Повышение помехоустойчивости и пропускной способности радиоканалов ионосферной связи с применением зондирующего линейно-частотно модулированного сигнала

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Повышение помехоустойчивости и пропускной способности радиоканалов ионосферной связи с применением зондирующего линейно-частотно модулированного сигнала

Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Бастракова Марина Ивановна

Казань 2010

Работа выполнена на кафедре «Радиотехники и связи» Марийского

государственного технического университета

Научный руководитель: д. ф.-м. н., профессор

Наталья Владимировна Рябова

МарГТУ, г. Йошкар-Ола

Официальные оппоненты: д. ф.-м. н., профессор

каф. Радиоэлектронных и квантовых устройств

Юрий Ехилевич Польский,

КГТУ им. А. Н. Туполева,

г. Казань

д. т. н., доцент,

зав. каф. Радиотехнических и медико-биологических систем

Алексей Аркадьевич Роженцов

МарГТУ, г. Йошкар-Ола

Ведущая организация: Московский физико-технический институт (государственный университет), г. Москва

Защита состоится 28 декабря 2010 г. в 14⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета Д212.079.04 в Казанском государственном техническом университете им. А. Н. Туполева по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 10.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью организации, высылать по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 10.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Казанского государственного технического университета им. А. Н. Туполева.

С авторефератом диссертации можно ознакомиться на сайте Казанского государственного технического университета им. А. Н. Туполева www.kai.ru

Автореферат разослан «_____» ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета С.С. Седов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Радиосвязь в декаметровом диапазоне играет важную роль как средство магистральной внутренней и международной, зоновой, подвижной и производственно-диспетчерской связи общего и ведомственного пользования. Несмотря на то, что в условиях быстрого развития высокоэффективных оптоволоконных, радиорелейных и спутниковых систем связи удельный вес и назначение ионосферной радиосвязи изменяется, в настоящее время резко возросла ее необходимость. Кроме этого, Правительственная комиссия по развитию телерадиовещания в России одобрила предложение о национальном стандарте цифрового радиовещания для диапазонов длинных, средних и коротких волн и Минкомсвязи разработало проект о применении системы цифрового радиовещания стандарта DRM (Digital Radio Mondiale).

При передаче информации по ионосферным радиоканалам возникают ошибки в принимаемом сообщении, обусловленные влиянием условий распространения радиоволн, таких как замирания и многолучевость, а также воздействием различного рода шумов и помех. Эти физические эффекты приводят к значительным искажениям принимаемого сигнала и ухудшают помехоустойчивость и пропускную способность ионосферного канала связи. Определение этих характеристик позволяет наиболее эффективно использовать радиоканал.

В настоящее время существует два способа решения этой проблемы. Первый состоит в разработке систем связи и передачи информации с учетом физических особенностей радиоканала. Второй - в создании адаптивных систем со средствами диагностики среды распространения радиоволн на основе радиозондирования ионосферы сложными сигналами. Вопросы помехоустойчивости и пропускной способности радиоканалов ионосферной связи рассматривались в исследованиях Е. Н. Коноплевой, Е. А. Хмельницкого, В. Ф. Комаровича, В. Н. Сосунова, О. В. Головина и С. П. Простова. Существенный вклад в создание и развитие теории зондирования ионосферы и разработку ионозондов в нашей стране внесли В. А. Иванов, Н. В. Рябова, В. П. Урядов, В. И. Куркин, Ю. Н. Черкашин и за рубежом P. S. Cannon, M. J. Angling, N. C. Davies, B. Lundborg.

Основная проблема диагностики каналов ионосферной связи состоит в необходимости развития аппаратно-программных средств, позволяющих получать оценки помехоустойчивости и пропускной способности радиоканалов для повышения эффективности работы систем ионосферной высокочастотной радиосвязи (3-30 МГц). В этой связи поставленная тема диссертационного исследования является актуальной.

Цель работы: разработка и исследование методик и алгоритмов обработки сложного линейно-частотно модулированного (ЛЧМ) сигнала при наличии помех, используемого для наклонного зондирования ионосферных линий радиосвязи, с целью повышения помехоустойчивости и пропускной способности каналов связи.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:

1. Анализ методов повышения помехоустойчивости и пропускной способности радиоканалов ионосферной связи.

2. Разработка методик оценки:

- диапазонов оптимальных рабочих частот (ДОРЧ) по экспериментальным данным наклонного зондирования ионосферы ЛЧМ сигналом;

- среднего энергетического выигрыша при групповом использовании частот и плотности потока смены частот при автоматическом выборе оптимальной рабочей частоты;

- пропускной способности ионосферных радиоканалов на оптимальной рабочей частоте с заданной вероятностью ошибки принятого сообщения;

- помехоустойчивости ионосферных радиоканалов по данным наклонного зондирования ионосферы ЛЧМ сигналом.

3. Разработка алгоритмов и программных средств для реализации созданных методик на основе данных наклонного зондирования ионосферы ЛЧМ сигналом для модернизации аппаратно-программных средств системы радиозондирования ионосферы.

4. Исследование в натурных и вычислительных экспериментах созданных методик и алгоритмов для трасс протяженностью 2,6-5,7 тыс. км в зависимости от возмущенности ионосферы, времени суток, сезона и разработка рекомендаций для повышения эффективности дальней ВЧ радиосвязи.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы теории распространения радиоволн в ионосфере, методы математического моделирования, системный подход к анализу и синтезу алгоритмов автоматической обработки сигналов ЛЧМ-ионозонда при наличии помех. Теоретические результаты были получены с помощью аналитических методов теории вероятностей и математической статистики, методов корреляционного анализа. Также в работе применялись методы численного моделирования с использованием лицензированного пакета прикладных программ MathCad.

Научная новизна.

1. Созданы методики, позволяющие на основе данных наклонного зондирования ионосферной линии связи сложными ЛЧМ сигналами, производить в автоматическом режиме оценку: диапазонов оптимальных рабочих частот; среднего энергетического выигрыша при групповом использовании частот и плотности потока смены частот при автоматическом выборе оптимальной рабочей частоты из ДОРЧ; пропускной способности ионосферных радиоканалов на оптимальной рабочей частоте с заданной вероятностью ошибки принятого сообщения; помехоустойчивости радиоканалов с заданной достоверностью.

2. Теоретически обоснован и программно реализован алгоритм расчета помехоустойчивости ионосферных радиоканалов по данным наклонного зондирования линии связи сложным ЛЧМ сигналом при наличии помех, что позволило модернизировать аппаратно-программные средства радиозондирования ионосферы.

3. Создан банк экспериментальных данных диапазонов оптимальных рабочих частот для стандартных модемов связи. Получены статистически устойчивые экспериментальные оценки исследуемых характеристик радиоканалов для линий дальней ионосферной связи меридионального и широтного направлений протяженностью 2,6-5,7 тыс. км в условиях многолучевости.

4. Проведена экспериментальная оценка и сравнительный анализ помехоустойчивости ионосферных каналов при наличии помех на дальних радиолиниях протяженностью 2,6-5,7 тыс. км в различные сезоны года и время суток для стандартных модемов по данным наклонного зондирования ионосферы ЛЧМ сигналом.

Положения выносимые на защиту:

1. Методики обработки сложного ЛЧМ сигнала при наличии помех, позволяющие производить в автоматическом режиме оценку:

- диапазонов оптимальных рабочих частот при использовании в системе связи различных радиомодемов;

- среднего энергетического выигрыша при групповом использовании частот и плотности потока смены частот при автоматическом выборе оптимальной рабочей частоты из ДОРЧ;

- пропускной способности ионосферных радиоканалов на оптимальной рабочей частоте с заданной вероятностью ошибки принятого сообщения;

- помехоустойчивости ионосферных радиоканалов по данным наклонного зондирования линии связи сложным ЛЧМ сигналом при наличии помех.

2. Алгоритм расчета помехоустойчивости ионосферных радиоканалов по данным наклонного зондирования ионосферы, позволивший модернизировать аппаратно-программные средства системы радиозондирования ионосферы.

3. Набор экспериментальных данных полученных оценок: ДОРЧ, ОРЧ для радиолиний меридионального и широтного направлений протяженностью 2,6-5,7 тыс. км в условиях многолучевости и при наличии помех.

4. Набор экспериментальных значений помехоустойчивости на исследуемых радиолиниях в различные сезоны года и время суток для стандартных модемов, позволивший выработать рекомендации для повышения эффективности работы систем дальней ионосферной радиосвязи.

Практическая значимость работы. Практические результаты диссертационной работы связаны с возможностью применения разработанных методик и алгоритмов для задач диагностики и исследования ионосферных радиоканалов, а также в системах частотного обеспечения ионосферных радиолиний для повышения эффективности радиотехнических систем магистральной радиосвязи, радиовещания, радионавигации и загоризонтной радиолокации.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XXI Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн» (г. Йошкар-Ола, 2005); 60-й и 61-й Научных сессиях, посвященных Дню Радио (г. Москва, 2005, 2006); XI Региональной конференции «Распространение радиоволн» (г. Санкт-Петербург, 2005); ХII, XIII, XIV Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2006, 2007, 2008); Всероссийской научной конференции студентов по естественнонаучным и техническим дисциплинам, посвященной 75-летию Марийского государственного технического университета (г. Йошкар-Ола, 2007); Международной молодежной научной конференции ХIV, XIV Туполевские чтения (г. Казань, 2006, 2007, 2008); XIII, XIV, XV, XVI Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь» (г. Воронеж, 2007, 2008, 2009, 2010); 15 Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов, (г. Москва, 2009); Международных научно-технических конференция по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу - творчество молодых», (г. Йошкар-Ола, 2007, 2008, 2009).

Публикации. По теме диссертации опубликована 21 работа, из них: 3 статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 17 работ в сборниках статей, в трудах и тезисах конференций и симпозиумов; получено 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ

Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты работы использовались при выполнении исследований по государственным контрактам по Федеральным целевым научно-техническим программам: «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); «Научные и научно-педаго-гические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (госконтракт № 02.740.11.0233, шифр 2009-1.1-123-053-014); по проекту № 2.1.1/3896 Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы); при выполнении грантов Российского фонда фундаментальных исследований №№ 05-07-90313, 06-02-16089, 07-05-12047, 08-02-12081, 09-07-00331, 10-07-00466.

Результаты исследований реализованы в Управлении федеральной службы по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникации по Республике Марий Эл. Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе ГОУ ВПО «Марийский государственный технический университет».

Личный вклад автора. В работах [1, 3, 7, 8, 10, 12, 13, 15] выполнена разработка методик и алгоритмов расчета помехоустойчивости ионосферной радиосвязи. В работах [2, 4, 5, 6, 9, 11, 14, 17, 18, 20, 21] автором разработана методика автоматической оценки диапазонов оптимальных рабочих частот. Результаты расчета среднего энергетического выигрыша, плотности потока смены частот и скорости передачи данных для ионосферных радиоканалов выполнены в работах [1, 2, 16, 17, 19]. Автором проанализированы полученные результаты и сделаны основные выводы. Печатная работа [4] написана автором самостоятельно.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (143 наименования) и 3 приложений, изложена на 160 страницах машинописного текста, в котором приведено 28 рисунков и 14 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены научная новизна и практическая значимость результатов работы, приведена структура диссертации.

В первой главе на основе проведенного обзора литературы показано, что в ионосферных радиоканалах из-за возникающих при распространении радиоволн эффектов, таких как многолучевость, замирания сигнала и др., снижается помехоустойчивость приема сигнала и системы связи в целом. Возможность организовать устойчивую связь, используя ионосферные радиоканалы, в большой степени зависит от времени суток, условий космической погоды, мощности излучения и взаимного расположения передатчика и приемника. Сложные условия распространения и постоянно меняющаяся помеховая обстановка требуют знания сведений о текущих условиях распространения радиоволн и уровнях помех. Одним из эффективных способов повышения помехоустойчивости является использование систем частотного обеспечения и адаптация характеристик систем связи к условиям распространения радиоволн на радиолинии. В качестве систем частотного обеспечения ионосферной связи применяются радиозонды. На основе панорамного зондирования выполняется измерение ключевых параметров ионосферной радиолинии в некоторой полосе частот и прогнозирование дальнейших изменений состояния радиоканалов.

Основная проблема диагностики каналов ионосферной связи состоит в необходимости развития аппаратно-программных средств, позволяющих получать оценки помехоустойчивости и пропускной способности радиоканалов для повышения эффективности работы систем ионосферной ВЧ радиосвязи в диапазоне частот 3-30 МГц. В этой связи поставленная тема диссертационного исследования является актуальной. На основе проведенного анализа сформулирована цель работы и определены задачи диссертационного исследования.

Во второй главе проведен анализ функционирования адаптивных радиолиний и приведены методики определения: ДОРЧ, среднего энергетического выигрыша при групповом использовании частот и потока смены частот при автоматическом выборе рабочей частоты, оценки пропускной способности ионосферных радиоканалов на оптимальной рабочей частоте, а также помехоустойчивости ионосферных радиоканалов с заданной достоверностью.

При определении ОРЧ для систем связи можно рассматривать только частоты из диапазона от наименьшей наблюдаемой частоты (ННЧ) до максимально наблюдаемой частоты (МНЧ), в котором производится оценка качества каналов. Критерием качества является определяемое по ионограммам наклонного зондирования ионосферы отношение сигнал/шум (SNR) в рассматриваемом радиоканале. По заданному пороговому значению SNR находятся ДОРЧ, в пределах которого SNR не превышает своего порогового значения и выбираются наилучшие каналы для связи. Для выбранных каналов рассчитываются коэффициент двоичной ошибки (КДО = -lg(P_ош.)), максимальная скорость передачи данных; мощность передатчика, необходимая для обеспечения заданного уровня SNR.

В практике радиосвязи нередко среднее превышение SNR на данной частоте оказывается недостаточным для обеспечения приема информации с заданной достоверностью. Это приводит к необходимости использовать группу частот в интересах одного или нескольких радионаправлений с автоматическим выбором ОРЧ в любой требуемый момент времени. При этом средний энергетический выигрыш для отношения сигнал/шум (ДZ) при использовании группы частот Q по сравнению с работой на одной частоте определяется по формуле (1):

, (1)

где z₁ - превышение SNR при работе на одной частоте, z_д - допустимое значение превышения SNR; z_Q -превышение SNR при работе на Q частотах; - относительное значение допустимого превышения SNR. Результаты моделирования среднего энергетического выигрыша от применения группы частот для некогерентного приема ЧТ с узкополосным трактом и систем связи, использующих сигналы с 8ФМ модуляцией по экспериментальным данным наклонного зондирования ионосферы ЛЧМ сигналом приведены на рис. 1.



Рис. 1. Средний энергетический выигрыш для различных значений SNR и групп частот Q (при _z = 20 дБ)

- для некогерентного приема ЧТ с узкополосным трактом;

- для систем связи, использующие сигналы с 8ФМ модуляцией

Моделирование среднего энергетического выигрыша проводилось для следующих групп частот Q = 5; 10; 15; 50; 100; 200; 500; 1000 и _z = 5; 10; 15; 20 дБ. Установлено, что для систем связи, использующих сигналы с 8ФМ модуляцией средний энергетический выигрыш на 8 дБ выше, чем для узкополосного случая приема при одинаковых значениях превышения SNR из группы частот Q.

Среднее количество переходов с частоты на частоту в единицу времени в зависимости от относительного значения допустимого превышения SNR и корреляционной функции R_z (Дt) равно (2):

, (2)

где K(0) - среднее количество пересечений процессом z(t) среднего уровня.

Моделирование потока смены частот проводилось для модемов, использующих некогерентный прием ЧТ с узкополосным трактом и для систем связи, использующих сигналы с 8ФМ модуляцией для значения вероятности ошибок P_ош = 10^-2; 10^-3 ; 10^-4 ; 10^-5 и СКО SNR равным 5; 10; 15 и 20 дБ. Результаты моделирования для вероятности ошибки P_ош = 10^-3 представлены на рис. 2.

зондирование ионосферный радиосвязь

Рис. 2. График зависимости количества переходов с одной частоты на другую от среднего превышения SNR при P_ош = 10^-3 для различных значений

среднеквадратичного отклонения у_z

- для некогерентного приема ЧТ с узкополосным трактом;

____ - для систем связи, использующие сигналы с 8ФМ модуляцией

Результаты моделирования показали, что для обеспечения меньшей вероятности ошибок принимаемого сообщения при одинаковом числе переходов на «лучшую» частоту, требуется большее SNR. Например при узкополосном случае приема, при Р = 10^-4 , z_ср = 30 дБ, у_z = 20 дБ, число переходов К = 3, а при Р = 10^-3 , z_ср = 30 дБ, у_z = 20 дБ число переходов К = 2. С увеличением среднеквадратического отклонения SNR, т.е. вариаций уровня сигнала и шума в канале на 5дБ, в среднем, число переходов увеличивается в 2-3 раза. Для систем связи, использующих сигналы с 8ФМ модуляцией количество переходов на новую частоту меньше, чем для узкополосного случая приема при тех же значениях среднего значения SNR и среднеквадратического отклонения SNR.

Вероятность ошибки служит количественной мерой оценки помехоустойчивости приема информации. На ионосферных линиях радиосвязи помехоустойчивость определяется в основном отношением сигнал/шум на входе приемника, которое подвержено изменениям за счет случайных изменений уровней сигнала и помех в условиях быстрых и медленных замираний и оценивается как случайная величина. Значения интегральных функций распределения вероятности ошибки с вероятностью приема p_ош p_ош.доп. определяют помехоустойчивость ионосферного радиоканала ВЧ связи (3):

, (3)

где p_ош.доп - задаваемая допустимая вероятность ошибки.

Методика определения помехоустойчивости ионосферных радиоканалов по данным наклонного зондирования ионосферы ЛЧМ сигналом при наличии помех представляет следующую последовательность.

1. Принимаемый ЛЧМ сигнал, попадая в приемник обрабатывается методом сжатия в частотной области и выделяется низкочастотный разностный сигнал.

2. Разностный сигнал подвергается спектральному анализу (БПФ) с частотным разрешением дF. Последовательность спектров для всех частот из диагностируемого диапазона может быть представлена в виде ионограммы наклонного зондирования ионосферы.

3. Для сформированной ионограммы применяются процедуры обнаружения и удаления шумовых спектров, проводится пороговая обработка и удаление мелких объектов и восстановление треков мод на ионограмме.

4. Вычисляется SNR (z) для всего диапазона зондирования.

5. По массиву экспериментальных данных вычисляется среднее значение SNR за весь период наблюдения.

6. Вычисляется среднеквадратическое отклонение SNR у_z.

7. Для заданного значения P_ош.доп или КДО для различных случаев приема вычисляется допустимое SNR z_доп.

8. Далее, SNR, полученное с помощью ЛЧМ-ионозонда, пересчитывается в SNR для системы связи по формуле (4):

, (4)

где z - SNR для ионозонда; ₀ - излучаемая мощность сигнала ионозонда; Р_св - излучаемая мощность системы связи; f_св - полоса частот системы связи; F - частотное разрешение ЛЧМ ионозонда.

Моделирование помехоустойчивости ионосферных радиоканалов с заданной достоверностью показывает, что использование в системах связи сигналов с 8ФМ модуляцией приводит к увеличению энергетического выигрыша для SNR в сравнении с другими видами приема. Средний энергетический выигрыш составляет 8 дБ по сравнению с широкополосными системами связи и 14 дБ - для узкополосных систем.

Методика определения пропускной способности ионосферных радиоканалов на оптимальной рабочей частоте представляет следующую последовательность.

1. По экспериментальным данным наклонного зондирования ионосферы с помощью ЛЧМ ионозонда на заданной рабочей частоте определяются следующие канальные параметры: F_д, , SNR. На построенной характеристической поверхности модема определяется точка с заданными на первом шаге параметрами.

2. Если точка находится в области допустимых значений эффективной работы модема, то искомая скорость передачи в радиоканале будет равна R.

3. Если точка не входит в зону допустимых значений информационных параметров на поверхности характеристической функции модема, то скорость передачи информации понижается, и находится точка в зоне эффективной работы модема при более низкой скорости.

4. При переходе на следующую рабочую частоту, шаги 1-3 повторяются.

По результатам моделирования установлено, что в зависимости от состояния ионосферного радиоканала для помехоустойчивого приема информации необходимы разные SNR для обеспечения заданной пропускной способности ионосферного радиоканала. При пропускной способности радиоканала 300 бит/с для спокойной ионосферы SNR составляет 2 дБ, для умеренной ионосферы - 5 дБ, а для возмущенной - 15 дБ. В случае повышения пропускной способности канала связи до 1200 бит/с, требуемые значения SNR изменяются. Для спокойной ионосферы составляют 6 дБ, для умеренной - 8 дБ, для возмущенной - 20 дБ. При изменении состояния ионосферного радиоканала, используя один и тот же модем, необходимо проводить перестройку скорости передачи информации системы связи или изменять мощность излучения сигнала. Если необходимо обеспечить фиксированное значение мощности излучения и скорости передачи информации, необходимо изменить используемую рабочую частоту или модем.

В третьей главе дано научное обоснование работы аппаратно-программного комплекса наклонного зондирования ионосферы широкополосным ЛЧМ сигналом для определения помехоустойчивости и пропускной способности радиоканалов.

Общее выражение для ЛЧМ сигнала, излучаемого передатчиком ионозонда, может быть представлено в виде:

, (5)

где - текущая частота; , f_Н и f_К - начальная и конечная частоты излучаемого сигнала соответственно; - скорость изменения частоты, ₁ - начальная фаза сигнала.

После распространения диагностирующего ЛЧМ сигнала в ионосферном стационарном радиоканале, принимаемый сигнал a_R(t) можно записать следующим образом:

, (6)

где - фазовая задержка, |H(f)| - коэффициент ослабления сигнала при его распространении в ионосферном радиоканале, а частота является функцией времени.

Фазовая задержка ф_Ф ЛЧМ сигнала зависит от частоты излучаемого сигнала f: . Принимаемый ЛЧМ сигнал, попадая в приемник, обрабатывается методом сжатия в частотной области, который заключается в перемножении принимаемого ЛЧМ сигнала с сигналом гетеродина a_T(t), когерентным излучаемому ЛЧМ сигналу и выделении низкочастотного разностного сигнала.

Низкочастотный разностный сигнал A(t), выделяемый ФНЧ, можно записать в виде:

(7)

где .

Частота F разностного сигнала A(t) может быть вычислена нахождением производной от фазы по времени. Частоту разностного сигнала можно записать в следующем виде, она зависит от скорости изменения частоты ЛЧМ сигнала и его групповой задержки в ионосферном радиоканале:

(8)

где - групповая задержка ЛЧМ сигнала в ионосфере.

Далее разностный сигнал подвергается спектральному анализу с частотным разрешением F, которому соответствует время анализа
T_Э ~ 1/F и для каждого элемента сигнала вычисляется быстрое преобразование Фурье. Последовательность спектров для всех частот из диагностируемого диапазона (3-30 МГц) может быть представлена в виде ионограммы наклонного зондирования ионосферы (НЗИ), где разностная частота пересчитывается в задержку по формуле:

(9)

По ионограммам НЗИ в текущий момент времени определялась ОРЧ, на которой SNR имеет максимальное значение, и далее по массиву ОРЧ строится суточный ход ОРЧ. Примеры суточного хода ОРЧ для радиолинии г. Иркутск - г. Йошкар-Ола для весеннего периода для узкополосного и широкополосного сигналов приведены на рис. 3.

Рис. 3. Суточный ход ОРЧ для радиолинии г. Иркутск - г. Йошкар-Ола

Определение ДОРЧ по экспериментальным ионограммам НЗИ с помощью ЛЧМ сигнала представляет следующую последовательность:

1. Определение ННЧ в данный момент времени t_i по ионограммам наклонного зондирования ионосферы.

2. Определение МНЧ в данный момент времени t_i по ионограммам наклонного зондирования ионосферы.

3. Определение полосы пропускания декаметрового радиоканала в данный момент времени t_i .

4. Определение ОРЧ в диапазоне полосы пропускания радиоканала для момента времени t_i по критерию максимума SNR (Z) с помощью программы Ionogramm Explorer.

5. Определение КДО = -lg(P_ош) по заданной вероятности допустимой ошибки принимаемого сигнала P_oш.

6. Определение диапазона частот по заданному КДО, в пределах которого вероятность ошибки не превышает заданного допустимого значения.

7. Определение ДОРЧ радиоканала в данный момент времени t_i.

8. Шаги 1-7 повторяются для других моментов времени t_i

По разработанной во второй главе диссертации методике определения помехоустойчивости радиоканалов, составлен алгоритм ее расчета и разработано программное обеспечение с целью автоматизации проведения вычислительного и натурного экспериментов, на которое получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ [10].

В четвертой главе представлены результаты апробации разработанных методик и алгоритмов расчета ДОРЧ и помехоустойчивости ионосферных радиоканалов с заданной достоверностью, полученные на основе вычислительных и натурных исследований ионосферы, с помощью ЛЧМ сигнала на радиотрассах: г. Иркутск - г. Йошкар-Ола, г. Хабаровск - г. Йошкар-Ола и о. Кипр - г. Йошкар-Ола.

Экспериментальные значения отношений ДОРЧ/МНЧ для радиолинии о. Кипр - г. Йошкар-Ола с учетом использования различных модемов радиосвязи приведены в таблице. Аналогичные исследования были проведены на радиолиниях г. Иркутск - г. Йошкар-Ола и г. Хабаровск - г. Йошкар-Ола.

Таблица

Вид приема Время года	Некогерентный прием с ЧТ с узкополосным трактом	Некогерентный прием ЧТ с широкополосным трактом и суммированием мощностей парциальных лучей	Прием сигналов с 8ФМ модуляцией
Весна, день	0.72-0.87	0.77-0.85	0.58-0.99
Весна, ночь	0.77-0.96	0.79-0.88	0.57-0.999
Лето, день	0.82-0.98	0.85-0.94	0.54-1
Лето, ночь	0.78-0.95	0.8-0.92	0.51-0.999
Осень, день	0.78-1	0.93-0.95	0.55-1
Осень, ночь	0.665-1	0.9-0.92	0.685-1
Зима, день	0.64-0.92	0.85-0.91	0.57-0.988
Зима, ночь	0.59-0.9	0.82-0.9	0.53-0.99

Результаты экспериментальной оценки помехоустойчивости ионосферных каналов для радиолинии о. Кипр - г. Йошкар-Ола для дневного и ночного времени суток для узкополосного и широкополосного случаев приема приведены на рис. 4 и 5.

По результатам исследования помехоустойчивости ионосферных радиоканалов установлены следующие закономерности: для узкополосного приема для радиолинии о. Кипр - г. Йошкар-Ола для различных сезонов помехоустойчивость с вероятностью ошибки 10^-3 получилась достаточно высокой для диапазона (0,80-0,95) и составляет (0,9-0,99) для дневного и ночного времени суток. Для радиолинии г. Хабаровск - г. Йошкар-Ола диапазон ОРЧ сужается в 2 раза, а помехоустойчивость в 2 раза хуже, чем для соответствующих сезонов для радиолинии о. Кипр - г. Йошкар-Ола.



Рис. 4. Экспериментальные значения помехоустойчивости приема для некогерентного приема ортогональных сигналов с активной паузой

Рис. 5. Экспериментальные значения помехоустойчивости для случая приема с суммированием мощностей парциальных лучей

На радиолинии г. Иркутск - г. Йошкар-Ола наблюдаются два максимума на частотах 0,65 и 0,85. Значения помехоустойчивости в максимумах составляют 0,75 и 0,9 соответственно. Для всех случаев приема и исследуемых радиолиний в дневное летнее время помехоустойчивость выше, чем в соответствующее время для других сезонов.

В заключении сформулированы основные результаты работы и рекомендации по их использованию. Обозначены возможные направления дальнейших исследований.

В приложении приведены некоторые экспериментальные результаты авторских исследований, а также личный вклад автора в опубликованные работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Совокупность результатов выполненной работы можно квалифицировать как решение актуальной задачи повышения помехоустойчивости и пропускной способности радиоканалов ионосферной связи за счет применения радиозондирования линейно-частотно модулированными сигналами.

1. Разработана методика определения диапазонов оптимальных рабочих частот по данным наклонного зондирования ионосферы ЛЧМ сигналом. Создан банк экспериментальных данных диапазонов оптимальных рабочих частот для стандартных модемов связи. В результате исследований ДОРЧ установлено, что для всех исследуемых радиолиний для случая использования сигналов с 8ФМ модуляцией для всех сезонов наблюдается расширение границ ДОРЧ по сравнению со случаями некогерентного приема с ЧТ с узкополосным трактом и некогерентного приема ЧТ с широкополосным трактом и суммированием мощностей парциальных лучей. На радиолинии г. Иркутск - г. Йошкар-Ола для весеннего и осеннего периода нижняя граница ДОРЧ увеличивается на 37% для узкополосного приема и на 28% - для широкополосного приема. Для радиолинии о. Кипр - г. Йошкар-Ола для этого же периода днем нижняя граница ДОРЧ увеличивается на 19% по сравнению с узкополосным приемом и на 18% - по сравнению с широкополосным. Для радиолинии г. Хабаровск - г. Йошкар-Ола в летний период при переходе от ночного к дневному времени суток границы ДОРЧ остаются постоянными для всех случаев приема, а для зимнего периода происходит расширение в 2 раза границ ДОРЧ для ЧТ с узкополосным трактом и уменьшение в 2 раза - для ЧТ с широкополосным трактом и суммированием мощностей парциальных лучей.

2. Разработана методика нахождения среднего энергетического выигрыша от применения группы частот и плотности потока смены частот при автоматическом выборе рабочей частоты из ДОРЧ. В результате численного моделирования установлено, что при применении сигналов с 8ФМ модуляцией наблюдается энергетический выигрыш по отношению SNR в сравнении с другими модемами (видами приема) при обеспечении одинаковой помехоустойчивости. Например, на радиолинии г. Иркутск - г. Йошкар-Ола, Рпр = 0,95, выигрыш в отношении сигнал/шум на 14 дБ больше по сравнению с энергетическим выигрышем при использовании некогерентного приема ЧТ с широкополосным трактом и суммированием мощностей парциальных лучей и на 32 дБ по сравнению с некогерентным приемом ЧТ с узкополосным трактом. Результатом является снижение на порядок значений допустимых вероятностей ошибок при приеме данных и мощностей излучения систем радиосвязи.

3. Разработана методика оценки пропускной способности радиоканала ионосферной радиосвязи по экспериментальным данным наклонного зондирования ионосферы широкополосным ЛЧМ-сигналом. Получены экспериментальные зависимости значений пропускной способности радиоканала (R) от отношения сигнал/шум (Z), которые можно аппроксимировать полиномами второй степени: а) для случая спокойной ионосферы: R = Z² -8Z +16, где 2 дБ < Z < 6 дБ; б) для умеренной ионосферы: R = Z² -12Z +6, где 5 дБ < Z < 7 дБ; в) для возмущенной ионосферы: R = Z² -4Z -163, где 15 дБ < Z < 29 дБ. Для адаптации системы связи к изменениям состояния ионосферного радиоканала, используя один и тот же модем, необходимо проводить перестройку скорости передачи информации системы связи или изменять мощность излучения сигнала.

4. Разработаны методика и алгоритм оценки помехоустойчивости с заданной достоверностью по результатам наклонного зондирования ионосферы ЛЧМ сигналом. Алгоритм программно реализован, что позволило модернизировать аппаратно-программные средства системы радиозондирования ионосферы. Получены статистически устойчивые экспериментальные оценки помехоустойчивости радиоканалов на исследуемых линиях связи. Исследуемые радиолинии имеют различную протяженность и географическую ориентацию: г. Иркутск - г. Йошкар-Ола (3,5 тыс. км) и г. Хабаровск - г. Йошкар-Ола (5,7 тыс. км) имеют широтное расположение, а радиолиния о. Кипр - г. Йошкар-Ола (2,6 тыс. км) - меридиональное относительно силовых линий магнитного поля Земли. Условия распространения радиоволн и законы отражения от ионосферы будут различны. Снижение помехоустойчивости ионосферных радиоканалов вызывают следующие факторы: эффекты многолучевости при распространении сигналов, затухание и замирания сигнала.

5. Разработаны рекомендации по повышению помехоустойчивости и пропускной способности радиоканалов ионосферной связи с использованием панорамного ЛЧМ ионозонда. Установлено, что наиболее эффективным методом, позволяющим оценить состояние канала и его оптимальные характеристики, является предсеансовое наклонное зондирование ионосферных ВЧ радиоканалов ЛЧМ сигналами. Совокупность полученных автором результатов и рекомендаций для практики ионосферной радиосвязи позволяет повысить эффективность радиотехнических систем передачи информации.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Научные статьи, опубликованные в изданиях, определённых ВАК

1. Иванов, В. А. Оценка надежности декаметровых систем передачи информации по экспериментальным данным панорамного зондирования ионосферы широкополосным сигналом / В. А. Иванов, Н. В. Рябова, М. И. Бастракова // Телекоммуникации. - 2010. - № 2. - С. 12-27.

2. Иванов, В. А. Экспериментальное исследование диапазонов оптимальных рабочих частот адаптивных дальних радиолиний по результатам панорамного зондирования ионосферы ЛЧМ сигналом / В. А. Иванов, Н. В. Рябова, М. И. Бастракова // Вестник ННГУ им. Н. И. Лобачевского. - 2010. - № 3. - С. 35-42.

3. Рябова, Н. В. Оптимизация информационно-технических характеристик систем декаметровой радиосвязи для повышения их надежности / Н. В. Рябова, М. И. Бастракова // Вестник МарГТУ. - 2010. - № 2. - С. 21-27.

Научные статьи, опубликованные в других изданиях

4. Бастракова, М. И. Экспериментальное исследование диапазонов оптимальных рабочих частот декаметровых систем связи / М. И. Бастракова // Вестник МарГТУ - 2008. - № 2(3). - С. 3-12.

Статьи, опубликованные в сборниках международных

и всероссийских конференций

5. Результаты измерения и фильтрации помех в КВ диапазоне / В. А. Иванов, Н. В. Рябова, М. И. Бастракова, В. В. Павлов, Ю. А. Токарев // Радиолокация, навигация и связь: труды 9-й Международной научно-технической конференции (RLNCC2005). - Воронеж, 2005. - С. 654-659.

6. Иванов, В. А. Характеристики одномодовых каналов ионосферного распространения декаметровых радиоволн / В. А. Иванов, Д. В. Иванов, Н. В. Рябова, М. И. Бастракова [и др.] // Распространение радиоволн: труды XXI Всероссийской научной конференции. - Йошкар-Ола, 2005. - Т. 1. - С. 216-219.

7. Рябова, Н. В. Экспериментальное исследование влияния условий распространения радиоволн в среднеширотной ионосфере на надежность декаметровых систем радиосвязи / Н. В. Рябова, М. И. Бастракова, А. В. Мальцев // Материалы 61-ой научной сессии, посвященной Дню Радио, 17-19 мая 2006 г. - М., 2006. - С. 68-70.

8. Рябова, Н. В. Исследование надежности декаметровых систем связи на трассах протяженностью 2.6-5.7 Мм на основе данных панорамного зондирования ионосферных радиолиний / Н. В. Рябова, М. И. Бастракова, А. В. Мальцев // Радиолокация, навигация и связь: труды 13-й Международной научно-технической конференции (RLNCC2007). - Воронеж, 2007. - С. 1187-1197.

9. Иванов, В. А. Экспериментальная оценка диапазонов оптимальных рабочих частот ионосферных радиолиний и скорости передачи данных декаметровых радиосистем / В. А. Иванов, Н. В. Рябова, М. И. Бастракова // Радиолокация, навигация и связь: труды 15-й Международной научно-технической конференции. (RLNCC2010). - Воронеж, 2010. - С. 1049-1056.

Свидетельства о государственной регистрации разработки

10. Рябова Н. В., Бастракова М. И. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Программа расчета надежности приема сигналов в декаметровых ионосферных системах связи по результатам наклонного зондирования ионосферы широкополосным ЛЧМ сигналом» № 2010616855 от 14.10.2010, Роспатент. - М, 2010.

Тезисы докладов, опубликованные в сборниках

международных и всероссийских конференций

11. Влияние на характеристики остаточной компоненты суточного хода максимально наблюдаемых частот уровня геомагнитной активности / В. А. Иванов, Н. В. Рябова, Лыонг Вьет Лок, А. М. Насырова, М. И. Бастракова // Тез. докл. 60-й научной сессии, посвященной Дню радио. - М.: МЭИ, 2005. - С. 141-142.

12. Расчет надежности коротковолновой связи с заданной достоверностью / Н. В. Рябова, М. И. Бастракова, А. В. Мальцев // Тез. докл. 12 Международная научно-технической конференции студентов и аспирантов. - М.: МЭИ, 2006.- Т. 1. - С. 560.

13. Рябова, Н. В. Исследование надежности приема с заданной достоверностью для декаметровых каналов связи на основании наклонного зондирования ионосферы ЛЧМсигналом / Н. В. Рябова, М. И. Бастракова, А. В. Мальцев // Тез. докл. Международной молодежной научной конференции XIV Туполевские чтения. - Казань, 2006. - С. 59-60.

14. Бастракова, М. И. Исследование статистики ОРЧ на радиолиниях различной протяженности / М. И. Бастракова, М. Е. Тарасова // Тез. докл. Всероссийской научной студенческой конференции. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2007. - С. 54.

15. Бастракова, М. И. Моделирование надежности ДКМ радиосвязи с применением помехозащищенных сигналов / М. И. Бастракова, Н. А. Вычугжанина, П. М. Юрьев // Тез. докл. Международной молодежной научной конференции XV Туполевские чтения. - Казань, 2007. - С. 48.

16. Бастракова, М. И. Моделирование потока смены частот при автоматическом выборе рабочей частоты / М. И. Бастракова, А. А. Смирнова // Тез. докл. Международной студенческой конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2008. - С. 45.

17. Бастракова, М. И. Исследование характеристик помехоустойчивости декаметровых модемов связи с помощью ЛЧМ ионозондов / М. И. Бастракова, Е. А. Семин, Ю. А. Петров // Тез. докл. Международной молодежной н.-т. конференции XVII Туполевские чтения. - Казань, 2009. - С. 78-79.

18. Бастракова, М. И. Исследование статистики ОРЧ с помощью ЛЧМ ионозонда на среднеширотных радиолиниях / М. И. Бастракова, Е. А. Семин // Тез. докл. Международной студенческой конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2009. - С. 38.

19. Бастракова, М. И. Моделирование характеристик помехоустойчивости для различных модемов КВ связи / М. И. Бастракова, Ю. А. Петров // Тез. докл. Международной студенческой конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2009. - С. 57.

20. Бастракова, М. И. Определение диапазонов оптимальных рабочих частот среднеширотных радиолиний по данным наклонного зондирования ионосферы / М. И. Бастракова, М. И. Рябова, П. Е. Сарафанников, А. А. Чернов // 52-я научная конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук»: тез. докл. / ГОУВПО «МФТИ (ГУ)» - М., 2009. - VIII. - С. 41-44.

21. Бастракова, М. И. Экспериментальное исследование диапазонов оптимальных рабочих частот в периоды различной солнечной активности / М. И. Бастракова, М. И. Рябова, П. Е. Сарафанников, А. А. Чернов // Тез. докл. 16 Международная н.-т. конференции студентов и аспирантов. - М.: МЭИ, 2010. - Т. 1. - С. 105-106.

Формат 60х84 ¹/₁₆. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0.

Тираж 100 экз. Заказ Н213.

Типография Издательства Казанского государственного

технического университета

420111, Казань, ул. К. Маркса, 10

Размещено на Allbest.ru

...