СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИОНОСФЕРНЫХ КАНАЛОВ РАДИОСВЯЗИ
METHOD OF MEASURING AMPLITUDE-FREQUENCY CHARACTERISTICS OF RADIO COMMUNICATION IONOSPHERIC CHANNELS

Изобретение относится к области техники радиосвязи и может быть использовано при наклонном зондировании ионосферы для определения характеристик ионосферных каналов радиосвязи и выбора рабочих частот в системах ДКМВ связи на основании их амплитудно-частотных характеристик (АЧХ).
Известен способ измерения АЧХ каналов связи, заключающийся в излучении, приеме и анализе тестовых сигналов [1, 2] Передающий и приемный пункты при этом находятся в разных концах анализируемого канала связи и могут быть разнесены на расстояния до нескольких тысяч километров. При анализе ДКМВ радиоканалов в качестве тестового обычно используется широкополосный сигнал с импульсной, линейно-частотной или кодовой модуляцией. Обработка принятого сигнала в приемной аппаратуре на первом этапе заключается в получении осциллограмм наклонного зондирования (НЗ) - зависимости амплитуды принимаемых сигналов от времени распространения. Современные станции НЗ используют большое число рабочих частот (обычно несколько сотен) или работают в режиме непрерывной перестройки частоты и за один цикл зондирования получается несколько сотен осциллограмм НЗ, относящихся к разным частотам. Последующая обработка заключается в их совместном анализе, выделении мод, различающихся способом распространения, и построении дальностной-частотной (зависимость времени распространения от частоты - ДЧХ), амплитудно-частотной (зависимость амплитуды от частоты - АЧХ) характеристик и зависимости соотношения сигнал/помеха от частоты (S/N) для различных мод. Эти данные используются для выбора рабочих частот и управления работой радиосвязных и радиотехнических систем [2]. Основным источником информации, как правило, являются ДЧХ. АЧХ же используются мало. Причина не в том, что эта характеристика неинформативна, а в малой точности ее измерения.
Это связано с двумя причинами:
1. Большое время измерения (в среднем 3-4 минуты). При этом частоты просматриваются последовательно и среднее время измерения на каждой частоте менее секунды. Поэтому первая точка АЧХ соответствует 1 секунде измерения, а последняя - концу 3-4-й минуты, и результирующая АЧХ может быть сильно искажена.
2. Малая точность измерения каждой точки АЧХ, что связано с тем, что в условиях, характерных для ДКМВ диапазона райсовских замираний, время, требуемое для достоверной оценки средней амплитуды сигнала, составляет 50-100 с, в то время как реальное время измерения - менее 1 с [3, 4].
Поэтому полученные при многочастотном зондировании АЧХ и зависимости S/N от рабочей частоты имеют вид случайной функции с многочисленными максимумами и минимумами, что связано с недостаточным временем измерения в условиях быстрых замираний и воздействием сосредоточенных помех [5, 6]. Преодолеть эту сложность в многочастотных станциях НЗ не удается.
Для получения достоверных оценок средней амплитуды сигнала, а именно их величина, в первую очередь, важна для управления работой радиосистем, применяется способ усреднения сигнала за какой-то характерный период времени (накопление сигнала), что одновременно приводит к улучшению соотношения сигнал/шум, но требует увеличения времени измерения. Этот способ был положен в основу работы приемоизмерительного комплекса наклонного зондирования «Невод-200», предназначенного для исследований многолучевости на радиотрассах ДКМВ диапазона. Способ принят в качестве прототипа. Описание способа измерений, оценки его точности и характеристики комплекса «Невод-200» приведено в [3, 4].
р
ПС
СОЭ
2
2
0,5
Комплекс в течение 20 лет использовался в измерениях на радиотрассах различной протяженности и позволил установить многие особенности распространения радиоволн, обнаружить ранее неизвестные способы распространения и оценить эффективность самого способа. На фиг.1 для примера приведена полученная с его помощью осциллограмма. Измерения проводились в Тихом океане, принимался сигнал станции РИД (Иркутск) длительностью 20 мс. На частоте 15004 кГц одновременно принимались: прямой сигнал - ПС (1), пришедший по короткой части дуги большого круга, связывающей передатчик и приемник, сигнал обратного эхо - СОЭ (2), пришедший по длинной его части, а также кругосветный сигнал - КС (3). На частоте 10004 кГц одновременно принимался экваториальный боковой сигнал (5), рассеянный ионосферными неоднородностями. Хорошо видно, что ПС и СОЭ частично перекрываются, и на общем интервале они складываются по мощности (4). Амплитуда результирующего сигнала А=(А +А ). При отсуствии накопления в многочастотных станциях НЗ эта осциллограмма сильно искажена из-за влияния замираний и шумов, и определение наличия и формы сигналов затруднено.
Комплексу «Невод-200» присущ ряд недостатков, а именно:
1. Непосредственно не измеряются АЧХ и ДЧХ.
2. Отсуствует панорамный прием помех.
3. Использование способа определения помех по незанятым сигналам интервалам времени недостаточно точно при длительных сигналах.
Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является получение возможности построения АЧХ каналов связи и увеличения точности измерения шумов при высокой точности и чувствительности измерений среднего значения амплитуд полезных сигналов.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе измерений амплитудно-частотных характеристик ионосферных каналов радиосвязи, включающем получение осциллограмм наклонного зондирования с использованием некогерентного накопления сигналов за время, достаточное для измерения средней амплитуды принимаемого сигнала в условиях быстрых замираний, осциллограммы получают одновременно на нескольких фиксированных рабочих частотах, участки АЧХ между точками измерений строят путем интерполяции с использованием моделей, а измерение АЧХ помех проводят между сеансами зондирования ионосферных каналов. АЧХ шумов и помех строят по результатам многочастотных измерений в перерывах между сеансами зондирования.
Отличительными признаками заявленного способа являются следующие:
1. При измерении АЧХ сигнала используют усреднение (накопление) осциллограмм наклонного зондирования за время, существенно большее периода быстрых замираний сигнала. Для ионосферных каналов радиосвязи оно лежит в пределах 50-120 секунд.
2. Измерения амплитуд сигналов проводят одновременно на нескольких частотах, используя для построения АЧХ между точками измерений модели распространения радиоволн.
3. Измерение АЧХ помех проводят на большем наборе частот в перерывах между измерениями на рабочих частотах. Возможно использование измерения помех на тех же рабочих частотах по участкам осциллограмм, не занятых сигналом.
Для построения АЧХ помех многочастотный режим оправдан, так как не требуется измерения осциллограммы на каждой из частот и время измерения может быть сокращено в сотни раз по сравнению с режимом наклонного зондирования. По этим двум АЧХ (сигнала и помех) строится зависимость S/N от рабочей частоты.
Для упрощения аппаратуры зондирование может проводиться не одновременно, а с быстрым переключением частот и приемом одним переключаемым радиоприемным устройством, однако при этом необходимо обеспечить достаточное для достоверной оценки амплитуды число циклов накопления при условии, чтобы время измерения не превысило время стационарности канала связи. Оценки показывают, что максимальное число частот при этом не должно превосходить ~10. Для обеспечения измерений на большем числе частот необходим многоканальный прием.
На фиг.2. приведена функциональная схема предлагаемого способа измерения. Цифрами на нем обозначены:
1 - прием сигнала антенной; 2 (2.1-2.n) - прием сигнала независимыми радиоприемными устройствами; 3 - преобразование сигнала в цифровую форму; 4 - местная шкала времени, используемая для синхронизации измерений; 5 - построение осциллограммы; 6 - построение усредненной осциллограммы; 7 - построение АЧХ сигнала с использованием моделей; 8 - построение АЧХ шумов и помех; 9 - построение усредненной АЧХ шумов и помех; 10 - синтез итоговой АЧХ и вычисление соотношения сигнал/помеха.
Способ осуществляют следующим образом.
Сигналы, принятые на каждой из рабочих частот, оцифровывают и по ним строят осциллограммы НЗ с использованием синхронизации приемного и передающего пунктов по периоду зондирующих сигналов. Для синхронизации используют сигналы единого времени, передаваемые навигационными спутниками (системы GPS, ГЛОНАСС), или по радиоканалам ДКМВ, СДВ, или телевизионного диапазона. Осциллограммы получают на нескольких фиксированных частотах с использованием некогерентного накопления сигналов за время, достаточное для измерения средней амплитуды сигнала в условиях быстрых замираний, а участки АЧХ между точками измерений строят путем интерполяции с использованием моделей. Измерение АЧХ помех проводят на большем наборе частот в перерывах между измерениями на рабочих частотах.
о
п
Применение некогерентного накопления приводит не только к повышению точности измерений, но и к повышению чувствительности приемной аппаратуры. С другой стороны, оно накладывает ряд ограничений на аппаратуру НЗ. Известно, что время стационарности ионосферных каналов связи составляет 5-15 минут, а время, достаточное для достоверной оценки средней амплитуды сигнала в райсовском канале, составляет 1-2 мин. Очевидно, что время измерения на всех частотах Т должно лежать в пределах между этими временами. Время измерения осциллограммы на одной частоте равно длительности анализируемого интервала времени (t) плюс время переключения частоты (t). Полное время измерения на всех рабочих частотах в этом случае:
o
n
1
2
Т=(t+t)·n·n,
1
где n - число циклов накопления;
2
n- число используемых частот.
Возможность использования предлагаемого способа показана на примере проведения измерений с помощью измерительного комплекса НЗ «Невод-200» и последующей обработки данных.
В этом комплексе, предназначенном для исследований многолучевости на трассах наклонного зондирования при работе с импульсными передатчиками НЗ, реализован способ одновременного приема на четырех фиксированных частотах, выбираемых независимо. В каждом цикле зондирования измерялась осциллограмма НЗ. При обработке в реальном времени осциллограмма накапливалась (усреднялась) за время, существенно большее периода быстрых замираний. В результате получалось до 4-х точек АЧХ с точностью 2-5%.
Возможность использования предлагаемого способа была проверена при обработке результатов измерений, проведенных в экспериментах на радиотрассах различной протяженности (от нескольких сотен до десятков тысяч километров) в различных географических районах [4,6-8]. Она демонстрируется результатами эксперимента по приему сигнала наклонного зондирования на радиотрассе Иркутск - Тихий океан протяженностью около 18000 км. В этом эксперименте принимались сигналы станции единого времени РИД (Иркутск), работающей на 3-х частотах вблизи 5, 10 и 15 МГц.
На фиг. 3 приведена усредненная осциллограмма, полученная в Тихом океане при приеме станции РИД (Иркутск) 7.07.80 в сеансе 22.56. Протяженность прямой радиотрассы 16600 км, наклон к плоскости экватора 70°. Рабочая частота 14996 кГц, период дискретизации 1.5 мс, время накопления 240 с. Погрешность измерения средней амплитуды не превышает 5%. Видно, что одновременно принимались 2 сигнала: прямой сигнал (ПС), прошедший по короткой части дуги большого круга, связывающей передатчик и приемник протяженностью 16600 км и сигнал обратного эхо (СОЭ), прошедший по длинной ее части (23400 км). Полученные в результате измерений усредненные осциллограммы сигналов использовались для определения средних амплитуд сигналов и помех. Уровень помех определялся по не занятым сигналами участкам дистанции анализа. Полученные данные использовались для построения АЧХ и зависимостей соотношения S/N от рабочей частоты для каждой из принимаемых мод. Для построения участков АЧХ между точками измерений использовались модели ионосферных каналов, которые для трасс разной длины и ориентации могут быть различными.
Для трасс большой протяженности использовалась модель, согласно которой средняя амплитуда сигнала запишется в виде [4]:
0
1
2
где А - коэффициент, определяемый мощностью передатчика, коэффициентом усиления антенн под азимутами излучения α и приема α, а также расходимостью волнового фронта и определяемый экспериментально;
2
2
Г - эквивалентное поглощение некоторого «среднего» луча углового спектра лучей, формирующих амплитуду сигнала в точке приема. Введение Г возможно в случае, когда поглощение на краях спектра различается несильно.
1,2
2
F(α,Δ) - диаграммы направленности антенн, где α и Δ - азимутальный и вертикальный углы излучения (1) или приема (2).
1m
1m
МПЧ
1
1
В модели предполагается, что в формировании сигнала принимают участие лучи, соответствующие углам излучения от 0 до Δ, где Δ=f(f), влияние ионосферных наклонов сводится к преобразованию углов Δ±δΔ, а распределение интенсивности по углам Δ определяется диаграммой направленности передающей антенны F(α, Δ).
s
s
Использование этой модели позволяет на основе результатов измерений средних амплитуд сигналов на нескольких фиксированных частотах построить зависимость суммарных потерь Г на трассе распространения в зависимости от частоты для момента измерений. На фиг.4 приведен график изменения Г(f), построенный по результатам измерений в интервале от 11 до 19 часов на трассе протяженностью 18 тыс.км.
s
s
По горизонтальной оси графика отложена частота, а по вертикальной, справа от графика, величина Г на 16 часов МДВ. Для удобства изображения шкала Г с течением времени равномерно перемещается вниз. Слева от графиков отмечены положения деления шкалы «40 дБ» в разные моменты времени, которые отмечены у каждого графика. Графики имеют минимум, соответствующий оптимальной рабочей частоте. Эти данные могут использоваться для управления работой линии радиосвязи. Очевидно, что амплитудно-частотные характеристики могут быть получены из таких графиков.
Литература
1. А.с. 1305880 СССР, МПК H04B 3/46. Способ измерения характеристики группового времени замедления и амплитудно-частотной характеристики канала связи. / А.Д.Зорьев (СССР). - 4475118/24-09; Заявлено 08.08.88; Опубл. 07.10.90; Бюл. №37. - 4 с; ил.
2. В.А.Иванов, Н.В.Рябова, В.В.Шумаев. Основы радиотехнических систем ДКМ диапазона. Йошкар-Ола, 1998, с.151.
3. Брянцев В.Ф., Ежов А.И., Красильникова Л.М., Тихонов Ю.Г. К методике измерения средних характеристик радиосигналов на трассах наклонного зондирования. В кн.: Исследования по геомаг. аэрономии и физике солнца. М.,1984, вып. 67, с.188-196 (прототип).
4. Брянцев В.Ф. Исследования и испытания каналов радиосвязи с подвижными объектами с использованием радиофизических методов среды распространения радиоволн. Диссертация доктора ф-м наук. Н.Новгород. 2000 г.
5. Брянцев В.Ф., Стародубровский А.С., Щирый А.А. Интерференционные явления при многолучевости на трассах наклонного зондирования и их влияние на диагностику каналов радиосвязи. // Труды 12 международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (RLNC*2006), Воронеж, 2006, С.1037-1045.
6. Брянцев В.Ф., Стародабровский А.С. Проблемы создания системы диагностики ионосферы для проведения трассовых испытаний. Труды 11 международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (RLNC*2005), Воронеж, 2005, С.600-607.
7. Брянцев В.Ф., Бахметьева Н.В., Бубукина В.Н. и др. Комплексные экспериментальные исследования радиоканала ДКМВ диапазона и его математическое моделирование. // Техника средств связи. Техника радиосвязи. Вып. 2 М. 1990 с.3-11.
8. Брянцев В.Ф. О причинах появления перемещающихся сигналов на транс-экваториальных трассах. // Изв. вузов: Радиофизика, 1998. т.31, N3, с.395-402, с.395-402.