СПОСОБ ВЫБОРА РАБОЧИХ ЧАСТОТ ДЛЯ РАДИОЛИНИЙ ИОНОСФЕРНЫХ ВОЛН
METHOD OF SELECTING RADIO LINK OPERATING FREQUENCIES FOR IONOSPHERIC WAVES

Изобретение относится к технике радиосвязи и может быть использовано для оперативного выбора рабочих частот на пунктах ионосферно-волновой и частотно-диспетчерской службы радиоцентров при ограниченности частотного ресурса декаметрового диапазона.
Выбор рабочих частот осуществляется в условиях сложной сигнально-помеховой обстановки и воздействия помех. Одним из видов помех являются интермодуляционные помехи (ИМП), которые проявляются в нелинейном тракте радиоприемного устройства при наличии двух или более сигналов (помех), вызывающих в полосе пропускания тракта появления новых спектральных составляющих с частотами, равными сумме или разности частот сторонних сигналов или их гармоник. Данный вид помех искажает реальную загрузку анализируемого диапазона частот при измерении уровней помех.
Сравнительный анализ проведенных исследований [Вопросы оптимизации радиотрактов приемных систем и комплексов // Технические и научно-методические материалы / Под редакцией Челышева В.Д. - Л.: ВАС, 1983 г.; Медынский С.А., Мирзаев А.И., Левша А.В. // Экспериментальные исследования характеристик внешних помех ОВЧ диапазона в городских условиях / Наукоемкие технологии. - 2008. - Вып.1. - №1. - С.12-15] показывает, что наибольшую опасность для РПТ несут ИМП третьего порядка, вида 2f1-f2, 2f2-f1, где f1, f2 - частоты первой и второй помехи.
Известен способ выбора рабочих частот, реализованный, например, в устройство автоматического выбора рабочих частот по а.с. СССР №1501284, заявл. 13.05.87, опубл. 15.08.89, бюллетень №30, где осуществляется автоматический выбор оптимальных частот радиосвязи для нескольких радиолиний приемного радиоцентра из числа выделенных для связи частот, на которых в момент анализа наблюдаются минимальные значения текущих уровней помех. При этом в качестве рабочей частоты выбирается частота с минимальным уровнем помех из группы частот, удовлетворяющих заданному качеству связи.
Недостатком данного способа является относительно низкая достоверность выбора оптимальных рабочих частот (под оптимальной рабочей частотой понимается такая частота, на которой обеспечивается максимальная длительность работы радиолинии без перестройки на другие частоты), а также недостаточное количество выбранных для работы частот, в результате чего не обеспечивается качественная работа радиолиний приемного радиоцентра. Это объясняется учетом при выборе рабочей частоты информации только об одном параметре уровней помех - текущем значении уровней помех на анализируемых частотах - и не учитывается возможность уменьшения интенсивности ИМП.
Существуют различные способы и устройства борьбы с ИМП, реализующие такие направления, как расширение динамического диапазона по интермодуляции третьего порядка, компенсация ИМП, настройка фильтров на мощные сигналы, ограничение полосы пропускания.
Известен способ «Фильтрация помех в приемниках сотовой радиосвязи» [РЖ «Радиотехника», 2003, 03.12-24Г.80 или Microwaves and RF. 2003. - 42, №5, с.88, 90, 92, 94 (англ.)], заключающийся в том, что для устранения интермодуляционных помех используется режекторный фильтр, вырезающий конкретные полосы частот, на которых есть мощные сигналы.
Недостатком способа является использование режекторного фильтра без учета влияния этих сигналов на создание ИМП на рабочих частотах радиолинии.
доп
доп
доп
доп
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению (прототипом) является способ выбора рабочих частот, описанный в книге: Комарович В.Ф., Сосунов В.Н. Случайные радиопомехи и надежность KB связи. - M.: Связь, 1977. Известный способ заключается в том, что предварительно задают виды работы и соответствующие им типы эталонных сигналов для работы радиолинии, выделяют номиналы N≥2 разрешенных для радиосвязи частот, задают параметры используемых в радиолинии антенн и минимально допустимое отношение уровней сигнал/помеха z, определяют диапазон частот, пригодный по условиям отражения сигнала от ионосферы на основе трассового зондирования ионосферы, и вычисляют для каждого вида работы максимально применимые и наименьшие применимые частоты (МПЧ и НПЧ), в интервалах между которыми выделяют из числа разрешенных M частот, пригодных по условиям распространения радиоволн, на каждой из M частот измеряют уровни помех, вычисляют уровни сигнала и рассчитывают текущее отношение уровней сигнал/помеха z, которое сравнивают с z, после чего частоты, на которых выполняется условие z<z, отбраковывают, а частоты, на которых z>z, запоминают и из их числа выбирают рабочие частоты.
Недостатком известного способа является невысокая достоверность определения пригодности для связи частот только по соотношению амплитуд сигнала и помехи без учета возможности определения и подавления ИМП, что приводит к отбраковыванию радиочастот, которые могут быть использованы для работы радиолинии.
Технический результат предлагаемого способа - повышение достоверности определения пригодности радиочастот.
доп
доп
доп
доп
доп
2
Технический результат предлагаемого способа достигается тем, что предварительно задают виды работы и соответствующие им типы эталонных сигналов, задают параметры используемых в радиолинии антенн и минимально допустимое отношение уровней сигнал/помеха z, определяют диапазон частот, пригодный по условиям отражения сигнала от ионосферы, и вычисляют максимально применимые и наименьшие применимые частоты, в интервалах между которыми выделяют М≥2 разрешенных для радиосвязи частот, пригодных по условиям распространения радиоволн, отличающийся тем, что при помощи измерительного приемника, выполненного с режекторным фильтром, с возможностью изменения коэффициента передачи и измерения интермодуляционных помех на каждой из M частот в диапазоне от 3 до 30 МГц измеряют уровни помех, рассчитывают текущее отношение уровней сигнал/помеха z, которое сравнивают с z, после чего Q частоты, на которых не выполняется условие z>z, и M-Q частоты, на которых z>z, запоминают, затем в диапазоне от 3 до 300 МГц измеряют мощные помехи, запоминают Ρ частот с уровнем помех более порогового (60 dB/мкВ), после чего изменяют коэффициент передачи К входного устройства измерительного приемника в n раз, измеряют и запоминают уровни помех на каждой из Q частот, определяют L частоты, на которых уровень помех изменился в n раз, и запоминают эти частоты, после чего для каждой из L и Ρ частот рассчитывают и запоминают значения G и Η частот, помехи на которых в комбинации с мощными помехами на Ρ частотах создают интермодуляционные помехи третьего порядка на L частотах, измеряют уровни помех на G и H частотах и сравнивают с пороговым (60 dB/мкВ) и отбраковывают частоты, если уровень менее порогового, запоминают оставшиеся G и H частоты, после чего на частоту с большим уровнем помехи из Р, G и H настраивают режекторный фильтр и подавляют на соответствующей частоте L интермодуляцию третьего порядка, измеряют на L частотах уровень помех, вычисляют отношение уровней сигнал/помеха z и частоты, на которых выполняется условие z>z, запоминают и выбирают в качестве дополнительных рабочих частот к M-Q частотам.
Диапазон частот, пригодный по условиям отражения сигнала от ионосферы, определяют методом вертикально-наклонного или вертикального зондирования.
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mi>min</mi></mrow><mrow><mi>О</mi><mi>Р</mi><mi>Ч</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mi>max</mi></mrow><mrow><mi>О</mi><mi>Р</mi><mi>Ч</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>F</mi><mi>P</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>f</mi><mrow><mi>max</mi></mrow><mrow><mi>О</mi><mi>Р</mi><mi>Ч</mi></mrow></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>f</mi><mrow><mi>min</mi></mrow><mrow><mi>О</mi><mi>Р</mi><mi>Ч</mi></mrow></msubsup></mrow>
доп
п
с
доп
доп
2
Благодаря новой совокупности существенных признаков в способе реализована возможность выбора рабочих частот как с учетом соотношения поглощения сигнала в ионосфере и энергетических параметров используемых в радиолинии технических средств по известным методикам [5, с. 135-150]. Оптимально рабочую частоту (ОРЧ) вычисляют как ОРЧ=(0,8-0,9) МПЧ [5, с. 135-150]. Условный пример построения суточного хода МПЧ, НПЧ, ОРЧ показан (фиг.1), из которого видно, что для конкретной трассы диапазон ОРЧ может изменяться от
до
. Следовательно, отбраковывают те частоты, номиналы которых лежат вне интервала
(фиг. 3). Затем оставшиеся M частоты проверяют на их пригодность по условиям помеховой обстановки, с этой целью вычисляют на каждой из оставшихся частот отношение z уровней сигнал/помеха и сравнивают его с предварительно заданным минимально допустимым уровнем z. Порядок проверки пригодности частот по условиям помеховой обстановки известен и описан в книге [3, с. 116-125]. Он заключается в том, что на каждой из разрешенных частот измеряют уровень помех U, например, по методике, описанной в книге [2, с. 12-15]. Уровень сигнала U рассчитывают на каждой частоте для всех предварительно заданных видов работы с использованием общего уравнения радиопередачи [6, с. 20]. Частоты, на которых не выполняется условие z>z, отбраковывают по условиям помеховой обстановки и запоминают, а фиг. 5 (условно) показаны отбракованные частоты (f1, f3, f5, f7, f9), а на фиг. 6 - пригодные. Таким образом, из N предварительно заданных для работы радиолинии частот пригодными оказываются только частоты, на которых выполняются как условия по отражению от ионосферы, так и помеховой по обстановке, т.е. условие z>z. В то же время отбракованные по условиям анализа помеховой обстановки частоты могут оказаться пригодными для работы радиолинии, если на данных частотах присутствуют результаты нелинейных явлений, одним из которых является ИМП третьего порядка, вида 2f1-f2, 2f2-f1, где f1, f2 - частоты первой и второй помехи. Для определения и подавления таких помех в разрабатываемом способе предлагается использовать измерительный приемник, выполненный с режекторным фильтром, с возможностью изменения коэффициента передачи и измерения интермодуляционных помех и измерять в диапазоне 3-300 МГц мощные помехи на Ρ частотах с уровнем более порогового. Согласно проведенным исследованиям [Медынский С.А., Мирзаев А.И., Левша А.В. // Экспериментальные исследования характеристик внешних помех ОВЧ диапазона в городских условиях / Наукоемкие технологии. - 2008. - Вып.1. - №1.- С. 12-15] для современных РПТ это порядка 60 дБ/ мВт, если менее, то ИМП создаются на уровне собственных шумов, а диапазон 3-300 МГц выбран из соображения наличия в нем большого количества мощных помех от вещательных теле- и радиостанций. Затем изменяют коэффициент передачи К входного устройства в n раз, измеряют и запоминают уровни помех на каждой из Q отбракованных частотах, определяют частоты, на которых уровень помех изменился в n раз, и запоминают эти L частоты. Известно, что интенсивность мощности интермодуляционных шумовможет быть представлена выражением [4, с. 68; 9, с. 83]:
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>P</mi><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>P</mi><mi>j</mi></mrow></msub></mrow>
эф
эф вх
эф j
а
а
(q-1)
где:- интенсивность мощности внешних помех;
,
- коэффициент передачи по мощности входного устройства и j-го каскада; Δf, Δf, Δf - эффективная полоса пропускания антенно-фидерного, входного устройства j-го усилительного каскада соответственно; (3/1)- параметр нелинейности усилительного каскада. Таким образом, уменьшение уровня группового радиосигнала в n раз приводит к такому же уменьшению уровня внешних помех и к уменьшению в n раз уровня помех, вызванных интермодуляцией, где q - порядок интермодуляционной помехи [9, с. 81].
2
2
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>F</mi><mi>P</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>f</mi><mrow><mi>max</mi></mrow><mrow><mi>О</mi><mi>Р</mi><mi>Ч</mi></mrow></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>f</mi><mrow><mi>min</mi></mrow><mrow><mi>О</mi><mi>Р</mi><mi>Ч</mi></mrow></msubsup></mrow>
доп
доп
1
3
9
1
3
9
Уменьшение уровня внешних помех в n раз приводит к уменьшению в n раз уровня помех, вызванных интермодуляцией третьего порядка [11 с.58]. Этот факт дает возможность определять частоты, подверженные влиянию ИМП третьего порядка, которые попали в интервал
и были ранее отбракованы по условию z>z. На фиг.5 показаны частоты, которые по условию z>z были отбракованы, а после изменения коэффициента передачи K входного устройства в n раз были определены L частоты с изменением уровня помех в n раз, что свидетельствует о наличие ИМП на этих L частотах f, f, f (фиг.9). Далее, зная номиналы Р частот с уровнями мощных помех более 60 дБ/мВт и номиналы L частот с ИМП f, f, f (фиг.5) определяют значения G и H частот, которые в совокупности с мощными помехами на P частотах создают ИМП на L частотах (fимп). Выражения для частоты ИМП [10, с. 162]:
<mrow><mi>f</mi><mtext> </mtext><mi>и</mi><mi>м</mi><mi>п</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>f</mi><mn>2</mn><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>f</mi><mtext> </mtext><mi>и</mi><mi>м</mi><mi>п</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>f</mi><mn>2</mn><mo>−</mo><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
2
где fимп - известная L частота с ИМП, определенная по изменению уровня помех в n раз, f1 - частота помехи с уровнем помех более 60 дБ/мВт, соответствующая частоте P, и f2 - частота второй помехи, которая в совокупности с мощной помехой создает интермодуляционные помехи на частоте L. Так как частоты ИМП третьего порядка L определяются двумя выражениями (2) и (3), то для второй помехи f1, которая в совокупности с мощной помехой создает ИМП, будет получаться два значения:
<mrow><mi>f</mi><mn>2</mn><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>f</mi><mtext> </mtext><mi>и</mi><mi>м</mi><mi>п</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>f</mi><mn>2</mn><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>f</mi><mtext> </mtext><mi>и</mi><mi>м</mi><mi>п</mi><mo>−</mo><mi>f</mi><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
В условном обозначении получаем выражения для f2:
<mrow><mi>G</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>P</mi><mo>−</mo><mi>L</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>6</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>H</mi><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>L</mi><mo>+</mo><mi>P</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><mn>2.</mn><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>7</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
доп
1
3
1
2
3
4
6
8
Измеряют уровни помех на вычисленных G и H частотах и сравнивают с пороговым (60 dB/мкВ) и отбраковывают частоты, если уровень менее порогового. Далее на частоту с большим уровнем помехи из P, G и H, которые образуют ИМП третьего порядка на частоте L, настраивают режекторный фильтр, вырезают эту помеху и подавляют на соответствующей частоте L интермодуляцию третьего порядка. Измеряют на L частотах уровень помех после подавления на них ИМП и вычисляют отношение уровней сигнал/помеха z. Частоты, на которых выполняется условие z>z, запоминают и выбирают в качестве дополнительных рабочих частот f, f (фиг.7). В результате чего общее число пригодных для работы частот может быть увеличено за счет подавления ИМП третьего порядка на предварительно отбракованных по помеховой обстановке частотах, условно показаны на фиг.7 f, f, f, f, f, f.
Алгоритм по достижению заявленного результата представлен на фиг.9.
НПЧ
МПЧ
доп
1
3
9
доп
1
3
доп
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mi>min</mi></mrow><mrow><mi>О</mi><mi>Р</mi><mi>Ч</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mi>max</mi></mrow><mrow><mi>О</mi><mi>Р</mi><mi>Ч</mi></mrow></msubsup></mrow>
2
Проверка возможности достижения сформулированной цели осуществлялась в радиолинии: протяженностью трассы 500 км, солнечная активность соответствует ее среднему значению; сезон - зима (январь); время суток - день (10.00-14.00); антенны: передающая - BH11/9, приемная BH 13/9; вид радиосигнала - ЧТ-500; способ обработки сигнала - одиночный некогерентный прием по огибающей; мощность, подводимая к передающей антенне, 1 кВт. Для данной радиолинии после предварительной оценки (по прогнозам ИЗМИРАН [8]) возможных изменений суточного хода МПЧ-НПЧ (f до f), были заданы номиналы исходных десяти частот (см. табл.1, фиг.8). После расчетов НПЧ, интервала изменений ОРЧ (
до
) общее число пригодных частот уменьшилось. Пригодными остались частоты с номерами №1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 (табл.5, фиг.8). Требования по z было рассчитано для режима работы по известному методу [6, с. 20]. После оценки по условиям помеховой обстановки оказалось, что для работы остались пригодными частоты с номерами №2, 4, 6, 8 (табл.1, фиг.8), а остальные частоты по этому критерию оказались непригодными (номера №1, 3, 5, 7, 9 в табл.1 на фиг.8). Для подтверждения теоретических предпосылок о возможности определения и подавления ИМП третьего порядка были проведены практические эксперименты с использованием анализатора спектра HP Е4411 В и РПУ AR5000, на вход которых были подключены управляемые аттенюаторы. Результаты измерений регистрировались ПЭВМ со специальным программным обеспечением. После определения L частот с ИМП (фиг.10, f, f, f) по изменению уровня помехи в n раз из числа ранее отбракованных по помеховой обстановке, вычисления частот, помехи на которых образуют эти ИМП, и подавления мощных помех с помощью режекторного фильтра рассчитывали отношение сигнал/помеха z на освобожденных от ИМП частотах, сравнивали с z получали дополнительные частоты, удовлетворяющие качеству связи (фиг.10, f, f) по условию z>z.
Проведенная экспериментальная проверка показала, что благодаря заявленному способу выбора частот повысилась достоверность оценки их пригодности, что обусловило увеличение общего числа пригодных частот. Отмеченное подтверждает возможность достижения сформулированного технического результата.
Литература
1. Игнатов В.В., Килимник Ю.П., Никольский И.Н., Пивоваров В.Ф., Прохоров В.К., Репин Г.А., Скрипник Р.П., Шаров А.Н. Военные системы радиосвязи (Л.: ВАС, 1989. С.1-386, с. 40).
2. Комарович В.Ф. Случайные радиопомехи и надежность KB связи (изд. «Связь» Госкомиздата СССР, Москва, 1977. С.1-132, с.12-15).
3. Мешалкин В.А., Сосунов Б.В., Филиппов В.В. Поля и волны в задачах разведзащищенности и радиоэлектронной защиты системы связи (СПб.: ВАС, 1993. С.1-322, с.120-125).
4. Вопросы оптимизации радиотрактов приемных систем и комплексов (технические и научно-методические материалы). Под редакцией Челышева В.Д. - ВАС, 1983, с.1-154.
5. Серков В.П. Распространение радиоволн и антенные устройства (ВАС, 1981. С.1-468, с.121-123).
6. Килимник Ю.П., Лебединский В.К., Прохоров В.К., Шаров А.Н. Адаптивные автоматизированные системы радиосвязи (Л.: ВАС, 1978, С.1-284, с.40).
7. Сайт Восточно-Сибирского центра исследования ионосферы Земли (ЦКП ВСЦИИЗ).
8. Сайт www.izmiran.ru.
9. Мартынов В.А., Селихов Ю.И. Панорамные приемники и анализаторы спектра. / Под ред. Г.Д. Заварина. - 2 изд., перераб. и доп. - М.: Советское радио, 1980. - 352 с.
10. Заварин Г.Д., Мартынов В.А., Федорцов Б.Ф. Радиоприемные устройства. М.: Воениздат, 1973. 423 стр. с илл.
11. Рембовский A.M., Ашихмин А.В., Козьмин В.А. Радиомониторинг: задачи, методы, средства / Под редакцией A.M. Рембовского. - М.: Горячая линия - Телеком, 2006. - 2006. - 492 с.: ил.