Оценка эффективности использования 3-ортогонального поляризационного фильтра круговой и эллиптической поляризации для разделения суперпозиции характеристических волн в диапазоне кв Текст научной статьи по специальности «Физика»

Оценка эффективности использования 3-ортогонального поляризационного фильтра круговой и эллиптическом поляризации для разделения суперпозиции характеристических волн в диапазоне кв

Кобзарь В.А., Пушкин П.Ю. (рауе! [email protected] ), Майоров И.В.

Иркутский военный авиационный инженерный институт

ВВЕДЕНИЕ

На качество функционирования радиотехнических систем КВ диапазона оказывают воздействие замирания сигналов, обусловленные влиянием неоднородной и нестационарной структуры ионосферы и магнитного поля Земли [1]. Экспериментальные исследования показали [2], что поляризационные замирания, вызванные интерференцией характеристических (обыкновенной и необыкновенной) волн (ХВ), наблюдаются в 50-80 % времени работы радиолиний, а уровень сигнала под их влиянием изменяется на 15-20 дБ. Традиционные методы снижения воздействия поляризационных замираний на линии радиосвязи, как правило, основаны на поляризационной обработке сигналов от двух взаимно ортогональных антенн [1]. Классический поляризационный фильтр (ПФ) КВ диапазона построен на основе суммирования комплексного сигнала одной из проекций поля Лх с комплексным сигналом другой,

ортогональной проекции Лу, предварительно умноженным на комплексный множитель

К = Кв'3, что реализуется в радиотехнических системах с помощью соответствующего аттенюатора К и фазовращателя 3 по несущей или промежуточной частоте [3]. При этом, квадрат амплитуды с выхода фильтра равен

2

Лхв'Рх + ЛуКв'(р+3)

= Лх2 + К2Лу2 + 2КЛхЛу ^(Р - 3), (1)

где Р = (р - рх - разность фаз проекций Ау и Ах . Для подавления выбранной ХВ множитель фильтра должен удовлетворять условиям

3 = п-Р, К = ур, Р = рв'Р, (2)

где Р -комплексный множитель поляризации (фазор) выбранной компоненты, р = Лу /Лх .

Таким образом, для снижения поляризационных замираний применяются два типа поляризационных фильтров: ПФ сигнала круговой поляризации (КП), при 3 = ж/2, К = 1 и фильтр сигнала эллиптической поляризации (ЭП), настроенный согласно условиям (2). Проблеме эффективности фильтров КП и ЭП, использующих сигналы от двух взаимно ортогональных антенн, посвящено множество работ [2, 3, 4, 5]. Однако, 2-ортогональные ПФ обладают существенным недостатком - снижением их эффективности при несовпадении плоскости волнового фронта принимаемого радиосигнала с плоскостью раскрыва антенной системы.

Одним из способов устойчивого приема радиосигнала с произвольной ориентацией волнового фронта является прием на три взаимно ортогональные антенны [3]. Кроме того, достоинством антенной системы (АС), состоящей из трех взаимно ортогональных антенн, является возможность измерения углов прихода и параметров поляризации электромагнитной волны (ЭМВ) в одной точке приема [6]. Однако в литературе, к сожалению, отсутствуют

систематизированные оценки эффективности ПФ круговой и эллиптической поляризации, использующих 3-ортогональную АС.

Цель статьи - с помощью численного моделирования и эксперимента оценить эффективность использования 3-ортогонального поляризационного фильтра круговой и эллиптической поляризации для разделения суперпозиции характеристических волн в диапазоне КВ.

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Для оценки эффективности снижения поляризационных замираний использовался коэффициент выигрыша, показывающий изменение отношения мощностей характеристических волн на выходе ПФ, по сравнению с аналогичной величиной на его входе:

Кв = 101в[(л/Р2 )вш/(Л/Р2 )вх ], (3)

где Р1ВХ, Р2вх - мощность первой и второй характеристической волны на входе ПФ; Р1ВЫХ, Р2Вьш - мощность первой и второй характеристической волны на выходе ПФ.

При моделировании рассматривался случай, когда в точку приема приходят две волны с противоположными направлениями вращения векторов напряженности поля ЭМВ и смещенных по частоте относительно друг друга (рис. 1, а, б) на величину А¥д = ¥О - ¥х, где

¥0, ¥х - доплеровское смещение частоты обыкновенной и необыкновенной волн

соответственно. Алгоритм моделирования основан на разложении вектора поля волны по трем ортогональным компонентам с последующей обработкой каждой из них с помощью спектрально-поляризационного метода. Суть его сводится к тому, что вместо комплексных амплитуд проекций Ах (^), Ау (^), А г (^) используются комплексные амплитуды составляющих

доплеровского спектра этих проекций, то есть амплитудные 8Х (т), (т), (т) и фазовые

<рх(т), (ру(т), <рг(т) спектры, где т - круговая частота [3]. Согласно предлагаемому методу

результирующий комплексный доплеровский спектр одной из характеристических волн, например обыкновенной, определяется как:

Я *\{АХ (0 + Ку (т) А у (0 + Кг (т) А г (/)} - = (т) + Ку (т)<&у (т) + Кг (т)£г (т), (4)

где Ку (т), Кг (т)— комплексные частотно-зависимые коэффициенты для канала у и г

соответственно. Они выбираются таким образом, чтобы обеспечить согласование на подавление всех составляющих спектра необыкновенной волны. Согласно правилу (2) комплексные коэффициенты примут вид:

Ку = 1/Ру (т), Ру (т) = Ау (т)/Ах (т), 8у = п-А у (т), А у (т) = < (т)(т) 1

К2 = 1/Рг (т), Рг (т) = Аг (т)/Ах (т), 8г =п-А г (т), А г (т) = < (т)(т) ] (5)

Алгоритм моделирования и обработки данных можно разбить на три основных этапа -генерирование исходных данных, обработка и оценка эффективности снижения поляризационных замираний. Первый этап моделирования состоял в получении рядов мгновенных отсчетов проекций вектора поля Е электромагнитной волны на три взаимно перпендикулярные антенны Ах (^), Ау (^), Аг (^). Осуществлялось это путем вычисления скалярного произведения вектора поля на единичные векторы-орты вдоль осей ОХ, ОУ и 02 [7]. Вектор поля Е вычислялся для каждого момента времени исходя из заданных для каждого конкретного сеанса амплитуды, углов прихода радиоволны, доплеровского смещения частоты,

http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2005/034.pdf

отношения полуосей эллипса поляризации и их ориентации в пространстве, отношения сигнал/шум.

Эти исходные данные моделирования задавались на основе результатов экспериментальных исследований

характеристик ионосферных радиосигналов. На втором этапе проводились комплексный спектральный анализ и поляризационная фильтрация. Полученные ряды подвергались прямому преобразованию Фурье. Затем для каждой из спектральных компонент амплитудных о) и разностно-фазовых Л(со) спектров вычислялись углы прихода и параметры поляризации. Далее производился ввод весовых коэффициентов (в соответствии с одним из рассматриваемых ПФ) и когерентное сложение разнесенных по поляризации сигналов. Для сигнала круговой поляризации разность фаз между двумя соседними антеннами составляет 2п/3. Тогда для настройки ПФ на прием сигналов круговой поляризации необходимо ввести задержку в два соседних канала на 4п/ 3 и 2п/ 3 и установить коэффициенты усиления каждого канала равными 1. Для приема сигналов ЭП проводилась настройка ПФ согласно условиям (5). На третьем этапе моделирования осуществлялась оценка эффективности снижения поляризационных замираний согласно

Рис. 2.

выражению (3).

При моделировании использовались следующие допущения:

- антенны находятся в свободном пространстве (не учитываются эффекты отражения от подстилающей поверхности и окружающих предметов),

- антенны не оказывают взаимного влияния друг на друга,

- отражение от ионосферы зеркальное,

- отсутствуют флуктуации углов вследствие рефракции ЭМВ на перемещающихся ионосферных возмущениях.

Для иллюстрации этапов моделирования на рис. 1 показаны характерные примеры временных и частотных зависимостей сигналов. Входной сигнал представляет собой биения двух близких по частоте гармонических сигналов (рис. 1, а, б). При этом один из сигналов оказывает помеховое (модулирующее) воздействие на другой, вызывая замирания. На рис. 1, в, г показан типовой суммарный сигнал на выходе системы и его спектр. Качественная оценка показывает, что в результате поляризационной обработки один из сигналов оказывается подавленным и перестает воздействовать на другой. Вследствие этого замирания на выходе системы удается уменьшить.

На рис. 2 представлены результаты количественной оценки снижения поляризационных замираний, полученные при моделировании. Показано распределение Кв, в зависимости от

углов прихода ЭМВ, в пределах октанта. Представлены результаты обработки суперпозиции характеристических волн с круговой поляризацией и при отношении сигнал/шум, равном 3. На рис. 2, а показано распределение Кв при настройке антенной системы (ПФ) на прием сигнала круговой поляризации. Из результатов численного моделирования следует, что максимальный выигрыш при настройке ПФ на прием сигналов КП достигается в области оси симметрии АС -20-22 дБ. Ближе к краям октанта Кв уменьшается до величины - 10-12 дБ. На рис. 2, б показано распределение Кв при настройке ПФ на подавление сигналов ЭП. При использовании фильтра ЭП достигается почти равномерное распределение коэффициента Кв от 16 дБ до 22 дБ (рис. 3, б).

Таким образом, результаты моделирования показывают достаточно высокие потенциальные возможности рассматриваемых ПФ для снижения влияния поляризационных замираний. Максимальный выигрыш в подавлении одной из ХВ у двух фильтров составил 22 дБ.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА

100 —. N

Преобладание волн в %:

80 —

60 —

40 —

20 —

О-волна - 58,7

N=300

Х-волна - 41,3

Экспериментальный комплекс позволял проводить в

автоматизированном режиме

непрерывные длительные измерения комплексных амплитуд с выходов трех ортогональных антенн. Основу комплекса составляли: три взаимно

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Я

Рис. 3.

В

о

а

Рис. 4.

ш

50

Ло

1Ш

ортогональные магнитные антенны; радиоприемное устройство (РПУ) «Катран»; аналого-цифровой преобразователь (АЦП); стандарт точного времени и частоты, сигналы которого использовались для выдачи высокостабильной опорной частоты РПУ и частоты дискретизации АЦП; электронно-вычислительная машина для автоматического управления и контроля работоспособности комплекса, обработки, оценки и записи результатов измерений.

Эксперимент по определению коэффициентов эффективности снижения поляризационных замираний проводился вблизи г. Иркутска на радиотрассе протяженностью 113 км с географическим азимутом у/о=64°. Одновременно с помощью ионозонда слабонаклонного зондирования, использующего линейно-частотно-модулированный (ЛЧМ) сигнал,

контролировалась ионосферная ситуация. Регистрация непрерывного радиосигнала осуществлялись на частоте /=3.13 МГц. Она определялась исходя из средних данных слабонаклонного зондирования ионосферы,

соответствующих средней точке трассы для выбранного периода времени. Несмотря на сравнительную близость

передатчика, влиянием земной волны можно было пренебречь, так как ее дополнительное

А(0

I

0

ослабление было обусловлено тем, что между приемным комплексом и передатчиком находился горный массив.

С целью ослабления интерференционных эффектов, вызванных отражением от земной поверхности и окружающих предметов, была выбрана такая ориентация системы координат

антенн, при которой ось симметрии

200 Ив,

а)

1 N

-г, Гц

200 — Ив,

в)

1 N

т

г)

1.2

-Ч

2.8

-г, Гц

тт

/, Гц

2.4 2.8 3.2

Ив>

ж)

т

1 N

з)

1Г, Гц

0.8 1.2 1.6

2.4 2.8 3.2

3-компонентной антенны была направлена в зенит. При этом точность установки платформы с 3-компонентной антенной

относительно географической системы координат составляла несколько градусов. Значение ожидаемого зенитного угла 9о для выбранного периода времени составляло около 11°. Такое расположение АС относительно направления прихода ЭМВ позволило регистрировать ХВ со слабо выраженной

эллиптичностью.

Как видно из рис. 3, в большинстве случаев коэффициент (эллиптичности) R, равный отношению малой полуоси эллипса поляризации к большой, находился в пределах 0,6<К<1. Большая часть данных получена для ночного периода, когда происходило от ионосферы. По регистрации сигналов был

отражение Е2 области

результатам

Рис. 5. регистрации ионосферных

построен

доплеровский динамический спектр (рис. 4) с интервалом интегрирования 30 секунд. Анализ динамического спектра показал, что в основном присутствовали две или три моды распространения (участки а и б соответственно), однако есть участки, где наблюдалась одна мода (участок в). Для экспериментальной оценки эффективности ПФ из всей совокупности наблюдений были выбраны участки времени, подобные характерным участкам а и б (рис. 4), в которых присутствовали несколько мод распространения. Далее определялся тип характеристической волны (обыкновенная или необыкновенная). Если в сигнале присутствовали обыкновенная и необыкновенная волна, то производилась обработка с целью снижения влияния одной ХВ на другую.

Алгоритм обработки экспериментальных данных от алгоритма моделирования отличался тем, что на первом этапе вместо генерирования модельных рядов происходила регистрация комплексных амплитуд с трех взаимно ортогональных антенн. На рис. 3 показано процентное соотношение преобладания характеристических волн по результатам обработки сеансов наблюдения. Видно, что во время проведения эксперимента в среднем преобладала обыкновенная волна - в 58,7 % случаев.

Ниже представлены результаты экспериментальной оценки эффективности 3-ортогональных ПФ круговой и эллиптической поляризации в диапазоне КВ. Обработке подверглись результаты регистрации, представляющие собой 300 сеансов наблюдений длительностью по 30 с. каждый. На рис. 5 представлены характерные временные (а, в, д, ж) и частотные (б, г, е, з) зависимости сигналов, полученные во время проведения эксперимента. На

120

-200

0

1.2

2

2.8

512

00 —

100 —

40

0

20

2.4

256

512

60 —

40

20

8 1.2 1.6

512

40 —

16

20

12

0

8

4

N

I

12

Кв, дБ

рис. 5, а, б, д, е показаны типовые входные сигналы и их спектры. На рис. 5, в, г, ж, з показаны суммарные выходные сигналы и их спектры.

Качественная оценка показывает, что сигналы до обработки представляют собой, в основном, сумму двух ХВ, смещенных по частоте друг относительно друга, что приводит к значительным замираниям на входе. После поляризационной обработки сигналов одна из ХВ оказывается подавленной, вследствие чего ее воздействие на другую волну уменьшается. На рис. 6, а изображена гистограмма распределения Кв при настройке ПФ на прием сигналов КП. На рис. 6, б показана гистограмма распределения Кв при использовании ПФ ЭП. Видно, что средний выигрыш у двух ПФ почти не отличается друг от друга - 12,1 дБ у первого и 11,7 у второго.

На наш взгляд, это объясняется тем, что при проведении эксперимента было выбрано такое расположение оси симметрии АС относительно направления прихода фронта ЭМВ, при

котором регистрировались ХВ с поляризацией близкой к круговой (рис. 3). Как следует из результатов моделирования (рис. 2), при приеме ХВ круговой поляризации в области оси симметрии АС полученные коэффициенты Кв для исследуемых ПФ также имеют примерно одинаковые значения (20-22 дБ). Если сравнивать СКО Кв, то у ПФ КП оно несколько выше, чем у фильтра ЭП - 4,9 дБ и 4,6 дБ, соответственно. Скорее всего, такой разброс значений оценки вызван флуктуацией углов прихода ЭМВ вследствие хаотического изменения высот отражения характеристических волн. Больший разброс Кв у ПФ КП, возможно, связан с его зависимостью от направления прихода ЭМВ (рис. 2, а): чем дальше направление прихода ЭМВ от оси симметрии АС, тем меньше выигрыш, и наоборот. При настройке 3-ортогонального ПФ на прием сигналов ЭП наблюдается более равномерное распределение Кв и, следовательно, его меньший разброс относительно среднего значения. При этом меньшая зависимость выигрыша от направления прихода ЭМВ согласуется с полученным при моделировании распределением (рис. 2, б).

Таким образом, полученные экспериментальные результаты показывают возможность применения 3-ортогонального ПФ круговой и эллиптической поляризации для разделения суперпозиции ХВ в диапазоне коротких волн. При известном направлении прихода ЭМВ 3-ортогональный ПФ КП не уступает по эффективности фильтру ЭП. В среднем полученная оценка эффективности при экспериментальной проверке равна 12 дБ. Расхождения с результатами моделирования связаны с наличием ограничений и допущений при моделировании, а также с неточностью ориентации 3-ортогональной АС относительно направления прихода ЭМВ при проведении эксперимента.

N

Шкв=11,7 дБ, стю,=4,6 дБ

Кв, дБ

Рис. 6.

ВЫВОДЫ

В настоящей работе на основе численного моделирования и экспериментальной проверки показана возможность использования 3-ортогонального поляризационного фильтра круговой и эллиптической поляризации для разделения суперпозиции характеристических волн в диапазоне КВ. Произведена оценка эффективности рассматриваемых ПФ. Максимальный выигрыш в подавлении одной из ХВ у фильтров круговой и эллиптической поляризации при моделировании составил 22 дБ, при экспериментальной проверке - 12,1 дБ и 11,7 дБ

соответственно. Для его получения при использовании фильтра КП необходимо отслеживать направление прихода ЭМВ и совмещать с ним ось симметрии АС. Для достижения максимального выигрыша при использовании фильтра ЭП необходимо обеспечить его согласование на подавление выбранной компоненты в соответствии с условиями (5).

ЛИТЕРАТУРА

1. Калинин А. И., Черенкова Е. Г. Распространение радиоволн и работа радиолиний. - М.: Связь, 1971. - 439 с.

2. Булатов Н.Д., Савин Ю.К. Статистические характеристики поляризационных замираний КВ сигнала. // Электросвязь. 1971. № 2. С. 14 - 16.

3. Афраймович Э. Л. Интерференционные методы зондирования ионосферы. - М.: Наука, 1982.

- 197 с.

4. Афраймович Э. Л., Беляев М. А., Лысак А. В. Об эффективности поляризационной фильтрации КВ-радиосигнала. // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. - М.: Наука. - 1988. - Вып. 81. - С. 25 - 32.

5. Березин Ю. В., Балинов В. В., Волков О. Ю., Бунин А. Л. Экспериментальные исследования эффективности работы адаптивного поляризационного фильтра при приеме двухлучевого электромагнитного поля, отраженного от слоя Б2 ионосферы. // Успехи современной радиоэлектроники. 2003. № 5. С. 61 - 66.

6. Афраймович Э. Л., Кобзарь В. А., Паламарчук К. С., Чернухов В. В. Определение параметров поляризационного эллипса многомодового радиосигнала. // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1999. Т. ХЬП, № 4. С. 324 - 331.

7. Афраймович Э. Л., Паламарчук К. С. Спектрально-поляризационный метод анализа интерференционной картины радиосигнала // Изв. Вузов. Радиофизика. - 1998. - Т. ХЫ

- № 6. - С. 723-734.