Содержание к диссертации
Введение
1 Ионосфера и распространение в ней декаметровых радиоволн, задачи диагностики условий распространения 14
1.1 Ионосфера - среда распространения декаметровых радиоволн 14
1.2 Ионосферные каналы декаметровой радиосвязи и изменчивость их характеристик 20
1.3 Влияние условий распространения сигналов на информационно-технические характеристики систем связи 30
1.4 Зондирование декаметровых радиоканалов для адаптации систем связи .36
1.5 Цель работы и задачи диссертационного исследования 41
2 Математическое моделирование методик измерения функции рассеяния декаметровых радиоканалов и ее ключевых параметров 45
2.1 Низкочастотные модели узкополосных радиосигналов и ионосферных радиоканалов 45
2.2 Функция рассеяния стохастического декаметрового радиоканала и методика ее определения 53
2.3 Выбор зондирующего сигнала, обеспечивающего определение основных параметров функции рассеяния с заданным качеством 58
2.4 Методика измерения функции рассеяния радиоканала с применением сложного радиосигнала с линейной частотной модуляцией 65
2.5 Корреляционные шумы в сжатом сигнале. Методика ослабления боковых лепестков функции рассеяния радиоканала с помощью сглаживающих окон70
2.6 Выводы 74
3 Устройство и алгоритмы функционирования аппаратно — программного комплекса для измерения функции рассеяния каналов 76
3.1 Структура комплекса, алгоритм функционирования, вычислительная модель 76
3.2 Устройство и алгоритм работы передающей части канального ионозонда ;. 82
3.3 Устройство и алгоритм работы приемной части канального ЛЧМ ионозонда 89
3.4 Алгоритм оценки функции рассеяния радиоканала в аппаратно -программном комплексе на основе сжатого зондирующего сигнала 95
3.5 Алгоритм автоматического определения основных канальных характеристик 97
3.6 Выводы 107
4 Исследование функции рассеяния радиоканала на односкачковых радиолиниях 109
4.1 Интерференционные замирания частотных и импульсных характеристик радиоканала в зависимости от параметров ФРК 109
4.2 Результаты моделирования ФРК при доплеровском рассеянии 113
4.3 Результаты моделирования функции рассеяния радиоканала по данным Международного союза электросвязи 115
4.4 Результаты смешанного моделирования функции рассеяния радиоканала 119
4.5 Результаты оценки характеристик ФРК на различных трассах : 124
4.6 Результаты экспериментальной оценки эффективности использования различных декаметровых модемов 128
4.7 Выводы 131
Заключение 133
Литература
- Влияние условий распространения сигналов на информационно-технические характеристики систем связи
- Выбор зондирующего сигнала, обеспечивающего определение основных параметров функции рассеяния с заданным качеством
- Алгоритм оценки функции рассеяния радиоканала в аппаратно -программном комплексе на основе сжатого зондирующего сигнала
- Результаты моделирования функции рассеяния радиоканала по данным Международного союза электросвязи
Введение к работе
Актуальность темы диссертационного исследования. Системы высокочастотной (ВЧ) связи позволяют осуществлять передачу информации на многие тысячи километров с небольшими (по сравнению со спутниковыми системами) финансовыми затратами. Однако этой связи присущ ряд недостатков. Главный из них связан с негативным влиянием среды на распространяющиеся в ней сигналы.
Основную часть пути от передатчика к приемнику сигналы проходят в ионосфере. Поэтому она является линией связи для всех ВЧ радиосистем. Ионосфера представляет собой низкотемпературную плазму с ярко выраженной слоистой структурой, которая характеризуется плазменными частотами и частотно зависимым показателем преломления. Это является одной из причин распространения сигналов по нескольким траекториям (эффекта многолучевости); Многолучевость, в свою очередь, является причиной замираний принятого сигнала. Кроме того, распространяющиеся ВЧ сигналы испытывают искажения из-за близости их частот к плазменным частотам среды. Отметим также, что среда распространения испытывает значительную пространственно-временную изменчивость. Данные физические эффекты приводят к искажениям принимаемого сигнала и ухудшают помехоустойчивость ВЧ радиосистем.
В настоящее время решение данной проблемы идет по двум направлениям. Первое связано с проектированием систем, учитывающих основные физические особенности линии связи. Другое - с созданием адаптивных систем, в которые включаются системы диагностики сложной среды распространения, основанные на применении метода радиозондирования ионосферы.
Различные подходы в решении проблемы ВЧ связи привели к развитию моделей распространения сигналов по ионосферным линиям связи (Р.А. Bello, W.D. Bensema, J. Hoffmeyer, J.R. Juroshek, L. Vogler, C.C. Watterson). Теория распространения радиоволн в ионосфере, развитая в работах Я.Л. Альперта, Б.Н. Гершмана, В.Л. Гинзбурга, М.Л. Долуханова, трансформирована путем радиотехнического подхода в теорию прохождения радиосигналов в многомерной стохастической системе (Н.А. Арманд, В.А. Иванов, Д.В. Иванов, В.И. Куркин, Д.С. Лукин, Н.В. Рябова). В этом случае одним из основных понятий становится понятие радиоканала, который включает среду распространения (линию связи) и каналообразующую аппаратуру (передатчик и приемник), формирующие частотный радиоканал полосой Д/ на сред-
ней (рабочей) частоте f из ВЧ диапазона (от 3 до 30 МГц). Обычно
для систем связи и передачи данных полоса Д/~ составляет от 0,3 до 3,4
кГц. Декаметровые каналы с данной полосой получили название узкополосных. Такой канал является стохастическим, а для его описания используются случайные частотная и импульсная характеристики, модели которых получаются на основе экспериментальных данных и теории распространения радиоволн. Наиболее известными являются модель Ваттерсона (Watterson model), применимая для каналов с полосой до 12 кГц, и модель американского НИИ телекоммуникаций (Institute of Telecommunication Sciences) ITS, применимая для каналов с большей полосой.
Для описания стохастических каналов в последнее время используется статистически устойчивая характеристика - функция рассеяния канала (ФРК). Ее основными параметрами являются: отношение сигнал - шум, рассеяние задержек и рассеяние доплеровских частот, которые называются основными канальными параметрами. Очевидно, что из-за изменчивости среды распространения основные канальные параметры также претерпевают изменения. Важно, чтобы эти изменения не выходили за пределы допустимых значений для используемого модема связи. Именно по этой причине и требуется диагностика ФРК и адаптация системы, заключающаяся либо в переходе на другой модем, либо в смене рабочего канала связи (рабочей частоты).
Известны панорамные и канальные ионозонды, обеспечивающие измерение основных канальных параметров. Первые - позволяют оценивать отношение сигнал - шум и рассеяние по задержке при распространении в канале, вторые - непосредственно измерять ФРК. В создание теории зондирования и ионозондов внесли существенный вклад В.А. Иванов, Н.В. Рябова, В.П. Урядов, В.И. Куркин, Ю.Н. Черкашин в нашей стране и за рубежом P.S. Cannon, M.J. Angling, N.C. Davies, V. Jodalen, B. Lundborg, Y. M. Le Roux, J. Menard, J. P. Jolivet, P. J. Davy.
В последнее время в теории и технике зондирования ионосферы и ионосферных ВЧ радиоканалов произошли существенные перемены, связанные с применением для зондирования сложных линейно - частотно модулируемых (ЛЧМ) и фазо-кодо-манипулированных (ФКМ) сигналов, оптимальных методов обработки, позволяющих существенно повысить помехоустойчивость измерений при существенном снижении излучаемых мощностей зондов. Поэтому сейчас основная проблема диагностики каналов связи связана с необходимостью развития методов, алгоритмов и устройств, позволяющих оценивать соответствующие
параметры каналов при зондировании ионосферы и каналов ВЧ связи сложными радиосигналами. В этой связи поставленная тема диссертационного исследования является актуальной.
Объектом исследования являются системы, позволяющие определять характеристики декаметровых стохастических многолучевых узкополосных радиоканалов на основе оценки ФРК.
Предметом исследования являются устройство и алгоритмы функционирования канального радиозонда на основе линейно-частотно модулированного сигнала.
Цель работы. Создание методик и алгоритмов работы устройств для зондирования узкополосных декаметровых радиоканалов и исследование их характеристик с помощью сложных радиосигналов с линейной частотной модуляцией.
Решаемые задачи:
Проведение анализа методов диагностики стохастических узкополосных декаметровых радиоканалов в условиях вариации среды распространения сигнала.
Исследование характеристик узкополосных стохастических декаметровых радиоканалов на базе математических моделей, разработка методик оценки функции рассеяния стохастического декаметрового радиоканала и ее параметров на основе применения для диагностики многоэлементного ЛЧМ сигнала.
Разработка устройства канального ЛЧМ радиозонда, создание вычислительной модели устройства, создание алгоритмов его функционирования, реализация разработанных алгоритмов в виде программного обеспечения.
Апробация разработанных методик и алгоритмов на основе вычислительных и экспериментальных исследований по диагностике узкополосных декаметровых радиоканалов с использованием многоэлементного ЛЧМ сигнала, экспериментальные исследования параметров ФРК на декаметровых радиолиниях.
Методы исследования. Для решения поставленных задач и получения основных научно-практических результатов использованы методы теории распространения радиоволн в ионосфере, математического и информационного моделирования, системный подход к анализу и синтезу алгоритмов автоматической обработки сигналов на фоне помех. Теоретические результаты были получены с помощью аналитических методов теории вероятностей, математической статистики и методов линейной алгебры. В работе применялся метод вычислительного эксперимента с использованием лицензированных пакетов прикладных про-
грамм System View, MathCad, Matlab. При проектировании и разработке программного обеспечения применялся объектно-ориентированный подход с использованием среды разработки Borland Delphi.
Достоверность выводов и рекомендаций обеспечивается соответствием результатов, полученных путем аналитического и численного моделирования, результатам экспериментальных исследований, выполненных в рамках данной работы и другими исследователями. Эффективность разработанных алгоритмов подтверждена натурными испытаниями, которые показали хорошее согласие с другими методиками обработки и сходимость результатов на больших объемах экспериментальных данных.
Научная новизна.
Впервые разработана методика определения функции рассеяния узкополосного декаметрового радиоканала на основе сжатия многоэлементного ЛЧМ сигнала во временной области.
Создана вычислительная модель системы канального зонда с ЛЧМ сигналом, позволяющая исследовать функцию рассеяния узкополосных стохастических многолучевых декаметровых радиоканалов.
Впервые разработан комплексный алгоритм, позволяющий в автоматическом режиме определять параметры функции рассеяния узкополосного стохастического многолучевого декаметрового канала, проведена его апробация на вычислительной модели. Разработанные алгоритмы реализованы в виде программного обеспечения. В результате чего разработан аппаратно - программный комплекс канального ЛЧМ радиозонда для определения основных параметров узкополосных стохастических многолучевых декаметровых радиоканалов на основе оценки функции рассеяния.
4. Получены результаты вычислительных и натурных экспериментов
по исследованию функции рассеяния узкополосных декаметровых радиоканалов на радиолиниях различной протяженности, что позволило:
Впервые установить величины параметров ФРК, при которых наблюдаются общие и селективные замирания сигналов в узкополосных декаметровых радиоканалах.
Получить новые экспериментальные данные зондирования узкополосных декаметровых радиоканалов, а также оценки основных параметров ФРК.
Классифицировать типы замираний канальных характеристик от параметров ФРК.
4.4. Получить экспериментальные оценки необходимой мощности связного сигнала для различных модемов и разной возмущённое каналов.
Практическая значимость работы. Практические результаты диссертационной работы связаны с применением разработанных методик и алгоритмов для задач исследования ионосферных узкополосных радиоканалов. Они позволяют совершенствовать системы частотного обеспечения ионосферных радиолиний, а также автоматизированные системы радиопрогнозирования, которые применяются для повышения эффективности и надежности радиотехнических систем магистральной радиосвязи, радионавигации и загоризонтной радиолокации.
Разработанное на основе предложенных принципов и зарегистрированное программное обеспечение позволяет в автоматическом режиме получать новую информацию о суточных, сезонных и других вариациях параметров ионосферы путем обработки больших массивов данных. Адаптивность к изменениям аппаратно-программной конфигурации и решаемым задачам, заложенная в основу предлагаемой структуры зонда, позволяет не только существенно увеличить время жизни системы, но и синтезировать на ее основе системы обработки экспериментальных данных для других областей исследований.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XXI Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн» (г. Йошкар-Ола, 2005), XI Региональной конференции «Распространение радиоволн» (г. Санкт-Петербург, 2005), XIII , XIV Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2007, 2008), XXV Всероссийском симпозиуме «Радиолокационное исследование природных сред» (г. Санкт-Петербург, 2007), VI Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (г. Казань, 2007), X Международной байкальской молодёжной научной школе по фундаментальной физике «Гелио- и геофизические исследования» (г. Иркутск, 2007), Поволжской региональной молодежной конференции «Волновые процессы в средах» (г. Казань - г. Зеленодольск, 2007), XIV, XV Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (г. Воронеж, 2008, 2009), XXII Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн» (г. Ростов-на-Дону - п. Лоо, 2008), XI Международной научно-технической
конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» (г. Казань, 2008), XII Всероссийской научной конференции студентов -радиофизиков (г. Санкт-Петербург, 2008).
Публикации. Автором опубликовано по теме диссертации 19 работ, из них: 2 статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ по направлению «Радиотехника и связь» («Радиотехника и электроника», «Электромагнитные волны и электронные системы»); 4 статьи в рецензируемых журналах; 7 работ в трудах международных конференций и симпозиумов; 5 работ в трудах Всероссийских конференций и симпозиумов; получено I свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, входящей в состав программного обеспечения декаметрового канального ЛЧМ зонда.
Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты работы использовались при выполнении исследований по государственным контрактам: № 5251Р/7648 от 26.06.2007 года и № 6469р/9099 от 11.01.2009 в рамках программы "У.М.Н.И.К." - "Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса" фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере; по ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы (госконтракт № 02.442.11.7152, шифр РИ-19.0/002/170); в фантах РФФИ 05-07-90313, 06-02-16089, 07-05-12047, 08-02-12081, 09-07-00331.
Результаты исследований реализованы в ОАО "Концерн "Алмаз-Антей" (подтверждается актом о внедрении). Разработанное устройство и алгоритмы его функционирования представляют практический интерес для ФНПУ ОАО «НПО Марс» (г. Ульяновск), ФГУП «Пензенский научно-исследовательский электротехнический институт» (г. Пенза), ОАО «АБС Автоматизация» (г. Чебоксары), что подтверждается заключенными соглашениями о намерениях.
Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе ГОУ ВПО «МарГТУ» (подтверждается актом).
Личный вклад автора. В работах [1-6,9-15,17,19] диссертантом была выполнена разработка методик и алгоритмов функционирования канального ЛЧМ зонда, его структуры [1,4-6,8,10,12,14,15,17,18] и численных моделей [4,8,10,11,13,15]. Автором проанализированы полученные результаты и сделаны основные выводы. Учитывая, что экспериментальные исследования со значительным объемом получаемых данных невозможно провести единолично, роль диссертанта в них заключалась в формулировании задач, систематизации данных, участии в
проведении эксперимента [1-3,5,6,7,9,12,14,17,18]. Печатная работа [4] написана автором самостоятельно.
Положения, выносимые на защиту:
Результаты исследований характеристик узкополосных стохастических декаметровых радиоканалов на основе математических моделей, позволившие впервые получить методику определения функции рассеяния декаметрового радиоканала на основе применения многоэлементного ЛЧМ сигнала и сжатия его во временной области.
Вычислительная модель системы канального зонда, позволившая провести вычислительные эксперименты по исследованию функции рассеяния узкополосных стохастических многолучевых декаметровых радиоканалов на основе их зондирования многоэлементным ЛЧМ сигналом.
Комплексный алгоритм работы канального зонда, позволяющий в автоматическом режиме определять основные параметры узкополосных стохастических многолучевых декаметровых радиоканалов на основе оценки функции рассеяния, реализованный в виде зарегистрированного программного обеспечения.
Результаты вычислительных и натурных экспериментов функции рассеяния узкополосных декаметровых радиоканалов на радиолиниях различной протяженности, на основе которых удалось:
4.1. Классифицировать типы замираний в зависимости от парамет-
ров ФРК.
4.2. Получить новые экспериментальные данные параметров ФРК
при различной возмущенное ионосферы.
4.3. Получить экспериментальные оценки необходимой мощности
связного сигнала для различных модемов и разной возмущен-ности каналов, предложить рекомендации по адаптации связных систем к канальным условиям. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 133 наименований. Она изложена на 150 страницах машинописного текста, приведено 84 рисунка и 14 таблиц.
Влияние условий распространения сигналов на информационно-технические характеристики систем связи
Видно, что высокие степени рассеяния свойственны высоким и экваториальным широтам [4,14,67,68, 116,117,133]. Таким образом, в место приема попадает один или множество лучей с разным временем запаздывания т} и доплеровским смещением Fd , относящихся к различным модам [19,20,32], при этом каждая из мод представляет собой пучок лучей с относительно небольшими значениями сдвигов по времени запаздывания Дг и по частоте AF по отношению к общим параметрам распространения.
При суммировании (интерференции) лучей с «гуляющей» фазой сигнал в точке приёма флуктуирует в больших пределах. Различное время запаздывания каждой моды вызывает либо усиливающую, либо ослабляющую интерференцию в приемном сигнале, которая в случае рассмотрения в частотной области, обуславливает когерентность полосы пропускания канала [5,31,36,112]. При этом частотные сдвиги каждой моды определяют время когерентности канала [6] (или время стационарности канала [5]). Результатом интерференции мод являются замирания принятого сигнала во временной и частотной областях. Существуют медленные и быстрые замирания [55]. Медленные замирания обосновываются изменением степени ионизации атмосферы в течение суток, быстрые замирания (shorterm fading) вызываются постоянной флуктуацией ионосферы.
Быстрые замирания подразделяются на общие (flat fading) и селективные (selective fading). Общие замирания в одинаковой степени воздействуют на все составляющие спектра (частотные замирания) или радиосигнала (временные замирания). Селективные - воздействуют на отдельные составляющие спектра или сигнала по разному, в результате чего происходит искажение структуры радиосигнала, и вероятность правильного приёма передаваемого сообщения снижается. При этом замирания также характеризуются глубиной (fading depth) - разницой между максимальным и минимальным значениями огибающей принимаемого сигнала при замираниях.
Затухание при распространении. Сигнал, проходящий через канал, испытывает ослабление. Вследствие этого происходит снижение помехоустойчивости системы, которая определяется отношением сигнал/шум -SIN и зависит от ослабления сигнала при распространении в среде и шума N.
Использование KB трассы является очень зависимым от величины ослабления сигнала, которому он подвергается в течение распространения. Наибольшее ослабление отраженная волна получает вследствие рассеяния при распространении в свободном пространстве. Дополнительное ослабление к рассеянию в свободном пространстве может происходить вследствие поглощения, вызванного такими эффектами, как несовершенность земной отражающей поверхностью, листвой и атмосферными факторами.
Ионосферное поглощение происходит преимущественно в D-слое, где существует преломляющее отклонение KB волны. В этой области свободные электроны, находясь под воздействием ионизации и электромагнитных полей, подвергаются воздействию электромагнитного поля KB волны. Из-за того, что электроны движутся под воздействием приложенного электрического поля, они часто сталкиваются с изобилующими нейтральными частицами. Вследствие того, что масса электрона в тысячи раз меньше массы нейтральной молекулы, происходит существенная потеря в энергии электрона. Из-за того, что нейтральные частицы не осциллируют в приложенном поле, они не переизлучают энергию, приложенную в результате столкновения, а трансформируют ее в тепло.
В результате свободные электроны в верхней атмосфере поглощают энергию волны и рассеивают ее через нейтральный газ. Данное поглощение более выражено на низких частотах, потому что оно обратно пропорционально квадрату частоты. Существует такое поглощение, которое определяет НПЧ (наименьшую применимую частоту). Радиосигнал претерпевает потери каждый раз при прохождении через D-слой. В этом случае, сигнал, распространяющийся тремя скачками, будет иметь большие потери, чем при распространении одним скачком.
Для того чтобы минимизировать эти потери, следует использовать МПЧ (максимально применимые частоты). Для достижения максимального диапазона для односкачковой распространяющейся моды должны быть использованы максимальная возможная частота и минимально-возможный угол возвышения передающей антенны, которые будут обеспечивать отражение от .Р-слоя. Движение к более высоким частотам благотворно сказывается на мощности принятого сигнала и, как следствие, на отношение сигнал/шум [4Д2566].
При распространении KB волна отражается не только от критической частоты, но происходит и непрерывное отражение от слоев при прохождении через ионосферу. Таким образом, для систем связи соответствующий выбор коэффициента усиления антенны и мощности передатчика может скомпенсировать потери при распространении и избыточное затухание в D-области. Во время вспышек на Солнце ультрафиолетовое и рентгеновское излучения Солнца обычно существенно усиливаются и вызывают увеличение потерь мощности сигнала на ДКМ радиолиниях [2,4,12,20,66].
Ионосферные бури приводят к сильному поглощению декаметровых радиоволн, распространяющихся через полярные области [46]. Повышенная солнечная активность может привести к значительным изменениям критических частот, высот слоя, а также к увеличению поглощения. Она может продолжаться от нескольких часов до нескольких дней. Во время бурь ионосферное распространение характеризуется низкими мощностями принимаемых сигналов и пульсирующим затуханием, формой затухания, которая особенно сильно воздействует на передачу речи. В первые несколько часов мощной ионосферной бури, ионосфера находится в состоянии турбулентности, регулярная форма слоя разрушается, и по этой причине распространение радиоволн носит ярко выраженный случайный характер. В более поздних стадиях мощных бурь и все время умеренных бурь верхняя часть ионосферного слоя расширяется и расслаивается. В результате, действующие высоты слоев значительно увеличиваются и носят диффузный характер.
Магнитные возмущения, северные сияния приводят к увеличению поглощения в полярной шапке [31,41,59].
Внезапные ионосферные возмущения могут полностью нарушить распространение ДКМ радиоволн и обычно воздействуют на все радиолинии, работающие полностью или даже частично в пределах освещенной Солнцем стороны Земли (вызывают нарушение связи длительность от нескольких минут до нескольких часов, иногда дней).
Выбор зондирующего сигнала, обеспечивающего определение основных параметров функции рассеяния с заданным качеством
Сигналом обычно называют [11] изменяющуюся физическую величину, отображающую переносимую им информацию. Передача информации осуществляется с помощью проводных, кабельных, волноводных линий или в свободном пространстве, объединяемых понятием - линия связи. Обычно спектр распространяющегося сигнала можно считать финитным. Это в совокупности с эквивалентной системой распространения приводит к понятию канала.
Поскольку информация должна передаваться от источника к потребителю, а к числу физических процессов, обладающих свойством перемещаться, относятся электромагнитные колебания (радиоволны), то радиосигналы обычно представляют в виде [10,17]: м(0 = «о (0-cos (0. (2.1) Функцию н0(/) называют амплитудой (или огибающей), (0 - фазой, /(/) = — d(pfdt = — - мгновенной частотой. In In
Информация «закладывается» в сигнал за счет изменения амплитуды, фазы, частоты либо при модуляции этих характеристик в момент передачи, либо изменением их при отражении от зондируемого объекта, либо (и) изменением средой распространения сигнала. Таким образом, колебание (2.1) является переносчиком, содержащейся в нем информации, которой может быть: передаваемое сообщение, характеристики объекта, отражающего сигнал, характеристики среды распространения сигнала и др.
Сигнал (2.1.1) является оригиналом, а связанный с ним преобразованием Фурье спектр U(f), - его изображением в частотной области: -НО /(/) = и(0-ехр(-/2#?)-Л. (2.2) Если спектр сигнала u(t) сконцентрирован вблизи несущей частоты fp, то его называют узкополосным и полагают [10] cp(t) = 2irfp + j)(t). В этом случае амплитуда и0(0 и дополнительная фаза ф{і) изменяются во времени существенно медленнее, чем cos(2n/p-0 и sin(2 /"p-0- Это позволяет записать сигнал (2.1) в виде [10,17]: и(0 = и0(г?/р0-со (2тг-/рі±ф(?іїр0) = и0(0-со5(2яГр-і±ф({)), (2.3) где ] = Af/fp « 1 - малый параметр, А/ - полоса частот, занятая данным колебанием. Отметим, что реальные сигналы всегда являются действительными функциями времени. Однако для упрощения анализа их прохождения через различные цепи и линии связи, а также для их синтеза, действительные функции вида (2.1) часто заменяют моделями, как правило, в виде комплексных (КС) сигналов. При этом для действительного сигнала вида (2.3) формально вводится КС в форме: и(0 = Re v(0 = Re{v(/)-exp(/2;z/; /)}, где v(/) = v0(/)-exp[±/ (o] = v0(Ocos (/)±/v0(Osin (0 = vc(/)±/v5(/) - комплексная амплитуда, а /р - средняя частота спектра сигнала.
В этом случае понятия амплитуды, фазы, частоты порождают производные от них понятия [10,17,57]: квадратурные компоненты амплитуды vc(/) и v5(0, интенсивность, пропорциональная v и ряд других.
Часто для описания сигналов бывает достаточно знать лишь их основные характеристики: их длительность т, ширину спектра А/ и энергию Е. При этом энергия сигнала определяет устойчивость приема сигнала на фоне поступающих с ним шумов, длительность - время, которое необходимо затратить на передачу сигнала, а ширина спектра — необходимую полосу частот канала передачи сигнала.
Важное значение имеет оценка искажений радиосигналов из-за распространения в ионосфере на основе моделей. Модели ионосферных радиоканалов используются в имитаторах, что облегчает разработку и испытание новых устройств систем передачи и приема и обработки информации при передаче по KB каналам. Также как и сигналы, каналы в основном являются узкополосными в математическом смысле. Для таких каналов относительная полоса частот является малой величиной п = (А///Р)« і.
Обычно канал представляет собой линейную систему. Поэтому если известна его импульсная характеристика h(t,t), где т - задержка в канале распространения, и задан излучаемый сигнал uT(j), то принимаемый сигнал uR(t) может быть найден по формуле: Ыд(0 = «г(0 А( » ) + и(0 (2.4) где n(t) — аддитивный шум, знак означает операцию свертки.
Таким образом, если изменяющаяся во времени импульсная характеристика канала определена каким либо образом (измерена или смоделирована), то, используя (2.4) получим сигнал на выходе из канала. В этой связи, важное значение приобретает развитие моделей канала, а также методик измерения их характеристик. При этом модель не должна быть очень сложной и должна адекватно описывать основные физические процессы, происходящие при распространении радиосигналов в ионосфере. При этом существуют два направления в моделировании ионосферных ВЧ радиоканалов - аналитический и феноменологические.
Аналитический подход. Обратимся в начале к задаче распространения в ионосфере гармонического сигнала вида ехр(/е#), где со inf - круговая, а / -угловая частоты сигнала. Известно [15], что распространение данного сигнала может быть описано с помощью дифференциального уравнения Гельмгольца: V2E + k2n2E = 0, n = n(f,r) (2.5) где Е - электрическое поле, к0=со/с = 2л;/Л0, Л0 - длина волны в вакууме, с -скорость света в вакууме, п - комплексный показатель преломления, г = (x,y,z) -радиус-вектор.
Алгоритм оценки функции рассеяния радиоканала в аппаратно -программном комплексе на основе сжатого зондирующего сигнала
В состав блока управления трансивером (БУТ) входят микроконтроллер (МК), память программ и данных для МК, тактовый генератор, блок синхронизации, два последовательных порта для связи блока синхронизации и управления с ПЭВМ (порт RS-232C), а также порт связи с трансивером (порт CI-V).
Функционирование БУТ определяется программным обеспечением (ПО) МК. ПО хранится в энергонезависимой памяти программ. Для хранения параметров, буфера принимаемых команд от ПЭВМ и переменных промежуточных вычислений используется память данных. Память программ и данных входят в состав МК.
В качестве источника тактовых сигналов для МК используется тактовый генератор, который формирует необходимые для работы синтезатора периодические импульсные последовательности из сигнала частотой 32 МГц от высокостабильного опорного генератора, установленного в трансивере IC-78. Управление частотой настройки трансивера и другими параметрами, производится через стандартный последовательный двунаправленный интерфейс CI-V. С ПЭВМ обмен данными происходит через стандартный последовательный интерфейс RS-232C, по которому осуществляется командное управление работой МК, контролирующего работу аппаратных средств блока. Также с помощью стандартного последовательного интерфейса RS-232C происходит обмен данными ПЭВМ с блоком синхронизации, в задачи которого входит формирования импульса «Пуск» в назначенное время. За счет того что в состав блока синхронизации входит GPS приемник, точность синхронизации соответствует 10 мкс.
Блок синтезатора многоэлементного ЛЧМ сигнала построен на основе базовый модуля аналогового ввода/вывода AMBPCI V2.0, предназначенного для создания широкого спектра систем ввода/вывода на базе аналого-цифровых субмодулей семейства ADMxxx производства фирмы "Инструментальные Системы.
Модуль AMBPCI предназначен для работы в составе компьютеров с 32-разрядной 5-вольтовой системной шиной PCI с тактовой частотой до 33МГц. В качестве контроллера шины применена микросхема AMCC S5935. Контроллер позволяет передавать данные в режиме Bus Master с максимальной производительностью шины (до 120 Мбайт/с). Программирование режимов работы изделия осуществляется путем вывода соответствующих кодов в регистры модуля, а обмен данными АЦП и ЦАП может осуществляться как в режиме прямого доступа к памяти, так и в программном режиме. Текущее состояние модуля может быть доступно программе чтением регистра состояния. Устройство позволяет формировать произвольные сигналы путем загрузки их отсчетов в буферную память.
Также, данное устройство включает в себя узел стартовой синхронизации позволяющий производить запуск и останов процесса цифро-аналогового преобразования в зависимости от внешних факторов (запуск по импульсу «Пуск » от блока синхронизации). Узел состоит из мультиплексора MUX, двух компараторов, двух 8-разрядных пороговых ЦАП и схемы логики, вырабатывающей собственно признак запуска и останова процесса.
Системный интерфейс 32 бит, 33 МГц, 5V PCI Rev.2.1 Режимы обмена Мастер и/или программный Скорость передачи данных по системному интерфейсу до 120 Мбайт/с Интерфейс устройств аналогового ввода/вывода ADM-Connect Скорость ввода данных в буферную память до 400 Мбайт/с Буферная память FIFO до 64К 32-разрядных слов тракта ввода до 64К 16-разрядных слов тракта вывода Синхронизация модуля внутренняя от кварцевого генератора 60МГц Старт/останов процесса ввода отсчетов от внешних ТТЛ, ЭСЛ, КМОП сигналов;пороговый, 2 канала, 256 уровней в диапазоне +2.5В Технические характеристики канала аналогового вывода разрядность ЦАП 14 бит, 1 каналмаксимальная частота дискретизации 30 МГцинтегральная линейность 12 битвремя установления ЦАП не более 40 не с точностью 0.1%
Рассмотрим функционирование технических средств в режиме излучения диагностирующего ЛЧМ сигнала. Все действия производятся в соответствии с алгоритмом. Оператор в программе управления задает параметры диагностирующего сигнала. При этом в программе формируются данные с отсчетами сигнала, которые по нажатии кнопки "Старт" загружаются в буферную память ЛЧМ синтезатора. После чего синтезатор переводится в режим ожидания импульса «Пуск», по которому происходит формирование зондирующего сигнала. Программа управления на основании сигналов поступающих от блока синхронизации производит подстройку времени ПЭВМ со временем в блоке синхронизации. При этом за 5 сек до начала излучения в модули управления трансивером и блока синхронизации программа управления загружает управляющие команды. В блок синхронизации загружается команда времени, в которое необходимо сформировать сигнал «Пуск», в блок управления трансивером - команда с указанием частоты зондирующего сигнала. Время начала излучения определяется управляющей программой и является нулевой минутой каждого часа и повторяется в соответствии с заданным периодом.
Результаты моделирования функции рассеяния радиоканала по данным Международного союза электросвязи
Вариации ионосферы приводят к изменениям ФРК и уровня шума в канале. Это может негативно сказаться на работе систем ВЧ связи. В силу этого актуальной является задача исследования ФРК для различных условий распространения ВЧ на ионосферных линиях связи, которая требует развития методов имитационного моделирования в сочетании с методами изучения ФРК на основе экспериментальных данных.
Данные исследования проводились на вычислительной модели, описанной в параграфе 3.1, при этом оценка ФРК на вычислительной модели для различных условий распространения позволила провести классификацию типов замираний от параметров канала. Это в свою очередь позволило провести анализ данных, полученных в ходе эксперимента по наклонному зондированию.
Рассмотрим особенности интерференционных замираний ИХ радиоканала на простой модели, когда линейная система состоит их двух идеальных трактов распространения. Под идеальным будем понимать тракт, в котором при распространении сигнал испытывает только задержку и доплеровскии сдвиг частоты. Для такого канала распространения его частотные и импульсные характеристики можно представить в виде: Я(/,Г) = H0J -i2n[T0jf-FMjT\ (4.1) где / є [-А//2, А//2], а время Т є [о,Гс], где тс - длительность сигнала. 109 Для канала состоящего из двух трактов модуль частотной характеристики будет выглядеть следующим образом:
Частота замираний совпадает с разностью доплеровских сдвигов частоты в парциальных трактах распространения. При условии одинакового времени прихода лучей эти замирания будут носить общий характер, как во временной, так и в частотной областях (рис. 4.1). При увеличении разности времен группового запаздывания до значения Дг = г01-г02 =1/д/ наблюдаются селективные замирания импульсной и частотной характеристик (рис. 4.2).
При дальнейшем увеличении Аг замирания во временной области исчезнут, с другой стороны скорость замираний в частотной области увеличится пропорционально разности времен запаздывания Аг мод распространения (рис. 4.3).
При этом в зависимости от времени т, замирания частотной характеристики буду получать фазовый сдвиг равный разности доплеровский частот AFd = FdOI - Fd02. Функция рассеяния в этом случае будет состоять из двух смещенных пиков.
Двумерная частотная характеристика показывает, какое влияние на нее оказывают доплеровские сдвиги отдельных модов распространения (рис. 4.4а). В случае, когда Дт 1/Д/, a &Fd = 0 она отображает селективные замирания в полосе канала (рис. 4.46). Таким образом, выявлены особенности изменений ФРК, а также импульсной, частотной и двумерной частотной характеристик радиоканалов в зависимости от значений параметров канала. Установлены величины параметров, при которых наблюдаются: гладкие, селективные, быстрые селективные замирания.
Построенные модели позволяют исследовать состояние и качество радиоканала, вид замираний в соответствии с рекомендациями ITU, а также возможность использования канала для передачи сообщений в системах ВЧ радиосвязи.
Рассмотрим сначала случай, когда канал состоит из одного тракта с доплеровским сдвигом Fd} и доплеровским рассеянием AFd]. Для этого на основе вычислительной модели описанной в разделе 3.1 построим однолучевой канал с доплеровским рассеянием AFdl =0.5Л/, и вычислим ФРК.
Вариации модулей ФРК, ИХ, АЧХ, двумерной ЧХ одномодового канала при AFd[ На функции рассеяния это отображается в виде пиков, растянутых вдоль оси задержек (вследствие разрешающей способности метода) и распределенных вдоль оси доплеровских сдвигов (частотного рассеяния). Видно, что в этом случае сигнал испытывает общие замирания во временной области (замирания импульсной характеристики) и такие же в частотной области. При этом двойная частотная характеристика остается относительно однородной во всей полосе. Далее, когда канал состоит из двух трактов с разным временем группового запаздывания Дг = 1/Д/, одинаковыми доплеровскими сдвигами и разным AFdl AFd2 = \Гц доплеровским рассеянием в каждом (рис. 4.6), видно, что в этом случае ФРК (рис. 4.6а) состоит из двух составляющих, разделяющихся по величине доплеровского смещения.
Вариации модулей ФРК, ИХ, АЧХ, двумерной ЧХ двумодового канала распространения при д г = і / д/ , FJX = Fd2, AFdl AFd2
При этом импульсная характеристика испытывает случайные селективные замирания (рис. 4.66), а частотная характеристика имеет разнонаправленную структуру случайных селективных замираний (рис. 4.бе), изменяющихся во времени из-за наличия положительных и отрицательных значений разности доплеровских сдвигов в составляющих сигнала.
Увеличение разности межмодовых доплеровских и временных сдвигов (рис. 4.7) приводит к замиранию импульсной характеристики каждой моды в соответствии с их доплеровским рассеянием, при этом частотная характеристики имеет однонаправленную структуру селективных замираний. При этом дальнейшее увеличение межмодовых задержек приведет к увеличению селективного характера замираний по частоте, а увеличение доплеровского сдвига первой моды относительно второй приведет к увеличению частоты замираний частотной характеристики во времени
