eng
Выпуск #6/2008
А.Старченков, В.Старченков.
Расчет временных параметров устройства автовыбора антенн подвижных объектов
Расчет временных параметров устройства автовыбора антенн подвижных объектов
Просмотры: 2288
Связь с подвижными объектами зачастую менее устойчива, чем со стационарными. Одна из причин – неравномерность диаграммы направленности (ДН) антенных устройств, снижающая дальность и устойчивость связи. Применение устройства автовыбора антенн позволяет уменьшить влияние неравномерности ДН на качество связи с подвижными объектами.
Обезопасить систему коммуникаций от неожиданных перебоев и помех, увеличить дальность связи практически до расчетных значений – такова задача, стоящая перед разработчиками аппаратуры малоканальной связи.
Антенные устройства, установленные на подвижных объектах (кораблях, самолетах), имеют значительную неравномерность ДН из-за близко расположенных конструктивных элементов объекта, которая может достигать 10 дБ и более. Неравномерность ДН существенно снижает дальность и устойчивость связи [1, 2]. Уменьшить влияние неравномерности ДН на качество радиосвязи можно, используя пространственно разнесенный прием сигналов, разновидностью которого является метод автовыбора антенн [3–6].
На основе статистической модели разностного сигнала антенн, установленных на подвижном объекте, предложена методика расчета оптимальных временных параметров устройств автовыбора антенн. Рассчитанные по этой методике временные параметры заложены в устройства автовыбора антенн корабельной малоканальной радиостанции Р-764 и самолетной "Азид С1".
Точность работы устройств автовыбора во многом зависит от правильного выбора временных параметров, таких, как малое расхождение сигналов на антеннах за время сравнения (Tср.) и повторение цикла сравнения через интервал времени Т0, в конце которого сигналы на антеннах некоррелированы.
Возможным подходом к количественному определению временных параметров может быть сравнение времени Tср. без интервала корреляции разностного сигнала и Tср. с интервалом корреляции разностного сигнала идеализированного устройства автовыбора, обеспечивающего выбор антенны с большим уровнем сигнала при каждом пересечении ДН антенн. В общем случае, разностный сигнал представляет собой дискретный случайный процесс, в основу статистической модели которого могут быть положены следующие особенности работы устройства автовыбора:
* среднее значение уровней сигналов, а также время работы приемопередающей аппаратуры (ППА) с каждой антенной одинаково, что соответствует нулевому математическому ожиданию разностного сигнала;
* число переходов с одной антенны на другую пропорционально времени работы устройства автовыбора, что соответствует малой вероятности перемены знака разностного сигнала на единичном интервале времени;
* события, состоящие в перемене знака разностного сигнала, являются независимыми.
Приведенные особенности позволяют предложить в качестве статистической модели разностного сигнала дискретный случайный процесс, у которого распределение событий, состоящих в перемене знака, подчиняется закону Пуассона:
Pn(t) = (λt)n × e–λt/n!.
Статистическая проверка данной гипотезы, проведенная для нескольких реализаций разностного сигнала, показала, что распределение случайных событий совпадает с распределением Пуассона с вероятностью не менее 0,9.
Для пуассоновского распределения можно показать, что интервал корреляции τ равен:
...(1)
где R(τ) – нормированная к дисперсии автокорреляционная функция пуассоновского процесса, λ – параметр пуассоновского распределения, характеризующий число перемен знака разностного сигнала в единицу времени, т.е.
λ = n/t. (2)
где n – число пересечений ДН, t – текущее время.
Для подвижных объектов t можно принять равным минимальному времени одного полного оборота антенны (tmin). В соответствии с выражениями (1) и (2) интервал корреляции разностного сигнала τ = tmin/n.
Приближение работы реального устройства автовыбора к работе идеализированной модели может быть обеспечено при выполнении следующих условий:
Tср. << τ, Т0 ≥ τ. (3)
На основе аппроксимации разностного сигнала дискретным случайным процессом с пуассоновским распределением числа перемен знака получена простая зависимость, связывающая временные параметры устройства автовыбора с взаимным расположением антенн и временем маневрирования подвижного объекта.
Расчет временных параметров устройства автовыбора основан на статистической модели разностного сигнала, отличается простотой, наглядностью и универсальностью. Разностный сигнал определяется по пересечению ДН антенн объекта, что позволяет оптимизировать временные параметры устройства автовыбора для условий работы данного объекта. В устройстве в соответствии с работой [3] принято: Tср. ≈ tmin/10n, Т0 ≈ tmin/n.
Схема устройства автовыбора, приведенная на рисунке, реализует алгоритм оптимального автовыбора антенн с переменным периодом переключения антенн [5]. Антенны (АНТ1, АНТ2) через высокочастотный переключатель (ПВЧ) поочередно подключаются к ППА. Сигнал с выхода устройства автоматической регулировки усиления (АРУ), пропорциональный уровню входного сигнала, через коммутатор (К) поступает на запоминающие устройства (3У1, 3У2) и далее на схему сравнения (ССр), которая формирует разностный сигнал.
В зависимости от знака разностного сигнала и антенны, подключенной к ППА, схема стробирования (ССт) обеспечивает прохождение на счетчик (Сч) одного, двух или трех импульсов от генератора (Г). Сигналы с выхода Сч управляют работой ПВЧ и К. Такое построение схемы позволяет в каждом цикле работы устройства выбирать ту антенну, сигнал с которой больше. Одновременно сигнал с выхода АРУ поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который преобразует напряжение АРУ в цифровой код, поступающий на делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД).
ДПКД в цикле сравнения формирует сигнал с периодом Т0, который равен 6 с, если уровень входного сигнала менее чувствительности приемника, и 60 с, если уровень входного сигнала равен или больше чувствительности приемника. Автовыбор прекращается, если входной сигнал превосходит чувствительность приемника на 10 дБ и более. Изменение периода переключения антенн позволяет осуществить ускоренный выбор антенны с большим уровнем разностного сигнала на предельных дальностях связи и уменьшить число переключений антенн при больших сигналах.
В приведенной схеме может быть реализован автовыбор антенн по максимальному отношению сигнал/шум [7]. Определение отношения сигнал/шум является сложной технической задачей. В связи с этим целесообразно использовать косвенный метод [8], основанный на выделении огибающей сигнала на выходе линейного тракта приемника, и осуществлять автовыбор по минимуму огибающей.
Существенным достоинством автовыбора по минимуму огибающей является более высокое быстродействие и работа устройства автовыбора с минимальным периодом переключения антенн при воздействии на приемное устройство сигнала и помехи, соизмеримых по мощности.
Устройство автовыбора антенн сокращает аппаратурные затраты, снижает габариты и массу ППУ. Вместе с тем при оптимальных временных параметрах автовыбор антенн не уступает по эффективности более сложным и дорогостоящим системам пространственно разнесенного приема. Применение устройства автовыбора антенн в корабельной и самолетной аппаратуре малоканальной связи позволило увеличить дальность связи практически до расчетных значений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Тепляков И.М. и др. Радиосистемы передачи информации. – М.: Радио и связь, 1982.
2. Аренберг А.Г. Распространение дециметровых и сантиметровых волн. – М.: Сов. радио, 1975.
3. Зюко А.Г. Помехоустойчивость и эффективность систем связи. – М.: Связь, 1972.
4. Комаров В.М., Заличев Н.Н. Системы автовыбора оптимальных условий приема. – Зарубежная радиоэлектроника, 1979, № 3.
5. Связь с подвижными объектами в диапазоне СВЧ / Под ред. У.К. Джейкса. – М.: Связь, 1979.
6. Стейн С., Джонс Дж. Принципы современной теории связи и их применение к передаче дискретных сообщений. – М.: Связь, 1971.
7. Полушин П.А. и др. Оценка помехоустойчивости устройств комбинирования разнесенных сигналов. – Электросвязь, 1980, № 2.
8. А. с. № 964985. Устройство контроля многоканальных линий связи / Копотов П.Г., Старченков А.В.
Антенные устройства, установленные на подвижных объектах (кораблях, самолетах), имеют значительную неравномерность ДН из-за близко расположенных конструктивных элементов объекта, которая может достигать 10 дБ и более. Неравномерность ДН существенно снижает дальность и устойчивость связи [1, 2]. Уменьшить влияние неравномерности ДН на качество радиосвязи можно, используя пространственно разнесенный прием сигналов, разновидностью которого является метод автовыбора антенн [3–6].
На основе статистической модели разностного сигнала антенн, установленных на подвижном объекте, предложена методика расчета оптимальных временных параметров устройств автовыбора антенн. Рассчитанные по этой методике временные параметры заложены в устройства автовыбора антенн корабельной малоканальной радиостанции Р-764 и самолетной "Азид С1".
Точность работы устройств автовыбора во многом зависит от правильного выбора временных параметров, таких, как малое расхождение сигналов на антеннах за время сравнения (Tср.) и повторение цикла сравнения через интервал времени Т0, в конце которого сигналы на антеннах некоррелированы.
Возможным подходом к количественному определению временных параметров может быть сравнение времени Tср. без интервала корреляции разностного сигнала и Tср. с интервалом корреляции разностного сигнала идеализированного устройства автовыбора, обеспечивающего выбор антенны с большим уровнем сигнала при каждом пересечении ДН антенн. В общем случае, разностный сигнал представляет собой дискретный случайный процесс, в основу статистической модели которого могут быть положены следующие особенности работы устройства автовыбора:
* среднее значение уровней сигналов, а также время работы приемопередающей аппаратуры (ППА) с каждой антенной одинаково, что соответствует нулевому математическому ожиданию разностного сигнала;
* число переходов с одной антенны на другую пропорционально времени работы устройства автовыбора, что соответствует малой вероятности перемены знака разностного сигнала на единичном интервале времени;
* события, состоящие в перемене знака разностного сигнала, являются независимыми.
Приведенные особенности позволяют предложить в качестве статистической модели разностного сигнала дискретный случайный процесс, у которого распределение событий, состоящих в перемене знака, подчиняется закону Пуассона:
Pn(t) = (λt)n × e–λt/n!.
Статистическая проверка данной гипотезы, проведенная для нескольких реализаций разностного сигнала, показала, что распределение случайных событий совпадает с распределением Пуассона с вероятностью не менее 0,9.
Для пуассоновского распределения можно показать, что интервал корреляции τ равен:
...(1)
где R(τ) – нормированная к дисперсии автокорреляционная функция пуассоновского процесса, λ – параметр пуассоновского распределения, характеризующий число перемен знака разностного сигнала в единицу времени, т.е.
λ = n/t. (2)
где n – число пересечений ДН, t – текущее время.
Для подвижных объектов t можно принять равным минимальному времени одного полного оборота антенны (tmin). В соответствии с выражениями (1) и (2) интервал корреляции разностного сигнала τ = tmin/n.
Приближение работы реального устройства автовыбора к работе идеализированной модели может быть обеспечено при выполнении следующих условий:
Tср. << τ, Т0 ≥ τ. (3)
На основе аппроксимации разностного сигнала дискретным случайным процессом с пуассоновским распределением числа перемен знака получена простая зависимость, связывающая временные параметры устройства автовыбора с взаимным расположением антенн и временем маневрирования подвижного объекта.
Расчет временных параметров устройства автовыбора основан на статистической модели разностного сигнала, отличается простотой, наглядностью и универсальностью. Разностный сигнал определяется по пересечению ДН антенн объекта, что позволяет оптимизировать временные параметры устройства автовыбора для условий работы данного объекта. В устройстве в соответствии с работой [3] принято: Tср. ≈ tmin/10n, Т0 ≈ tmin/n.
Схема устройства автовыбора, приведенная на рисунке, реализует алгоритм оптимального автовыбора антенн с переменным периодом переключения антенн [5]. Антенны (АНТ1, АНТ2) через высокочастотный переключатель (ПВЧ) поочередно подключаются к ППА. Сигнал с выхода устройства автоматической регулировки усиления (АРУ), пропорциональный уровню входного сигнала, через коммутатор (К) поступает на запоминающие устройства (3У1, 3У2) и далее на схему сравнения (ССр), которая формирует разностный сигнал.
В зависимости от знака разностного сигнала и антенны, подключенной к ППА, схема стробирования (ССт) обеспечивает прохождение на счетчик (Сч) одного, двух или трех импульсов от генератора (Г). Сигналы с выхода Сч управляют работой ПВЧ и К. Такое построение схемы позволяет в каждом цикле работы устройства выбирать ту антенну, сигнал с которой больше. Одновременно сигнал с выхода АРУ поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который преобразует напряжение АРУ в цифровой код, поступающий на делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД).
ДПКД в цикле сравнения формирует сигнал с периодом Т0, который равен 6 с, если уровень входного сигнала менее чувствительности приемника, и 60 с, если уровень входного сигнала равен или больше чувствительности приемника. Автовыбор прекращается, если входной сигнал превосходит чувствительность приемника на 10 дБ и более. Изменение периода переключения антенн позволяет осуществить ускоренный выбор антенны с большим уровнем разностного сигнала на предельных дальностях связи и уменьшить число переключений антенн при больших сигналах.
В приведенной схеме может быть реализован автовыбор антенн по максимальному отношению сигнал/шум [7]. Определение отношения сигнал/шум является сложной технической задачей. В связи с этим целесообразно использовать косвенный метод [8], основанный на выделении огибающей сигнала на выходе линейного тракта приемника, и осуществлять автовыбор по минимуму огибающей.
Существенным достоинством автовыбора по минимуму огибающей является более высокое быстродействие и работа устройства автовыбора с минимальным периодом переключения антенн при воздействии на приемное устройство сигнала и помехи, соизмеримых по мощности.
Устройство автовыбора антенн сокращает аппаратурные затраты, снижает габариты и массу ППУ. Вместе с тем при оптимальных временных параметрах автовыбор антенн не уступает по эффективности более сложным и дорогостоящим системам пространственно разнесенного приема. Применение устройства автовыбора антенн в корабельной и самолетной аппаратуре малоканальной связи позволило увеличить дальность связи практически до расчетных значений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Тепляков И.М. и др. Радиосистемы передачи информации. – М.: Радио и связь, 1982.
2. Аренберг А.Г. Распространение дециметровых и сантиметровых волн. – М.: Сов. радио, 1975.
3. Зюко А.Г. Помехоустойчивость и эффективность систем связи. – М.: Связь, 1972.
4. Комаров В.М., Заличев Н.Н. Системы автовыбора оптимальных условий приема. – Зарубежная радиоэлектроника, 1979, № 3.
5. Связь с подвижными объектами в диапазоне СВЧ / Под ред. У.К. Джейкса. – М.: Связь, 1979.
6. Стейн С., Джонс Дж. Принципы современной теории связи и их применение к передаче дискретных сообщений. – М.: Связь, 1971.
7. Полушин П.А. и др. Оценка помехоустойчивости устройств комбинирования разнесенных сигналов. – Электросвязь, 1980, № 2.
8. А. с. № 964985. Устройство контроля многоканальных линий связи / Копотов П.Г., Старченков А.В.
Отзывы читателей
