Энергетический расчет и помехоустойчивость радиолинии ближнего действия сверхвысокочастотного диапазона

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Энергетический расчет и помехоустойчивость радиолинии ближнего действия сверхвысокочастотного диапазона

В настоящее время все технологически развитые страны решают вопросы автоматизированного управления движением различного рода транспортных средств (ТС), например, трамваев, троллейбусов, автобусов, поездов метрополитена и т.п. [1, 2].

Одним из важнейших звеньев в таких системах управления ТС является канал обмена информацией. Исследования показывают, что достаточно эффективным является обмен информацией как в определенных точках маршрутах ТС (остановках, станциях и т.д.), так и при их движении для передачи текущей информации и корректировки программы движения, организуемых в СВЧ диапазоне частот.

Использование СВЧ диапазона обладает целым рядом достоинств как по помехозащищенности, так и по сравнительно простой технической реализации. При этом расстояние между передающим и приемным устройством в таких системах обычно делают минимальным (единицы-десятки метров), что позволяет говорить о работе этих систем в условиях ближнего действия [3].

Информационный СВЧ канал представляет собой радиолинию ближнего действия (РБД), служащую для передачи дискретной информации между ТС (мобильный модуль) и наземным пунктом (стационарный модуль). Вероятность ошибочного приема Р₀ задается не более 10^-6 на десятичный знак. При этом объем информации, передаваемый за 10 секунд, может достигать десятков Мбит.

В состав РБД входят мобильные и стационарные модули устройств передачи, приема и обработки дискретных сигналов [4]. Отметим, что в качестве антенн в РБД должны использоваться антенны с остронаправленной диаграммой направленности (ДН), например, пирамидальные рупорные антенны [5]. Порядок их расчета приведен авторами ранее в [4, 6].

Остановимся более подробно на энергетическом расчете и определении помехоустойчивости дуплексного канала ближнего действия в условиях замираний сигнала.

Энергетический расчет заключается в определении мощности сигнала в месте приема P_прм и расчета отношения энергии сигнала Е_с к спектральной плотности мощности помехи N₀

.

Рассчитаем мощность сигнала на входе приемника при заданной выходной мощности передатчика по формуле [7]

,

где P_пер - мощность передатчика, Вт; G_пер, G_пр - соответственно, коэффициент усиления по мощности передающей и приемной антенны; _пер, _пр - соответственно, коэффициент полезного действия антенно-фидерного тракта передающего и приемного устройства; R₀ - расстояние между точками передачи и приема, м.

На рис. 1 приведена зависимость для случая, когда при остановке ТС оси ДН передающей и приемной антенн совпадают; при этом принималось ; ; .

Из представленных зависимостей видно, что с увеличением расстояния между приемником и передатчиком мощность сигнала на входе приемника падает по экспоненциальному закону. Так, при R₀ = 10 м величина мощности сигнала составляет 17,510^-7 Вт; при R₀ = 50 м мощность уменьшилась до 0,710^-7 Вт.

На практике место остановки ТС случайно, и может быть ограничено лишь некоторой зоной . В результате может произойти так, что оси ДН передающей и приемной антенн не совпадут. В этом случае мощность сигнала на входе приемника может быть найдена, исходя из выражения:

,

где ;

x₀, y₀ - координаты точка установки передающей антенны, характеризующейся ДН F(); x - текущее местоположение антенны, установленное на ТС, характеризующееся ДН F().

Рис. 1. Зависимость мощность сигнала на входе приемника от расстояний R₀ и R

Зависимость , когда оси ДН антенн не совпадают, также представлены на рис. 1.

Помехоустойчивость дуплексного канала

При работе дуплексного канала на в условиях ближнего действия определяющее воздействие на его помехоустойчивость оказывают замирания сигналов. Они возникают в результате интерференции прямого и отраженного от подстилающей поверхности электромагнитного поля в приемной апертуре.

Суммарное поле при одиночном приеме можно описать соотношением

(1)

где P₁, ₁, G₁ - соответственно, мощность излучения, КПД и коэффициент усиления антенно-фидерного тракта передающей антенны; F_пр(), F_пр() - соответственно, характеристики направленности передающей и приемной антенны; - угол между направлением максимального излучения и направлением на центр приемной апертуры; - угол между максимумом ДН приемной антенны и направленности на передающую антенну; углы , и значения r₁ = AB и r₂ = AC + CB пояснены на рис. 2; - модуль коэффициента отражения, учитывающий уменьшение амплитуды волны при отражении от подстилающей поверхности; _ф - фаза коэффициента отражения, учитывающая изменение фазы при отражении; С (x, y) - текущая точка подстилающей поверхности D (x, y), формирующей отраженную волну.

В амплитудных множителях можно приближенно считать, что . В этом случае выражение (1) можно преобразовать к виду:

,

 - напряженность поля при распространении в свободном пространстве; ; - расстояние до текущей точки С (x, y) подстилающей поверхности D (x, y), формирующей отраженную волну.

В [7] показано, что выражение в квадратных скобках представляет собой множитель ослабления, характеризующий интерференцию прямой и отраженной волн.

Для практических приложений наибольший интерес представляет модуль множителя ослабления

.

Для вычисления J₁(.) воспользуемся методом стационарной фазы, представив D (x, y) в виде совокупности N участков, в пределах каждого из которых волна может считаться локально плоской.

В этом случае

(2)

где (xi, yi) - координаты точки стационарной фазы локального участка Di(x, y).

Нетрудно видеть, что в случае, когда размеры отраженной поверхности D (x, y) значительно меньше расстояний r1 и r2, N = 1 и множитель ослабления может быть с учетом обозначений преобразован к известному соотношению

 (3)

Здесь ; ; - фаза сигнала.

Перейдем далее непосредственно к рассмотрению помехоустойчивости дуплексного канала, работающего в условиях ближнего действия.

Вероятность ошибки элемента передаваемого сигнала при использовании амплитудной модуляции и некогерентного приема определяется соотношением [8]:

, (4)

где ; P_c - мощность элемента сигнала длительностью Т; - спектральная плотность белого нормального шума.

Заметим, что величина q² играет роль отношения сигнала к шуму (ОСШ).

Обозначив в (3) и , преобразуем (4) к виду

.

Как правило, относительно распределения фаз делается предположение

где W() - плотность распределения вероятностей (ПРВ) фазы.

С учетом сделанных предположений вероятность ошибки будет

(5)

где I₀(.) - функция Бесселя нулевого порядка.

Выражение (5) характеризует случайный характер огибающей сигнала, отраженного от подстилающей поверхности.

Так как D (x, y) может рассматриваться как протяженная поверхность, то относительно ПРВ W(B₀) справедливы те же предположения, что и для протяженных объектов.

Интерес представляет две модели отражений:

- с доминирующей блестящей точкой

(6)

где - дисперсия флуктуаций отраженного от поверхности D (x, y) сигнала; a_b - характеризует амплитуду сигнала, отраженного от доминирующей блестящей точки;

- без доминирующей блестящей точки

, (7)

где m - параметр распределения; Г(.) - гамма-функция.

Соотношение (7), называемое распределением Накагами, является более общим, чем распределение Рэлея. При m = 1 выражение (7) переходит в рэлеевский закон, а при m > 1 его можно использовать даже для аппроксимации обобщенного рэлеевского закона.

Рассмотрим эти случаи несколько подробнее.

Произведя усреднение (5) по параметру B₀ подчиняющемуся закону распределения (6), получим, что вероятность ошибки в этом случае будет определяться так:

Воспользовавшись тем, что интеграл в правой части является табличным [9], запишем P_ош в следующем виде

, (8)

.

В случае, когда выражение (8) может быть упрощено при

. (9)

Зависимости при различных значениях величин A₀, a_b и представлены на рис. 2.

а) б)

Рис. 2. Зависимость вероятности ошибки от величины ОСШ при различных значениях A₀, равных: а - 0,7; б - 0,9

Перейдем к рассмотрению случая, когда W(B₀) описывается выражением (7). Тогда, воспользовавшись известным соотношением [9], получим

, (10)

где ; ? вырожденная гиперболическая функция.

В случае при m = 1, то есть когда W(B₀) представляет собой рэлеевское распределение, можно получить согласно [6] выражение

. (11)

Зависимости P_ош = f(q), при различных значениях величин A₀ и , представлены на рис. 3.

Осуществлен энергетический расчет радиолинии ближнего действия СВЧ диапазона. Показано, что увеличение расстояния между приемником и передатчиком ведет к экспоненциальному спаду мощности сигнала на входе приемника.

При работе дуплексного канала в условиях ближнего действия его помехоустойчивость определяющим образом зависит от замирания сигналов, возникающих вследствие интерференции прямого и отраженного от подстилающей поверхности электромагнитного поля в приемной апертуре.

а) б)

Рис. 3. Зависимость вероятности ошибки от величины ОСШ при различных значениях для случаев: а - A₀ = 0,7; б - A₀ = 0,9

Показано, что огибающая сигнала, отраженного от подстилающей поверхности, носит случайный характер. Результаты моделирования помехоустойчивости показали, что вероятность ошибки в дуплексном канале в условиях замирания СВЧ сигнала может достигать менее 10^-6…10^-8 на знак. Рассмотрены две практически важные модели отражений: с доминирующей блестящей точкой и без доминирующей блестящей точки, для каждой из которых найдены выражения для определения вероятности ошибки.

Литература

приемник передатчик сигнал помехоустойчивость

1. Гапанович В.А., Грачев А.А. Системы автоматизации и информационные технологии управления перевозками на железных дорогах. М.: Маршрут, 2006. - 544 с.

2. Исаков О. Вопросы совершенствования АСУ железнодорожного транспорта. Саарбрюккен: LAP Lambert Academic Publishing, 2012. - 224 с.

3. Воловач В.И. Методы и алгоритмы анализа радиотехнических устройств ближнего действия. М.: Радио и связь, 2013. - 228 с.

4. Артюшенко В.М., Воловач В.И. Организация информационного сверхвысокочастотного канала ближнего действия, устойчивого к замираниям сигнала // Информационно-технологический вестник, 2018, №1 (15). - С. 72-83.

5. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высшая школа, 1988. - 427 с.

6. Артюшенко В.М., Воловач В.И. Передача дискретной информации в радиоканале ближнего действия СВЧ-диапазона // Электромагнитные волны и электронные системы, 2018, Т. 23, №2. - С. 40-46.

7. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ; Под ред. Г.З. Айзенберга. В 2 ч. М.: Связь, 1977. - 384 с.

8. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. М.: Радио и связь, 1983. - 320 с.

9. Ван дер Варден Б.Л. Математическая статистика. М.: ИЛ, 1960. - 360 с.

Размещено на Allbest.ru