Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние и перспективные направления создания КБ радиосредств 15
1.1 Особенности применения KB радиосредств настоящего времени 15
1.2 Перспективные направления развития программно-технических средств 19
1.3 Расхождение параметров радиотрассы и характеристик направленности антенн KB систем связи 25
1.4 Масштабируемые многоканальные антенные комплексы на основе ФАР 28
Выводы к главе 1 32
Глава 2. Пути повышения эффективности KB радиосредств 34
2.1 Особенность динамики характеристик направленности антенн KB систем связи 34
2.2 Зависимость основных характеристик антенной системы от конфигурации антенных элементов 43
2.3 Пространственно-энергетические характеристики KB приемных многоканальных антенных комплексов 49
2.4 Антенные элементы многоканальных антенных систем и методы повышения их эффективности 57
Выводы к главе 2 з
Глава 3. Управление положением ДН цифровым способом и ространственно-временная селекция 66
3.1 Технологии интегрированных многоканальных коротковолновых антенно-приемных систем с цифровым управлением положения формируемых диаграмм направленностей 66
3.2 Формирование пространственно-временного фильтра дискретными отсчетами в KB приемных многоканальных антенных системах 78
3.3 Методы цифровой обработки сигналов в многоканальном цифровом радиоприемном устройстве 89
3.4 Оценка быстродействия коммутации цифровых сигналов и структура цифрового диаграммообразующего устройства 96
Выводы к главе 3 104
Глава 4. Комплексные решения по повышению эффективности KB радиосредств 106
4.1 Коротковолновая приемная многоканальная антенная система 106
4.2 Автоматизированная приемопередающая система коротковолновой связи 116
Заключение 131
Список сокращений и условных обозначений 133
Список литературы 1
- Перспективные направления развития программно-технических средств
- Зависимость основных характеристик антенной системы от конфигурации антенных элементов
- Формирование пространственно-временного фильтра дискретными отсчетами в KB приемных многоканальных антенных системах
- Автоматизированная приемопередающая система коротковолновой связи
Перспективные направления развития программно-технических средств
Современные коротковолновые (KB) радиосредства представляют основу систем связи (как специального, так и общегражданского назначения), противовоздушной обороны (ПВО), радиолокации (в т.ч. загоризонтной) и радиоэлектронной борьбы. Особенность KB радиосредств состоит в том, что в отличие от техники, работающей в диапазоне длин волн выше 30 МГц, такие радиосредства можно использовать на трассах дальней протяженности на тысячи километров. Для данных расстояний альтернативы KB диапазону нет, т.к. диапазон длинных и сверхдлинных волн не позволяет передавать большие (со скоростью до нескольких кбит в секунду) объемы информации и при этом требует значительные площади для антенного хозяйства (в десятки раз большие по отношению к площадям антенных полей KB радиосредств, при условии организации связи на полноразмерных антеннах). Следует отметить, что использование площадок ограниченных размеров для размещения антенн KB радиосредств является актуальной задачей, одно из решений которой предлагается авторами работы [70].
Об актуальности и проблемах в развитии техники KB радиосредств говорилось много, например, в [40, 53, 90] проведен анализ существующих систем связи силовых ведомств Российской Федерации и отмечено наличие проблемных вопросов создания систем декаметровой (ДКМВ) радиосвязи, как интегрированной подсистемы объединенной автоматизированной цифровой системы связи (ОА ЦСС) Вооруженных Сил Российской Федерации.
Все современные KB радиосредства делятся на радиоузлы (центральные узлы связи (ЦУС)) и абонентские радиопередающие станции. При связи между двумя ЦУС линия связи является симметричной, при этом антенны, используемые при такой связи, как правило, являются наиболее эффективными в данном диапазоне частот, что позволяет в большинстве случаев вести успешные сеансы радиосвязи за счет направленных свойств антенн и достаточной (от 1 кВт до нескольких десятков кВт) мощности сигнала. Основным типом антенн на приемных радиоцентрах России являются антенны бегущей волны типа БС [4,70]. В качестве полноразмерных антенн передающих радиоцентров используются ромбические антенны [4]. Основные недостатки антенн бегущей волны типа БС и ромбической типа РГ являются размеры занимаемой площадки, а также сложность конструкции и монтажа на объектах. К техническим недостаткам стоит отнести и изменение (прижатие к земле) положения главного лепестка диаграммы направленности (ДН) с увеличением рабочей частоты [21], а также фиксированную направленность по азимуту, что с одной стороны повышает избирательность сигнала с заданного направления, но требует для каждого рабочего направления устанавливать отдельную антенну, либо переориентировать антенну на другое направление с помощью физической перестановки. Такой тип антенны описан в [4], данная антенна характеризуется как узконаправленная в азимутальной плоскости, рассчитанная на трассы протяженностью до 4000 км, полная масса антенны составляет 500 - 600 тонн.
Ассиметричные KB системы связи с низким энергетическим потенциалом корреспондентской радиостанции относятся к низкоэнергетическим KB системам радиосвязи. Такие системы применяются как для общегражданского назначения [36, 86], так и для организации специальной радиосвязи [81, 87]. Данный тип связи активно развивается, разрабатываются новые радиолинии с цифровыми видами модуляции и методами повышения спектральной эффективности и пропускной способности [43].
В практическом применении KB радиосредств, с точки зрения организационной структуры ведомственная система радиосвязи включает в себя стационарные приемные и передающие радиоцентры, полевые приемопередающие и приемные связные комплексы, находящиеся в эксплуатации различных подразделений и территориальных органов, а также мобильные и носимые абонентские станции. На практике организация связи на трассах большой протяженности обуславливает оснащение радиопередающих центров радиопередатчиками мощностью до 50 кВт и мощными антеннами типа РГД, при этом такая система связи будет обладать рядом ограничений по пропускной способности линии радиосвязи, зависимость от геомагнитной обстановки, низкая защищенность от средств разведки, помех и ударов противника. При этом сеансы связи происходят в неавтоматизированном режиме с информационной скоростью до 4800 кбит в секунду, установление телефонной связи составляет десятки минут, а вероятность установления связи порядка 70% [44]. KB радиосредства, составляющие радиоузел, можно разделить на несколько групп: устройства передающего комплекса, устройства приемного комплекса и устройства корреспондентские (возимые и носимые радиостанции). Устройства систем управления не относятся только к KB радиосредствам, т.к. их особенности зависят от современного уровня техники, а применение не ограничивается работой непосредственно с KB радиосредствами.
Зависимость основных характеристик антенной системы от конфигурации антенных элементов
По результатам анализа графиков суточной динамики величин Ат, Аа(Тг), Aa(Rsf рисунок 6 (а, б, в), можно сделать следующие выводы: для типоразмеров используемых передающей ромбической антенны и приемной антенны бегущей волны на интервалах времени t = 0...6 часов и t = 20...24 часа в летний период со средним значением W, а также в зимний период с высоким значением W (рисунок 6а и рисунок 6в соответственно) динамика необходимого угла возвышения радиолуча Ат и динамика углов возвышений биссектрис ДН передающей Ga(Tr) и приемной Ga(Rsj антенн носит расходящийся характер; для ГФУ, характеризующихся в летний период высоким значением W, величина расхождения необходимого угла возвышения радиолуча Ат и углов возвышений биссектрис ДН передающей Аа(Тг) и приемной Aa(Rs) антенн изменяет свои значения от 6... 8 {t =2 часа и/ = 20...24 часа) до значений 0... 3 в период t = 8...14 часов (рисунок 66); для типоразмеров используемых передающей и приемной антенн и радиотрассах протяженностью D = 2000...3000 км величина коэффициента энергетических потерь при передаче/приеме сигналов принимает значения кэпсггДэ) 0,1 ...0,2 только для летних ГФУ с высоким значением W на интервале времени t = 8...14 часов и для летних ГФУ со средним значением W на радиотрассах протяженностью D = 1500... 2000 км; для всех остальных радиотрасс (летних, зимних, со средним и высоким значениями W, протяженностью D = 1500, 2000, 2500, 3000 км) кЭп(Тг,кэ) 0,4... 0,8, достигая в некоторых случаях (например, для зимних ГФУ с высоким значением W,D = 1500, 2000 км, t = 10...16 часов; для зимних ГФУ с высоким значением W, D = 3000 км, t = 0...8 часов, t = 18...24 часа; для летних ГФУ со средним значением W, D = 3000 км, t = 0... 6 часов, t = 18... 24 часа) значения, близкого к единице (т. е. полной потере энергетического контакта с радиоабонентом, как при приеме, так и при передаче радиосигнала). 2.2 Зависимость основных характеристик антенной системы от конфигурации антенных элементов
Расходящийся характер углов возвышения лучей передающей и приемной антенн и углов возвышения радиотрассы показывает, что необходимы адаптивные под условия расхождения параметров радиотрассы технические решения.
Адаптивными под параметры радиотрассы решениями могут являться антенные системы (АС) с интеллектуальным изменением положения главного лепестка ДН (ФАР, в которой управление лучом ДН осуществляется цифровым способом). Дальнейшее исследование направлено на определение зависимостей значений ширины диаграммы направленности (ДН) в азимутальной и угломестной плоскостях от конфигурации размещения антенных элементов (АЭ) антенной системы на плоскости и расстояния между ними в диапазоне рабочих частот. Результаты исследования позволят оценить степень пространственной селекции антенных систем с различными конфигурациями размещения АЭ.
Разработан алгоритм формирования диаграммы направленности приемной многоканальной АС, заключающийся в следующем.
Перед началом проведения сеансов с радиоабонентами в пульт оператора загружается специальное программное обеспечение (СПО) и исходные данные по ведению сеансов связи. координаты размещения на местности всех АЭ 1... АЭ N (система координат прямоугольная, с правой ориентацией, положительное направление оси X на север), зависящие от требуемой конфигурации АС (линейная, кольцевая, плоская прямоугольная или гексагональная): ЩХШ, YRi, ZRi), і = 1,2, ... N; координаты определяются относительно геометрического центра АС, образованной АЭ 1... АЭ N; значения параметров радиотрасс (азимуты, протяженности) прихода сигналов от радиоабонентов гт; для каждого направления прихода радиолуча гт, и, соответственно, положения в пространстве формируемых ДН, т = 1,2...М, определяются направляющие косинусы: cosam = cos(rm ,Х); cosfim = cos(rm ,Y); cosym = cos(rm ,Z), где обозначено: rm,X(Y, Z) угол между единичным вектором гт и положительным направлением осей X (Y, Z) (ориентация осей правая); в сферической системе координат положение вектора гт определяется координатами: вт = ут, рт = arcosfcosfa /sinfOm)); значения рабочих частот (длин волн Хт, т = 1...М) сигналов, поступающих от радиоабонентов; режимы работы с каждым радиоабонентом (характер принимаемой информации речевая, данные; скорость поступления данных; классы излучения принимаемых сигналов и т. д.).
Для исследования определяются конфигурации размещения единичных антенных элементов линейная, кольцевая, прямоугольная.
Формирование пространственно-временного фильтра дискретными отсчетами в KB приемных многоканальных антенных системах
Коротковолновые (KB) приемные многоканальные антенные системы (ПрМАС) на основе фазированных антенных решеток (ФАР) с управлением положений формируемых в пространстве диаграмм направленностей (ДН) радиоэлектронных средств различных назначений привлекают внимание разработчиков [16, 59, 70, 91]. Однако, особенности разрабатываемых КБ ПрМАС и параметры (диапазонность, КНД, уровень боковых лепестков, точность ориентации и пределы изменения положения в пространстве биссектрисы формируемой ДН (БсФ ДН), и т.д.) в значительной степени определяется характеристиками пространственно - временной дискретизации поступающих от радиоабонентов (РА) сигналов, осуществляемой в ПрМАС [64].
Необходимо провести анализ влияния характеристик пространственной и временной дискретизации принимаемых сигналов на параметры KB ПрМАС в предположении того, что управление положением формируемых диаграмм направленностей осуществляется цифровым методом.
Характеристиками пространственной дискретизации сигналов, поступающих на ПрМАС от РА, являются: - конфигурация размещения антенных элементов АЭь..АЭм, входящих в состав ПрМАС, на местности (линейная антенная решетка (АР) - ЛАР, плоская АР - ПлАР); - геометрические размеры и вид АР (регулярное эквидистантное расположение АЭ в АР, произвольное (нерегулярное, неэквидистантное) расположение АЭ в АР [71]. Диапазонность, КНД и пределы изменений положений формируемых в пространстве ДН ПрМАС определяются в предположении отсутствия дифракционных максимумов высших порядков. Это условие определяется для различных типов конфигурации АР следующими соотношениями [33, 52]: - для ЛАР: do/l l/[l+sm(emax)l (19) для прямоугольной сетки расположения элементов ПлАР и неблагоприятных направлений поступления сигналов от РА {ср0=0, ро=90): d0A l/[l +sin{6x max)l d0/X l/[l +sin{6y max)l (20) - для треугольной (гексагональной) сетки расположения элементов ПлАР и неблагоприятных направлений поступления сигналов от PA ( р0=0о, d0E=a/2; (ро=90, d0E=aS/2)\ а/Х 2/{43х [l+sm(6max)]}, (21) где: d0, d0x, d0y, d0E, a - расстояния между АЭ для различных случаев конфигурации (ЛАР, ПлАР) размещения АЭ на плоскости XOY соответственно; X - длина волны принимаемого сигнала от РА; дщах, Ox max, 0у max - максимальное значение полярной координаты в БсФ ДН в вертикальной плоскости (для ЛАР) и в плоскостях ZOX и ZOY (для ПлАР).
Для оценки диапазонности ПлАР (кольцевой антенной решетки - КАР в т.ч.) удобно использовать метод эквивалентного линейного излучателя [52]. На рисунке 36 показан процесс преобразования прямоугольной ПлАР в эквивалентную ЛАР (ЭкЛАР), которая в общем случае является неэквидистантной. Например, для показанной на рисунке 36 сетки расположения элементов АЭпт при приеме приходящих с неблагоприятных направлений сигналов ( ро=0, ро=90) ЭкЛАР будут иметь наибольший постоянный шаг doE= dox((po=0), d0E= doy((po=90). Для направления (po=arctg(d0y/ d0x) прихода радиосигнала на прямоугольную сетку расположения элементов АЭпт значение эквивалентного шага будет d0E — ( d0x +d0y)/2 . Остальные направления прихода радиосигнала характеризуются ЭкЛАР с более частым расположением АЭ так, как это показано на рисунке 31. Рисунок 31 - Преобразование плоской антенной решетки в эквивалентную линейную антенную решетку (ЭкЛАР) При анализе диапазонных свойств КАР с использованием ЭкЛАР возможны два варианта поступления радиосигнала от РА: - проекция на плоскость XOY направления прихода радиосигнала точно совпадает с радиусом, соединяющим центр КАР с одним из N АЭ; - проекция на плоскость XOY направления прихода радиосигнала совпадает с биссектрисой угла, образованного двумя радиусами. При этом величина амплитудных множителей эквивалентных АЭ из состава ЭкЛАР могут принимать значения 1 или 2.
Для рассматриваемых случаев ЭкЛАР представляют собой неэквидистантные линейные решетки, диапазонность которых определяется величиной максимального расстояния между АЭ d0Emax aN, где aN - сторона правильного вписанного N-угольника, в вершинах которого размещены АЭ КАР (при N 10 погрешность оценки диапазонности согласно выражения (19) с использованием равенства d0Emax = N не превысит 5%). ЭкЛАР с таким расположением АЭ при оговоренных выше условиях не содержит в ДН дифракционных максимумов высших порядков т.к. d0En d0Emax (doEn - расстояния между соседними АЭ в ЭкЛАР; п = 1,2,..., N-1).
С учетом того, что в KB диапазоне угол возвышения БсФ ДН может принимать минимальные значения ft = (10... 15), величина d0 (d0x, d0y, d0E, a), обеспечивающая выполнение условий, определенных выражениями (19 -21), принимает значения d0 (d0x, d0y, d0E, a) (0,503... 0,508) Amin, где Xmin - минимальная длина волны принимаемого радиосигнала. При увеличении значения X (т.е. уменьшении значения рабочей частоты) принимаемого сигнала условие отсутствия дифракционных максимумов высших порядков, определенные выражениями (19 -21), будут выполнены, однако величина КНД
Автоматизированная приемопередающая система коротковолновой связи
В формирователь сигналов управления от аппаратуры определения координат местоположения и меток точного времени по ЛИС вводятся данные о координатах местоположения фазового центра АР, образованной АЭ, и координаты размещения на местности всех АЭ относительно фазового центра АР, либо радиус кольца с количеством АЭ в АР (в случае кольцевой АР).
Конфигурация размещения АЭ на местности (кольцевая, линейная, плоская прямоугольная или плоская гексагональная, и т.д.) определяется исходя из требуемых характеристик АР (коэффициент направленного действия, сектор изменения положения формируемых ДН в азимутальной и угломестной плоскостях).
В соответствии с программой радиосвязи формирователь сигналов управления для проведения каждого сеанса связи с радиоабонентом формирует необходимые команды управления приемного и передающего радиоцентров и обеспечивает автоматизированное неоперативное (отложенное, в соответствии с программой радиосвязи) управление KB АППСС путем передачи команд управления для приемного и передающего радиоцентров.
Передача команд управления KB Alii ICC производится по следующим маршрутам: Формирователь сигналов управления - коммутатор приемного радиоцентра - блок KB модемов - БФДН - приемные тракты; Формирователь сигналов управления - коммутатор приемного радиоцентра - приемопередатчик АБД - антенна АБД - антенна АБД передающего радиоцентра - приемопередатчик АБД передающего радиоцентра - коммутатор передающего радиоцентра - передающие тракты -БСК.
Под управлением СПО и с учетом введенных исходных данных в формирователе сигналов управления для каждого приемного тракта и АЭ определяются:
С учетом исходных и расчетных данных формирователь сигналов управления под управлением СПО вырабатывает коды управляющих сигналов для каждых из (N М) каналов приема сигналов из состава приемных трактов, БФДН, блока KB модемов, передающих трактов и БСК.
В каждом из приемных трактов аналоговые сигналы с выходов устройств согласования и распределения ВЧ сигналов поступают на сигнальные входы аналого-цифровых модулей, где преобразуются с помощью соответствующих АЦП в цифровую форму. После аналого-цифрового преобразования с помощью цифровых преобразователей частоты (DDC) сигналы преобразуются в цифровые квадратуры, затем квадратуры с выхода каждого из приемных трактов поступают через ЛИС на БФДН.
В БФДН квадратурные сигналы синусной и косинусной составляющих каждого из аналого-цифровых каналов приема в соответствии с алгоритмом, рассмотренным в [30,34], суммируются (/ = 1,2...М), запоминаются и выбираются для формирования т-ой ДН. При этом суммарный сигнал, соответствующий т-ой ДН (т=1,2...М), содержит сумму N задержанных по времени выходных сигналов АЭ, что обеспечивает формирование плоского фронта электромагнитного излучения, поступающего от т-го радиоабонента.
Сигналы с выходов БФДН поступают через ЛИС на соответствующие входы блока KB модемов, который в соответствии с программой радиосвязи осуществляет демодуляцию и декодирование сигналов М радиоабонентов, далее цифровой групповой сигнал по ЛИС поступает в ПДУ.
Результаты обработки принимаемых сигналов выводятся на экран монитора ПДУ с возможностью последующей распечатки на принтере, подключенному к ПДУ. По стандартному интерфейсу демодулированный сигнал может быть передан оконечной аппаратуре для специального декодирования и др.
При необходимости передачи принятой информации, например, в центр управления по KB каналу, соответствующий т-ый декодированный цифровой сигнал модулируется. По команде с ПДУ модулированный сигнал передается по ЛИС в формирователь сигналов управления. С выхода формирователя сигналов управления сигнал модуляции, преобразованный в необходимую форму, совместно с сигналами управления поступает по ЛИС на приемопередатчик АБД и излучается антенной АБД. В передающем радиоцентре принятый антенной приемопередатчика АБД сигнал через ЛИС передающего радиоцентра поступает в требуемый передающий тракт и далее через БСК излучается передающей АФС.
Сигналы телефонных классов излучения после демодуляции преобразуются в блоке KB модемов в выходной групповой цифровой сигнал, который по ЛИС также поступает в ПДУ и по телефонному интерфейсу ПДУ может подаваться, например, на головные телефоны оператора, подключенные к ПДУ по соответствующему интерфейсу.
Похожие диссертации на Повышение эффективности кв радиосредств пространственно-временной селекцией с учётом изменяющихся геофизических условий
