Некоторые особенности передачи информации в радиолинии ближнего действия сверхвысокочастотного диапазона

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Некоторые особенности передачи информации в радиолинии ближнего действия сверхвысокочастотного диапазона

Важнейшим звеном автоматизированных систем управления движением (АСУД) пассажирского транспорта [1, 2 и др.] является информационный канал, служащий для передачи текущей и оперативной информации, а также корректировки программы движения транспортных средств (ТС). В связи с относительно небольшим расстоянием между стационарным и бортовым модулями названных систем наиболее оптимальным для организации передачи данных является использование радиолинии ближнего действия (РБД) СВЧ диапазона [3].

Система передачи данных по РБД включает в себя, как минимум, два модуля:

- стационарный, находящийся на станции (остановке) либо непосредственно вблизи магистрали пассажирского транспорта и включающий в себя радиотехнический информационный датчик (РИД) с приемо-передающей антенной, а также блоки обработки информации;

- бортовой, расположенный на ТС и содержащий РИД с приемо-передающей антенной и блоки обработки информации.

Для увеличения надежности и безопасности системы стационарный и бортовой модули могут дублироваться; при этом возможно разнесение рабочих частот пар стационарный модуль - бортовой модуль.

Отметим, что СВЧ канал передачи данных в условиях ближнего действия обладает не только высокой помехозащищенностью, но и целым рядом достоинств, связанных с его технической реализацией [3, 4].

Для обмена информацией между стационарным и бортовым модулями могут быть использованы довольно простые РИД СВЧ диапазона. Их отличительной особенностью является возможность передачи сравнительно больших объемов информации (сотни Кбит) при скоростях движения ТС 100…300 км/ч и более.

В настоящей работе остановимся расчета используемых в радиолинии СВЧ-диапазона антенн и определение передаваемых объемов информации между бортовым и стационарным модулями системы передачи дискретных данных.

Характеристики антенно-фидерного тракта

При организации РБД СВЧ-диапазона в качестве антенн, как правило, используются антенны с остронаправленной диаграммой направленности (ДН), например, пирамидальные рупорные антенны. Такие антенны, не только играют роль согласующего устройства при переходе от волновода к окружающему пространству, но и ограничивают в пространстве область, в пределах которой обеспечивается уверенная связь (в настоящем случае передача дискретных данных).

Геометрические параметры пирамидальных рупорных антенн [5] представлены на рис. 1, на котором: R_Е, R_H - длины рупоров, a_p, b_p - геометрические размеры, _oE, _oH - углы раскрыва антенн, соответственно, в плоскостях Е и Н.

дуплексный датчик антенна радиолиния

Рис. 1. Геометрические размеры рупорных антенн

Определим соотношения, связывающие дальность размещения антенны стационарного модуля системы R₀ от ТС с требуемой шириной ее ДН , соответственно, в плоскостях Н и Е на уровне 0,707: , . Считаем, что длина зоны действия системы передачи дискретных данных l локализована в пределах R от некоторой фиксированной точки О на линии движения ТС [6].

На рис. 2 приведены полученные зависимости для плоскости Н (рис. 3, а) и плоскости Е . Здесь величины _H и _E вычисляются, соответственно, по формулам:

; ,

где M, L - ширина области, охватываемая главным лепестком ДН передающей антенны, в месте приема, соответственно, в вертикальной и горизонтальной плоскости, м.

Эти зависимости показывают, как изменяется ширина ДН с увеличением расстояния R₀ при облучении передающей антенной заданной зоны действия l.

а) б)

Рис. 2. Геометрические размеры рупорных антенн

Найдем оптимальные размеры a_p и b_p, исходя из значений _H и _E, и, задаваясь значением длинны рупора R_E в плоскости E в пределах (3…5) ( - длина волны излучаемого СВЧ сигнала). Заметим, что указанные границы изменения R_E продиктованы условиями габаритов ТС [7-9].

Определим также углы раскрыва рупорной антенны _oE и _oH, воспользовавшись диаграммами [5], и сведем все полученные данные в табл. 1.

Исходя из полученных данных, можно найти реальные размеры рупора антенны, которые связаны с найденными _oE и _oH зависимостями:

; ,

причем R_H также выбирается в пределах (3…5).

Таблица 1. Значения углов _oE, _oH и геометрических размеров a_p, b_p в зависимости от величины R₀

Значения размеров a_p и b_p раскрыва рупорных антенн в горизонтальной и вертикальной плоскостях, необходимые для обеспечения требуемой остронаправленной диаграммы, приведены в табл. 1.

Так, например, задаваясь размерами рупора a_p = 11 см, b_p = 7 см и R_E = R_H = 5, удовлетворяющим указанным требованиям для R₀ [10…20] м находим:

; .

Определим коэффициент усиления G рупорной антенны:

,

где D - коэффициент направленного действия (КНД) антенны; - коэффициент полезного действия (КПД) рупорной антенны (в расчетах принимается равным единице).

При расчете КНД антенны можно воспользоваться формулой:

,

или ее вариацией в упрощенном виде:

,

где D_E, D_H - КНД, соответственно, в плоскостях Е и Н.

Для определения D_E и D_H можно воспользоваться графиками, представленными в [5].

В табл. 2 сведены результаты расчета коэффициент усиления G рупорной антенны, для найденных величин D_E и D_H при различных значениях R₀.

Таблица 2. Значения коэффициента усиления G рупорной антенны в зависимости от D_E и D_H при различных величинах R₀

Так, например, коэффициент усиления антенны с параметрами: a_p = 11 см; b_p = 7 см; ; , будет равен: дБ.

Для отыскания параметров раскрыва рупорной антенны a_p и b_p следует воспользоваться графиками , [5] (выбрав в нашем случае ). Вычисляя требуемое значение ширины ДН в плоскостях E и Н, соответственно, как это было показано выше, находим значения параметров антенны a_p и b_p.

Определение объемов передаваемой информации

Объем передаваемой информации по каналу «бортовой модуль - стационарный модуль» системы и обратно зависит от ряда факторов. К ним следует отнести: зону действия РИД l = R по линии движения ТС, которая определяется углом раскрыва ДН антенн и наименьшим расстоянием R₀ между антеннами стационарного и бортового модулей, скоростью движения ТС V_ТС, скорость передачи информации V_пи, определяемую частотой модулирующего сигнала F_м.

Очевидно, что, чем больше расстояние l = R зоны действия системы, тем больший объем информации можно передать на борт ТС и обратно в стационарный модуль при скорости движения V_ТС.

Ориентировочно, зависимость зоны действия диаграмм антенн l = R от расстояния разноса передающей и приемной антенн R₀, определяемое наикратчайшим расстоянием между ними, а также от угла раскрыва ДН антенны можно оценить с помощью выражения

.

Данные расчета зависимостей l = f(R₀, ) представлены в виде графиков на рис. 3.

Для определения объема передаваемой информации необходимо оценить время обмена информацией t в системе при перемещении ТС в зоне действия антенны стационарного модуля: .

Для расчета используем следующие значения скоростей движения ТС: V_1.ТС = 100 км/ч = 27,7 м/с; V_2.ТС = 200 км/ч = 55 м/с; V_3.ТС = 300 км/ч = 83 м/с.

Результаты расчета представлены в виде графиков на рис. 4.

Принимая во внимание, что информационное сообщение передается с частотой , где T - период следования импульсов; за время t можно передать N двоичных символов , бит или , байт.

Для дуплексного канала максимальное количество символов, которое можно передать за время t будет равно:

.

Временя обмена информацией между бортовым и стационарным модулями при различных значениях скорости движения ТС приведены авторами в [6].

Рис. 3. Графики зависимости длины зоны действия системы l от расстояния R₀ и угла раскрыва ДН антенны

Рис. 4. Графики зависимости времени обмена информацией t от скорости движения ТС V_ТС и длины зоны действия системы l

На рис. 5 представлены графики зависимостей возможного числа передаваемых двоичных символов для различных частот F_м модулирующего сигнала и скоростей движения ТС, при фиксированных значениях величины от величины R_o, где использованы обозначения: 1 - V_ТС = 100 км/ч, F_м = 300 Гц; 2 - V_ТС = 100 км/ч, F_м = 200 Гц; 3 - V_ТС = 100 км/ч, F_м = 300 Гц; 4 - V_ТС = 200 км/ч, F_м = 300 кГц; 5 - V_ТС = 200 км/ч, F_м = 200 кГц; 6 - V_ТС = 200 км/ч, F_м = 100 кГц; 7 - V_ТС = 300 км/ч, F_м = 300 кГц; 8 - V_ТС = 300 км/ч, F_м = 200 кГц; 9 - V_ТС = 300 км/ч, F_м = 100 кГц.

а) б)

Рис. 5. Графики зависимостей числа передаваемых символов В от расстояния R₀ при различных значениях скоростей движения ТС V_ТС и частот F_м модулирующего сигнала для углов раскрыва ДН = 20^о (а) и 40^о (б)

дуплексный датчик антенна радиолиния

Приведена инженерная методика расчета параметров приемо-передающих антенн, таких как их геометрические размеры и углы раскрыва; показана связь ширины диаграммы направленности антенн и дальности размещения их относительно друг друга. Рассчитаны значения коэффициента усиления антенны от их коэффициентов направленного действия и названной дальности.

Показано, что объем передаваемой информации определяется зоной действия радиотехнических информационных датчиков, скоростью движения транспортного средства и частотой модулирующего сигнала. Осуществлен расчет и получены графические зависимости, подтверждающие влияние на объем передаваемой информации названных факторов, а также параметров приемо-передающих антенн.

Литература

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. Теоретические основы радиолокации / А.А. Коростелев, Н.Ф. Клюев, Ю.А. Мельник и др.; Под ред. В.Е. Дулевича. М.: Сов. радио, 1978. - 608 с.

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. Артюшенко В.М., Воловач В.И., Иванов В.В. Статистические характеристики длительностей выбросов огибающих сигналов, отраженных от протяженных объектов // Радиотехника, 2015, №2. - С. 54-61.

8. Артюшенко В.М., Воловач В.И. Исследование спектра доплеровского сигнала, отраженного от движущегося протяженного объекта // Успехи современной радиоэлектроники, 2015, №11. - С. 58-66.

9. Артюшенко В.М., Воловач В.И. Оценка погрешности измерения частоты сигнала, отраженного от протяженного объекта, на фоне аддитивных негауссовских помех // Радиолокация, навигация, связь. XXII Международная научно-техническая конференция. Том 1. Воронеж, 2016. - С. 345-354.

Размещено на Allbest.ru