Введение к работе
Актуальность работы. Современные условия жизни предъявляют высокие требования к радиосистемам. Они должны передавать информацию по радиоканалам бесперебойно, качественно, с минимумом экономических затрат. Одним из основных факторов, препятствующих эффективной работе радиосистем, являются импульсные случайные радиошумы от грозовых разрядов, произвольно распределенных по земному шару, число которых в единицу времени в течение суток колеблется от 80 до 120. Известные методы расчета напряженности поля полезного сигнала в точке приема для обеспечения требуемого качества и надежности передачи информации по радиоканалам в диапазоне частот от 10 кГц до 30 МГц разработаны и изложены в отчетах МККР (Международного консультативного комитета по радиосвязи) № 322, № 322-2 и их модификациях, обновляющихся по мере накопления новых экспериментальных данных примерно раз в четыре года. Для оценки мощности полезного сигнала в точке приема используется ожидаемая (прогнозируемая) средняя мощность полезного сигнала, зависящая от отношения интенсивности полезного сигнала к интенсивности шума для заданной полосы приема (отношение сигнал/шум), которое находится из прогнозов, приведенных в виде графических зависимостей (24 карты интенсивности помех по земному шару для шести четырехчасовых временных интервалов в каждом из четырех сезонов года; частотные вариации мощности шумов, описанные к каждой из 24-х карт помех и т.д.), где также указаны ошибки в определении данных величин для различных основных (несущих) частот при фиксированной полосе пропускания приемных устройств равной 200 Гц. Рассчитанные по данным прогнозам мощности не контролируются в процессе работы радиосистемы, отчего возможна перегрузка эфира избыточной мощностью излучения; возникают дополнительные энергетические затраты, что ведет к увеличению финансовых расходов на обеспечение функционирования данных систем связи; происходит опасное с точки зрения экологии облучение окружающей среды неоправданно завышенными мощностями полезного сигнала. Также возможна и обратная ситуация, гораздо более важная для достижения поставленной цели, когда рассчитанная ожидаемая мощность окажется заниженной и не обеспечит требуемого качества связи в пункте приема, например при аномальном поглощении радиоволн на пути от передатчика к приемнику или при наличии локальных гроз. Кроме отмеченного, необходимо указать и на то, что в настоящее время в литературе нет обширной информации о мощностных и статистических характеристиках ОНЧ-радиошумов на низкочастотном участке этого диапазона (310) кГц, который крайне необходим для систем связи специального назначения. Поэтому задача создания информационно-измерительной системы контроля качества функционирования радиоустройств в режиме реального времени в присутствии атмосферных ОНЧ-радиопомех в настоящее время является крайне актуальной и требует длительного экспериментального исследования статистических свойств радиошумов указанного участка ОНЧ-диапазона.
Целью работы является обеспечение эффективности функционирования ОНЧ-радиоустройств на фоне неустранимых импульсных атмосферных радиопомех посредством разработки и создания информационно-измерительной системы, позволяющей контролировать качество принимаемой информации в реальном масштабе времени.
Идея работы состоит в непрерывном контроле отношения сигнал/шум в точке приема путем одновременного измерения функций распределения смеси полезного сигнала и атмосферного радиошума и отдельно шума, позволяющего в реальных условиях функционирования радиоустройств в автоматическом режиме определять вероятность ошибки в принимаемой информации.
Научная новизна заключается:
в создании измерительного комплекса, соответствующего принятым международным стандартам, и оригинальной методики исследования статистических свойств и интенсивности атмосферных помех в абсолютных единицах поля, включающей в себя автоматическую калибровку, настройку и оценку верности показаний селективных каналов статистического анализатора с использованием генератора нормального шума, и проведении длительных собственных исследований статистических свойств атмосферных помех в недостаточно изученной части ОНЧ-диапазона с помощью данного комплекса;
в выборе из ранее известных на основе проведенных экспериментальных исследований статистических характеристик атмосферных помех на территории РФ аналитической модели поля узкополосного атмосферного ОНЧ-радиошума, позволяющей не только описывать его статистические свойства во всем диапазоне амплитуд, но и трансформировать из полосы в полосу как функцию распределения так и интенсивность шума;
в создании алгоритма выделения интенсивности полезного сигнала из его аддитивной смеси с атмосферным радиошумом с использованием одновременного раздельного измерения функций распределения смеси сигнала и шума и отдельно атмосферного шума;
в создании информационно-измерительной системы контроля качества функционирования радиоустройств в присутствии атмосферных ОНЧ-радиопомех на основе предложенных в диссертационной работе алгоритма выделения интенсивности полезного сигнала из его аддитивной смеси с атмосферным радиошумом, аналитической модели поля узкополосного атмосферного ОНЧ-радиошума и разработанного экспериментально-измерительного комплекса;
в разработке на базе экспериментальных данных о характере поля атмосферного радиошума метода преобразования из полосы в полосу функции распределения и импульсных параметров Vd и Ld огибающей поля, необходимых для сравнительного анализа известного из литературы прогнозного (графического) и предлагаемого аналитического методов расчета интенсивности полезного сигнала;
в подтверждении высокой точности и достоверности предлагаемого в работе аналитического метода при его сравнении с аналогичным графическим методом, изложенным в отчете МККР № 322-2.
На защиту диссертации выносятся следующие основные положения:
информационно-измерительная система контроля качества функционирования радиоустройств в зоне приема при воздействии атмосферных помех;
аналитическая модель поля атмосферных помех ОНЧ-диапазона;
аналитический метод расчета отношения интенсивностей полезного сигнала и атмосферного шума в точке приема;
аналитический метод преобразования из одной полосы пропускания приемного устройства в другую интенсивности атмосферного радиошума.
Практическая ценность. Реализация разработанной информационно-измерительной системы контроля качества функционирования радиоустройств на фоне атмосферных помех позволяет:
автоматизировать процесс приема и обработки информации по радиоканалам в ОНЧ и НЧ диапазонах с минимизацией энергетических затрат на работу радиолиний;
исключить рутинный графический метод расчета напряженности поля полезного сигнала в зоне приема;
повысить точность и надежность работы приемно-передающих радиосистем без потери качества обслуживания;
осуществлять непрерывный контроль устойчивости работы приемно-передающих радиосистем, корректируя в случае необходимости излучаемую мощность радиопередатчика для обеспечения требуемого заданного качества обслуживания;
Практическая реализация. Отдельные разделы диссертации внедрены в учебный и научный процессы кафедры физики и биомедицинской техники ЛГТУ по учебным курсам «Теоретические основы радиотехники» и «Автоматизация обработки экспериментальных данных».
Методы и объекты исследования. В работе использован комплексный подход исследования, включающий методы математической статистики, теорию вероятностей, методы экспертных оценок, теорию электромагнитного поля, теорию математического моделирования и инженерного эксперимента. Объектом исследования являлся атмосферный шум ОНЧ-НЧ диапазона, создаваемый очагами грозовых разрядов, распределенных по земному шару, и его влияние на качество функционирования радиоустройств.
Достоверность результатов подтверждена:
представительной выборкой опытных данных;
формулировкой задач исследования, сделанных исходя из всестороннего анализа режимов работы информационно-измерительной системы на фоне неустранимого импульсного случайного атмосферного радиошума;
сопоставимостью теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными другими исследователями (отчет МККР № 322-2).
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научных конференциях по ОНЧ–излучениям в Абрау-Дюрсо (Анапа, 1988); на научных международных симпозиумах по электромагнитной совместимости (Нагоя, Япония, 1988; Вроцлав, Польша, 1990); на всесоюзной научной конференции по ОНЧ–излучениям (Москва, ИЗМИРАН, 1991); на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава (Петропавловск-Камчатский, ПКВМУ, 1995); на научно-технической конференции студентов и аспирантов ФАИ (Липецк, ЛГТУ, 2006), а также на кафедре электрооборудования (Липецк, ЛГТУ, 2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка, одного приложения. Общий объем диссертации 127 страниц, в том числе 125 страниц основного текста, 28 рисунков, четыре таблицы, библиографический список из 102 наименований.
