Радіоелектроніка, інформатика, управління - 2021, №4 (59)
Постійне посилання зібранняhttps://eir.zp.edu.ua/handle/123456789/27186
Переглянути
Нові надходження
Документ Оценка методов FEM и FDTD при моделировании электромагнитных характеристик устройств преобразования поляризации с диафрагмами(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Пильтяй, С. И.; Булашенко, А. В.; Быковский, А. В.; Булашенко, А. В.; Пільтяй, С. І.; Булашенко, А. В.; Биковський, О. В.; Булашенко, А. В.; Piltyay, S. I.; Bulashenko, А. V.; Bykovskyi, O. V.; Bulashenko, O. V.RU: Актуальность. На сегодняшний день происходит стремительное расширение круга современных отраслей науки и техники, которые активно используют спутниковые телекоммуникационные системы для приема, обработки и передачи различной информации. Такие радиоэлектронные системы достаточно часто требуют увеличения объемов информации, которые они обрабатывают и передают. Удвоения объемов передаваемой информации можно достичь, используя двухполяризационные антенные системы и устройства. В наше время большинство специалистов, которые занимаются разработкой разных современных поляризационных устройств СВЧ, выполняют их численное моделирование и оптимизацию с помощью вариационных методов расчета, методов интегральных уравнений, метода согласования полей частичных областей. Наиболее активно применяются методы с разбиением внутренней области устройств на элементарные ячейки. Среди них во временной области наиболее часто используют метод конечных разностей с разбиением на гексагональную сетку, а в частотной области применяют метод конечных элементов с адаптивной тетраэдрической сеткой. Таким образом, актуальной задачей является оценка скорости и точности этих методов с целью определения более эффективного из них. Цель. Целью исследования является сравнение скорости и точности расчетов электромагнитных характеристик волноводных поляризаторов численными методами FEM и FDTD, а также сравнение сходимости этих методов при анализе поляризационных устройств СВЧ с диафрагмами. Метод. Для расчетов и анализа электромагнитных характеристик в статье использовано метод конечных разностей во временной области FDTD и метод конечных элементов в частотной области FEM. В FEM осуществляется разбиение на тетраэдрические ячейки сетки. В FDTD область расчета разбивается на гексагональные ячейки сетки. Результаты. Установлено, что сходимость коэффициента стоячей волны по напряжению для волноводного поляризатора является быстрой для обоих методов. Получено, что сходимости характеристик дифференциального фазового сдвига, коэффициента эллиптичности и кроссполяризационной развязки разработанного микроволнового устройства оказались значительно более чувствительными к используемому количеству ячеек сетки. Более того, в исследовании расчетным путем получено, что время вычислений методом конечных элементов в частотной области более чем в 2 раза меньше, чем соответственное время, необходимое для расчета время вычислений методом конечных разностей во временной области. При использовании метода конечных элементов в частотной области соответствующее количество ячеек тетраэдрической сетки в 10 раз меньше, чем количество ячеек гексагональной сетки в методе конечных разностей во временной области. Выводы. Проведенные исследования показали, что метод FEM в частотной области, в котором применяется адаптивная тетраэдрическая сетка, более эффективен, чем метод FDTD для расчета фазовых и поляризационных характеристик современных волноводных поляризаторов для различных применений. UK: Оцінка методів FEM и FDTD при моделюванні електромагнітних характеристик пристроїв перетворення поляризації із діафрагмами Актуальність. На сьогоднішній день відбувається стрімке розширення кола сучасних галузей науки і техніки, які активно використовують супутникові телекомунікаційні системи для прийому, оброблення та передачі різної інформації. Такі радіоелектронні системи досить часто вимагають збільшення обсягів інформації, які вони обробляють та передають. Подвоєння обсягів переданої інформації можна досягти, використовуючи двополяризаційні антенні системи та пристрої. У наш час більшість спеціалістів, котрі займаються розробленням різних сучасних поляризаційних пристроїв НВЧ, виконують їх чисельне моделювання та оптимізацію за допомогою варіаційних методів розрахунку, методів інтегральних рівнянь, методу узгодження полів часткових областей. Найбільш активно використовують методи із розбиттям внутрішньої області пристрою на елементарні комірки. Серед них у часовій області найбільш часто використовують метод скінченних різниць із розбиттям на гексагональну сітку, а в частотній області застосовують метод скінченних елементів із адаптивною тетраедричною сіткою. Таким чином, актуальною задачею є оцінка швидкості та точності цих методів з метою визначення більш ефективного із них. Мета. Метою дослідження є порівняння швидкості та точності розрахунків електромагнітних характеристик хвилевідних поляризаторів чисельними методами FEM і FDTD, а також порівняння збіжності цих методів при аналізі поляризаційних пристроїв НВЧ із діафрагмами. Метод. Для розрахунків і аналізу електромагнітних характеристик у статті використано метод скінченних різниць у часовій області FDTD та метод скінченних елементів у частотній області FEM. У FEM здійснюється розбиття на тетраедричні комірки сітки. У FDTD область розрахунку розбивається на гексагональні комірки сітки. Результати. Установлено, що збіжність коефіцієнта стійної хвилі за напругою для хвилевідного поляризатора є швидкою для обох методів. Отримано, що збіжності характеристик диференційного фазового зсуву, коефіцієнта еліптичності та кросполяризаційної розв’язки розробленого мікрохвильового пристрої виявилися значно більш чутливими до використаної кількості комірок сітки. До того ж, у дослідженні розрахунковим шляхом отримано, що час обчислень методом скінчених елементів в частотній області більш ніж в 2 рази менший, ніж відповідний час, що необхідний для обчислень методом скінчених різниць у часовій області. При використанні методу скінчених елементів у частотній області відповідна кількість комірок тетраедричної сітки в 10 разів менша, ніж кількість комірок гексагональної сітки методі скінчених різниць у часовій області. Висновки. Проведені дослідження показали, що метод FEM у частотної області, в якому використовується адаптивна тетраедрична сітка, більш ефективний, ніж метод FDTD для розрахунку фазових та поляризаційних характеристик сучасних хвилевідних поляризаторів та інших мікрохвильових пристроїв для різних застосувань. EN: Context. Today, there is a rapid expansion of the range of modern branches of science and technology, which actively use satellite telecommunication systems to receive, process and transmit various information. These radioelectronic systems quite often require an increase of the volumes of information, which they are processing and transmitting. Increase of the volumes of transmitted information in two times can be achieved by using dual-polarization antenna systems and devices. Nowadays, most part of the specialists, who are engaged in the development of various modern polarization-processing microwave devices, carry out their numerical modeling and optimization using variational techniques, methods of integral equations, method of fields matching in partial regions. The methods with division of the internal region of the device into elementary cells are applied most actively. Among them in the time domain the most often used approach is finite difference method with the decomposition at hexagonal mesh, while and in the frequency domain the finite elements method with the adaptive tetrahedral mesh is applied. Therefore, the estimation of the speed and accuracy of these methods with the purpose of determination of more effective among them is a relevant problem. Objective. The goal of the research is comparison of speed and accuracy of the calculations of electromagnetic characteristics of waveguide polarizers using FEM and FDTD methods, as well as the comparison of the convergence of these methods for the analysis of polarization-processing microwave devices with diaphragms. Method. For the calculations and analysis of electromagnetic characteristics in the article we used the method of finite differences in the time domain (FDTD) and the method of finite elements in the frequency domain (FEM). In FEM the volume is split into the tetrahedral mesh cells. In FDTD the computational domain is divided into hexagonal mesh cells. Results. It was found that the convergence of voltage standing wave ratio for the waveguide polarizer is fast for both methods. It was obtained that the convergence of the characteristics of differential phase shift, axial ratio, and crosspolar discrimination of the developed microwave device turned out to be much more sensitive to the number of mesh cells used. Moreover, in the research it was obtained by calculations that the computation time by the finite elements method in the frequency domain is more than 2 times less than the corresponding time required for calculations by the finite difference time domain method. When using the finite elements method in the frequency domain the corresponding number of tetrahedral mesh cells is 10 times less than the number of hexagonal mesh cells, which are used in the finite difference time domain method. Conclusions. Performed investigations have shown that FEM in the frequency domain, which applies an adaptive tetrahedral mesh, is more efficient than the FDTD method for the calculations of phase and polarization characteristics of modern waveguide polarizers and other microwave devices for various applications.Документ Усовершенствованный метод Грама-Шмидта для обработки радиолокационных сигналов(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Пиза, Дмитрий Макарович; Романенко, Сергей Николаевич; Пиза, Дмитро Макарович; Романенко, Сергій Миколайович; Piza, D. M.; Romanenko, S. NRU: Актуальность. При защите радиолокационных станций от активных шумовых помех, действующих по боковым лепесткам диаграммы направленности антенны, используют пространственную фильтрацию сигналов, которая реализуется путем использования антенн, разнесенных в пространстве. В этом случае различие направлений приема полезного сигнала и помехи позволяет сформировать оптимальное значение весовых коэффициентов адаптивных пространственных фильтров для подавления помехи. Однако, если источник помехи смещается в область главного луча, то пространственные различия между полезным сигналом и помехой уменьшаются. Это приводит к существенному искажению диаграммы направленности основной антенны. В результате этого ухудшается точность измерения угловых координат, а также чувствительность приемного устройства РЛС. В статье предложен структурно-параметрический метод адаптации пространственного фильтра, обеспечивающий эффективную работу РЛС при воздействии АШП как с направления боковых лепестков, так и с направления главного луча. Цель. Повышение эффективности работы РЛС при смещении источника АШП с направления боковых лепестков ДНА на направление главного луча. Метод. Предложенный метод позволяет за счет структурной адаптации многоканального пространственного фильтра исключить искажение главного луча диаграммы направленности антенны РЛС и обеспечить ее работу в условиях возможного воздействия помехи по главному лучу. Структурная адаптация пространственного фильтра реализуется путем текущего анализа весовых коэффициентов блоков компенсации. Результаты. Усовершенствовано структурную схему многоканального пространственного фильтра по методу Грама-Шмидта со структурно-параметрической адаптацией, а также структурную схему блока компенсации. В результате проведенного моделирования подтверждена возможность исключения искажений диаграммы направленности основной антенны РЛС в условиях возможного воздействия АШП по главному лучу диаграммы направленности РЛС. Выводы. Научная новизна работы состоит в усовершенствовании алгоритма обработки сигналов при пространственной фильтрации как при воздействии АШП с направления боковых лепестков, так и при смещении источника помехи на направление главного луча диаграммы направленности антенны РЛС. Практическая новизна работы состоит в разработке структурной схемы и математической модели усовершенствованного пространственного фильтра со структурно-параметрической адаптацией. UK: Актуальність. При захисті радіолокаційних станцій від активних шумових завад, діючих по бокових пелюстках діаграми спрямованості антени, використовують просторову фільтрацію сигналів, яка реалізується шляхом застосування антен, рознесених в просторі. В цьому випадку при різних напрямах прийому корисного сигналу і завади вдається сформувати оптимальні значення вагових коефіцієнтів адаптивних просторових фільтрів для подавлення АШЗ. Однак, якщо джерело завади зміщується в область головного променя, то просторові відмінності між корисним сигналом і завадою зменшуються. Це приводить до суттєвого спотворення діаграми спрямованості основної антени. В результаті цього погіршується точність вимірювання кутових координат, а також чутливість приймального пристрою РЛС. В статті запропоновано структурно-параметричний метод адаптації просторового фільтра, який забезпечує ефективну роботу РЛС при дії АШЗ як з напряму бокових пелюстків, так і з напряму головного променя. Ціль. Підвищення ефективності роботи РЛС при зміщенні джерела АШЗ з напряму бокових пелюстків ДСА на напрям головного променя. Метод. Запропонований метод дозволяє за рахунок структурної адаптації багатоканального просторового фільтра виключити спотворення головного променя ДСА РЛС і забезпечити її роботу в умовах можливої дії завади по головному променю. Структурна адаптація просторового фільтра реалізується шляхом поточного аналізу вагових коефіцієнтів блоків компенсації. Результати. Розроблено структурну схему багатоканального просторового фільтра за методом Грама-Шмідта зі структурно-параметричною адаптацією, а також структурну схему блока компенсації. В результаті проведеного моделювання підтверджена можливість виключення спотворення діаграми спрямованості основної антени РЛС в умовах можливої дії АШЗ по головному променю. Висновки. Наукова новизна роботи полягає в удосконаленні алгоритму обробки сигналів при просторовій фільтрації сигналів як при дії АШЗ з напряму бокових пелюстків, так і при зміщенні джерела завади на напрям головного променя діаграми спрямованості антени РЛС. Практична новизна роботи полягає в розробці структурної схеми і математичної моделі удосконаленого просторового фільтра з структурно-параметричною адаптацією. EN: Context. When protecting radar stations from active noise interference acting along the side lobes of the antenna directional pattern, spatial filtering of signals is used, which is realized by using antennas that are spaced apart in space. In this case, the difference in the directions of reception of the useful signal and the interference makes it possible to form the optimal value of the weighting coefficients of the adaptive spatial filters to suppress the interference. However, if the interfering source moves into the main beam region, then the spatial differences between the wanted signal and the interference are reduced. This leads to significant distortion of the main antenna radiation pattern. As a result, the accuracy of measuring the angular coordinates deteriorates, as well as the sensitivity of the radar receiver. The article proposes a structural-parametric method for adapting a spatial filter, which ensures effective operation of the radar when exposed to the active noise interference both from the direction of the side lobes and from the direction of the main beam. Goal. Improving the efficiency of the radar when the active noise interference source is shifted from the direction to the side lobes to the direction of the main beam. Method. The proposed method makes it possible, due to the structural adaptation of the multichannel spatial filter, to exclude the distortion of the main beam of the radiation pattern of the radar antenna and to ensure its operation under conditions of possible interference from the main beam. Structural adaptation of the spatial filter is realized by the current analysis of the weighting coefficients of the compensation blocks. Results. The structural diagram of the multichannel spatial filter by the Gram-Schmidt method with structural-parametric adaptation, as well as the structural diagram of the compensation block, has been improved. As a result of the simulation, the possibility of eliminating distortions of the radiation pattern of the main antenna of the radar in conditions of the possible impact of the active noise interference along the main beam of the radiation pattern of the radar has been confirmed. Conclusions. The scientific novelty of the work consists in the improvement of the signal-processing algorithm at spatial filtering both when exposed to the active noise interference from the direction of the side lobes, and when the interference source is shifted to the direction of the main beam of radar. The practical novelty of the work lies in the development of a structural diagram and a mathematical model of an improved spatial filter with structural-parametric adaptation.Документ Modeling communication systems to study the effect of interference in the transmission medium(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Kvasnikov, V. P.; Yehorov, S. V.; Shkvarnytska, T. Yu.; Ornatskyi, D. P.; Kataieva, M. A.; Квасніков, В. П.; Єгоров, С. В.; Шкварницька, Т. Ю.; Орнатський, Д. П.; Катаєва, М. О.EN: Context. The problem of creating a model of transmission and transformation of information has been resolved, the processes of information transformation in transmitters and receivers have been considered, the process of influence of the destabilizing factors in the communication channel has been investigated. Objective. The study aims to create a mathematical model of the communication channel, taking into account the destabilizing factors that affect the transmission channel and control the correctness of the communication channel model. Method. A mathematical model, which evaluates the stability of the signal in the communication channel at the stage of designing telecommunication systems for various purposes, taking into account the effects of destabilizing factors in the environment of information signal transmission, is proposed. It is also a proposed method of determining the parameters of information signals in the communication channel and the increase in the bandwidth during exposure of external destabilizing factors on the signal transmission medium in the communication channel. Results. A mathematical model of the communication channel was obtained, which takes into account external destabilizing factors that can affect the communication channel and equipment. The developed model contains a method of verification, which allows determining its correctness. Conclusions. The method of information transfer has been improved by adding a verification method. The value of the bit error obtained during the simulation of the communication channel coincides with the value of the bit error during the verification process, which indicates the correctness of the considered mathematical model of the communication channel. The modeling of the communication channel confirmed the adequacy of the proposed method of modeling the communication system, so this method can be recommended for use in the design and research of telecommunications systems. UK: Актуальність. Розглянуто задачу створення моделі передачі та перетворення інформації, розглянуті процеси перетворення інформації в передавачах та приймачах, розглянутий процес дії дестабілізуючих факторів на канал зв’язку Об’єктом дослідження є процес формування, передачі, та відновлення радіосигналів. Метод. Запропоновано математичну модель, яка дозволяє оцінити стійкість сигналу в каналі зв’язку ще на етапі проектування телекомунікаційних систем різного призначення з урахуванням дії завад в середовищі передачі інформаційного сигналу. Проведено оцінку дії завади на канал зв’язку завдяки використанню співвідношення сигнал/шум. Запропоновано метод визначення параметрів інформаційних сигналів у каналі зв’язку та підвищення пропускної здатності під час дії зовнішніх завад на середовище передачі сигналу в каналі зв’язку. Результати. Була отримана математична модель каналу зв’язку, яка враховує зовнішні дестабілізуючі фактори, які можуть діяти на канал та апаратуру зв’язку. Розроблена модель містить метод верифікації, який дозволяє визначити її коректність. Висновки. Вдосконалено метод передачі інформації шляхом додавання методу верифікації. Значення бітової помилки, що було отримано під час моделювання каналу зв’язку співпадає зі значенням бітової помилки під час процесу верифікації, що свідчить про правильність розглянутої математичної моделі каналу зв’язку. Тому цей метод моделювання каналу зв’язку може бути рекомендованим для використання під час проектування та дослідження телекомунікаційних систем.Документ Recognition method of specified types of signal modulation based on a probabilistic model in the form of a mixture of distributions(Національний університет "Запорізька політехніка", 2021) Bezruk, V. V.; Kaliuzhnyi, M. M.; Semenets, V. V.; Guo, Qiang; Zheng, Yu; Безрук, В. М.; Калюжнй, М. М.; Семенець, В. В.; Guo, Qiang; Zheng, YuEN: Context. The article considers the features of solving non-traditional problems of recognition of specified types modulation signals in automated radio monitoring. The practical features of this problem determine the increased a priori uncertainty, which consists in the absence of a priori information about the distribution densities of the given signals and the presence of unknown signals. Objective. It is proposed to solve the problem using an unconventional method for the recognition of statistically specified random signals in the presence of a class of unknown signals. This method assumes that for the given signals there is a classified training sample of realizations, according to which the unknown parameters of their distributions are estimated, as well as some threshold values that determine the probabilities of correct recognition of the given types of signal modulation in the presence of unknown signals. Method. A general solution to the problem of recognition of given signals in the presence of unknown signals is given, and recognition methods of types modulation based on the description of signals by probabilistic model in the form of a mixture of distributions are given. The method is based on the description of signals by a probabilistic model in the form of a mixture of distributions and construction of a closed area for given signals in the probabilistic space of signals. Results. Studies of the recognition problems of given types of modulation of signals have been carried out. The studies were performed by statistical tests on samples of signals for radio monitoring of communications. In this case, the decisive rule for recognizing the given types of signal modulation is implemented in software on a computer. As a result of the statistical tests carried out on control samples of signals, estimates of the probabilities of correct recognition of the given types of signal modulation in the presence of unknown signals were obtained. Conclusions. Values of indicators of quality of radio emissions recognition acceptable for the practice of radio monitoring are obtained. The dependences of quality indicators on some conditions and recognition parameters are property. As a result of the research, practical recommendations were obtained on the use of the proposed method for recognizing specified types of signal modulation in automated radio monitoring systems. UK: Актуальність. У статті розглянуті особливості вирішення нетрадиційної задачі розпізнавання заданих типів модуляції сигналів в автоматизованому радіомоніторингу. Практичні особливості такої задачі визначають підвищену апріорну невизначеність, яка полягає у відсутності апріорних відомостей про щільності ймовірностей розподілу заданих сигналів і наявності невідомих сигналів. Мета. Запропоновано вирішення задачі з використанням нетрадиційного методу розпізнавання статистично заданих випадкових сигналів при наявності невідомих сигналів. У цьому методі припускається, що для заданих сигналів мається класифікована навчальна вибірка реалізацій, по якій оцінюються невідомі параметри їх розподілу, а також деякі порогові значення, що визначають ймовірності правильного розпізнавання заданих типів модуляції сигналів при наявності невідомих сигналів. Метод. Обговорюється загальне вирішення задачі розпізнавання заданих сигналів у присутності невідомих сигналів та приводиться метод розпізнавання заданих типів модуляції, оснований на описі сигналів ймовірнісною моделлю у виді суміші розподілів. Метод базується на описуванні сигналів ймовірнісною моделлю у виді суміші розподілів і побудові замкнутої області для заданих сигналів у ймовірнісному просторі сигналів. Результати. Проведені дослідження задачі розпізнавання заданих типів модуляції сигналів шляхом статистичних випробовувань на вибірках відповідних сигналів, характерних для автоматизованого радіомоніторингу засобів зв’язку. При цьому вирішувальне правило розпізнавання заданих типів модуляції сигналів програмно реалізовано на ЕОМ. У результаті проведених статистичних випробувань на контрольних вибірках сигналів отримані оцінки ймовірностей правильного розпізнавання заданих типів модуляції сигналів при наявності невідомих сигналів. Висновки. Отримані прийнятні для практики радіомоніторингу значення показників якості розпізнавання типів модуляції сигналів. Досліджені залежності показників якості від деяких умов і параметрів розпізнавання У результаті проведених досліджень отримано практичні рекомендації по використанню запропонованого методу розпізнавання заданих типів модуляції сигналів у системах автоматизованого радіомоніторингу.