автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Системы передачи информации с раздельным излучением составляющих сверхширокополосного сигнала

Список использованных обозначений.

Список принятых сокращений.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ТЕКУЩЕЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ТЕХНИКИ

СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ.

1.1. Основные соотношения.

1.2. Классификация СШП сигналов.

1.3. Формирование и излучение СШП сигналов.

1.4. Антенны в режиме излучения и приема СШП с иг налов.

1.5. Прием и обработка СШП сигналов.

1.6. Общая структура СШП системы связи с раздельной передачей составляющих.

1.7. Постановка задачи.

Глава 2. ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ ПРИ ПОМОЩИ

СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГ НАЛОВ.

2.1. Способы передачи информации при помощи сверхширокополосных сигналов.

2.2. Представление импульсных последовательностей суммой отрезков гармонических функций.

2.3. Модуляция сверхширокополосных импульсных последовательностей.

2.4. Способы выделения и характеристики парциальных частотных каналов.

2.5. Помехоустойчивость систем передачи информации с ЧРП.

2.6. Выводы.

Глава 3. ФОРМИРОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО

ВРЕМЕННЫХ ПОЛЕЙ СШП СИГНАЛОВ.

3.1. Формирование поля СШП сигнала при помощи линейной неэквидистантной антенной решетки.

3.2. Направленные свойства СШП линейной антенной решетки.

3.3. Формирование пространственно-временной структуры поля СШП сигнала в дальней зоне.

3.4. Выбор параметров антенной решетки на основе функции неопределенности.

3.5. Особенности передачи и приема СШП сигналов при помощи идентичных решеток.

3.6. Выводы.

Глава 4. ФОРМИРОВАНИЕ АНСАМБЛЯ УЗКОПОЛОСНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ В СШИ СИСТЕМЕ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ.

4.1. Структура устройства формирования составного СШП сигнала.

4.2. Синтез логарифмической сетки стабильных частот.

4.3. Формирование модулированных колебаний.

4.4. Особенности устройств формирования СШП импульсных последовательностей.

4.5. Выводы.

Глава 5. ПРИЕМ И ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ В СШП

СИСТЕМЕ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ.

5.1. Структура приемного устройства СШП системы передачи информации.

5.2. Синхронизация парциальных составляющих СШП сигнала в приемном устройстве.

5.3. Прием сигналов в СШП системах с ЧРП.

5.4. Прием сигналов в СШП системе с РИС.

5.5. Выводы.

Глава 6. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СШП СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ.

6.1. Исследование направленных свойств СШП неэквидистантной антенной решетки.

6.2. Синтезатор логарифмической сетки стабильных частот.

6.3. Система синхронизации парциальных составляющих в многоканальной СШП системе связи.

6.4. Выводы.

В настоящее время в области телекоммуникаций четко выражена тенденция к интенсивному увеличению объемов передаваемой информации и расширению спектра предоставляемых услуг [1, 2]. Среди этих услуг наиболее значимыми являются высокие скорость и качество передачи информации, обеспечение конфиденциальности передаваемых сообщений и устойчивости связи к воздействию различных мешающих факторов.

Скорость передачи информации прямо пропорциональна ширине полосы пропускания канала связи и отношению сигнал-шум [3]. От отношения сигнал-шум также зависит и помехоустойчивость системы связи. Следовательно, в высокоскоростных системах передачи информации требуется одновременное расширение спектра используемых частот и увеличение энергии сигнала.

Для решения этих задач созданы и эффективно применяются различные типы современных систем и линий связи. К ним относятся высокоскоростные волоконно-оптические, спутниковые и радиорелейные линии [4, 5], системы связи с широкополосными сигналами в виде модулированных кодовых комбинаций [6, 7], системы с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты и т.п. Практически во всех этих системах информация передается в цифровом виде, что также приводит к необходимости расширения полосы пропускания канала связи. Наряду с перечисленными решениями, использующими достаточно традиционные принципы, исследуются и создаются принципиально новые системы. Среди них. например, стоит отметить системы связи с хаотическими несущими.

Однако, все перечисленные системы, за исключением, волоконно-оптических, являются широкополосными лишь с точки зрения канального или группового сигналов, действительно имеющих широкий эффективный спектр. Но линейные сигналы, непосредственно излучаемые антенными устройствами или передаваемые в проводную или кабельную линию, остаются узкополосными. Как правило, их ширина спектра намного меньше средней частоты. В связи с этим перспективными являются широкополосные и сверхширокополосные (СШП) сигналы, у которых ширина спектра близка к средней частоте и даже может превышать ее.

Возможность создания и применения систем передачи информации с СШП сигналами наглядно продемонстрирована в [8]. Это относится, как к системам проводной и кабельной связи, так и к радиосистемам, использующим в качестве среды распространения свободное пространство. На смену проводным и кабельным системам с электрическими сигналами уже сейчас идут волоконно-оптические линии связи, преимущества которых очевидны. Таким образом, областью наиболее эффективного использования СШП сигналов являются системы радиосвязи различного назначения.

Результаты применения СШП сигналов в радиолокации уже достаточно известны [9, 10]. В СШП радиолокационных системах достигнуты более высокие показатели разрешающей способности одновременно по дальности и по скорости, улучшены способности к распознаванию и идентификации зондируемых объектов, получены более низкие вероятности ошибок [11].

Очевидно, аналогичное улучшение качественных характеристик можно получить и в системах передачи информации с СШП сигналами. В первую очередь это относится к скорости передачи, которая может возрасти в несколько раз и даже на несколько порядков. Также следует ожидать снижения вероятности ошибочного приема и повышения помехоустойчивости связи. Учитывая открывающиеся перспективы, создание СШП систем передачи информации можно считать необходимым и неизбежным.

Развитие СШП радиолокации потребовало разработки принципиально нового направления в радиотехнике и привело к отказу от традиционных технических решений, основанных на использовании узкополосных сигналов и резонансных систем. В итоге появились новые методы и способы формирования и излучения СШП сигналов, их приема, усиления и обработки. В свою очередь были созданы и устройства, реализующие эти методы. Естественно, по ряду показателей, например, коэффициенту полезного действия, эти СШП устройства уступают резонансным, но зато они полностью удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям по широкополосности.

Реальная широкополосность сигналов в системах передачи информации естественным образом ограничивается свойствами среды распространения и параметрами аппаратуры, в первую очередь шириной полосы пропускания линейных усилительных трактов передающего и приемного устройств. Поэтому можно предположить, что создание СШП систем передачи информации также потребует разработки специфических методов и средств формирования, излучения, приема и обработки сигналов. Дослаточно новой должна быть и сама методика передачи информации при помощи СШП сигналов.

В связи с этим актуальной является проблема поиска путей и решений по применению СШП сигналов и систем на их основе для передачи информации.

В данной работе предлагается формировать и обрабатывать СШП сигналы в виде линейной совокупности ансамбля узкополосных составляющих. Данная методика позволяет одновременно использовать достоинства СШП сигналов и высокоэффективные методы формирования и обработки узкополосных сигналов. С учетом этого предложены три способа передачи информации в сверхширокой полосе частот и, соответственно, три варианта структуры СШП систем связи. Новой среди них является система с раздельным излучением спектральных составляющих СШП сигнала, в которой используется последовательность импульсов с модуляцией по длительности (см. гл. 2). В результате исследования свойств таких сигналов определены их специфические особенности, которые учтены при разработке устройств формирования и обработки сигналов (см. гл. 4 и 5).

Для излучения парциальных составляющих СШП сигнала предложено использовать неэквидистантную антенную решетку с групповым расположением излучателей неравной длины. При лом достигается уменьшение взаимного влияния близких по длине вибраторов и уменьшение межэлементных расстояний (см. гл. 3).

С целью наиболее эффективного использования ресурсов узкополосных устройств СШП системы связи в данной работе предлагается наряду с линейной сеткой частот, характеризующейся постоянным шагом, использовать логарифмическую сетку средних частот (см. гл. 2). Это позволяет обеспечить одинаковое значение коэффициентов относительной широкополосности во всех парциальных каналах. Для реализации логарифмической сетки предложены и исследованы последовательная и параллельная структуры синтезаторов на основе нескольких взаимосвязанных колец фазовой автоподстройки частоты с аппроксимацией иррационального коэффициента перестройки частот рациональной дробью (см. гл. 4).

6.4. ВЫВОДЫ

1. На основе макета исследованы направленные свойства неэквидистантной СШП линейной антенной решетки с групповым расположением излучателей. Показано, что при выборе межэлементных расстояний по максимальной из резонансных длин волн соседних излучателей с коэффициентом масштабирования 0.45 отклонение диаграмм направленности парциальных излучателей от

157 исходной формы не превышает 10%. При коэффициенте масштабирования 1,0 аналогичное отклонение не превышает 5%. Обнаружено, что наибольшие отклонения имеют место для крайних излучателей, которые рекомендуется удалять от центра решетки.

2. Исследование синтезатора логарифмической сетки частот последовательного типа показало принципиальную возможность получения многочастотной сетки с переменным шагом. В результате анализа сформулированы требования к таким параметрам функциональных элементов синтезатора, как полоса захвата частот, постоянная времени фильтра нижних частот, точность реализации коэффициентов деления частоты.

3. Исследование системы синхронизации проведено на основе действующего устройства, разработанного на основе полученных рекомендаций и являющегося частью многоканальной системы передачи информации. Полученные результаты свидетельствуют об устойчивости синхронного режима, обеспечиваемого в приемном устройстве, при априорно неизвестных координатах направления передачи. Длительность восстановления синхронного режима не превышает трех-пяти периодов следования синхросигналов.