Перспективы использования сигналов и антенн со сложной структурой в спутниковой связи Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621-391

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ И АНТЕНН СО СЛОЖНОЙ СТРУКТУРОЙ В СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ

Д.Г. Пантенков, В.П. Литвиненко

Предлагается моделирование активной фазированной антенной решетки в части зависимости ее направленных свойств от основных влияюшдх факторов, приводятся расчетные и численные оценки цифровой обработки сигнала в активной фазированной антенной решетке

Ключевые слова: спутниковая связь, моделирование, сложная структура, перспектива, применение

В современных радиолокационных,

радионавигационных и телекоммуникационных системах применяются сложные широкополосные (ШПС) сигналы. Около 10-15 лет назад возник интерес к использованию хаотических колебаний в качестве широкополосных несущих сигналов. На настоящий момент существуют тенденции по

созданию и моделированию комплексных

случайных (хаотических) радиосигналов [1-7].

Повышенное внимание к динамическому хаосу обусловлено тем, что его свойства близки к свойствам естественных шумов радиотехнических приборов, при этом данные классы радиосигналов формируются, как правило, в нелинейных системах и описываются как нестационарные случайные процессы. Схемы генераторов хаотических

колебаний просто реализуются на практике для различных диапазонов частот. Кроме того, эти генераторы обладают способностью к самосинхронизации, что, в отличие от шума, позволяет воспроизводить хаотические колебания на приемной и передающей сторонах (при условии совпадения с заданной точностью параметров и начальных условий их генераторов). Эти и ряд других достоинств хаотических сигналов делают их привлекательными для разнообразных систем скрытной связи, систем с распределенным спектром, криптографии и многих других практических применений. На настоящий момент применению описываемых сигналов в системах связи уделено значительное внимание в целом ряде научных печатных трудов. После детального исследования систем связи с хаотической синхронизацией стало понятно, что в реальных условиях работа таких систем весьма нестабильна, а часто совершенно невозможна. Проблема заключается в самой природе хаотических колебаний. Во-первых, сложные нелинейные механизмы формирования динамического хаоса весьма чувствительны к неизбежным, даже незначительным (не более 2 дБ) рассогласованиям параметров на приемной и передающей сторонах, что приводит к разрушению хаотической синхронизации.

Пантенков Дмитрий Геннадьевич - РКК «Энергия им. С.П. Королева», аспирант, тел. 8-926-109-23-95 Литвиненко Владимир Петрович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел.(473) 271-44-57

Во-вторых, мощность помех, шумов, случайных процессов сильно сказывается на возможности осуществления синхронизации в системе. Указанные выше недостатки сигналов данного класса не дают возможности широкого их использования на практике, в частности, в системах подвижной спутниковой связи. В абсолютном количестве ситуаций использование радиосигналов с хаотической (случайной) структурой менее оправдано в отличие от использования привычных (классических) радиосигналов (в том числе широкополосных), для них имеются отлаженные и проверенные способы их формирования и обработки и анализа.

Необходимо отметить, что помимо описанных выше случайных сигналов на основе динамического шума, активно развивается направление так называемых фрактальных сигналов, которые имеют ряд определенных преимуществ. По сути своей фрактальные сигналы относятся к перспективному классу сложных сигналов в широкой полосе частот, превосходящих хаотические по гибкости изменения параметров. Целесообразность применения сигналов со сложной фрактальной структурой в целях защищенной передачи информации обращает на себя внимание достаточно давно, по сути с момента научного обоснования имеющихся недостатков сложных сигналов на основе динамического хаоса. Очевидна необходимость создания нового класса радиосигналов со сложной фрактальной структурой, которые будут иметь значительную информационную емкость, но вместе с тем формируемых в реальном масштабе времени на базе использования несложных по структуре (параметрам) радиотехнических устройств. При условии соблюдения указанных требований в ближайшем будущем сигналы со сложной фрактальной структурой могут прийти на смену сигналам на базе динамического хаоса.

В целях избегания отмеченных недостатков радиосистем на основе синхронного (хаотического) отклика имеется целый ряд решений, приводящих к принципиальному усложнению структурных и, как следствие, принципиальных схем для систем подвижной спутниковой связи, что уменьшает привлекательность их использования в реальной аппаратуре. Ряд работ показывается, что имеется тенденция перехода к некогерентному приему от

используемого на настоящий момент когерентного приема. Однако и в таких хаотических системах не удается реализовать скрытность передачи информации при приемлемом качестве её выделения.

Очевидно, что наиболее просто в радиотехнических схемах будут формироваться сигналы, представляющие собой аддитивную комбинацию синусоидальных колебаний. Однако такие сигналы практически не исследованы, что пока не позволяет рекомендовать их для переноса информации.

В ходе написания статьи был разработан и исследован новый класс перспективных радиосигналов, имеющих сложную фрактальную структуру, предложен способ передачи целевой информации на базе разработанных радиосигналов.

Для решения перечисленных задач в статье используются методы теории фрактальной размерности, спектрального анализа, статистические методы, методы теории нелинейных динамических систем, кластерного анализа и, компьютерное моделирование и расчеты на ПЭВМ.

1. Особенности сложных радиосигналов.

Для передачи радиосигнала в сложной электромагнитной обстановке разработан сигнал типа фрактальный вейвлет с использованием временной реализации, описываемой выражением [1-4]:

s (t) = Г{ (t) = П

008

(1 -x)г 2

-1

(1)

к =0

где 0 <Х < 1/2.

Полагаем X = 1/3, N = 10. Спектр данной реализации (1) имеет самоподобную структуру множества кантора.

В соответствии с выражением (1), используя сдвиг и сжатие по времени, реализована численная модель сигнала типа фрактальный вейвлет, с частотой дискретизации 1 ГГц. Данный сигнал представляет собой импульс длительностью Т 5 = 1

нс со сложной амплитудной зависимостью от времени:

(1 -X)-X

г

(t ) = П с

2

- (к 't -t 0 )

)-6(t - T,)), <2)

где 9 ( ) — функция Хевисайда [1].

В нашем случае мы выбрали коэффициент сжатия по времени к = 2.5, а величину смещения по времени т0 = 125 нс. Вид временной реализации

рассматриваемого фрактального широкополосного сигнала (ФШПС) типа фрактальный вейвлет представлен на рис.1.

Как видно из рис.1, данная реализация является симметричной. Произведен численный расчет спектральной плотности мощности (СПМ), автокорреляционной функции (АКФ), фазового портрета рассматриваемого импульса сложной формы. Результаты расчетов представлены в графическом виде на рис. 2-4 (спектральная

плотность мощности, автокорреляционная функция и фазовый портрет сигнала) соответственно.

Time, ns

Рис. 1

-10п

-20

-30

^0

-50

-60

-70

-80

-90

-100

ТУТ

-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Frequency, GHz

Рис. 2

-А

А?

-100 -80 -60 ^0 -20 0 20 40 60 80 100

Time, ns

Рис. 3

5(1)

Рис. 4

Сигналы с аддитивными фрактальными

структурами характеризуются большой шириной спектра [2-5]. Как показал предварительный анализ, фрактальный вейвлет обладает высокими

корреляционными свойствами, что является важным при выделении его на фоне помех с помощью корреляционного метода. Согласно рис.3, главный

максимум автокорреляционной функции фрактального сигнала достаточно узкий, что на практике способствует качественному разделению сигналов во времени, и, как следствие, увеличению быстродействия систем подвижной спутниковой связи, а также их помехозащищенности.

Проанализируем в качестве базового сигнала в системах ШПС космической связи потенциальное использование ФШПС типа фрактальный вейвлет. Перепишем выражение (1) в виде

(3)

В соответствии с выражением (3), предложена сложная модель фрактального радиосигнала, который представляет по сути своей сигнал

(импульс) с длительностью Т с временным разрешением (шаг дискретизации) Д! . Дискретный фрактальный вейвлет я [к ] = я (к Д!) можно

представить в виде:

я [к ] = П 0О8[(1 — X)-X ‘ - 2р -/0 - Д - (к — М /2)1 (4)

где

k = 0,...,M ,1 M =

T.

/Dl

Причем необходимо отметить, что при увеличении N приращение значения амплитуды фрактального вейвлета было не более фиксированного наперед заданного порога. Согласно возможности реальных устройств, выберем шаг дискретизации Д! = 0.66 нс, длительность сигнала Т я = 100 нс. В этом случае достаточно выбрать N=10. Частота дискретизации в данном случае равна 1.5 ГГц, поэтому выбор / 0

согласно теореме Котельникова ограничен сверху частотой 750 МГц. Число точек, определяющих фрактальный вейвлет в данном случае, равно

M =

T.

= 150 i На рис.5 и рис.6 соответственно

приведены графики фрактального вейвлета и его спектр мощности. Для случая X = 0.5 фрактальный вейвлет вырождается в классический (рис.7). Спектр классического вейвлета представляет собой прямоугольник, непрерывно заполненный частотами (рис. 8).

Рис. 5

L 1СГ

I кт4-

Q- 1СГ5-10е-10"’-1СГ-

w

1СГ10

10Г1Ч

10Г

-

1\( i l\!\ f Л м -

I fn 1,4 1 1 JI L 1 1 ~

ГЩ\ fi ' 1 г t^l -

1 ~

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Frequency (GHz)

Рис. 6

. 1.0-■S. 0.80.60.40.20.0-0.2-0.4-

' i F

20

40

60

80 100 Time, ns

Рис. 7

-

-

\ -

ч.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 08

Frequency, GHz

Рис. 8

Использование фрактального вейвлета вместо видеоимпульса при двоичном кодировании повысит помехозащищенность линии связи. Например, фрактальным вейвлетом можно закодировать последовательность «1110100». Значению «0» соответствует отсутствие сигнала, а значению «1» - его наличие (рис. 9).

n =0

n =0

0 100 200 300 400 500 600 700

Time, ns

2. Моделирование, анализ и синтез фрактальных антенн. Антенные устройства и частотно-избирательные поверхности (ЧИП) являются неотъемлемой частью радиосистемы. Опыт анализа и синтеза фрактальных антенн доказывает их широкополосность и многодиапазонность. Поэтому такие фрактальные антенны чрезвычайно эффективны при разработке многочастотных радиолокационных и

телекоммуникационных систем. На основе алгоритмов численного решения интегральных уравнений нами был проведен анализ электродинамических свойств разнообразных фрактальных антенн. Анализ проведен для фрактальных антенн с изменяющимся углом раскрыва [6,7].

Фрактальные антенны также позволяют создать многополосные варианты, уменьшенный размер, и оптимальную технологию антенн. К безусловным преимуществам сложных фрактальных антенн относится факт, что они имеют меньшее количество резонансных частот. Имеющиеся широкополосные свойства фрактальных антенн оптимальны с позиции защиты информации.

В отличие от традиционных методов, когда синтезируются гладкие диаграммы направленности антенны, в основе теории фрактального синтеза находится принцип создания параметров излучения с периодической структурой. С учетом этого имеется возможность реализовывать новые режимы работы во фрактальной электродинамике, получать качественно новые свойства. Так, например, интеграция элементов на корпусе объекта способно значительно испортить отображение объекта.

На практике фрактальные антенны могут найти применение: перспективные средства связи,

системы обнаружения, линейная и нелинейная радиолокация, радиопеленгация в застроенной городской обстановке, определение

местоположения несанкционированных источников радиоизлучения при борьбе с террористами, космическая связь. Число зарубежных исследований по разработке различных конструкций фрактальных антенн в настоящее время стремительно растет.

Произведем моделирование фрактальной антенны в компьютерном пакете Апбой Ю^. Радиус антенны выбирается произвольным. На рис.10 показан внешний вид моделируемой фрактальной антенны.

Внутри базового элемента нулевой итерации размещены 7 колец с радиусом в три раза меньше исходного элемента. Центры 6 маленьких окружностей расположены на расстоянии Я*2/3. Геометрический центр седьмой окружности и центр основной (базовой) антенн совпадает. Это есть итерация алгоритма построения на первом цикле, а антенну определяют сокращением А1.

Питание к антенне подводится от коаксиального провода, выполненного из бесконечно проводящего материала. Зависимость коэффициента отражения от частоты для представленной антенны показана на рис. 11. Частотная зависимость коэффициента отражения антенны показана на рис. 12.

Рис. 11

-60

-80 I I И I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I Рис. 12

Результаты численного моделирования направленных свойств антенны на фиксированных частотах отражены на рис.13. Достаточно хорошие результаты расчета КСВ (порядка 1.5), представленные на рис.14, также говорят о наличии повторяемости электродинамических параметров антенны А1 на разных частотах.

Я

*

6

Ч» Ы 114

в

Рис. 13 (продолжение)

ксв

Рис. 14

Для построения кольцевого монополя второй итерации А2 использовался тот же алгоритм, что и для модели А1 - рис.15. радиус каждой окружности вставлено шесть окружностей втрое меньшего радиуса, центры которых расположены в вершинах шестиугольника на расстоянии Я*2/3 от первоначального радиуса [8-14]. Седьмая окружность расположена в центре базовой окружности. Таким образом, полученная модель предложенной фрактальной антенны выглядит как на рис.15.

Рис. 15

Анализ результатов численного моделирования коэффициента отражения представлены на рис. 16 и способствуют выводу о том, что на всех итерациях антенны имеется периодичность полос пропускания антенны через одинаковые интервалы частот.

Исходя из рассчитанных значений коэффициента отражения и значений импеданса можно сделать предварительный вывод о том, что антенна должна обладать хорошими пропускающими свойствами на частотах вблизи 4,0 ГГц, 7,6 ГГц и 10,6 ГГц, а также 12,4 ГГц.

График зависимости импеданса от частоты представлен на рис. 17.

Как видно из графика зависимости импеданса, анализируемая антенна А2 имеет резонансы на частотах 2,9ГГц (4,1); 7,1 ГГц (7,7). Для этих частоты были смоделированы диаграммы направленности, которые представлены на рис. 18.

1И итши ■

TÎ1 АЛ

о®

Рис. 18

Зависимость КСВ антенны А2 от частоты представлена на рис. 19.

дБ(КСВ)

V

V

А

А

О 2 4 б 8 10 12 14 16 18 20

Рис. 19

Уникальной особенностью антенн со сложной структурой является теоретически бесконечное уплотнение ограниченной области пространства геометрий антенны, и как результат -дополнительные резонансные частоты в диапазоне длин волн, часто значительно превышающих

геометрические размеры фрактальной структуры. На сегодняшний день не существует строгой электродинамической теории, объясняющей и предсказывающей достаточно уникальные свойства структур, построенных на основе фрактальных множеств, однако предугадывать прием и обработку радиосигнала представляется возможным посредством численного моделирования.

Литература

1. Потапов А. А. Фракталы в радиофизике и радиолокации: Топология выборки. - М.: Университетская книга, 2005.

2. Спутниковая связь и вещание: Справочник. - 2-е изд., перераб. и доп./Г.Б. Аскинази, В.Л. Быков, М.Н. Дьячкова и др.; Под ред. Л.Я. Кантора - Радио и связь, 1988 - 344 с.

3. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2004.

4. Фионов А.С., Юрков Г.Ю., Потапов А.А., Колесов

В.В., Таратанов Н.А. Перспективные

наноструктурированные полимерные композиционные материалы для физических исследований их методами фрактального анализа. - Нелинейный мир, 2008, 6(1), с.37-41.

5. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигнала методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты / В.И. Борисов, В.М. Зинчук, А.И. Лимарев и др. - М.: Радио и связь, 2000. -384 с.

6. Варакин Л. Е. Системы связи с шумоподобными сигналами / Л.Е. Варкин. - М.: Радио и связь, 1985. - 384 с.

7. Митянкина Т. В. Сравнительная оценка

эффективности корреляционного приема и приема с «накоплением» / Т.В. Митянкина, В.В. Швыдкий, О.В. Шевченко // Вестник ЧГТУ. - 2006. - № 4. - С. 83-88.

8. Сетевые спутниковые радионавигационные системы В. С. Шебшаевич, П.П. Дмитриев, Н.В. Иванцевич и др. Под ред. В. С. Шебшаевича. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1993. - 408 с.

9. Литвиненко, В. П. Временная скрытность сигналов и программная перестройка рабочих параметров сигналов» [Текст] / В. П. Литвиненко, Д. Г. Доматырко // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. - Т. 6. - №1. - С. 109-112.

ОАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королева», г. Москва Воронежский государственный технический университет

PROSPECTS OF USE OF SIGNALS AND ANTENNA’S WITH DIFFICULT STRUCTURE

IN SATELLITE COMMUNICATION

D.G. Pantenkov, V.P. Litvinenko

Modeling by the active phased aerial of a lattice regarding dependence of its directed properties on the major influencing factors is offered, settlement and numerical estimates of digital processing of a signal are given in the active phased antenna lattice

Key words: satellite communication, modeling, difficult structure, prospect, application