Некоторые характеристики эффективности передачи информации при распространении поляризованного сигнала через магнитоактивные среды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Некоторые характеристики эффективности передачи информации при распространении поляризованного сигнала через магнитоактивные среды

В.К. Маршаков

Воронежский государственный университет (ВГУ),

А.Д. Кононов, А.А. Кононов

Воронежский государственный технический

университет (ВГТУ), Россия

При функционировании информационных систем связи, управления и локации особые требования предъявляются к эффективности и помехоустойчивости радиотехнических устройств. В работе рассмотрены возможности повышения эффективности и качества информационного взаимодействия, использующего магнитоактивную среду как канал радиоуправления. С учетом влияния деполяризующих свойств ионосферного канала передачи информации исследуется зависимость статистических характеристик энергетического выигрыша - одного из важнейших параметров эффективности информационных систем связи и управления - от состояния магнитоактивной среды распространения и поляризационных характеристик приемно-передающих антенн. Приведены практические рекомендации по повышению достоверности передачи информации через гиротропные среды.

Ключевые слова: эффективность, статистические характеристики, помехоустойчивость, выигрыш, магнитоактивная среда, деполяризация.

V.K. Marshakov, A.D. Kononov, A.A. Kononov

SOME EFFICIENCY CHARACTERISTICS OF INFORMATION TRANSFER AT DISTRIBUTION OF A POLARIZED SIGNAL THROUGH MAGNETOACTIVE MEDIUM

At operation of information systems of communication, control and location some special requirements are presented to effectiveness and noise immunity of the radio engineering devices, and without their execution it is impossible to guarantee a high level of reliability of the accepted messages and commands. This article surveys the possibilities of increasing effectiveness and quality of information interaction using magnetoactive medium as the channel of radio control. In view of influence of depolarization properties of the ionospheric transmission channel of the information, the dependency of statistical performances of power advantage - one of major parameters of effectiveness of information systems of communication and control - on a state of magnetoactive medium of distribution and polarization performances of the receiving - transmitting antenna is examined. The practical guidelines on increasing accuracy of transmission of information through gyrotropic mediums are given.

Keywords: effectiveness, statistical performances, noise immunity, advantage, magnetoactive medium, depolarization.

Введение

Вопросы передачи и обработки цифровой информации представляют значительный интерес для широкого круга специалистов в области IT-технологий, автоматики и телемеханики, управления и радиосвязи. Информационные технологии здесь должны быть направлены на выявление того, как должен работать тот или иной элемент системы связи и каким требованиям должны удовлетворять устройства и методы, используемые для передачи информации в реальных радиоканалах. Особое внимание должно быть уделено изучению методов передачи цифровой информации, вопросам повышения помехоустойчивости и повышения достоверности с учетом влияния среды распространения, помех и искажений. Для решения перечисленных задач применяются специальные методы кодирования и виды модуляции, обеспечивающие максимальную помехоустойчивость [1-4].

Исходные положения

Известно, что канал ионосферного распространения радиоволн можно рассматривать как линейную систему с переменными параметрами [5], причем флуктуации параметров всех радиоканалов являются случайными функциями времени, таким образом, свойства каналов могут быть определены только с использованием статистических методов. Представляет интерес изучение связей выходных эффектов канала передачи информации со свойствами среды распространения и статистическими характеристиками информационного сигнала.

Передача сообщений и команд управления через случайно флуктуирующие магнитоактивные среды сопровождается трансформацией поляризационной структуры информационного сигнала, что приводит к рассогласованию по поляризации поля приемной антенны и падающего поля. Возникают поляризационные замирания (в частности, эффект вращения поляризационного эллипса - эффект Фарадея). Целесообразно исследование влияния степени возникающего рассогласования на эффективность различных методов передачи информации.

Критерии эффективности систем связи и управления

Одним из наиболее характерных критериев, указывающих на качество применяемых системы связи и управления, является в-эффективность, определяющий параметр которой характеризует использование мощности полезного сигнала [4-6] и определяется следующим образом

магнитоактивный радиоуправление радиотехнический

,

где С - скорость передачи информации;

Р - средняя мощность сигнала на входе приемника;

у² - удельная мощность (интенсивность) помехи на входе приемника.

Поделив знаменатель на ширину спектра сигнала П₀, получим отношение средних мощностей сигнала и помехи на входе приемника Q_ВЧ

Теперь коэффициент в можно представить в виде

,

где Q_НЧ - отношение средних мощностей сигнала и помехи на выходе приемника, а коэффициент В - так называемый выигрыш системы

(1)

позволяет оценивать достоинства различных способов передачи сообщений по критерию в-эффективности.

Распространение информационного сигнала в магнитоактивной среде

Для изотропных сред распространения величина В изучена с достаточной полнотой [4-8]. Распространение сигнала в гиротропной среде сопровождается ярко выраженной деполяризацией исходного излучения (эффекты Фарадея, Коттон-Мутона и пр.) и при аддитивной добавке неполяризованного шума величина Q_ВЧ подвержена поляризационным федингам. При статистической неоднородности и периодической нестационарности характеристик магнитоактивной среды, важнейшей из которых является интегральная электронная концентрация (которая в свою очередь зависит от времени года, суток, периода солнечной активности, географического положения, магнитного поля Земли и т.п.), выигрыш В носит вероятностный характер. В связи с этим важным является определение статистических характеристик выигрыша В в зависимости от вероятностного распределения положения вектора электрической напряженности электромагнитной волны, прошедшей магнитоактивную среду распространения. Учитывая, что рассмотрение поляризационных эффектов в линейных ортонормированных базисах является наиболее наглядным и позволяет выяснить потенциальные возможности обработки принимаемого сигнала, определим сначала величины выигрыша В при распространении линейно-поляризованного сигнала в магнитоактивной среде со случайно изменяющимися параметрами. При квазипродольном распространении сигнала в гиротропной среде угол поворота плоскости поляризации излучаемого сигнала определяется разностью набегов фаз нормальных волн.

При прохождении в ионосфере некоторого расстояния обыкновенная и необыкновенная волны поворачиваются на различные углы, в результате чего между ними возникает фазовый сдвиг, который приводит к повороту плоскости поляризации суммарной волны. Если излучатель движется (например, при установке передатчика на спутнике) наблюдается непрерывное вращение плоскости поляризации, и сигнал, принятый линейно-поляризованной антенной, испытывает поляризационные замирания.

Применим к анализу сигналов некоторые представления векторного пространства. Любой вектор можно выразить в виде суммы его составляющих по взаимно перпендикулярным ортам, если они образуют полную систему координат.

Пусть в ионосферный канал распространения излучается, в общем случае, эллиптически поляризованная волна, пространственно-временное состояние вектора напряженности поля которой может быть представлено матрицей [9-11]

(2)

где и - угол ориентации поляризационного эллипса исходного излучения , Е₀ - амплитуда, а щ₀ и ш₀ - частота и фаза колебания, несущего полезное сообщение; ц - угол эллиптичности - угол между главной (большой) полуосью эллипса поляризации и диагональю прямоугольника, описанного вокруг поляризационного эллипса так, что его стороны параллельны большой и малой осям эллипса. Этот угол равен половине угла между диагоналями описанного прямоугольника и находится в границах Знак угла эллиптичности учитывает направление вращения вектора поля (отрицательный знак ц соответствует левому направлению вращения вектора напряженности электрического поля, положительный - правому); ц = 0 - описывает линейно поляризованную волну и вращения плоскости поляризации нет.

Информационное множество в зависимости от способа передачи информации (АМ, ЧМ, ФМ...) имеет отображения

f_1: {S}>{E₀}; f₂: {S}>{щ₀}; f₃: {S}>{ш₀} и т.д.

Не умаляя общности рассуждений, рассмотрим излучение колебания с углом ориентации и = 0, что означает излучение горизонтально ориентированной волны произвольной поляризации, и для анализа трансформации поляризационной структуры электромагнитной волны используется ортогонально линейный базис ее представления, направление оси Х которого совпадает с положением большой оси эллипса поляризации излучаемого колебания. Теперь (2) перепишется в виде [10, 11]

(3)

В ортогонально-линейном базисе магнитоактивная среда распространения характеризуется матрицей пропускания [5, 11]

(4)

где ц₁, ц₂ - набеги фаз необыкновенной и обыкновенной нормальных волн, распространяющихся в гиротропной среде; , - отношение компонент нормальных волн в ортогонально-линейном базисе представления поля волны; - нормирующий множитель, обеспечивающий энергетический баланс волновых уравнений в среде распространения.

Прохождение излучаемой электромагнитной волны в гиротропной среде описывается матричным уравнением

(5)

Рассмотрим прием сигнала, прошедшего анизотропную среду, на ортогональные линейно-поляризованные антенны, пространственно совпадающие с ортами поляризационного базиса исходного излучения. С учетом (5) выходные эффекты ортогональных антенн представляются [10, 11]

(6)

где - центрированная неполяризованная стационарная помеха, имеющая каноническое разложение вида

(7)

в котором U_n и V_n - некоррелированные случайные величины с математическими ожиданиями, равными нулю, и дисперсиями, одинаковыми для каждой пары случайных величин U_n, V_n c одним и тем же индексом n.

При заданных характеристиках идеального приемника, флуктуационной помехи на его входе и мощности сигнала, несущего передаваемое сообщение {S}, предельный выигрыш системы передачи информации (1) определяется величиной искажения модулирующего сообщения на выходе идеального приемника [4]. Для определения продуктов искажения и выигрыша в рассматриваемом случае воспользуемся методом нулевого отклонения [4]. Для сигнала, прошедшего гиротропную среду распространения, нормированный выигрыш для соответствующих ортогональных антенн представляется выражением

(8)

где ; В₁, В₂ - собственно выигрыши, определяемые по выходам ортогональных приемных антенн с учетом анизотропии канала, В_ПРЕД - предельная величина выигрыша без учета поляризационных федингов, то есть в отсутствие анизотропной среды, индексы 1, 2 соответствуют приему сигнала на антенны с совпадающей и кроссовой поляризациями; 2Ц = ц₂ - ц₁ - угол поворота эллипса поляризации двумерного сигнала за счет деполяризующих свойств среды (эффект Фарадея).

Пусть статистические неоднородности среды распространения приводят к вероятностному распределению удвоенного угла ориентации плоскости поляризации 2Ц, и величины r, характеризующих анизотропию канала. Наблюдения показывают, что ионосфера подвержена быстрым изменениям, в ней непрерывно происходят сгущения и разрежения плотности ионизации, нерегулярные как во времени, так и от точки к точке [5, 9]. Помимо этого, под действием ветров вся неоднородная структура ионосферы перемещается. Причина образования неоднородностей в ионосфере пока однозначно не установлена. Можно предположить, что основной причиной является турбулентное движение ионизированного газа. Фазовые добавки ?ц₁ и ?ц₂ определяются суммарным числом электронов в столбе ионизированного газа по траектории распространения волны и для их статистического описания ввиду большого числа независимых факторов, вызывающих эти флуктуации, в первом приближении можно воспользоваться нормальным законом распределения вероятностей.

Расчет статистических характеристик выигрыша с учетом анизотропии канала

Рассмотрим статистические характеристики, задавшись нормальным распределением для параметра r с математическим ожиданием m_r и дисперсией D_r и нормально-намотанным распределением случайного угла Ц с круговым средним значением m_Ц и дисперсией D_Ц [12]. Для таких распределений случайных величин r и Ф первые два момента случайной величины имеют вид

(9)

(10)

Значения соответствующих частных производных, входящих в выражения (9), (10), приведены в таблице.

Расчетные соотношения достаточно сложны для анализа и неудобны в инженерной практике.

Примем следующие упрощающие предположения:

- распространение квазипродольное. Для высоких частот (например, 100-1000МГц) это выполняется для значений углов б от 0⁰ до 82⁰ - 89⁰55' с точностью до 5% (б - угол между волновым вектором и направлением земного магнитного поля);

- рабочая частота f >>f₀ и f >>f_H, где f₀ - плазменная частота в ионосфере; f_H - гиромагнитная частота электронов в ионосфере;

- рефракция в ионосфере отсутствует, и траектории распространения обеих нормальных волн совпадают.

При выполнении этих достаточно естественных условий искажение формы эллипса незначительно и r близко к единице, что позволяет существенно упростить полученные выражения. Так формула (8) принимает вид

, (11)

Где « + » - соответствует выигрышу, получаемому в совпадающем по поляризации канале, « - » - в ортогонально-поляризованной антенне. График соответствующей зависимости при различных ориентациях поля излучения приведен на рисунке 1. На этом рисунке сплошная кривая соответствует величинам выигрыша в совпадающем по поляризации канале, штриховая линия показывает выигрыш при приеме на ортогональную антенну.

Таблица. Вычисление частных производных

Рис.1. Зависимость выигрыша от набега фаз нормальных волн в ионосферном радиоканале

График фактически иллюстрирует распределение мощности полезного сигнала между приемными ортогональными антеннами двухканальной поляризационно-фазовой системы. Так при ц = -р/4 (коэффициент эллиптичности в этом случае равен -1) происходит излучение циркулярно поляризованной волны с левым, а при ц = р/4 - правым направлением вращения плоскости поляризации. Циркулярно поляризованная волна не испытывает при квазипродольном распространении в магнитоактивной среде существенного изменения формы поляризационного эллипса за счет эффекта Фарадея и может быть представлена в виде двух ортогонально-линейных компонент со сдвигом фаз, равным - р/2 при левом вращении вектора поля и р/2 для правовращающей компоненты.

Таким образом, в этом случае мощность полезного сигнала делится между ортогонально-линейными каналами поровну, то есть . В общем случае для эллиптически поляризованной электромагнитной волны мощность полезного сигнала распределяется в ортогональных каналах в определенных пропорциях. Если условия связи таковы, что Ц близко к нулю, то при излучении горизонтально ориентированных колебаний основная энергия полезного сигнала принимается совпадающим каналом (, сплошная линия). При Ц, приближающемся к р, поляризационный эллипс ортогонализируется и энергия полезного сигнала выделяется преимущественно на согласованной нагрузке ортогональной по поляризации антенны. Таким образом, соответствующей обработкой (коммутацией антенн с помощью высокотехнологичных микропроцессорных схем) можно избежать поляризационных замираний в ионосферном канале передачи информации.

Для ориентировочной оценки статистических характеристик выигрыша при квазипродольном распространении формулы (9), (10) существенно упрощаются. Так, формула (9) перепишется в виде

(12)

На рисунке 2 приведены графические зависимости среднего значения от статистических характеристик и D_Ц для некоторых значений угла эллиптичности ц и дисперсии угла ориентации поляризационного эллипса D, где сплошная линия определяет математическое ожидание выигрыша в совпадающей, а штриховая линия - в перекрестной ортогонально поляризованной антенне. Коммутацией антенн с помощью быстродействующих IT-устройств, а также изменением поляризационной структуры поля излучаемой волны и здесь можно управлять, добиваясь высоких значений математического ожидания выигрыша, достаточных для уверенной передачи информации через гиротропную среду.

Формула (10) в условиях квазипродольного распространения приводится к виду

(13)

а соответствующие графические зависимости дисперсии выигрыша от статистических характеристик ионосферного канала и управляемых параметров поляризации приведены на рисунке 3.

Рис.2. Математическое ожидание выигрыша для ортогональных антенн линейной поляризации

Рис.3. Зависимость дисперсии выигрыша системы передачи информации от состояния магнитоактивной среды распространения и поляризации излучаемого сигнала

Отметим, что при излучении двумерных сигналов, поляризация которых близка к круговой, в условиях квазапродольного распространения при r, близком к единице, дисперсия выигрыша уменьшается и стремится к нулю, что улучшает помехозащищенность системы передачи информации и позволяет рекомендовать использование циркулярно-поляризованных волн для повышения эффективности систем связи и управления при работе в гиротропной среде распространения.

Обсуждение результатов

Анализ полученных результатов показывает, что при относительно малых флуктуациях параметров среды (малые значения и D_Ц) предпочтительным является прием приходящего колебания на совпадающую по поляризации антенну. Однако необходимо учитывать, что фарадеевское вращение поляризационного эллипса приходящей волны существенно меняет условия приема, то есть для обеспечения необходимого качества обработки информации приемная система должна осуществлять адаптивное слежение и перестройку поляризационной структуры антенны таким образом, чтобы ее параметры поляризации совпадали бы с наиболее вероятными значениями этих параметров в принимаемом колебании.

Для гиротропного канала со значительными флуктуациями параметров (большие значения m_Ц на рис.2) изменение среднего значения менее критично к вращению поляризационного эллипса при распространении в магнитоактивной среде.

В любом случае при решении задачи оптимизации приема сигнала, прошедшего гиротропный канал, необходимо учитывать влияние статистических свойств среды распространения и условий связи. Из рис.3 видно, что наибольший разброс величина выигрыша претерпевает в интервале наиболее вероятной поляризационной ортогональности падающего поля и приемной антенны.

Полученные результаты позволяют констатировать:

- в условиях квазипродольного распространения в ионосферном канале дисперсия выигрыша уменьшается и помехозащищенность информационной системы повышается при использовании двумерных сигналов, поляризация которых близка к круговой;

- для обеспечения необходимого качества обработки информации приемная система должна осуществлять адаптивное слежение и перестройку поляризационной структуры антенны таким образом, чтобы ее параметры поляризации совпадали бы с наиболее вероятными значениями этих параметров в принимаемом колебании;

- коммутацией антенн с помощью быстродействующих микропроцессорных устройств, а также изменением поляризационной структуры излучателя можно управлять, добиваясь высоких значений математического ожидания выигрыша для уверенной и достоверной передачи сообщений через магнитоактивную среду.

Заключение

Полученные результаты могут оказаться полезными при решении вопросов, связанных с использованием и оптимизацией шумоподобной поляризационной модуляции, с точки зрения повышения энергетических показателей качества (например, в-эффективность и др.) связи и управления, использующих гиротропные каналы распространения.

Таким образом, эффективность системы передачи информации для заданного состояния анизотропной среды распространения и существующей помеховой ситуации в радиоканале может быть оптимизирована излучением и приемом двумерных сигналов с рассчитанными поляризационными параметрами и характеристиками.

Литература

1. Кононов А.Д., Авдеев Ю.В., Кононов А.А. Алгоритм формирования сигналов управления в системах следящего дистанционного управления землеройно-транспортными машинами // Изв. вузов. Строительство. - 2010. - № 1. - С. 81 - 86.

2. Авдеев Ю.В., Кононов А.Д., Кононов А.А., Аникин В.Н. К вопросу исследования радиоволнового канала системы дистанционного управления землеройно-транспортными машинами // Изв. вузов. Строительство.- 2010. - № 10. - С. 86 - 92.

3. Кононов А.Д., Кононов А.А. Разработка алгоритма определения координат и сигнала рассогласования в задаче автоматического управления мобильными объектами в дорожном строительстве // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Системный анализ и информационные технологии. - Воронеж. - 2014. - № 1. - С. 84 - 89.

4. Смирнов В.А. Приближенные методы расчета искажений в системах передачи информации. М.: Связь, 1975. - 432с.

5. Маршаков В.К., Кононов А.Д. Использование информативных возможностей двумерного сигнала для оценки магнитоактивного состояния ионосферного канала // Сб. докладов XVII Международной конференции «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж. - 2011. -Т.2. - С. 1110 - 1117.

6. Авдеев Ю.В., Кононов А.Д., Кононов А.А., Варданян Н.А., Аникин В.Н. Экспериментальное исследование радиоволнового канала системы дистанционного управления землеройно-транспортными машинами // Изв. ВУЗов. Строительство. - 2013. - № 6. - С. 52 - 56.

7. Кононов А.Д., Кононов А.А. Исследование возможностей создания координирующего программного устройства для реализации алгоритмов автоматического управления движением мобильных объектов // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Системный анализ и информационные технологии. - Воронеж. - 2015. - № 1. - С. 9 - 13.

8. Авдеев Ю.В., Кононов А.Д., Кононов А.А., Варданян Н.А. Устройство цифровой обработки выходных сигналов координатомерной системы для дистанционного управления землеройно-транспортными машинами // Изв. вузов. Строительство. - 2011. - № 10. - С. 74 - 79.

9. Кононов А.Д., Кононов А.А., Иванов С.А. К вопросу оптимизации информационных систем передачи команд управления через анизотропные среды // Информационные технологии в строительных, социальных и экономических системах -№.1-2 (11-12). - 2018. - С. 29 - 34.

10. Поздняк С.И., Мелитицкий В.А. Введение в статистическую теорию поляризации радиоволн. М.: Сов. Радио, 1974. - 480с.

11. Кононов А.Д., Кононов А.А., Готовцева А.Е. К вопросу о влиянии рассогласования по поляризации информационного сигнала и характеристик антенн в магнитоактивном канале распространения на эффективность систем связи и управления // Информационные технологии в строительных, социальных и экономических системах - 2018. - № 1-2 (11-12). - С. 66 - 69.

12. К. Мардиа. Статистический анализ угловых наблюдений. М.: Наука, 1978. - 270с.

References

1. Kononov, A. D. Algorithm of forming control signals in systems of tracking remote controlling motorgraders, scrapers and bulldozers / Kononov A. D., Avdeev Yu. V., Kononov A. A. // News of Higher Educational Institutions. Construction, 2010, No. 1. - Pp. 81-86.

2. Avdeev, Yu. V. To the problem of research of radiowave channel of the system of remote controlling motorgraders, scrapers and bulldozers / Avdeev Yu. V., Kononov A. D., Kononov A. A., Anikin V. N. // News of Higher Educational Institutions. Construction, 2010, No. 10. - Pp. 88-92.

3. Kononov, A. D. Development of the algorithm of definition of coordinates and error signal in the problem of automatic controlling mobile objects in road building / Kononov A. D., Kononov A. A. // The Bulletin of the Voronezh state university. A series: The systems analysis and information techniques, 2014, No. 1. - Pp. 84-89.

4. Smirnov, V. A. Approximated methods of computation of contortions in the information transmission systems. M.: Communication, 1975. - 432 p.

5. Marshakov, V. K. Usage of informative possibilities of a bivariate signal for estimation magnetoactive state of the ionospheric channel / Marshakov V. K., Kononov, A. D. // The collection of the reports of XVII International conference of Radiolocation, Navigation, Communication, 2011, Vol. 2, Pp. 1110-1117.

6. Avdeev, Yu. V. Experimental research of the radiowave channel of the system of remote controlling motorgraders, scrapers and bulldozers / Avdeev Yu. V., Kononov A. D., Kononov A. A., Vardanyan N. A., Anikin V. N. // News of Higher Educational Institutions. Construction, 2013, No. 6. - Pp. 52-56.

7. Kononov, A. D. Research of possibilities of creating a coordinating timing unit for embodying algorithms of automatic controlling movement of mobile objects / Kononov A. D., Kononov A. A. // The Bulletin of the Voronezh state university. A series: The systems analysis and information techniques, 2015, No. 1. - Pp. 9-13.

8. Avdeev, Yu. V. The structure of numeral handling of output signals of a coordinate-measuring system for remote controlling motorgraders, scrapers and bulldozers / Avdeev Yu. V., Kononov A. D., Kononov A. A., Vardanyan N. A. // News of Higher Educational Institutions. Construction, 2011, No. 10. - Pp. 74-79.

9. Kononov, A. D. To the problem of optimization of information systems of transmission of control commands through anisotropic medium / Kononov A. D., Kononov A. A., Ivanov S. A. // Information techniques in building, social and economical systems, 2018, No. 1-2(11-12). - Pp. 29-34.

10. Pozdnyak, S. I., Melititskiy, V. A. Introduction to the statistical theory of radiowaves polarization. M.: Sov. Radio, 1974. - 480 p.

11. Kononov, A. D. To the problem on influence of the mismatch on polarization of the information signal and performances of antennas in the magnetoactive channel of distribution on effectiveness of communication and control systems / Kononov A. D., Kononov A. A., Gotovtseva A. E. // Information techniques in building, social and economical systems, 2018, No. 1-2(11-12). - Pp. 66-69.

12. Mardia, K. The statistical analysis of angular observations. M.: Science, 1978. - 270 p.

Размещено на Allbest.ru