Повышение помехоустойчивости и пропускной способности радиоканалов ионосферной связи с применением зондирующего линейно-частотно модулированного сигнала - Автореферат
Исследование алгоритмов обработки сложного линейно-частотно модулированного сигнала при наличии помех, используемого для наклонного зондирования ионосферных линий радиосвязи, с целью повышения помехоустойчивости и пропускной способности каналов связи.
Аннотация к работе
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Повышение помехоустойчивости и пропускной способности радиоканалов ионосферной связи с применением зондирующего линейно-частотно модулированного сигналаРабота выполнена на кафедре «Радиотехники и связи» Марийского государственного технического университета Защита состоится 28 декабря 2010 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д212.079.04 в Казанском государственном техническом университете им. Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью организации, высылать по адресу: 420111, г. С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Казанского государственного технического университета им. С авторефератом диссертации можно ознакомиться на сайте Казанского государственного технического университета им.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. Первый состоит в разработке систем связи и передачи информации с учетом физических особенностей радиоканала. 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). 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. 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.В первой главе на основе проведенного обзора литературы показано, что в ионосферных радиоканалах изза возникающих при распространении радиоволн эффектов, таких как многолучевость, замирания сигнала и др., снижается помехоустойчивость приема сигнала и системы связи в целом. 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 этом средний энергетический выигрыш для отношения сигнал/шум (?Z) 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, zд - допустимое значение превышения SNR; ZQ-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. 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 Рош = 10-2; 10-3 ; 10-4 ; 10-5 и СКО SNR равным 5; 10; 15 и 20 ДБ.
План
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Список литературы
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 ЛЧМСИГНАЛОМ. 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, определенных 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.