Содержание к диссертации
Введение
1 Обоснование и принцип функционирования информационно-измерительной системы для управления качеством приема радиосигнала при атмосферных
1.1 Исследование атмосферных радиопомех и их характер воздействия на системы радиосвязи 13
1.2 Показатели для определения интенсивности атмосферного радиошума и принимаемой мощности полезного сигнала 20
1. 3 Алгоритм оперативного контроля качества функционирования информационно-измерительной системы для управления качеством приема радиосигнала на фоне атмосферных радиопомех 24
1.4 Экспериментальный комплекс для определения функции распределения атмосферных радиопомех 29
1.5 Задачи исследования 32
2 Исследование математических моделей представления функции распределения огибающей атмосферного
2.1 Критерии выбора математической модели 34
2.2 Восстановление функции распределения огибающей атмосферного радиошума по трем статистическим моментам
2.5 Логарифмически-нормальная модель огибающей атмосферного радиошума 48
2.6 Аналитическая модель основной и дополнительной функций распределения атмосферного радиошума на основе обобщающей
Разработка и создание алгоритма нахождения статистических параметров атмосферного радиошума по экспериментальным данным на основе обобщающей эмпирической модели (ОЭМ) 60
3.1 Алгоритм прямого аналитического нахождения по экспериментальным данным параметров qi и q2 обобщающей эмпирической модели 60
3.2 Аналитический алгоритм нахождения точки стыка областей импульсной и гладкой компоненты огибающей атмосферного радиошума для обобщающей эмпирической модели 69
3.3 Аналитический алгоритм амплитудного распределение вероятностей огибающей атмосферного радиошума на основе обобщающей эмпирической модели 72
3.4 Преобразование амплитудного распределения вероятностей огибающей атмосферных радиошумов из одной полосы в другую с использованием обобщающей эмпирической модели 80
3.5 Влияние максимального коэффициента трансформации на параметры ОЭМ и характеристики амплитудного распределения вероятностей огибающей атмосферных радиошумов при трансформации по полосе частот 96
4 Разработка и создание аналитического алгоритма расчета средней длительности огибающей атмосферного радиошума на базе экспериментальных данных 101
4.1 Средняя длительность выбросов огибающей нормально-флуктуационного процесса 101
4.2 Представление амплитудного распределения средней длительности выбросов огибающей атмосферных радиопомех моделью Холла 103
4.3 Представление средней длительности выбросов огибающей атмосферного радиошума с использованием обобщающей
Аналитический автоматизированный алгоритм расчета мощности полезного сигнала на фоне
5.1 Математический алгоритм расчета отношения сигнал/шум 121
5.2 Алгоритм работы программного комплекса информационно-измерительной системы оперативного контроля качества передаваемой информации по радиоканалам связи 123
5.3 Пример расчета отношения сигнал шум при атмосферных радиопомехах 126
5.4 Пример расчета средней длительности выбросов атмосферного радиошума с положительной производной 132
Заключение 138
Библиографический список 1
- 3 Алгоритм оперативного контроля качества функционирования информационно-измерительной системы для управления качеством приема радиосигнала на фоне атмосферных радиопомех
- Логарифмически-нормальная модель огибающей атмосферного радиошума
- Аналитический алгоритм нахождения точки стыка областей импульсной и гладкой компоненты огибающей атмосферного радиошума для обобщающей эмпирической модели
- Представление средней длительности выбросов огибающей атмосферного радиошума с использованием обобщающей
Введение к работе
Актуальность работы. Исследования статистической структуры поля атмосферных радиопомех (АРП) были начаты в середине двадцатого столетия. Материалы исследований обобщены и представлены в графическом виде в отчетах Международного консультативного комитета по радиосвязи (МККР) и его производных (МСЭ – Международный союз электросвязи).
Однако подход к оценке воздействия АРП на системы радиосвязи, применяемый в данных отчетах, не позволяет учитывать постоянно меняющуюся грозовую активность, вследствие чего, не представляется возможным осуществление постоянного оперативного контроля качества работы радиоустройств. Кроме того, в названных отчетах отсутствуют сведения о распределении средней длительности огибающей напряженности поля АРП, чрезвычайно важные для функционирования информационно-измерительных систем (ИИС) на фоне АРП.
В связи с отсутствием автоматических ИИС, функционирующих в реальном масштабе времени во всем диапазоне амплитуд АРП в полосе частот от 3 кГц до 30 МГц на базе аналитических алгоритмов, позволяющих активно внедрить компьютерные технологии на всех этапах приема, накопления, обработки и анализа принимаемой по радиолиниям полезной информации, проблема создания автоматической ИИС в настоящее время остается крайне актуальной.
Цель работы: создание автоматизированных алгоритмов функционирования и программного обеспечения ИИС контроля качества передаваемого радиосигнала в режиме реального времени в диапазоне частот от 3 кГц до 30 МГц, а также расширение возможностей Отчета МККР по описанию статистических свойств АРП через функцию средней длительности выбросов их огибающей.
Идея работы: построение алгоритма работы и создание ИИС для оценки вредного воздействия мешающих радиополей естественного (природного) происхождения на функционирование радиоустройств в диапазоне 3 кГц - 30 МГц посредством непрерывного контроля качества принимаемой информации и повышения эффективности их работы.
4 Задачи работы:
исследование статистических характеристик АРП и их воздействия на системы радиосвязи в диапазоне частот от 3 кГц до 30 МГц;
исследование и выбор математических моделей адекватного представления функции распределения огибающей атмосферного радиошума в указанном диапазоне частот;
разработка алгоритма и создание программного обеспечение ИИС на основе обобщающей эмпирической модели для описания амплитудного распределения вероятностей (АРВ);
создание алгоритма и программы преобразования амплитудного распределения вероятностей огибающей АРП из одной полосы в другую;
разработка аналитической формулы и программная реализация нахождения функции распределения средней длительности выбросов АРП.
Тематика работы соответствует следующим пунктам паспорта специальности 05.11.16 – «Информационно-измерительные и управляющие системы»:
1. Научное обоснование перспективных информационно-измерительных и управляющих систем, систем их контроля, испытаний и метрологического обеспечения, повышение эффективности существующих систем.
4. Методы и системы программного и информационного обеспечения процессов отработки и испытаний образцов информационно-измерительных и управляющих систем.
6. Исследование возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых элементов, частей, образцов информационно-измерительных и управляющих систем, улучшение их технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений.
Научная новизна работы заключается в:
- создании аналитического метода автоматического нахождения тангенсов
углов наклона (параметров q1 и q2 обобщающей эмпирической модели) для глад-
5 кой и импульсной составляющей огибающей АРП, что сокращает время на проведение расчетов и повышает быстродействие ИИС;
разработке алгоритма восстановления АРВ огибающей АРП на основе обобщающей эмпирической модели с применением новых математических алгоритмов, отличающихся повышенной степенью точности аппроксимации эксперимента, что улучшает экономические и эргономические характеристики ИИС;
создании алгоритма трансформации АРВ огибающей АРП из одной полосы в другую с анализом воздействия максимального коэффициента трансформации, позволяющего в автоматическом режиме исследовать характеристики АРП в полосе частот, отличающейся от диапазона, используемого для передачи полезной информации;
разработке аналитической формулы нахождения средней длительности выбросов огибающей АРП и ее программной реализации, что позволяет повысить уровень помехоустойчивости и эффективности ИИС, работающих на фоне атмосферных радиошумов, учитывая, что материалы отчета МККР сведений о распределении средней длительности не содержат;
создании программного комплекса для автоматизированной ИИС, отличающегося от известных тем, что охватывает частотный диапазон от 3 кГц - 30 МГц и предназначен для функционирования в режиме реального времени на всех участках работы системы, включая этапы измерения, накопления, обработки полученных данных и принятия решения.
Научная значимость работы определяется тем, что полученные в ней результаты позволяют расширить возможности отчета МККР по описанию статистических свойств АРП через функцию средней длительности выбросов их огибающей. С помощью разработанного программного комплекса автоматизированной ИИС контроля качества передаваемого радиосигнала можно добиться более эффективного распределения энергетического ресурса. Наряду с этим, расширяются теоретические и экспериментальные знания о структуре поля атмосферных импульсов.
6 Практическая значимость работы обусловлена тем, что разработанная ИИС
контроля качества передаваемого радиосигнала с возможностью определения
средней длительности выбросов огибающей АРП может применяться:
- для проведения экспериментальных исследований структуры электромаг
нитного поля Земли;
- как отдельный программный комплекс для контроля качества передавае
мого радиосигнала в режиме реального времени, что позволяет исключить графи
ческий метод расчета напряженности поля полезного сигнала в зоне приема;
- для повышения точности приема и работы радиосистемы без потери ка
чества обслуживания.
Методы исследования. При решении поставленных задач использован комплексный подход к исследованию, включающий методы интегрального и дифференциального исчисления, математического моделирования, математической статистики, теорию электромагнитного поля, а также теорию вероятностей и инженерный эксперимент. Теоретические и экспериментальные исследования проводились с использованием свободной кроссплатформенной среды разработки "Code::Blocks" и системы автоматизированного проектирования "Mathcad".
Объектом исследования являются АРП в диапазоне 3 кГц - 30 МГц, обусловленные электромагнитным излучением, вызванным грозовыми разрядами, а также их воздействие на качество функционирования систем радиосвязи.
Предметом исследования являются методы информационного обеспечения процессов обработки статистических свойств АРП и ИИС контроля качества передаваемой информации в диапазоне частот 3 кГц - 30 МГц.
Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы подтверждается корректным применением основных теоретических положений, согласованностью отдельных полученных результатов с результатами других авторов. Для всей ИИС системы в целом проведена поверка и расчет характеристик для импульсного случайного атмосферного радиошума. Экспериментальные результаты хорошо воспроизводятся и согласуются с теоретическими данными.
7 На защиту выносятся:
разработанный метод прямого аналитического нахождения по экспериментальным данным параметров q1 и q2 обобщающей эмпирической модели;
созданный алгоритм восстановления АРВ АРП на основе обобщающей эмпирической модели;
разработанный алгоритм преобразования АРВ огибающей АРП из одной полосы в другую с использованием обобщающей эмпирической модели;
созданная формула представления амплитудного распределения средней длительности выбросов огибающей АРП;
разработанное программное обеспечение представления амплитудного распределения средней длительности выбросов огибающей АРП;
- разработанный программный комплекс для автоматизированной ИИС.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены
и обсуждались на следующих конференциях и конкурсах: VI Международная научно-практическая конференция «Инновации и информационные технологии в образовании» (г. Липецк, 2012), Научно практическая конференция по проблемам технических наук (г. Липецк, 2013), XIX Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» (г. Воронеж, 2013), VI Международная научно-практическая конференция «Инновации и информационные технологии в образовании» (г. Липецк, 2013), Актуальные проблемы естественных наук и их преподавания (г. Липецк, 2013), Научно практическая конференция по проблемам технических наук (г. Липецк, 2014), «ИНФОРМАЦИОННЫЕ УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ» (г. Одесса, 2014), Актуальные проблемы естественных наук и их преподавания (г. Липецк, 2014).
Реализация работы. Результаты диссертационной работы используются кафедрой «Информатики, информационных технологий и защиты информации» ФГБОУВО «Липецкий государственный педагогический университет имени П.П. Семенова-Тян-Шанского» и внедрены в учебный процесс дисциплин «Информационная безопасность и защита информации» и «Программно-аппаратная защита информации» в виде дополнительных лекций по проблемам достоверной
8 передачи информации по радиоканалам в присутствии АРП. Разработанные алгоритмы и программное обеспечение внедрены в Федеральное казенное учреждение «Центр управления в кризисных ситуациях главного управления МЧС России по Липецкой области» и используются при настройке, проверке и эксплуатации контрольно-измерительных приборов и автоматики. Разработанный метод определения средней длительности выбросов огибающей атмосферных помех используется при проектировании и построении схем электропитания и молниезащиты строящегося ТРЦ «Ривьера» в г. Липецке. Разработанный программный комплекс используется при проектировании и разработке молниезащиты и защиты от импульсных перенапряжений для оборудования подвижных составов, имеющихся на предприятии ООО «Железнодорожно-строительная компания».
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 научных работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, выпущена 1 монография, получено 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура диссертации. Диссертация содержит 152 страницы основного текста, 49 рисунков, 11 таблиц и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 103 наименований и двух приложений.
3 Алгоритм оперативного контроля качества функционирования информационно-измерительной системы для управления качеством приема радиосигнала на фоне атмосферных радиопомех
Так как поле атмосферных помех существенно отличается от нормального (содержит импульсную компоненту), то все методы описания случайных процессов с помощью нормальных законов распределений к атмосферному шуму не применимы. Излученные радиошумы представляют собой в точке приема пуассо-новский поток со случайными моментами прихода радиоимпульсов, амплитудами и длительностями. Накладываясь друг на друга, при узкополосном приеме они формируют функцию распределения, которая подчиняется нормальному закону при малых пороговых уровнях поля, куда поступает основная часть импульсов, и переходит в чисто пуассоновский поток при высоких пороговых уровнях ПОЛЯ, где каждый импульс принимается отдельно [75]. Разряд молнии имеет 2 стадии: предразряд и основной разряд (рисунок 1.2), различающиеся силой тока и спектром излучаемых волн. Основной разряд излучает сверхдлинные волны, а предразряд - длинные, средние и, в меньшей степени, короткие волны [14].
Из рисунка 1.2 видно, что молниевый разряд имеет три области: импульсную, гладкую и переходную от импульсной к гладкой. Это говорит о том, что при построении систем радиосвязи необходимо воспользоваться статическими данными.
Исследования статистической структуры и интенсивности поля атмосферного радиошума были начаты в 50-е годы двадцатого столетия и достигли наивысшего развития в последние годы. По материалам проведенных исследований выпущены монографии [14, 34], статьи [23, 27-29, 31-47], а также отчеты МККР №322 [103], №322-2 [83], объединяющие в единой форме имеющиеся экспериментальные материалы по всему земному шару. В настоящее время на основе отчетов МККР №322, №322-2 создана рекомендация МСЭ-R Р.372-11 [55]. Однако подход, применяемый в данных отчетах, к оценке воздействия атмосферных радиопомех на системы радиосвязи не позволяет учитывать постоянно меняющуюся грозовую активность, вследствие чего, не представляется возможным осуществление постоянного оперативного контроля качества работы радиоустройств.
Амплитудно-временная зависимость одиночного молниевого разряда, зарегистрированного на расстоянии примерно 35 км от пункта приема
В результате многочисленных измерений амплитудных распределений вероятностей (АРВ) во многих точках земного шара на разных частотах было установлено, что все кривые имеют типичную форму. На рисунке 1.3 для частоты 9,8 кГц показана характерная форма кривой АРВ для г. Липецка с динамическим диапазоном между уровнями Ею 6/Ео,99 в 70 дБ. Измерения проводились в г. Липецке в 2012 году, на частоте 9,8 кГц с полосой пропускания 200 Гц 12 октября 2012 года в 13 часов местного декретного времени. Комплекс, использовавшийся для измерения функции распределения, полностью соответствует требованиям МСЭ-Р и будет описан ниже.
Верхняя часть кривой, представляющая малые уровни и высокие вероятности, образована большим числом случайных накладывающихся импульсов, каждый из которых вносит очень малый вклад в общую энергию. Следовательно, эта часть кривой должна подчиняться распределению Рэлея. Часть кривой, представ 18 ляющая малые вероятности - высокие уровни поля, в общем состоит из ненакла-дывающихся редко приходящих импульсов.
Уровень мощности различных шумов в зависимости от частоты представлен на рисунке 1.4. Цифрами на рисунке 1.4 обозначено: 1 - уровень атмосферных помехи днем; 2 - уровень атмосферных помехи ночью; 3 - уровень помех в тихой сельской местности; 4 - уровень помех в тихой сельской местности; 5 - уровень помех в жилой части города; 6 - уровень помех в деловой части города (высокая плотность застройки с высокими зданиями); 7 - уровень помех, вызванных космическим шумом.
Из рисунка видно, что уровень атмосферных помех стремится к нулю при частотах свыше 30 МГц, а на частотах более 1 ГГц влияние радиопомех на информационную безопасность становится настолько мало, что их не учитывают при проектировании систем радиосвязи.
По характеру воздействия на сигнал помехи принято разделять на аддитивные и мультипликативные. Помеха n(t) называется аддитивной, если её воздействие на сигнал s(t) выражается суммой x(t) = s(t) + n(t). Аддитивную помеху часто называют шумом. Если воздействие имеет вид произведения x(t) = s(t) n(t), то помеха n(t) называется мультипликативной. Её действие проявляется в нерегулярном изменении уровня сигнала. Пример аддитивной помехи - собственный шум радиоприёмника, мультипликативной - эффект замираний.
В зависимости от характера изменения во времени различают флуктуацион-ные (шумовые), импульсные (сосредоточенные во времени) и узкополосные (сосредоточенные по спектру) помехи. Флуктуационная помеха представляет собой непрерывное колебание, меняющееся случайным образом. Часто она описывается нормальным законом распределения. Быстрое изменение во времени позволяет заменить реальные флуктуационные помехи так называемым белым шумом -процессом с постоянным спектром. Импульсная помеха - случайная последовательность импульсов случайной формы, длительности и амплитуды. Импульсы следуют с таким случайным интервалом, при котором переходные процессы в приемном устройстве, вызванные предыдущими импульсами, успевают закончиться до прихода нового импульса. Типичными примерами таких помех являются сигналы, создаваемые разрядами молний или искрением контактов в электрических двигателях. Принято считать, что параметры отдельных импульсов в помехе (амплитуда, длительность и др.) очень близки к параметрам рабочего сигнала, который переносит информацию. Сосредоточенные по спектру помехи занимают сравни-тельно узкую полосу частот, существенно меньшую полосы частот сигнала. Чаще всего они обусловлены сигналами посторонних радиостанций или излучениями генераторов высокой частоты различного назначения.
Мерой для определения качества приема передаваемой информации служит не абсолютное значение напряженности поля полезного сигнала, а его отношение к уровню фонового шума (s/n). Коэффициент шума f приемной системы складывается из отдельных составляющих, вносимых рядом источников (внешних и внутренних) шума на приемном конце системы. Как показано в рекомендации МСЭ-R Р.372-11 [55], единственной правильной контрольной точкой для оценки общего рабочего коэффициента шума приемной радиосистемы является вход эк-вивалентной, свободной от потерь приемной антенны (физически не существует).
Логарифмически-нормальная модель огибающей атмосферного радиошума
На начальном этапе интенсивного изучения статистической структуры поля атмосферного радиошума уделялось много внимания логарифмически-нормальному закону, с помощью которого делалась попытка описать АРВ-кривые огибающей этого поля, однако при этом не приводилось никакого физического обоснования в пользу выбора именно этой модели. И лишь несколько позднее в работе [85] дан физический подход к рассматриваемой модели в приложении к атмосферным радиопомехам, где исходя из наиболее общих рассуждений, показано, что к логнормальному закону могут привести: а) "производящий эффект", т.е. когда положительная физическая величина находится под воздействием большого числа положительных независимых величин; б) "пропорциональный эффект" - случай, когда наблюдается накапливание общей величины за счет положительных величин, в нее входящих.
Вариант а) если электрические разряды являются источником атмосферных радиопомех, то можно предположить существование эффекта кросс-модуляции радиоволн между несколькими одновременными разрядами. Иначе говоря, если антенна принимает атмосферики, возникшие в один и тот же момент в разных грозовых центрах, расположенных на некотором расстоянии друг от друга в одном направлении, то может случиться так, что область близлежащих к приемнику грозовых центров будет влиять, например через поглощение, на условия распространения радиоволн при их движении через эту зону по направлению к приемнику. Этим производящим, или модулирующим, эффектом можно до некоторой степени объяснить логнормальное распределение в диапазоне декаметровых волн, однако ничего подобного нельзя ожидать в диапазоне длинных и сверхдлинных волн, где каждый атмосферик можно выделить, идентифицировать и локализовать его. В этом диапазоне длин волн скорость появления молниевых разрядов слишком мала, чтобы могла реализоваться гипотеза производящего эффекта за счет перекрестной модуляции.
Вариант б) в цепочке причин, вызывающих атмосферики, молниевые разряды являются лишь только промежуточным звеном общего физического процесса, охватывающего физику облаков в целом, в особенности генерацию электрических полей в грозовых ливневых облаках. Процесс генерации электрических моментов в грозовых облаках - это типичный нарастающий процесс, что, исходя из гипотезы пропорционального эффекта, предполагает существование логарифмически-нормального распределения моментов, которые могут разрушаться в грозовых центрах. Эта точка зрения подтверждена статистическими данными о распределении амплитуд токов в обратном разряде молниевых ударов. Найденное распределение базируется на данных различных исследователей [18, 92], оно достаточно устойчиво и по всем параметрам относится к логарифмически-нормальному закону.
Логнормальное распределение электрических моментов в грозовых центрах может служить физическим обоснованием для логарифмически-нормального распределения атмосферных радиопомех в случае, когда основным источником ат-мосфериков является одиночный грозовой центр, размеры которого существенно меньше расстояния от приемника. Однако на практике на вход приемника посту-пают атмосферики от многих грозовых разрядов сразу. Присутствие двух и более грозовых центров существенным образом усложняет проблему в целом за счет наложения нескольких логнормальных распределений. Проблема результирую-щего распределения комбинации нескольких логнормальных законов исследова-лась многими статистиками, в частности в работе [80], где показано, что суммарное распределение может остаться практически логнормальным во многих случа-ях, например когда складываются логнормальные законы: - с одинаковыми дисперсиями и равными средними значениями; - с одинаковыми средними, но с различными дисперсиями; - с одинаковыми дисперсиями и средними значениями, распределенными по логнормальному закону.
Таким образом, во многих случаях суперпозиции отдельных логнормальных законов результирующее распределение будет существенно логнормальным. Тем не менее результирующее логнормальное распределение устанавливает одну специфическую закономерность - для шумов, излучаемых более чем одним грозовым центром, распределение вероятностей амплитуд будет отличаться от логарифми-чески-нормального закона.
В расчетах удобнее использовать эту модель шума, поскольку для такого вида распределений существуют различные справочные данные и решение многих задач по выделению полезного сигнала из его смеси с атмосферным шумом значительно упрощается. Поэтому представляется крайне необходимым рассмот-реть более полно на базе экспериментальных данных степень адекватности логнормальной модели истинному процессу - атмосферному радиошуму в большом динамическом диапазоне и широкой полосе частот.
Аналитический алгоритм нахождения точки стыка областей импульсной и гладкой компоненты огибающей атмосферного радиошума для обобщающей эмпирической модели
При передаче информации по радиоканалу связи одним из важных факторов успешного функционирования радиосистемы является определение мощности помех для данного канала. Измерения для получения свойств атмосферных радиопомех лучше всего проводить на отдельной частоте (канале) или в другой полосе частот с дальнейшей их обработкой по определенному протоколу. Как правило, диапазон частот 3 кГц - 30 МГц сильно загружен, особенно ВЧ диапазон, и на практике достаточно сложно найти свободную частоту в течение всего периода измерений. В таких случаях, вместо выбора фиксированной частоты, необходимо просканировать весь интересующий диапазон. В связи с изменением загруженности диапазона частот до 30 МГц в течение суток стоит учитывать, что найденная свободная частота, т.е. частота, имеющая самый низкий уровень в сканируемом диапазоне, в дальнейшем может оказаться занятой. Для решения этой проблемы необходимо прибегнуть к увеличению добротности приемника и, соответственно, уменьшению полосы пропускания сигнала. Это, с одной стороны, позволяет исключить из измерений сигналы искусственного происхождения, с другой стороны, увеличивает возможность нахождения свободной частоты [70].
Измерения для построения АРВ кривых огибающей напряжения атмосферного радиошума можно проводить в довольно узких полосах частот, чаще всего намного ниже диапазона, необходимого для передачи полезной информации. В связи с этими, информационно-измерительная система должна иметь возможность автоматического преобразования АРВ огибающей атмосферного радиошума из одной полосы в другие полосы частот в соответствии с решаемой задачей. Необходимо учитывать, что информационно-измерительная система, минимизирующая энергетические затраты на функционирование радиолиний связи в диапазоне 3 кГц - 30 МГц, должна работать в режиме реального времени, следовательно, модель, которая будет использоваться в системе должна удовлетворять следующим требованиям: - иметь достаточно простую реализацию; - количество входных параметров должно быть минимальным; - входные параметров должны быть легко определяемыми; - метод должен иметь возможность преобразовывать АРВ кривые как в большую полосу пропускания, так и в меньшую; - метод должен работать во всем динамическом диапазоне амплитуд изменения напряженности поля.
На сегодняшний день разработан ряд моделей [70, 87, 89, 94, 95, 98], позволяющих трансформировать АРВ кривые из полосы в полосу. Наиболее точным и удобным является метод, предложенный в [70], остальные же имеют достаточно сложные аналитические функции или же большое количество входных, трудно определяемых физических и эмпирических параметров. Метод трансформации из одной полосы в другую, предложенный в [70], основывается на обобщающей эмпирической модели.
В работе [70] показано, что изменения полосы приемника на АРВ огибающей атмосферного радиошума, связанные с импульсным шумом можно рассчитать, рассматривая влияние изменения полосы через функцию отклика приемника на одиночный импульсный. Увеличение пропускной способности приемника приводит к тому, что импульс отклика становится короче во времени и выше по амплитуде, т.е. при изменении ширины полосы форма импульса отклика меняется таким образом, что площадь под кривой всегда остается постоянной. В случае, когда полоса возрастает в со раз, шкала напряжения импульса отклика умножается на фактор преобразования полосы со, а шкала длительности импульса делится на него (рисунок 3.13).
Влияние ширины полосы фильтра приемника на выходные харак теристики импульса отклика (- исходный импульс; импульс отклика в полосе 2w; импульс отклика в полосе w) Это соотношение остается справедливым и для огибающей полосового фильтра. Учитывая это, а также то, что амплитудные вероятности, связанные с импульсами отклика фильтра, определяются через временную шкалу, вероятность превышения некоторого уровня Ео для импульса отклика фильтра будет в два раза меньше, по сравнению с вероятностью, соответствующей импульсу отклика в исходной (единичной) полосе (рисунок 3.13). Таким образом, амплитудное распределение вероятностей коротких выбросов помех, каждый из которых состоит только из одного импульса, может быть определено временной и амплитудной шкалами функции отклика промежуточной частоты приёмника. Это значит, что если в полосе Bi напряжение Ei одиночного импульса превышается с вероятностью Pi, то в полосе Вг = w Bi напряжение E w-Ej (3.11) будет превышаться с вероятностью E Pj/w. (3.12) Коэффициент w входящий в уравнения (3.11) и (3.12) называется коэффициентом трансформации, равный отношению новой и старой полос: w = B2/Br (3.13)
Прямая трансформация параметров атмосферного радиошума по формулам (3.11) и (3.12) остается актуальной при приеме нескольких импульсов, разделённых во времени так, чтобы импульсы не накладывались друг на друга. На практике это справедливо лишь для импульсной компоненты при больших уровнях ПОЛЯ. При малых уровнях поля (область гладкой компоненты огибающей атмосферного радиошума) из-за высокой плотности наложения импульсов происходит перенасыщение антенного контура квадратичного детектора.
Представление средней длительности выбросов огибающей атмосферного радиошума с использованием обобщающей
В разделе 1.2 показано, что ожидаемый средний уровень Ре принимаемой мощности сигнала, требуемый для данной категории обслуживания (обеспечивающий допустимый процент ошибки на приемном конце радиосистемы в течение определенного процента времени) при заданном внешнем шуме Fa на входе антенны приемной системы определяется следующим выражением: (Д%г) (5.13) где Fa - эффективный шумовой фактор приемной антенны, дБ; R - требуемое до детектирования отношение сигнал/шум для заданной полосы приема, дБ; В - эффективная полоса пропускания приемника, дБ.
В случае использования короткой штыревой антенны над проводящей поверхностью Земли напряженность поля Ее находится по формуле: Ее =Ре +20 lg fмгц +108.5. (5.14) В качестве оценки действия предлагаемой модели использован пример 1 из отчета МККР №322-2 [82] при работе радиосистемы в радиотелетайпном режиме. Место приема - Женева, Швейцария. Частота - 50 кГц. Время суток (час, мин., местное) - 20.00 - 24.00. Сезон - лето. Полоса пропускания - 100 Гц. Вид распространения - земная волна (постоянный сигнал). Категория обслуживания - вероятность двоичной ошибки 5-Ю"4 (0,0005 %), что соответствует примерно однопроцентной ошибке при работе телетайпной системы (NCFSK) в пяти-символьном старт-стоп режиме.
Известно [55], что атмосферные радиопомехи характеризуются большими (по амплитуде), частыми флуктуациями, однако средняя мощность шума в течение часа оказывается почти постоянной и ее вариации редко превышают ± 2 дБ, за исключением времени восхода или заката, а также местных гроз. Атмосферные помехи, обусловленные грозовыми разрядами, как правило, по своему характеру не являются гауссовыми, и их функция плотности вероятности может быть важной при определении рабочих характеристик цифровых систем. Амплитуда распределения вероятности такого типа шума описывается в понятиях отклонения напряжения Vd, т.е. коэффициента среднеквадратичного значения средней величины огибающей напряжения шума.
Кривые АРВ, соответствующие различным значениям Vd, приведены на рисунке П1.5, где за эталонное принято среднеквадратичное значение огибающей напряжения Ejms. Измеренные значения Vd колеблются относительно предсказанного медианного значения, Vdm, и размах этих вариаций определяется параметром cVd.
Приведенные оценки Vd (рисунок Ш.З) пригодны для ширины полосы 200 Гц, а с помощью рисунка П1.4 можно преобразовать это значение Vd в значение, соответствующее VdB другой ширине полосы. Строго говоря, рисунок П1.5 справедлив лишь в диапазонах СЧ и ВЧ, поэтому использовать эти данные на более низких частотах (т. е. на НЧ, ВИЧ и КНЧ) следует с осторожностью.
Рисунки используются следующим образом. Значение Fam для частоты 1 МГц получено по диаграммам уровней шума (рисунок П1.1) для рассматриваемого времени года. Используя это значение в качестве градуировочного, можно по кривым частот на рисунке П1.2 определить Fam для требуемой частоты. Параметры, характеризующие изменчивость, аРаш,Ви,аш и др., получают для требуемой частоты с помощью рисунка П1.3. Значения D и CTD ДЛЯ других процентов времени можно получить, сделав предположение о том, что распределение по обе стороны от медиан следует логарифмически нормальному закону [55].
В работе [93] Монтгомери показал, что вероятность ошибки двоичного кода при узкополосной FSK модуляции равна половине вероятности превышения оги-бающей шума полезного сигнала в любой момент времени. Следовательно, для нахождения отношения сигнал-шум необходимо определить АРВ напряжения огибающей атмосферного радиошума.
В работе [34] приведен детальный разбор нахождения параметров уравнения (5.13) для примера №1 из отчета МККР -2 [82].
Исходя из [34], искомые параметры для полосы пропускания 100 Гц равны: Fa = 1 дБ, R = 0, дБ для Vdm = 7,7 дБ, с отклонением порядка 0,8 дБ. Для полосы пропускания приемника, равной 00 Гц, медианные значения параметров Vdm и tfvdm равны 8,5 и 1, дБ соответственно.
Исходя из (5.13), основной сложностью при построении систем радиопередачи данных, работающих в присутствии атмосферных помех, является определение отношения сигнал/шум. В отчете МСЭ-R Р.372-11 [55] и более ранних его редакциях нахождение производится на основании графических данных, которые представлены выше. Приведение графических данных в цифровую форму довольно трудоемкий процесс, так как зачастую для нахождения одного значения используется несколько графиков. Стоит учитывать и тот факт, что оценки атмосферного уровня шума, приведенные в отчете, не включают шум производимый локальными (местными) грозами. В некоторых районах мира шум от местных гроз может преобладать значительную часть времени [46]. Наряду с этим недостатком, точность получаемых данных из графических источников будет субъек-тивной и изменчивой от субъекта к субъекту. Все эти факторы существенно повлияют на конечный результат. Поэтому в реальных условиях наилучшим способом, как уже писалось выше, будет измерение уровня атмосферного радиошума по месту расположения объектов радиопередачи.
В данном случае при апробации автоматической информационно-измерительной системы оперативного контроля качества передаваемой информации по радиоканалам связи в присутствии атмосферных радиопомех предполагается, что данные г. Женева измерены (таблица 5.1).