Файл: Гусев, К. Г. Поляризационная модуляция.pdf

К. г. ГУСЕВ, А. Д. ФИЛАТОВ, А. П. СОПОЛЕВ

ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ МОДУЛЯЦИЯ

МОСКВА «СОВЕТСКОЕ РАДИО» 1Э7Т

Монография посвящена вопросам передачи сообщений модуляцией параметров поляризации электромагнитной волны. Рассматриваются различные виды поляризационной модуля­ ции, некоторые схемы поляризационных модуляторов. Для описания поляризационно модулированных (ПМ) сигналов введена форма их представления в виде экспоненциальной функции от комплексного аргумента с двумя мнимыми едини­ цами, облегчающая анализ и синтез таких сигналов. Приво­ дятся полные (амплитудные, фазовые и поляризационные) спектры некоторых видов ПМ сигналов, практические схемы приема и обработки таких сигналов. Анализируются оптималь­ ные методы обработки ПМ сигналов, оценивается их потен­ циальная помехоустойчивость.

Книга предназначена для научных работников, радио­ инженеров и студентов старших курсов радиотехнических специальностей.

Рис. 59, табл. 1, библ. назв. 48.

Редакция литературы по вопросам космической радиоэлектроники

30401-066

1-74

046(01)-74

© Издательство «Советское радио», 1974 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Возможность использования параметров поляриза­ ции электромагнитных волн в целях повышения эффек­ тивности радиолокационных систем и радиотехнических систем передачи информации в настоящее время не вы­ зывает сомнений. Использование в радиолиниях сигна­ лов с поляризационной модуляцией позволяет улучшить такие параметры этих линий, как скорость передачи информации и помехоустойчивость. Особо важное зна­ чение поляризационная модуляция приобретает в связи с освоением миллиметрового, субмиллиметрового и опти­ ческого диапазонов волн, где она позволяет снять ряд принципиальных и конструктивных трудностей.

Однако до последнего времени проблема управления параметрами поляризации волн, анализ способов пере­ дачи сообщений полярйзационно-модулированными сиг­ налами, а также вопросы синтеза и анализа приемных систем таких сигналов остаются еще мало изученными. В данной работе сделана попытка несколько сократить этот пробел. Основным содержанием работы является изложение общих вопросов формирования и приема поляризационно-модулированных (ПМ) сигналов, оцен­ ка помехоустойчивости линий связи с такими сигналами

ианализ оптимальных методов приема таких сигналов.

Вгл. 1 и 2 подробно рассматриваются вопросы пред­

ставления поляризационно-модулированных сигналов в комплексной форме. Причем, для описания ПМ сигна­ лов вводится две совмещенные комплексные плоскости: обычная временная 1, j и пространственная 1, г, соот­

ветствующая двумерному пространству, в котором су­ ществуют ПМ сигналы. Представление ПМ сигналов функциями комплексной переменной с двумя мнимыми единицами (i и /) дает возможность сократить многие

математические выкладки и сделать изложение многих вопросов анализа ц синтеза ПМ сигналов более четким.

3

ВВЕДЕНИЕ

Долгое время при передаче информации по радио использовались радиоволны с неизменными во времени параметрами поляризации. Поляризация их была, как правило, линейной или плоской. Необходимость под­ держания устойчивой связи со спутниками, недостаточ­ но жестко стабилизированными в пространстве, заста­ вила применять в таких радиолиниях волны с круговой или эллиптической поляризацией. Однако и в этом слу­ чае параметры поляризации волны оставались неизмен­ ными и не использовались для улучшения информатив­ ности, помехоустойчивости и других качеств радиолинии.

Лишь сравнительно недавно стали появляться рабо­ ты, в которых, главным образом в теоретическом плане, исследовались некоторые вопросы передачи информации модуляцией тех или иных параметров поляризации электромагнитной волны, а также вопросы использова­ ния поляризационной структуры электромагнитного по­ ля для многих других практических приложений. В на­ стоящее время можно указать на следующие основные направления теоретических и экспериментальных иссле­ дований в области использования поляризации радио­ волн:

—поляризационная селекция радиолокационных сиг­ налов точечных и распределенных объектов обнаружения

[12, 15, 16];

—передача сообщений модуляцией параметров по­ ляризации электромагнитного поля [13, 14];

— поляризационное разделение каналов связи [13, 20, 30];

—поляризационно-разнесенный прием [24];

—изучение свойств среды дальнего космоса [14, 10];

—изучение электрических характеристик различных материальных сред [10, 16], в том числе и характери­

стик поверхности Луны и других планет.

5

Проблемам поляризационной селекции сигналов по­ священы работы В. Е. Дулевича, Д. Б. Канарейкина, В. А. Потехина, II. Ф. Павлова, С. И. Лоздняка, Г. С. Сафронова, Ю. А. Митягпна, В. А. Мелитицкого и других авторов. Вопросы передачи информации моду­ ляцией параметров поляризации исследуются в работах Н. Т. Петровича, Е. Ф. Камиева, В. С. Стригина, А. В. Кондрашкова, А. П. Родимова. В 1962 г. Н. Т. Пет­ рович и Е. Ф. Камнев предложили способ передачи дискретной информации путем изменения направления вращения вектора напряженности электрического поля с круговой поляризацией. В. С. Стригин одним из пер­ вых исследовал вопрос модуляции угла ориентации век­ тора напряженности электрического поля линейно-поля­ ризованной волны. Возможности использования поля­

A.П. Родимова. Ряд работ Ю. И. Давидчевского и

B.В. Кирдеева посвящены изучению поляризационных спектров электромагнитной волны с вращающейся по­ ляризацией.

Применению поляризационных свойств радиоволн для передачи информации посвящены многие работы зарубежных авторов. В работах [42, 44] описываются системы лазерной связи с передачей сообщений измене­ нием видов поляризации волны. В монографии У. Шерклиффа [40] упоминается о создании в США системы секретной связи, использующей модуляцию параметров поляризаций электромагнитной волны.

и принципы действия различных поляризационных мо­ дуляторов применительно к конкретным диапазонам волн. В исследованиях поляризационных устройств опти­ ческого диапазона следует отметить большие заслуги коллективов советских ученых, руководимых И. А. Д е­ рюгиным и Р. В. Хохловым.

Электромагнитная волна с вращающейся поляриза­ цией позволяет применить качественно новые способы передачи сообщений модуляцией параметров поляриза­ ционной структуры. Использование в радиолиниях поля­ ризационной модуляции дает возможность получить ряд новых полезных функций, а именно: передавать на од­ ной несущей частоте два независимых сообщения с од-

6

ГЛАВА 1

ПАРАМЕТРЫ ПОЛЯРИЗАЦИИ

МОНОХРОМАТИЧЕСКОЙ ВОЛНЫ

В КОМПЛЕКСНОМ ПРЕДСТАВЛЕНИИ

Поляризацию электромагнитных волн чаще всего характеризуют двумя основными параметрами: углом ориентации (0) одной из по­ луосей эллипса поляризации и отношением малой полуоси эллипса поляризации к большой (коэффициентом эллиптичности К). При

этом направление вращения вектора поля задается знаком коэффи­ циента эллиптичности. Угол эллиптичности ф= arctg /С используется как параметр поляризации реже. И почти никогда не учитывается фаза эллиптически-поляризованной волны.

При передаче информации модуляцией параметров поляризации волны основными параметрами, изменяющимися в соответствии с передаваемым сообщением, являются углы ф и 0. Фаза ф эллип­ тически-поляризованной волны может служить еще одним парамет­ ром, содержащим полезную информацию, или использоваться для

а также само определение фазы эллиптически-поляризованной вол­ ны. Этим вопросам и посвящаются первые параграфы данной главы. Остальные параграфы главы посвящены вопросам представле­ ния эллиптически-поляризовэнного поля на двойной комплексной плоскости.

1.1.ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ ДИАГРАММА

Система уравнений Максвелла

—v —^

для плоской однородной электромагнитной волны, рас­ пространяющейся в непроводящей однородной изотроп­ ной среде вдоль оси oz декартовой системы координат oxyz, приводится к четырем скалярным уравнениям

8

Относительно неизвестных проекций векторов электрич^

ского Ё и магнитного Я полей на оси ох и оу. Эти урав. нения образуют две независимые системы (1.1.2а) и

(1.1.26), возможными решениями которых являются две плоские однородные гармонические электромагнитные волны:

векторы Еи2 и НУЛ которых попарно ортогональны. Не­ зависимость систем уравнений (1. 1.2а) и (1.1.26) имеет

зная Elt из уравнений (1.1.2а) можно однозначно опреде-

**>

лить Я„ и наоборот. Поэтому для полной характеристики

таких волн достаточно задать, например, только их элек-

—>

трические составляющие Е1 и Ег. Поскольку эти векторы

не меняют своей ориентации в пространстве, то такие волны называют плоскоили линейно-поляризованными; за плоскость поляризации принимается плоскость*, в кото­ рой лежит вектор напряженности электрического поля

Е и вектор Пойнтинга: П = [Я-Я].

Если, однако, в решениях (1.1.3а) и (1.1.36) поло­ жить одинаковыми частоты колебаний гармонических векторов, т. е.

coi= 2jt/i= 0)2= 2я/г= (о

* В некоторых работах, особенно в работах по оптике, под плоскостью поляризации понимают плоскость, в которой лежит век­

тор Н и вектор Пойнтинга.

9