 49 рисунков, 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цели исследования и решаемые задачи, показана научная новизна работы, определены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе приводится анализ сигналов с поляризационной манипуляцией, рассматриваются их свойства. Здесь же приводятся методы формирования исследуемых сигналов.

Поляризационно-манипулированные сигналы представляют собой двумерные сигналы, в которых передача данных осуществляется манипуляцией параметров поляризации волны - углов ориентации 0 и эллиптичности <р (рис. 2),

Скачкообразное изменение параметров поляризации приводит к значительному расширению спектра Г1М сигнала. Переход к непрерывному изменению параметров поляризации позволяет повысить спектральную и энергетическую эффективность. Параметры поляризации ПМН сигналов изменяются непрерывно в течение тактового интервала и не имеют разрывов на границах тактовых интервалов.

Возможны следующие виды поляризационной манипуляции:

- изменение угла ориентации при постоянном значении угла эллиптичности (ПМН0);

- изменение угла эллиптичности при постоянном значении угла ориентации (ПМН,);

- одновременное изменение углов ориентации и эллиптичности (ПМНв.ф);

- последовательное изменение углов ориентации и эллиптичности (ПМН(Й|,);

- и т.д.

В общем случае законы изменения углов ориентации и эллиптичности ПМН сигнала могут быть записаны в виде:

e(t.Mk) = 2*£h,Am[t-(k-")T];

" (1)

(p(t,Mt) = 2^h„Ctm[t-(k-l)T], ¡-i

где m(t) - функция, описывающая закон изменения параметров поляризации; h„,h - индексы поляризационной манипуляции углов ориентации и эллиптичности соответственно; Ск - информационный символ на k-ом тактовом интервале; Mt = [C,,C,,...,CJ - вектор М-ичных информационных символов; Т - длительность тактового интервала.

В случае линейного закона изменения параметров поляризации т(1)={/2Т, при изменении параметров поляризации по гармоническому закону т(0 = [1 -со5(тс1/Т)]/4. Индексы Ь0, Ь(, могут оставаться постоянными для любого тактового интервала либо чередоваться по определенному закону.

На рис. 1 представлена диаграмма смены состояний поляризации ПМН0.,? сигнала (Ьо=Ь,,=0,25) при изменении параметров поляризации по линейному закону. На рис. 2 приведена поляризационная спираль в случае линейного закона

<р(1,мк)

-ЗЙ1

Рис. 1. Диаграмма изменения параметров поляризации ПМНв.ф сигнала

Рис. 2. Поляризационная спираль ПМНФ сигнала и траектории изменения параметров поляризации на сфере Пуанкаре

изменения угла эллиптичности (точки 1 и 2 на сфере Пуанкаре).

При одновременном изменении углов ориентации и эллиптичности спектр ПМН сигнала расширяется. Для сохранения ширины спектра ПМН сигнала целесообразно применить последовательное изменение параметров поляризации -на четных тактовых интервалах передавать данные путем изменения угла ориентации, а на нечетных - угла эллиптичности. Возможные траектории изменения параметров поляризации для данного случая приведены на рис. 3. Здесь же представлены соответствующие состояния параметров поляризации на сфере Пуанкаре.

Непрерывность параметров поляризации позволяет повысить спектральную эффективность сигналов. На рис. 4 приведены зависимости ширины энергетического спектра от индекса поляризационной манипуляции для ПМН сигналов с линейным изменением параметров поляризации и ПМ сигналов. Из приведенных зависимостей следует, что ширина спектра ПМН0, ПМН,Р сигналов значительно уже, чем у ПМо, ПМФ сигналов и совпадает с шириной спектра ПМНе.ф сигналов.

Во втором разделе рассматривается синтез алгоритмов оптимального приема детерминированных ПМН сигналов, обеспечивающих потенциально возможную помехоустойчивость.

Для приема поляризационно-манипулированных сигналов без поляризационных потерь целесообразно использовать двухкомпонентную антенну, настроенную на прием двух ортогональных составляющих сигнала в выбранном поляризационном базисе. На вход приемника поступает аддитивная смесь полезного сигнала s(t) и белого шума n(t)

u(t) =

I4W1 fnjt)^

ImdJ +

(2)

где n(t) =

K(t)

- составляющие вектора белого шума с характеристиками

N 1

"01^02

No. , ортогонально поляризованной

<п(0>=0;<п(1,)п(М> =

"'V

N„1 - спектральная плотность мощности ¡-ой компоненты (¡=1,2); - нормированная взаимная корреляционная функция между ортогонально поляризованными шумовыми составляющими.

Непрерывность параметров поляризации приводит к повышению энергетической эффективности за счет наличия межсимвольной информационной связи. В результате анализа ПМН сигнала на интервале времени от 0 до ЫТ принимается решение о первом символе С|, при анализе сигнала на интервале от Т до (№1)Т - о втором С2 и т.д.

Алгоритм оптимального приема ПМН сигналов в линейном ортогональном базисе при времени анализа Та=ЫТ по критерию максимума апостериорной вероятности имеет следующий вид

Рис. 3. Возможные траектории изменения параметров сигналов и их поляризационные состояния на сфере Пуанкаре для: а) ПМНе; б) ПМН„; в) ПМН*,

41-Т «

; ; . .. ■ . ........

: !

; ; Ж ........;....... ;

........т..... . ... / ; ; 1 ;

: .......;........ ;

; , ШНр.ШМН» ........

) -1- \ : ■ 1

м о'. 05 36 0.7 сг

а)

б)

Рис. 4. Ширина энергетического спектра ПМН сигналов: а) двухпознционные ПМв, ПМФ, ПМНо, ПМНФ, сигналы; б) М-позиционные ПМНе^, сигналы

1{ехрГХк(М;_1) + Хи1(С^,М;1) + ...+ Х^(Си1,Мг1,м;1)]-чг

-ехр[Ук(М;,) + Уы(СЫ,М'Ы) + ...+ Ук+Г(Ск„,Мг,,М*м)]} < О,

где

2 (к+Ут -г „ (1,Ск =1,Ск+г,М ,М" Л Хк.,(Скн,Мм,М ± I с _! с" м" м.1" А:

2 ,кГ Т (V, (1,Ск =-1,Ск+г,М .м* Л

М ,М - векторы информационных символов;

Т - символ транспонирования.

Получены алгоритмы оптимального приема М-позиционных детерминированных ПМН сигналов с линейным и гармоническим законами изменения параметров поляризации при анализе на одном, двух и N тактовых интервалах на фоне полностью неполяризованного белого шума (Нн=Мо2=Мо, &п=0)-

Для анализа помехоустойчивости приема М-позиционных ПМН сигналов на N тактовых интервалах можно использовать верхнюю границу вероятности ошибочного приема

где Ф(х) = 4= К"'2^; 0;,„ = 2Е[М-тах/|зт({,СЛз(1,С,)с11)];

у2лО С,, СJ - последовательности, начинающиеся с разных символов.

Для сравнения ПМН сигналов с различным основанием первичного алфавита удобнее использовать нормированное значение = /2Е) 1оц, М. На основе полученных результатов оценки вероятности ошибки оптимального приема ПМН сигналов, в таблице приведены значения индексов поляризационной манипуляции Ь при которых достигается максимальная помехоустойчивость, а также энергетический выигрыш 0 по сравнению с ПМ сигналами при 11=0,5 (с1^|г1 =2). Потенциальная помехоустойчивость ПМ сигналов соответствует помехоустойчивости сигналов ФМ-2.

Многопозиционные ПМН сигналы обладают лучшей энергетической эффективностью по сравнению с двухпозиционными ПМН сигналами, но уступают им в спектральной. Помехоустойчивость ПМН сигналов с гармоническим законом изменения параметров поляризации незначительно уступает помехоустойчивости ПМН сигналов с линейным законом изменения параметров поляризации, но при этом уменьшается ширина энергетического спектра.

Как видно из приведенных в таблице данных, ПМН сигналы превосходят по помехоустойчивости ПМ сигналы при времени анализа Та>2Т. С увеличением времени анализа вероятность ошибки уменьшается, стремясь к своему потенциально возможному значению, которое для двухлозиционных ПМНп, ПМН1р сигналов с линейным изменением параметров поляризации достигается при времени анализа Та=ЗТ и индексе поляризационной манипуляции (1=0,715. В случае четырехпозиционных ПМН сигналов с линейным изменением параметров поляризации и времени анализа Та=4Т достигается наибольший энергетический выигрыш по сравнению с ПМ сигналами равный 3,04 дБ при Ь=0,88. Помехоустойчивость ПМНп, ПМНФ сигналов соответствует помехоустойчивости ЧМНФ сигналов.

Таблица. Спектральная и энергетическая эффективность ПМН сигналов

Вид ПМН сигнала М ДРТ та И ^ТШП С>, дБ

ПМНо, ПМНФ с линейным изменением параметров поляризации 2 1.2 2 0.5 2 0

1.58 3 0.715 2.43 0.85

4 1.77 2 0.83 3,5 2.43

1.81 3 0.84 3.96 2.97

1.84 4 0.88 4.01 3.04

ПМНп.,, с линейным изменением параметров поляризации 2 1.61 2 0.75 2.21 0.43

1.58 3 0.72 3.05 1.83

1.56 4 0.7 3.73 2.71

1.52 5 0.65 3.96 2.97

1.52 6 0.65 3.99 3

4 1.71 2 0.76 3.67 2.62

1.75 3 0.8 4.51 3.53

1.75 4 0.8 5.21 4.16

1.75 5 0.8 5.9 4.7

1.75 6 0.8 6.14 4.87

ПМН„, ПМНФ с гармоническим изменением параметров поляризации ~> 1.11 2 0.5 2 0

1.32 3 0.63 2.19 0.39

4 1.56 2 0.79 3.39 2.29

1.62 3 0.82 3.76 2.74

ПМН,,.,,, с гармоническим изменением параметров поляризации 2 1.49 2 0.75 2.04 0.09

1.49 3 0.75 3 1.76

1.42 4 0.7 3.44 2.36

1.35 5 0.65 3.8 2.79

1.35 6 0.65 3.82 2.81

4 1.54 2 0.76 0.32 2.61

1.56 3 0.78 4.67 3.49

1.58 4 0.8 5.13 4.09

1.58 5 0.8 5.2 4.15

При последовательном изменении углов ориентации и эллиптичности число возможных траекторий изменения параметров поляризации увеличивается (рис. 3), также увеличивается протяженность траекторий до первого слияния, что приводит к повышению помехоустойчивости, поэтому ПМН0чр сигналы обладают лучшей энергетической эффективностью чем ПМНд, ПМНф и ЧМНФ сигналы при одинаковой ширине энергетического спектра. Потенциальная помехоустойчивость для двухпозиционных ПМН0.Ф сигналов достигается при анализе в течение шести тактовых интервалах и индексе поляризационной манипуляции h=0,65. В случае четырехпозиционных ПМНо-ф сигналов с линейным изменением параметров поляризации при Та=6Т достигается энергетический выигрыш 4,87 дБ (при h=0,8) по сравнению с ПМ сигналами, а для ПМНе, ПМНф сигналов данный энергетический выигрыш составляет только 3,04 дБ (при Та=4Т, h=0,88).

В третьем разделе рассматриваются вопросы поляризационно-временной обработки ПМН сигналов.

С учетом флюктуирующих параметров ПМН сигнала выражения для горизонтальной и вертикальной составляющих имеют следующий вид:

èx(t, Л) = {С05[фс + <p(t)]cos[ec + 6(t)] + jsin[cpc + cp(t)]sin[0c + 0(t)]}ejl™H'1"1";

éy(t, Л) = {cos[cpc + <p(t)]sin[0c + e(t)] - ]зт[Фс + ф(1)]соз[6с + e(t)]}ei[n,+w", где Л - вектор непрерывных параметров сигнала.

Элементами вектора A(t) в выражении (5) являются параметры поляризации волны - угол ориентации 0(t), угол эллиптичности <p(t) и случайная начальная фаза \j/(t). Таким образом вектор непрерывных параметров имеет вид: AT(t) = |9(t),<p(t),4/(t)jj. ПМН сигнал с флюктуирующими параметрами на входе двухканального приемника записывается в следующем виде:

Sxt(t,Ct,Mk.1) = {cos[Ml +(p(t)-cpJcos[Mk +0(t)-ea] +

+ jsin[Mk + cp(t) + cpa]sin[Mk + 0(t) -

Ss.t(t,Ct,Mw) = {cos[Mk +9(t)-cpJsin[MK. +9(t)-ea]-

-jsin[Mk +V(t) + 9JcostMt +e(t)-9J}e^lt)l,

nh k

где Mt = Ck —(t -T) - CkJth(k -1) + тгЬ]ГСп ; 6a, tpa- параметры поляризации T ii=i

приемной антенны.

С применением аппарата оптимальной нелинейной фильтрации получен алгоритм работы приемника ПМН сигналов, реализующего слежение за элементами вектора A(t). Схема приемника ПМН сигнала с флюктуирующими параметрами включает в себя схему оценки дискретного информационного параметра, блок слежения за параметром \|/(t) и систему поляризационно-временной обработки параметров 9(t), <p(t).

Зависимости вероятности ошибки от отношения сигнал/шум при приеме ПМН сигнала с флюктуирующими параметрами для различных рассогласований по углу ориентации между ПМН сигналом и приемной антенной А9 приведены на

ис. 5. Зависимость вероятности ошибки от отношения сигнал/шум при приеме ПМНЙ игнала с флюктуирующими параметрами

рис. 5 (Ь=0,5, с,; = а; =10°,с; =10 '.

гпо=т<р=т^=1). Энергетические потери в отношении сигнал/шум по сравнению со случаем идеального приема при вероятности ошибки рс=10"3 составляют 0,4 дБ при Д9=0 и 1,5 дБ при рассогласовании Лв=к/6.

Получены алгоритмы приема ПМН сигналов на фоне нефлюк-туационных непреднамеренных помех, возникающих вследствие работы различных радиосредств на близких частотах. Рассмотрен алгоритм поляризационно-временной обработки в случае приема ПМН сигнала при наличии в канале узкополосной гармонической помехи. Вектор наблюдения имеет вид

5,(0' Ш

где 5[1,]УВД,ЛС(0] =

и,[1,А„(1)]

иг[1,Лп(Щ

МО

- ПМН сигнал; и[^Лп(0] =

(7)

'8|[1,М(0,лс«Г

узкополосная помеха; МО) - вектор информационных параметров; Л с (4) - вектор непрерывных параметров сигнала; Л„(1) - вектор непрерывных параметров

4(0'

узкополосной помехи; п(Ч) =

- вектор широкополосной помехи типа

белого шума.

При синтезе алгоритма поляризационно-временной обработки использована процедура оценки параметров помехи Л (0 с последующей ее компенсацией. Элементы вектора помехи записываются в следующем виде:

11,(0 = А„со50„(Осоз(о1;и,(О = А„ зтОДОсоБеЯ, (8)

где А„ - амплитуда помехи; 0„(1) - угол ориентации помехи.

Выражение для апостериорной плотности вероятности имеет вид

Pp.it,сь+1|вс.вп) = —

>' (¡-ИТ

£ехр § '^(^М^Д,)*

где

Правило принятия решения о символе С*

1

Рр,№+1)т,сь = -11 е* ,е* ] <

с;=-1

1. (п)

Уравнения фильтрации параметров сигнала и помехи имеют вид:

¿п'

= {К,(0 - и,(ьв; )]{Л(Ь2)ап[(а> - 2п/Т)I + 6[(I) +

ш

+ (к - 1)тс/2 + С2] + Л(Ь, )зт[(со + 2тг/Т)1 + 9* (I) - (к - 1)тс/2 + Сг]} + (}2) + В:0) - и2 О,Э*)] х {Л(Ь2)8т[(ш - 2я/Т)I - Э) (I) - (к - 1)ж/2 - С£] + + Л(Ь, )зт[(ш + 2ъП)Х- 0* (0 + (к - 1)тс/2 - Сг]};

(10*

= -82К,{зт[(0)1 + е*(1)] & (I) - Л(Ь2)соз[(и - 2пП)Х +

Л

+ е* (0 + (к - 1)я/2 + СЕ] - Й1(Ь,)со8[(о + 2%и)г + 9*0) - (к - 1)тг/2 + (13) + Ст]} + в1п[(со1 - 0'п(1)] (1) - Л(Ь,)СОБ[(О> - 2п/Т)Х - 6' (I) -- (к - 1)л / 2 - С £ ] - Л(Ь,) соб[(со + 2 л/'Т) I - 0' (г) + (к - 1)тс / 2 - СГ ]},

ж. — г~

где Сг = —; Бь Бо-крутизна управляющих элементов;. К, = 4Ки /-ЛЫД; 2 м

К2 = 2К22 /Н082; К„ = ^/МеН0/1 + 1Ь(Т/2Н0); К22 = д/м^Н^;

4 |(Ы)т Н.

+в2о)-и2(1,0%п)]52(1,с; =(-1Г,с;.+,=(-1Г,с;.|,е;)}си, к=и.

Компенсатор содержит системы поляризационно-временной обработк сигнала и помехи, блок формирования опорных сигналов и систему оценк дискретного параметра. Эффективность использования алгоритма компенсаци возрастает с увеличением разницы в поляризационных параметрах сигнала помехи 58=8П-9С. Величина энергетического выигрыша по сравнению с приемо без обработки при ре=10"3 и величине 29=т:/4 составляет 2,23 дБ. Алгорит компенсации эффективно работает при достаточно близких поляризационнь параметрах ПМН0 сигнала и гармонической помехи.

Поляризационно-временную обработку на фоне нефлюктуационных помех можно реализовать также на основе алгоритмов адаптивной поляризационной фильтрации. Сигнал на выходе адаптивного фильтра можно записать в виде

= \¥п X,, (14)

где =[х|,х1|,... - входная последовательность;

\У -вектор весовых коэффициентов.

Для настройки вектора весовых коэффициентов применен градиентный алгоритм, использующий информацию о производной от изменяющегося по линейному закону угла ориентации или эллиптичности

\У'+| = \У' — I"2 -Оу,Х', где с! - коэффициент сходимости, 0=тЖ/Т.

На рис. 6 приведена зависимость вероятности ошибки от отношения сигнал/шум при наличии гармонической и ретранслированной помехи для различных рассогласований по углу ориентации между сигналом и помехой. Как следует из приведенных зависимостей, подавление гармонической помехи происходит более эффективно, чем ретранслированной. Заметное подавление гармонической помехи достигается даже при незначительных отличиях по углу ориентации между сигналом и помехой.

Четвертый раздел посвящен вопросам моделирования полученных алгоритмов приема ПМН сигналов. Приведена математическая модель ПМН сигнала и алгоритм моделирования приемников.

Формирование ПМН сигнала осуществляется путем моделирования прохождения электромагнитной волны через преобразователи поляризации, осуществляющие изменение углов ориентации и эллиптичности по заданному закону. При моделировании белый шум п(0 заменяется последовательностью независимых гауссовых случайных величин, имеющих дисперсию ст = / 2Л1.

Флюктуирующие параметры ПМН сигнала задаются по следующей рекуррентной формуле

(15)

где 1 - номер дискретного отчета времени; г)( - нормальная случайная величина с нулевым средним и единичной дисперсией.

Рис. 6. Зависимость вероятности ошибки от отношения сигнал/шум при адаптивном приеме ПМН0 сигнала

При моделировании оптимальных приемников ПМН сигнала генерируется последовательность символов, формируется ПМН сигнал и совокупность помех, -соответствии с алгоритмом работы приемника принимается решение переданном символе, определяется вероятность ошибки как отношение ошибочн принятых символов к общему количеству переданных символов. Необходимо число испытаний для оценки вероятности ошибки при заданной доверительной вероятности определялось с использованием границ Чернова.

В заключении приведены основные полученные в диссертации результаты даны выводы по работе и обозначены перспективные направления дальнейши исследований.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1) определена ширина спектров ПМ и ПМН сигналов для различны, значений индексов поляризационной манипуляции; показано, что ширина спектр ПМН сигналов значительно уже, чем у ПМ сигналов;

2) исследованы алгоритмы оптимального приема детерминированных П сигналов; установлено, что потенциальная помехоустойчивость ПМ сигнапо соответствует помехоустойчивости сигналов ФМ-2;

3) получены алгоритмы оптимального приема ПМН сигналов при различно временя анализа; показана возможность повышения помехоустойчивости за сче увеличения времени анализа, а также за счет непрерывно-последовательног изменения двух параметров поляризации вместо одного, при этом ширин энергетического спектра не изменяется; при увеличении времени анализ-сложность схемы оптимального приемника экспоненциально возрастает;

4) проведена оценка помехоустойчивости всех полученных алгоритмо оптимального приема ПМН сигналов для линейного и синусоидального законо изменения параметров поляризации; получены значения индексо поляризационной манипуляции, обеспечивающих высокую энергетическую спектральную эффективность: в случае четырехпозиционных ПМНо_ф сигналов линейным изменением параметров поляризации достигается энергетически выигрыш 4.87 дБ (при Та=6Т, Ь=0,8) по сравнению с ПМ сигналами, а для ПМН( ПМН,, сигналов данный энергетический выигрыш составляет только 3.04 дБ (пр| Та=4Т, 11=0.88);

5) с использованием теории нелинейной фильтрации синтезирован алгорит поляризационно-времеиной обработки ПМН сигнала с флюктуирующим параметрами; энергетические потери по сравнению со случаем идеального прием при рс=10"3 составляют 0,4 дБ при Д8~0 и 1,5 дБ при ЛВ~я/6.

6) разработаны методы поляризационно-временной обработки ПМН сигнало на фоне нефлюктуационных помех и проведена оценка их помехоустойчивости эффективность использования алгоритма компенсации возрастает с увеличение, разницы в поляризационных параметрах сигнала и помехи 50, энергетически выигрыш по сравнению с приемом без обработки при ре=10~3 и 69=71/4 составляе 2.23 дБ; при адаптивной обработке подавление гармонической помех происходит более эффективно, чем ретранслированной (при рс=103 и 50=л/ гармоническая помеха подавляется сильнее ретранслированной на 1,8 дБ).

7) проведено компьютерное моделирование полученных алгоритмов приема ПМН сигналов, подтверждена их эффективность при различных значениях отношения сигнал/шум и параметрах поляризации.

К перспективным направлениям дальнейших исследований следует отнести: оптимизацию формирования траекторий изменения параметров поляризации ПМН сигналов на сфере Пуанкаре; реализацию повторного использования частот на основе динамического поляризационного разделения каналов.

Публикации автора по теме диссертации

1. Яманов Д.Н., Жаворонков С.С. Анализ спектральных характеристик сигналов с непрерывной поляризационно-частотной манипуляцией. // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиотехника и радиофизика. - М.: МГТУ ГА, 2006. -№98.-с. 51-54.

2. Яманов Д.Н., Жаворонков С.С. Способы адаптивного приема поляризационно-манипулированных сигналов с непрерывным изменением параметров поляризации. // Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества. Тезисы докладов МНТК, посвященной 35-летию со дня основания университета. - М.: МГТУ ГА, 2006. - с. 145.

3. Жаворонков С.С., Яманов Д.Н. Алгоритм адаптивного приема двумерных сигналов на фоне комплекса частично поляризованных помех. // Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества. Тезисы докладов МНТК, посвященной 35-летию со дня основания университета. - М.: МГТУ ГА, 2006.-с. 145.

4. Яманов Д.Н., Жаворонков С.С. Поляризационная манипуляция с непрерывным изменением параметров поляризации электромагнитной волны. // 5-ая международная конференция «Авиация и космонавтика - 2006». Тезисы докладов. - М.: Изд-во МАИ, 2006.-е. 137.

5. Яманов Д.Н., Жаворонков С.С. Динамическое поляризационное разделение каналов. // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиотехника и радиофизика. - М.: МГТУ ГА, 2006.-№98.-с. 13-17.

6. Яманов Д.Н., Жаворонков С.С. Помехоустойчивость поляризационно-манипулированных сигналов с непрерывным изменением параметров поляризации по гармоническому закону. // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиотехника и радиофизика. - М.: МГТУ ГА, 2007. - № 99. - с. 47-51.

7. Жаворонков С.С., Яманов Д.Н. Многопозиционные сигналы с поляризационной манипуляцией. // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиотехника и радиофизика. - М.: МГТУ ГА, 2007. - № 99. - с. 52-56.

8. Яманов Д.Н., Жаворонков С.С. Поляризационно-манипулированные сигналы с циклически изменяющимися индексами манипуляции. // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиотехника и радиофизика. - М.: МГТУ ГА, 2007. -№ 99. - с. 57-60.

9. Яманов Д.Н., Жаворонков С.С. Повышение эффективности спутниковых систем связи и передачи данных используемых в УВД // Научный Вестник ГосНИИ «Аэронавигация», серия проблемы организации воздушного движения.

Безопасность полетов. - М.: ФГУП ГосНИИ «Аэронавигация», 2007. - № 7, - с.

10. Жаворонков С.С. Прием поляризационно-манипулированных сигналов на фоне частично поляризованной помехи. // 6-ая международная конференция «Авиация и космонавтика - 2007». Тезисы докладов. - М.: Изд-во МАИ, 2007, - с.

11. Яманов Д.Н., Жаворонков С.С. Анализ помехоустойчивости четырехпозиционных поляризационно-манипулированных сигналов с непрерывным изменением параметров поляризации. // INTERMATIC - 2007. Материалы МНТК «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» 23-27 октября 2007г. Часть 2. - М.: МИРЭА, 2007. - с. 242-244.

12. Яманов Д.Н., Жаворонков С.С. Прием поляризационно-манипулированных сигналов с непрерывным изменением параметров поляризации при изменении поляризационной структуры сигнала в канале связи. // Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества. Тезисы докладов МНТК, посвященной 85-летию гражданской авиации России. -М.: МГТУ ГА, 2008.-е. 136-137.

13. Яманов Д.Н., Жаворонков С.С. Компенсация помех при приеме поляризационно-манипулированньгх сигналов с непрерывным изменением параметров поляризации. // Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества. Тезисы докладов МНТК, посвященной 85-летию гражданской авиации России. - М.: МГТУ ГА, 2008. - с. 138.

14. Яманов Д.Н., Жаворонков С.С. Прием поляризационно-манипулиро-ванных сигналов с флюктуирующими параметрами поляризации ЭМВ. // Информационные технологии в авиационной и космической технике - 2008. Тезисы докладов. - М.: Изд-во МАИ, 2008. - с. 63.

15. Яманов Д.Н., Жаворонков С.С. Энергетическая эффективность поляризационно-манипулированных сигналов с непрерывным изменением параметров поляризации. // Наукоемкие технологии. 2010. № 8. т.11. - с. 16-19.

16. Жаворонков С.С., Яманов Д.Н. Поляризационная манипуляция с непрерывным изменением параметров поляризации по гармоническому закону. // Научный Вестник МГТУ ГА. - М.: МГТУ ГА, 2010.-№ 158.-е. 133-136.

17. Жаворонков С.С. Прием поляризационно-манипулированных сигналов с непрерывным изменением параметров поляризации на фоне совокупности помех // Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества. Тезисы докладов МНТК, посвященной 40-летию со дня основания университета. - М.: МГТУ ГА, 2011. - с. 165.

18. Патент №2351072. Жаворонков С.С., Яманов Д.Н. Устройство для формирования поляризационно-манипулированных сигналов с непрерывным изменением угла ориентации.

145-148.

42.

Соискатель:

Жаворонков С.С.

Подписано в печать 02.02.12 г. Печать офсетная Формат 60x84/16 1,02 уч.-изд. л. 1,05 усл.печ.л._Заказ №1407/70д_Тираж 100 экз.

Московский государственный технический университет ГА 125993 Москва, Кронштадтский бульвар, д. 20 Редакционпо-издательский отдел 125493 Москва, ул. Пулковская, д.ба

© Московский государственный технический университет ГА, 2012

61 12-5/1720

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ВОЗДУШНОГО ТРАНСПОРТА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ»

На правах рукописи

рЬСхА , "

Жаворонков Сергей Сергеевич

методы приема поляризационно-манипулированных сигналов с непрерывным изменением параметров поляризации

Специальность: 05.12.04 - «Радиотехника, в том числе системы и

устройства телевидения»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель канд. техн. наук, доцент Д.Н. Яманов

Москва-2012

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 4

ВВЕДЕНИЕ 5

1. СВОЙСТВА СИГНАЛОВ С ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ МАНИПУЛЯЦИЕЙ 11

1.1. Поляризационная структура радиоволн 11

1.2. Виды сигналов с поляризационной манипуляцией 18

1.3. Спектральные характеристики сигналов с поляризационной манипуляцией 29

1.4. Методы формирования поляризационно-манипулированных

сигналов 33

1.5. Выводы 38

2. ОПТИМАЛЬНЫЙ ПРИЕМ ДЕТЕРМИНИРОВАННЫХ ПОЛЯРИЗАЦИОННО-МАНИПУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ 39

2.1. Постановка задачи 3 9

2.2. Оптимальный прием поляризационно-манипулированных сигналов

с дискретным изменением параметров поляризации 41

2.3. Оптимальный прием поляризационно-манипулированных сигналов

с непрерывным изменением параметров поляризации 44

2.4. Оптимальный прием многопозиционных поляризационно-манипулированных сигналов с непрерывным изменением

параметров поляризации 66

2.5. Помехоустойчивость оптимального приема детерминированных поляризационно-манипулированных сигналов 72

2.6. Выводы 84

3. МЕТОДЫ ПРИЕМА ПОЛЯРИЗАЦИОННО-МАНИПУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ С НЕПРЕРЫВНЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ

ПАРАМЕТРОВ ПОЛЯРИЗАЦИИ ПРИ НАЛИЧИИ ПОМЕХ 85

3.1. Постановка задачи 85

3.2. Характеристика помех в канале связи и методов борьбы с ними 85

3.3. Методы приема поляризационно-манипулированных сигналов с непрерывным изменением параметров поляризации при флюктуирующими параметрах 93

3.4. Методы приема поляризационно-манипулированных сигналов с непрерывным изменением параметров поляризации при наличии нефлюктуационных помех 114

3.5. Выводы 134

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПРИЕМНИКОВ

ПОЛЯРИЗАЦИОННО-МАНИПУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ С НЕПРЕРЫВНЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ ПАРАМЕТРОВ ПОЛЯРИЗАЦИИ 136

4.1. Постановка задачи 136

4.2. Модели поляризационно-манипулированных сигналов с непрерывным изменением параметров поляризации 136

4.3. Методика моделирования приема поляризационно-манипулированных сигналов с непрерывным изменением параметров поляризации 140

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 149

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 152

ПРИЛОЖЕНИЕ. Устройство для формирования сигналов

с поляризационной манипуляцией 163

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ПМ - поляризационная манипуляция со скачкообразным изменением

параметров поляризации ПМ0 - поляризационная манипуляция со скачкообразным изменением угла ориентации

ПМФ - поляризационная манипуляция со скачкообразным изменением угла эллиптичности

ПМо5ф - поляризационная манипуляция со скачкообразным одновременным

изменением углов ориентации и эллиптичности ПМН - поляризационная манипуляция с непрерывным изменением параметров поляризации

ПМНе - поляризационная манипуляция с непрерывным изменением угла ориентации

ПМНф - поляризационная манипуляция с непрерывным изменением угла эллиптичности

ПМНе ф - поляризационная манипуляция с непрерывным одновременным

изменением углов ориентации и эллиптичности ПМН0.Ф - поляризационная манипуляция с непрерывно-последовательным

изменением углов ориентации и эллиптичности ФМ - фазовая манипуляция ЧМ - частотная манипуляция

ЧМНФ - частотная манипуляция с непрерывной фазой ЭМВ - электромагнитная волна

введение

В настоящее время существует большое многообразие различных систем связи, продолжает наращиваться их количественный состав и энергетический потенциал, расширяются диапазоны рабочих частот. Большинство радиотехнических систем работает в сложной электромагнитной обстановке ввиду наличия большого количества внутрисистемных помех, определяемых характеристиками каналов и условиями распространения радиоволн, а также взаимных межсистемных помех, создаваемых сторонними радиосредствами [7, 14, 25, 56, 72]. Все это порождает возникновение различного рода помех и является актуальной проблемой помехозащищенности радиоэлектронных средств.

Решение задачи помехозащищенности путем увеличения энергии передаваемых сигналов не является рациональной, особенно с учетом загрузки радиодиапазонов [14]. Поэтому наиболее целесообразными являются следующие методы: использование специальных видов сигналов, применение эффективных методов обработки сигналов, повышении направленности излучающих и приемных систем и др.

Основными параметрами, определяющими выбор того или иного сигнала, считается их спектральная и энергетическая эффективность. Поэтому одним из главных вопросов, возникающих при разработке систем связи, обеспечивающих высокую помехоустойчивость, является выбор сигналов для передачи данных, превосходящих уже известные по энергетической и спектральной эффективности, а также алгоритмов приема и обработки этих сигналов.

В последние годы все большее внимание уделяется поляризационно-манипулированным сигналам и методам их поляризационно-временной обработки, которые без потери пропускной способности позволяют получить значительный выигрыш в помехозащищенности систем связи. Наиболее

важные результаты в данном направлении отражены в работах К.Г. Гусева, В.В. Поповского, А.П. Родимова, S. Benedetto, T.S. Chu, A. Pizurica, V. Senk и ряда других отечественных и зарубежных ученых.

Применение сигналов с поляризационной манипуляцией и методов их оптимальной обработки хотя и позволяет достичь более высокой эффективности, в настоящее время ограничивается прежде всего отсутствием достаточного числа соответствующих публикаций по оценкам поляризационных параметров сигналов и эффективности их поляризационно-временной обработки. При этом поляризационные методы допускают удачное сочетание со всеми другими методами обработки. Введение их в средства связи позволяет повысить пропускную способность систем связи за счет повторного использования частот, осуществлять поляризационное согласование в линиях связи и др. [9, 10, 57].

Одним из перспективных направлений в повышении эффективности систем связи является использование сигналов с поляризационной манипуляцией [9, 10, 17-22, 85-98]. У традиционных поляризационно-манипулированных сигналов (ПМ) в течение каждого тактового интервала значение соответствующего параметра поляризации постоянно и меняется скачком в конце интервала при смене информационного символа [9, 10]. Представляется целесообразным вместо скачкообразного изменения состояния поляризации использовать непрерывное, что позволяет повысить спектральную и энергетическую эффективность сигналов [85].

При этом следует отметить, что для практического применения поляризационно-манипулированных сигналов в данный момент не достаточно изучены вопросы их формирования и оптимальной обработки. Традиционно на практике наибольшие трудности возникают при обработке сигналов на приемной стороне. Поэтому вопросы методов приема поляризационно-манипулированных сигналов с непрерывным изменением параметров поляризации (ПМН) являются актуальными.

Целью диссертационной работы является исследование ранее неизвестной разновидности сигналов с поляризационной манипуляцией -поляризационно-манипулированных сигналов с непрерывным изменением параметров поляризации, разработка методов их приема и оценка эффективности этих методов в различной помеховой обстановке.

Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:

1. Анализ спектральной и энергетической эффективности различных видов поляризационно-манипулированных сигналов.

2. Синтез алгоритмов оптимального приема ПМН сигналов.

3. Синтез алгоритмов поляризационно-временной обработки ПМН сигналов с флюктуирующими параметрами.

4. Разработка методов поляризационно-временной обработки ПМН сигналов на фоне нефлюктуационных помех.

5. Анализ эффективности полученных алгоритмов приема.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- ПМН сигналы превосходят по спектральной и энергетической эффективности ПМ сигналы, потенциальная помехоустойчивость которых соответствует помехоустойчивости сигналов ФМ-2;

- многопозиционные ПМН сигналы превосходят по энергетической эффективности двухпозиционные; энергетический выигрыш при

" использовании четырехпози ционной ПМН по сравнению с двухпозиционной превышает 2 дБ;

, - помехоустойчивость ПМН сигналов с непрерывным изменением одного

параметра поляризации соответствует помехоустойчивости частотно-манипулированных сигналов с непрерывной фазой (ЧМНФ); применение ПМН \ сигналов с непрерывно-последовательным изменением двух параметров

поляризации - углов ориентации 9 и эллиптичности (р (ПМНе.ф), позволяет существенно повысить помехоустойчивость приема по сравнению со случаем использования ПМН сигналов с непрерывным изменением одного параметра

поляризации; в этом случае энергетический выигрыш по сравнению с ПМ сигналами при использовании четырехпозиционной ПМН0.Ф превышает 4,8 дБ, а для четырехпозиционных ПМН сигналов с непрерывным изменением одного параметра поляризации данный энергетический выигрыш составляет только 3,04 дБ;

- использование поляризационно-временной обработки позволяет реализовать прием ПМН сигналов с флюктуирующими параметрами и на фоне нефлюктуационных помех; эффективность алгоритма компенсации при приеме ПМН сигнала на фоне гармонической помехи возрастает с увеличением разницы в поляризационных параметрах сигнала и помехи 80; величина энергетического выигрыша по сравнению с приемом без поляризационно-временной обработки при ре=10" и 80=7г/4 составляет 2,23 дБ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые проведен анализ спектральных характеристик ПМН сигналов; показано, что ширина энергетического спектра ПМН сигналов с последовательным изменением углов ориентации и эллиптичности соответствует ширине спектра ПМН сигналов с изменением одного из параметров поляризации и значительно уже ширины спектра ПМ сигналов;

- впервые получены алгоритмы оптимального приема ПМН сигналов для различного времени анализа и законов изменения параметров поляризации (линейного, гармонического);

- проведен анализ помехоустойчивости полученных алгоритмов оптимального приема ПМН сигналов, по результатам анализа определены индексы поляризационной манипуляции при которых достигается потенциальная помехоустойчивость; получены значения энергетического выигрыша ПМН сигналов по сравнению с ПМ сигналами;

- впервые получены алгоритмы поляризационно-временной обработки ПМН сигналов с флюктуирующими параметрами и на фоне нефлюктуационных помех, проведен анализ их эффективности.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- разработаны методы приема ПМН сигналов для различного времени анализа, позволяющие реализовать прием ПМН сигналов с учетом информационной связи между символами;

- определены параметры ПМН сигналов, применение которых в радиосистемах позволяет достигнуть максимальной энергетической эффективности;

- разработаны методы поляризационно-временной обработки ПМН сигналов с флюктуирующими параметрами и на фоне нефлюктуационных помех;

- предложена схема формирования ПМН сигнала (патент №2351072);

- разработана методика компьютерного моделирования полученных алгоритмов приема ПМН сигналов.

Полученные при выполнении диссертационной работы результаты нашли отражение в отчетах по трем НИР МГТУ ГА и использованы в НИР ФГУП «ЦНИИ Комета» и ФГУП ГосНИИ «Аэронавигация», внедрены в учебный процесс МГТУ ГА, что подтверждается соответствующими актами внедрения.

Основные положения диссертации докладывались на следующих научных конференциях:

1. 5-ая международная конференция «Авиация и космонавтика - 2006» (Москва, МАИ, 2006 г.).

2. МНТК «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества» (Москва, МГТУ ГА, 2006 г.).

3. Международная молодежная научная конференция «XXXIII Гагаринские чтения» (Москва, МАТИ, 2007 г.).

4. VI МНТК «Чкаловские чтения» (Егорьевск, ЕАТК ГА, 2007 г.).

5. МНТК «Новые информационные технологии в научных исследованиях и образовании» (Рязань, РГРТУ, 2007 г.).

6. Всероссийская научно-технической конференция молодых ученых и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, Политехнический институт СФУ, 2007 г.)

7. 6-ая международная конференция «Авиация и космонавтика - 2007» (Москва, МАИ, 2007 г.).

8. 1ЫТЕ11МАТ1С-2007. МНТК «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» 23-27 октября 2007г. (Москва, МИРЭА, 2007 г.).

9. Информационные технологии в авиационной и космической технике -2008 (Москва, МАИ, 2008 г.).

10. МНТК, посвященная 85-летию гражданской авиации России. «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества.» (Москва, МГТУ ГА, 2008 г.).

11. МНТК «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества» (Москва, МГТУ ГА, 2011 г.).

По материалам диссертации опубликовано 18 печатных работ, включая тезисы докладов, шесть статей - в изданиях, включенных в перечень ВАК. Получен один патент.

1. свойства сигналов с поляризационной манипуляцией

1.1. Поляризационная структура электромагнитных волн

Изучению различных аспектов теории поляризации электромагнитных волн (ЭМВ) посвящено достаточно большое количество публикаций, среди которых следует отметить работы [1, 4, 5, 9, 10, 27, 29, 32, 48, 57]. Большой вклад в развитие теории поляризационно-манипулированных сигналов и методов их обработки внесли труды авторов К.Г. Гусева, В.В. Поповского, А.П. Родимова, S. Benedetto, T.S. Chu, A. Pizurica, V. Senk.

Поляризация является характеристикой ЭМВ, определяющей особенности пространственного расположения и изменения во времени вектора напряженности электрического Е (или магнитного Н) поля [57]. Векторная пространственно-временная структура ЭМВ описывается уравнениями Максвелла [4, 10]:

эе ан

rotH = е„—; rotE = -Li!(-, (1.1)

а а а а

где 8а, |1а - абсолютная диэлектрическая и магнитная проницаемости.

Понятие поляризации ЭМВ непосредственно связано с векторным характером уравнений Максвелла. Для данного момента времени в каждой точке пространства векторы е и н фиксированы. С течением времени величины и направления этих векторов могут тем или иным образом изменяться, вследствие чего концы векторов поля будут описывать годографы [32].

Для плоской однородной электромагнитной волны, распространяющейся в непроводящей однородной изотропной среде вдоль оси ОЪ декартовой системы

координат XYZ, система уравнений (1.1) приводится к четырем скалярным уравнениям относительно неизвестных проекций векторов Е и н на оси ОХ и ОУ:

дЯу

ану _ дЕх — _р - 8ЕХ_

дъ а а ' дъ

анх дЕу дЕу

дъ а а ' дъ

& (1.2)

а

Возможными решениями систем уравнений (1.2) являются две плоские однородные гармонические электромагнитные волны:

— Етхе ,

5

Я _ГТ рК^х). Пх _ПшхС

Еу = ^туе

Н„ = Не

Ксо1+^у) (1-3)

'у " ту ~ '

^.КоЛ+^у)

у ту

где Етх, Ету, Нтх, Нту - амплитуды соответствующих проекций векторов е и н;

- начальные фазы соответствующих проекций векторов поля.

Если учесть, что векторы е и н взаимозависимы, то для описания ЭМВ достаточно знать значения только одной составляющей поля, например, вектора е, т.к. вектор н однозначно определяется по известным значениям вектора е. Тогда систему уравнений (1.3) можно записать в следующем виде:

Е„ =Е„еке

Ё = Е е-1'®1

-С'у — ^шуС >

(1.4)

где - разность фаз горизонтальной и вертикальной составляющих

вектора Е.

Отношение амплитуд и разность фаз горизонтальной и вертикальной составляющих поля определяют закон изменения вектора Е, т.е. вид поляризации волны. Указанные параметры принято называть фазорными параметрами поляризации. При линейном ортогональном базисе разложения параметры поляризации волны могут быть представлены комплексным коэффициентом поляризации [1,4]

р р р

X - тУ - тУ

р __У _ ШУ_ _ тУ р-'^у-С.Х-' /1 ¿-ч

Ё Е е](со1+^х) Е 1 }

тх

или

р =

(1.6)

Данный комплексный коэффициент поляризации включает отношение амплитуд ортогональных компонент поля

р =

ту

(1.7)

и разность фаз

В процессе распространения электромагнитной волны вектор Е может сохранять свое пространственное положение либо совершать вращательное движение, описывая в пространстве поляризационную спираль. Проекция поляризационной спирали за один период колебания волны на плоскость, перпендикулярной направлению распространения волны, имеет вид эллипса (рис. 1.1). Параметрами поляризационного эллипса (годографа) являются угол пространственной ориентации Э и угол эллиптичности ср, ко�