Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Основные экспериментальные методы и результаты исследования многолучевого характера распространения декаметровых радиоволн и дисперсионных искажений 15
1.1. Введение 15
1.2. Краткий обзор экспериментальных исследований наклонного распространения радиоволн импульсными методами ... 16
1.3. О возможности расширения рабочей полосы частот для средств связи KB диапазона 18
1.4. Использование широкополосных сигналов для зондирования ионосферы 21
1.5. Заключение 24
ГЛАВА II. Исследование распространения радиоволн декаметрового диапазона с использованием широкополосных сигналов 25
2.1. Введение 25
2.2. Аппаратный комплекс «Ангара-8И» 26
2.3. Устройство и принцип работы передающей установки 26
2.4. Устройство и принцип работы приемной установки 30
2.5. Результаты экспериментов, проведенных на трассе Москва-Екатеринбург 32
2.6. Быстрые вариации параметров ионосферного радиоканала 38
2.7. Заключение 47
ГЛАВА III. Широкополосный радиомодем «Ангара-5М» 48
3.1. Введение 48
3.2. Блок-схема и основные характеристики радиомодема 49
3.3. Основные особенности формирования сигнала и его обработки 55
3.4. Результаты трассовых испытаний радиомодема «Ангара-5М» 59
3.5. Заключение 72
ГЛАВА IV. Современные методы комбинаторной оптимизации в задачах синтеза сложных фазоманипулированньіх сигналов для широкополосных систем связи 73
4.1. Введение 73
4.2. Метод отжига 74
4.3. Генетические методы 80
4.3.1. Основные идеи, лежащие в основе генетических алгоритмов 80
4.3.2. Генетический метод синтеза отдельных ПСП 83
4.4. Синтез системы сигналов для KB радиомодема «Ангара-5М» 96
4.4.1. Синтез сигналов для информационных каналов 96
4.4.2. Синтез сигналов для канала синхронизации 99
4.5. Заключение 103
Заключение 104
Приложение 105
Список опубликованных работ 107
Литература 109
- Краткий обзор экспериментальных исследований наклонного распространения радиоволн импульсными методами
- Результаты экспериментов, проведенных на трассе Москва-Екатеринбург
- Основные особенности формирования сигнала и его обработки
- Основные идеи, лежащие в основе генетических алгоритмов
Введение к работе
В последнее десятилетие произошел качественный скачок в развитии широкополосных систем связи с использованием шумоподобных сигналов.
По определению, широкополосным называется сигнал, имеющий большую базу В = FT > 1 (где F - полоса сигнала, Г - его длительность) и приблизительно равномерную спектральную плотность в рабочей полосе [1]. Известно, что широкополосные, особенно сверхширокополосные, системы более экономичны с точки зрения использования частотного ресурса и отличаются значительно большей устойчивостью при работе в условиях сильных помех. Неоспоримо также, что предельная скорость передачи информации определяется шириной занимаемой полосы и равномерностью спектра передаваемого сигнала. Оба названных тезиса важны для понимания актуальности исследований свойств KB радиоканала и выбора направления, в котором следует двигаться при создании новых средств и систем связи.
К диапазону KB (декаметровые волны) относят радиоволны с частотами от 3 до 30 МГц и длинами волн от 100 до 10 м соответственно. Для указанного диапазона характерно то, что радиоволны, отражаясь от ионосферных неоднородностей и земной поверхности, распространяются на тысячи километров. Это, с одной стороны, позволяет организовывать связь с удаленными абонентами, а с другой — создает помехи практически в любой точке земного шара. В настоящее время при организации связи в KB диапазоне на каждый узкополосный радиоканал отводится полоса шириной около 5 кГц. Это означает, что при ширине KB диапазона в 27 МГц можно выделить всего 5400 каналов связи, что существенно меньше общего числа одновременно работающих радиостанций.
Ионосфера - это динамично изменяющаяся неоднородная диспергирующая среда, и в точку приема даже стационарно размещённых пунктов
5 сигнал попадает, как правило, несколькими путями. Это явление называется
многолучевостью. При этом из-за разности фаз волн одной частоты, пришедших в точку приема по различным траекториям, возникают интерференционные замирания, приводящие к существенному ухудшению качества связи. Поскольку возможности смены рабочей частоты ограничены, для улучшения качества связи узкополосных систем обычно увеличивают мощность передаваемого сигнала, что повышает интегральную мощность помех для других абонентов и приводит тем самым к перегрузке диапазона.
В 1948 г. К.Шеннон, рассматривая возможность безошибочной передачи информации, доказал теорему [1], в соответствии с которой существует такая система кодирования, которая позволяет даже при наличии шумов передавать информацию с конечной скоростью при сколь угодно малой вероятности ошибок, причем скорость передачи определяется соотношением:
C = W\og:
{ N)
(1)
где W — полоса частот, Р — средняя мощность передатчика, N - мощность белого шума в данной полосе. Метода безошибочной передачи информации с большей скоростью не существует. Как следует из формулы (1), значительное увеличение скорости передачи информации при наличии помех и ограниченной мощности передатчика возможно только путем расширения рабочей полосы частот.
При исследовании вопроса о принципиальной схеме устройств и форме сигнала, позволяющих оптимальным образом реализовать предельные параметры по скорости передачи информации, выяснилось, что наилучший результат достигается, если в качестве сигналов используются различные реализации ограниченного по полосе квазибелого шума. Эти фундаментальные результаты были положены в основу выбора принципиальных схем приемных и передающих устройств и использовались при разработке новых методов синтеза шумоподобных сигналов для широкополосных систем связи. Эти вопросы в приложении к широкополосным системам связи подробно обсуж-
дались на Научной сессии Отделения общей физики и астрономии РАН 24 декабря 1997 г. [2].
Применение широкополосных систем связи в KB диапазоне ограничивает сильная дисперсия радиоволн при отражении от ионосферы. Очевидно, что при наличии сильной дисперсии радиоволн при расширении рабочей полосы частот с какого-то момента необходимо использовать достаточно сложные фильтры, корректирующие дисперсионные искажения сигнала, причем следует предусмотреть возможность перестройки этих фильтров с учетом изменений свойств радиоканала вследствие естественной изменчивости ионосферы. В связи с этим возникает вопрос о предельно допустимой ширине полосы сигнала, при которой использование корректирующих фильтров излишне. Забегая вперед, отметим, что в экспериментах, проведенных диссертантом, экспериментально установлено, что рабочая полоса сигнала, позволяющая обходиться без применения корректирующих фильтров, не превышает 150 кГц.
Ряд известных проблем, возникающих в современных узкополосных KB системах передачи информации, находит свое решение при использовании широкополосных сигналов с фазовой манипуляцией (ШПСФМ) [3]. В таких системах можно достичь разделения различных лучей и избавиться от интерференционных замираний. Наряду с этим возможно решение задачи цифровой режекции узкополосных помех, создаваемых пользователями традиционных систем связи. Кодовое разделение сигналов позволяет в одной полосе частот работать многим пользователям одновременно, практически не создавая взаимных помех, пока суммарная спектральная плотность в точке приема существенно не изменит уровень фоновых помех.
Таким образом, применение ШПСФМ позволяет создать скрытную систему связи, реализуя в комплексе повышение скорости передачи информации, увеличение помехоустойчивости и электромагнитной совместимости с другими средствами связи, работающими в том же диапазоне частот.
7 Первые широкополосные системы связи появились в KB диапазоне в
конце 50-х годов прошлого столетия. Было очевидно, что надо уплотнять уже освоенный диапазон в связи с нехваткой частотного ресурса. Необходимость обеспечения надежной работы существующих и проектируемых средств и систем узкополосной связи заставила обратить внимание на вышеперечисленные достоинства широкополосных систем связи. В 1956 году в Массачусетсом технологическом институте была разработана и испытана одна из первых широкополосных систем, предназначенная для передачи телеграфных сигналов по KB радиоканалу в условиях многолучевого распространения радиоволн [4, 5]. В 1965-1967 гг. под руководством профессора A.M. Заезд-ного в Ленинградском электротехническом институте была разработана система широкополосной KB связи «МС-ПП» с использованием сложных фазо-манипулированных сигналов [6, 7]. В 1970-1975 гг. в ИРЭ АН СССР под руководством С.А. Намазова была создана экспериментальная установка для вертикального зондирования ионосферы линейно-частотномодулированным (ЛЧМ) и сложным фазоманипулированным сигналом. Совместно с сотрудниками ИЗМИР АН была проведена серия экспериментов по наклонному и вертикальному зондированию, продемонстрировавших перспективность использования ШПСФМ для исследования ионосферы [8].
В последующие годы активно разрабатывались широкополосные системы связи, работающие в диапазонах УКВ и СВЧ, и в настоящее время в этих диапазонах они доминируют. KB диапазону уделялось значительно меньше внимания по двум очевидным причинам: 1) сравнительно невысокая скорость передачи информации, 2) сильная зависимость пропускной способности радиоканала от состояния ионосферы. Эти недостатки стали непринципиальными с момента перехода на адаптивные цифровые системы передачи информации, позволяющие с учетом современного состояния элементной базы достаточно легко формировать сигналы сложной формы, обеспечивающие высокую скорость передачи информации и помехоустойчивость системы связи. А поскольку КВ-радиостанции по-прежнему являются одним из
8 удобных и сравнительно недорогих средств для поддержания связи с труднодоступными районами и подвижными объектами, актуальность исследования распространения радиоволн декаметрового диапазона с использованием широкополосных сигналов сохраняется и в настоящее время.
Цель работы.
Основной целью работы является исследование возможности использования ионосферного КВ-радиоканала для передачи широкополосных сигналов без применения корректирующих фильтров и исследование многолу-чевости. Для достижения этих целей потребовалось решить ряд экспериментальных и теоретических задач:
разработать методику проведения экспериментов и обработки результатов применительно к характерным изменениям ионосферы на трассе;
создать программно-аппаратный комплекс для передачи и приема широкополосных сигналов с фазовой манипуляцией в KB диапазоне с изменяемой рабочей полосой от 20 до 200 кГц;
провести экспериментальные исследования распространения широкополосных KB радиосигналов на подходящей трассе; выполнить измерения и обработать полученные результаты;
разработать новые методы синтеза шумоподобных сигналов для дальнейшего использования в широкополосных системах связи и аппаратных комплексах, предназначенных для диагностики радиотрасс и ионосферы с использованием сложных сигналов.
Научная новизна заключается в следующем:
Экспериментально установлено, что допустимое значение ширины рабочей полосы KB радиосигнала, при которой еще сохраняется уверенный прием без применения корректирующих фильтров, составляет около 150 кГц. Достигнута рекордная разрешающая способность для измерения временных и амплитудных характеристик многолучевого сигнала, и проведено их детальное исследование. Показана принципиальная возможность изучения быстрых вариаций неоднородностей ионосферы.
9 Практическая и научная значимость работы.
Экспериментально установлено, что скорость передачи информации по КВ-радиоканалу в зависимости от состояния ионосферы может достигать 9,6 и более килобит в секунду.
Показана принципиальная возможность использования подхода, реализованного в аппаратном комплексе, для изучения быстрых вариаций параметров радиотрассы и ионосферы с характерными временами 10-30 мс.
Новые методы синтеза шумоподобных сигналов позволяют получить сигналы, обеспечивающие высокую скорость передачи информации и устойчивость системы связи по отношению к узкополосным помехам и многолу-чевости.
Результаты работы легли в основу аппаратных и программных решений при создании серийного радиомодема «Ангара-5М».
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ
Показана возможность расширения рабочей полосы сигнала в декамет-ровом диапазоне радиоволн до 150 кГц без применения корректирующих фильтров.
Разрешающая способность созданного аппаратного комплекса с применением широкополосных сигналов с фазовой модуляцией в 7,5 раз превышает разрешающую способность импульсных ионозондов и в 2,5 раза выше, чем у ионозондов с применением ШПС.
Показана принципиальная возможность использования подобного подхода с целью исследования с высоким временным разрешением вариаций параметров ионосферного канала связи, а также динамики ионосферы.
Разработанные новые эффективные методы синтеза систем сигналов для широкополосных систем связи с прямым расширением спектра позволяют увеличивать скорость передачи данных и обеспечивать скрытность и помехозащищенность.
10 Личный вклад автора.
Все результаты по теме диссертации получены лично автором или при его активном участии. Автор участвовал в постановке задачи по исследованию распространения широкополосных сигналов в KB диапазоне, исполнял основную работу в создании аппаратного комплекса с применением широкополосных сигналов с фазовой манипуляцией для исследования многолучевого распространения радиоволн. Принимал непосредственное участие в проведении экспериментов на среднеширотной трассе и обработке полученных результатов, принимал решения о коррекции методики наблюдений. Автор обнаружил и обратил внимание на возможность исследования быстрых вариаций амплитудных и временных характеристик магнитоионных компонентов с характерными временами порядка 10-30 мс. Автор принимал участие в разработке новых методов синтеза шумоподобных сигналов для широкополосных систем связи и аппаратного комплекса и внедрении полученных результатов в радиомодем «Ангара-5М».
Апробация работы. Основные результаты, включенные в диссертацию, опубликованы в 8 работах и докладывались на Всероссийской научной конференции «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» в 2003 г. (г. Муром) и на «X региональной конференции по распространению радиоволн» в 2004 г. (г. Санкт-Петербург).
Объем и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, изложенных на 115 страницах. Она содержит 80 страниц текста, 26 рисунков, 10 таблиц, одно приложение и библиографию из 72 наименований.
Во введении первой главы кратко рассмотрена история ионосферных наблюдений с начала 20-х годов прошлого столетия. Далее приведен обзор экспериментальных исследований наклонного распространения радиоволн импульсными методами с конца 60-х годов, когда началось подробное изучение многомодовой структуры радиоволн, отраженных от ионосферы. В следую-
щем разделе первой главы рассматривается возможность расширения рабочей полосы частот для средств связи KB диапазона. Одной из важнейших проблем, возникающих при попытке расширения полосы сигнала в KB диапазоне, является необходимость учета дисперсионных эффектов при отражении радиоволн от ионосферы. В работах [9, 10] дисперсионную характеристику ионосферного канала представили в аналитическом виде как состоящую из двух компонент: регулярной дисперсии, обусловленной ионосферными слоями, и нерегулярной дисперсии, обусловленной мелкомасштабными расслоениями. В работе [10] описана соответствующая модель ионосферного канала полосой 1 Мгц, и приведены теоретические и экспериментальные результаты по компенсации дисперсионных искажений принимаемого сигнала. Параметры для проведения компенсации выбираются исходя из данных вертикального или наклонного зондирования. Экспериментальные исследования проводились с помощью вертикально-наклонного ионозонда с линейно-частотномодулированным (ЛЧМ) сигналом. Кроме выше упомянутого в первой главе анализируются характеристики экспериментальных и промышленных ионозондов с применением широкополосных сигналов.
Во второй главе приведены параметры и принцип работы спроектированного и созданного аппаратного комплекса «Ангара-8И» для исследования характера многолучевости и результаты экспериментов на трассе Москва -Екатеринбург. Рассматриваются результаты исследований распространения радиоволн декаметрового диапазона с использованием широкополосных сигналов. Показаны возможности аппаратного комплекса по регистрации времен запаздывания между различными модами и по измерению амплитудных вариаций модов. На нескольких примерах продемонстрирована возможность регистрации быстрых вариаций как амплитуды, так и фазы принимаемого сигнала с характерными временами порядка 10-30 мс, что указывает на принципиальную возможность использования данного подхода для изучения быстрых вариаций в структуре ионосферы. Применение фазового метода измерения позволяет повысить точность определения разности хода лучей до
12 десятков метров, что невозможно получить при использовании стандартных
наклонных ионозондов. Осуществлено сравнение полученных результатов многомодового сигнала с данными программы оперативного и долгосрочного прогноза HfPro, реализованной на справочной модели ионосферы, с учетом реального состояния ионосферы и геомагнитной обстановки.
Третья глава посвящена широкополосному радиомодему «Ангара-5М». Во введении приведены краткие описания широкополосных систем связи, разработанных в 50-60 гг. Далее приводятся основные характеристики разработанного радиомодема, а также рассматриваются некоторые особенности формирования и обработки сигнала и возможности программного обеспечения [11]. Изложены результаты трассовых испытаний по скорости обмена, в ходе которых была достигнута максимальная скорость в 9,6 кбит/с. Произведено сопоставление скорости обмена с параметрами ионосферы, полученными из данных вертикального зондирования, и значениями напряженности поля в точке приема, рассчитанными с использованием программы оперативного прогноза HfPro. Также приводится зависимость скорости обмена от геомагнитной активности во время проведения испытаний. Результаты трассовых испытаний показали, что «качество» связи зависит от геомагнитной активности, причем при среднем уровне геомагнитной возмущенно-сти эффективная скорость передачи информации снижается незначительно, при высоком уровне возмущенности скорость передачи резко снижается, но связь не пропадает полностью.
В четвертой главе представлены новые методы синтеза шумоподоб-ных сигналов для широкополосных систем связи. Метод отжига [12] обладает достаточной эффективностью для синтеза отдельных псевдослучайных последовательностей (ПСП) сравнительно небольших длин. После определенной модификации он может также использоваться для синтеза ансамблей ПСП, но не в самом общем случае, а при выборе ПСП из известного множества последовательностей с хорошими свойствами периодических корреляционных функций, например, из множества последовательностей Голда [13].
13 Генетические алгоритмы предназначены для решения разнообразных
задач комбинаторной оптимизации [14]. Описаны модификации генетических алгоритмов, предназначенных для синтеза отдельных широкополосных сигналов и их систем.
Разработанные новые методы были использованы для синтеза сигналов для радиомодема «Ангара-5М». В этом случае ставилась задача не только минимизировать амплитуду выбросов корреляционных функций сигналов, но и сгладить их спектры. Оптимизация производилась по спектру четырех наилучших сигналов, но при этом устанавливалось ограничение на амплитуду выбросов в боковых лепестках автокорреляционных функций и во взаимно-корреляционных функциях. Оптимизация проводилась с использованием генетического алгоритма.
В заключении перечислены основные результаты диссертационной работы, состоящие в следующем:
с помощью разработанного аппаратного комплекса исследованы характеристики многолучевых радиосигналов на среднеширотной трассе Москва-Екатеринбург;
показана принципиальная возможность использования подобного подхода с целью исследования с высоким временным разрешением вариаций параметров ионосферного канала связи, а также динамики ионосферы;
экспериментально доказана возможность расширения рабочей полосы сигнала до 150 кГц без использования корректирующих фильтров и возможность повышения скорости передачи информации до 9,6 кбит/с и выше;
разработаны новые эффективные методы синтеза систем сигналов для широкополосных систем связи с прямым расширением спектра, позволяющие увеличивать скорость передачи данных и обеспечивать скрытность и помехозащищенность.
Автор выражает искреннюю и глубокую признательность своему научному руководителю А.Е. Резникову за постановку задач и помощь на всех этапах выполнения работ. Своим соавторам В.В. Лобзину, В.В. Копейкину,
14 С.К. Аннакулиеву, Р.В. Писареву, Л.Б. Волкомирской за обсуждение отдельных вопросов и полезные замечания, помощь в составлении программ обработки и расчетов. Сотрудникам ИЗМИР АН: СВ. Сильвестрову за помощь в технической реализации аппаратного комплекса, Л.Н. Лещенко и И.В. Крашенинникову за предоставленные результаты и помощь в обработке ионосферных данных. Автор также выражает благодарность руководству и коллективу сотрудников Егоршинского радиозавода за предоставленную возможность и помощь в проведении экспериментов.
Краткий обзор экспериментальных исследований наклонного распространения радиоволн импульсными методами
Первые широкополосные системы связи появились в конце 50-х годов. Всплеск интереса к этим системам вызван осознанием того факта, что освоенного диапазона частот не хватает для обеспечения надежной работы существующих и проектируемых средств связи. Изменить сложившуюся ситуацию могли помочь широкополосные системы связи, одним из известных преимуществ которых является электромагнитная совместимость с обычными узкополосными системами. Другим важным обстоятельством, стимулирующим интерес к широкополосным системам связи, является потребность в высокоскоростных системах связи, а единственным способом повышения скорости передачи информации в условиях помех и при ограничении мощности передатчика является расширение занимаемой полосы частот [1].
В последующие годы активно разрабатывались широкополосные системы, работающие в диапазоне ультракоротких радиоволн, где они в настоящее время начинают постепенно занимать господствующее положение, а коротковолновым средствам связи уделялось значительно меньше внимания. Однако, разработка широкополосных систем связи для коротковолнового диапазона также является актуальной, поскольку коротковолновые радиостанции по-прежнему являются одним из наиболее удобных средств для поддержания связи с труднодоступными районами и подвижными объектами, а также вследствие перегруженности KB диапазона обычными узкополосными радиостанциями. С другой стороны, при переходе от традиционных систем связи к широкополосным попутно решается проблема снижения качества канала связи при появлении глубоких интерференционных замираний, типичных для KB диапазона.
Одной из важнейших проблем, возникающих при попытке расширения полосы сигнала в KB диапазоне, является необходимость учета дисперсионных эффектов при отражении радиоволн от ионосферы. В ионосферной плазме волны разной частоты распространяются с различной скоростью, что неизбежно вызывает искажения формы сигнала (см., например, [21]). Если эти искажения окажутся большими, связь может прерваться. В KB диапазоне предельная ширина полосы, при которой дисперсионные искажения можно не принимать во внимание, считалась равной 10-100 кГц [9]. Проблемами расширения рабочей полосы частот с коррекцией дисперсионных искажений занимается лаборатория распространения радиоволн под руководством В.А. Иванова в Марийском государственном техническом университете. В работе [9] показано, что использование ионосферного канала связи с полосой 1 МГц по сравнению со стандартным каналом в 3 кГц дает выигрыш по мощности порядка 40 дБ. Другими словами, при заданной помехоустойчивости можно значительно уменьшить мощность передатчиков. Однако, для использования KB радиосигналов с шириной полосы порядка 1 МГц требуется сложная обработка принимаемого сигнала с целью компенсации дисперсионных искажений при отражении от ионосферы. Именно по этой причине большого внимания развитию широкополосных средств связи в KB диапазоне ранее не уделялось. Современные технические возможности позволяют производить адаптивную компенсацию искажений. Группа В.А. Иванова, проведя теоретические и экспериментальные исследования характеристик частотной дисперсии, на основе полученных результатов создала модель ионосферного распространения широкополосных KB радиосигналов, а также предложила способы эффективной борьбы с искажениями [34].
В работе [10] показано, что за дисперсионную характеристику (ДХ) радиоканала можно принять соответствующий элемент ионограммы зондируемой трассы. В практике ионосферного зондирования этим элементом является время группового запаздывания. Данная характеристика имеет определенный наклон в зависимости от частоты. Коррекция ДХ состоит в выполнении операций, позволяющих ликвидировать этот наклон, т.е. выровнять групповое время запаздывания для заданного участка частот. ДХ ионосферного канала представлена в аналитическом виде состоящей из двух компонент: регулярной дисперсии, обусловленной ионосферными слоями, и нерегулярной дисперсии, состоящей из мелкомасштабных расслоений. Для компенсации регулярной дисперсии в созданную модель ионосферного канала введены соответствующие коэффициенты, зависящие от протяженности трассы и рабочей частоты. Сделан вывод о том, что импульсная характеристика (ИХ) канала определяется законом регулярной дисперсии, и при появлении множества нерегулярной дисперсии возникают копии (парное эхо) основного тела ИХ. Таким образом, нерегулярная дисперсия приводит к возникновению шумового пьедестала из парных эхо для регулярной ИХ. Его уровень зависит от безразмерного параметра М нерегулярной дисперсии и времени задержек. Результаты моделирования показали возможность коррекции ИХ канала до приемлемого для практического применения уровня при величине М 1,3 [10].
Экспериментальные исследования проводились с помощью вертикально-наклонного ионозонда с линейно-частотномодулированным (ЛЧМ) сигналом на различных трассах [9]. В Йошкар-Оле осуществлялся прием сигналов от передатчиков, расположенных в Нижнем Новгороде, Иркутске, на Кипре и в Ин-скипе (Англия). Для принятых с указанных трасс сигналов была применена коррекция ДХ, в результате чего ширина ИХ по уровню -3 дБ уменьшалась с 64 до 1 мкс. Авторы [9] предположили, что увеличение полосы частот недис-пергирующего канала в 10 раз должно увеличить разрешающую способность радиофизического метода по времени группового запаздывания сигнала. Этот эффект назван сверхразрешением. В качестве примера приведен случай коррекции ионограммы, полученной при полосе приема 40 кГц, что означает инструментальную разрешающую способность 25 мкс. Расширение полосы до 1 МГц значительно исказило сигнал, ширина ИХ увеличилась на 7-10 мкс, тем не менее после применения коррекции регулярной ДХ разрешение повысилось в среднем на порядок, а максимальное значение амплитуды сигнала увеличилось примерно на 10 дБ. В итоге принимаемый сигнал стал разделяться на две маг-нитоионные компоненты, задержка между которыми составляет 30 мкс.
В работе [9] также приведены результаты исследования «времени жизни» регулярной составляющей ДХ: по данным экспериментов это время составляет около 5 минут. Это соответствует величинам, полученным при исследовании характерного времени изменения доплеровского смещения частоты [35]. Одновременно наблюдались колебания с периодом 5 минут, предположительно связанные с нестационарностью ионосферы, обусловленной перемещающимися ионосферными возмущениями с периодами порядка 5-20 мин.
Результаты экспериментов, проведенных на трассе Москва-Екатеринбург
В 1999-2004 гг. с использованием аппаратного комплекса «Ангара-8И» были проведены серии экспериментов на трассе Москва-Екатеринбург протяженностью около 1500 км, причем передатчик располагался в г. Артемов-ский Свердловской области, а приемник - в г. Троицк Московской области.
Эксперименты проводились при различных выходных уровнях усилителя мощности (от 10 до 200 Вт), в диапазоне частот от 6 до 24 МГц и с разными антенными системами. В последних экспериментах мощность сигнала составляла 20-30 Вт.
При интерпретации полученных экспериментальных результатов использовалась программа оперативного и долгосрочного прогноза HfPro, разработанная в ИЗМИР АН в лаборатории «Моделирования волновых полей в ионосфере» под руководством И.В. Крашенинникова [43, 44]. Пакет программ HfPro позволяет производить оперативное и долгосрочное прогнозирование радиосвязи в KB диапазоне.
В программе HfPro используются справочные модели ионосферы СМИ-88 и IRI-2001, предназначенные для расчета электронной концентрации и частоты соударений электронов на высотах 60-1000 км в низких, средних и высоких широтах [45]. Входными параметрами ионосферных моделей являются индекс солнечной активности F10.7 и количество солнечных пятен R. Для оперативного прогнозирования используются также данные вертикаль 33 ного зондирования ионосферы, в частности, критическая частота слоя foF2 и его истинная высота hmF2. В этих работах использовались данные, полученные с помощью ионозонда «Парус-4», расположенного на территории ИЗМИР АН. Для заданной трассы программа выдает прогнозируемые слои, количество модов, напряженность поля в точке приема, групповое запаздывание, наименьшую применимую частоту (НПЧ), максимальную применимую частоту (МПЧ), оптимальную рабочую частоту (ОРЧ) и углы прихода сигнала в вертикальной и азимутальной плоскостях. Для всех модов указываются минимальная и максимальная частоты для данной трассы и рассчитываются данные для трех базовых частот. Для заданных оператором частот расчет производится отдельно. Полученные результаты представляются в графическом и текстовом виде. В зависимости от опций может быть произведен расчет до четырех последующих часов. При отсутствии текущих ионосферных данных расчет производится по значениям из базы данных за предыдущие годы.
Первые эксперименты в 1999-2000 гг. проводились на фиксированных частотах: 6,8 и 8,2 МГц. Излучение велось длительное время, прием осуществлялся приемником прямого преобразования на видеочастоту, и после обработки аналогово-дискретным согласованным фильтром сигнал записывался в ПК платой АЦП. Для передачи использовался стандартный усилитель мощности от радиостанции «Ангара-РБ». Целью этих испытаний было экспериментальное подтверждение возможности передачи информации с помощью данного аппаратного комплекса или аналогичных ему, определение максимальной ширины рабочей полосы и теоретическое определение максимальной скорости передачи информации. Эксперименты проводились при полосах от 20 до 600 кГц, использовались ПСП длиной от 32 до 256 элементов. В ходе экспериментов было выяснено, что оптимальная с точки зрения скорости передачи информации и надежности связи ширина рабочей полосы составляет 150 кГц. Сигнал наблюдался и при более широких полосах, но при этом происходило резкое уменьшение амплитуды принимаемого сигна 34 л а. При ширине полосы равной 300 кГц ослабление составляло -10...-15 дБ относительно уровня сигнала при полосе 20 кГц, а при полосе 600 кГц - ниже -20 дБ. Скорость передачи информации изменялась в пределах от 300 до 2400 бит/с в зависимости от длины ПСП при ширине рабочей полосы 150 кГц.
Эксперименты 2001 г. проводились в диапазоне частот от 9 до 16,5 МГц и в полосе шириной от 20 до 150 кГц. Длина ПСП, используемой для расширения спектра, была выбрана равной 256. Изменение скорости передачи и, соответственно, ширины спектра передаваемого сигнала осуществлялись путем изменения длительности одного элемента ПСП [11]. В экспериментах анализировался сигнал на выходе согласованного фильтра и включенного за ним накопителя с коэффициентом накопления 0,96 [46].
В качестве иллюстрации на рис. 3 приведены осциллограммы сигналов на выходе накопителя, полученных в сеансах связи в июне 2001 г. при скорости передачи 300 бит/с. На рис. За наблюдались условия однолучевого распространения (мод 1F2), которые можно считать практически идеальными для всех средств связи, в том числе и узкополосных [11].
На следующей осциллограмме (рис.3 б) отчетливо видна многолуче-вость - главные максимумы корреляционной функции сигнала раздвоены. Сопоставление с результатами расчетов с помощью программы HfPro показывает, что наблюдаемые два пика, по всей вероятности, соответствуют обыкновенной и необыкновенной волнам, отраженным от слоя F2.
На осциллограмме, показанной на рис. Зв, наблюдается еще более сложная многолучевая структура принимаемого сигнала. В течение каждого периода присутствуют три расположенных рядом корреляционных пика значительной амплитуды. Из результатов расчетов с помощью программы HfPro следует, что наблюдаемые пики можно сопоставить модам Er, lF2_o и lF2_x.
На следующей осциллограмме (рис. Зг) приводится случай четырехмо-дового сигнала: здесь наблюдаются моды Er, 1F1,1F2 и 2F2. Как известно, для трасс протяженностью 1000-2000 км многолучевость является типичным явлением. В годы средней солнечной активности в течение около 80% времени условия распространения коротких радиоволн соответствуют моделям IV и V по классификации Хмельницкого. Для этих моделей характерным является то, что в точке приема наблюдается одновременно два-три сопоставимых по амплитуде сигнала, соответствующих модам IF, 2F и IE. Данные модели являются наиболее неблагоприятными для узкополосных систем связи вследствие глубоких интерференционных замираний [47]. В широкополосных системах этих замираний можно избежать, осуществляя разделение сигналов, пришедших в точку приема по различным путям, с последующим их суммированием с целью увеличения энергетики принимаемого сигнала.
Максимальное время запаздывания между лучами в 95% случаев составляло порядка 1 мс, что соответствует разности путей распространения в 300 км [48]. В последующих экспериментах использовалась ПСП из 127 элементов с периодом следования 1,6 мс, что позволило гарантированно производить разделение лучей в большинстве случаев.
Эксперименты 2003-2004 гг. проводились на модернизированном аппаратном комплексе в автоматическом режиме с 15-минутными интервалами между измерениями и в непрерывном режиме на отдельных частотах. Типичный вид сигнала на выходе накопителя при однолучевом и двухлучевом распространении радиоволн приведен на рис. 4. Если характеристики радиоканала стабильны, данный подход с накоплением сигнала позволяет измерять разницу времен распространения различных модов с точностью порядка длительности одного элемента ПСП, составляющей 13 мкс и соответствующей разности хода около 4 км, что в 2,5-8 раз лучше, чем у известных импульсных и широкополосных ионозондов.
Основные особенности формирования сигнала и его обработки
Первые широкополосные системы связи появились в конце 50-х годов. Всплеск интереса к этим системам вызван осознанием того факта, что освоенного диапазона частот не хватает для обеспечения надежной работы существующих и проектируемых средств связи. Изменить сложившуюся ситуацию могли помочь широкополосные системы связи, одним из известных преимуществ которых является электромагнитная совместимость с обычными узкополосными системами. Одним из примеров практической реализации основных принципов использования широкополосных сигналов является разработанная в США система передачи дискретной информации типа «Rake» [4, 5]. Эта система была создана и испытана в 1956 г. в Массачусетсом технологическом институте и предназначалась для работы в KB диапазоне в условиях многолучевого распространения радиоволн. Скорость передачи информации составляла -120 бод при ширине рабочей полосы частот 10 кГц.
В Ленинградском электротехническом институте связи им. проф. М.А. Бонч-Бруевича в 1965-1967 гг. под руководством профессора A.M. Заездного, к.т.н. Ю.Б. Окунева и Л.А. Яковлева, инженерами В.В. Гинзбургом, О.В. Кустовым, В.В. Перьковым и Г.И. Смирновым была разработана система «МС—1111», представляющая собой одноканальную низкоскоростную синхронную широкополосную систему связи, предназначенную для разделения и сложения лучей в коротковолновом радиоканале [6, 7]. В ней используется последовательный одночастотный сигнал, образованный путем манипуляции колебания несущей частоты по фазе на ж двоичной псевдослучайной последовательностью, с двукратной фазоразностной модуляцией. Составной сигнал мо 49 жет состоять из одного или нескольких периодов псевдослучайной последовательности с числом элементов 127, 511 и 1023. Полоса частот сигнала в зависимости от длины элемента сигнала меняется от 20 до 100 кГц, а скорость передачи информации — от 50 до 400 бит/с. В приемном устройстве системы реализуется когерентный метод приема в целом [7].
В последующие годы активно разрабатывались широкополосные системы, работающие в диапазоне ультракоротких радиоволн, где они в настоящее время начинают постепенно занимать доминирующее положение, а коротковолновым средствам связи уделялось значительно меньше внимания. Однако разработка широкополосных систем связи для коротковолнового диапазона также является актуальной, поскольку KB радиостанции по-прежнему являются одним из наиболее удобных средств для поддержания связи с труднодоступными районами и подвижными- объектами, а также вследствие перегруженности KB диапазона обычными узкополосными радиостанциями. С другой стороны, при переходе от традиционных систем связи к широкополосным попутно решается проблема снижения качества канала связи при появлении глубоких интерференционных замираний, типичных для KB диапазона, а также появляется возможность кодового разделения абонентов.
Ниже представлен новый коротковолновый широкополосный радиомодем «Ангара-5М» [11, 46], разработанный на базе радиостанции «Ангара-5», выпускаемой Егоршинским радиозаводом, и аппаратного комплекса «Ангара-8И», созданного в ИЗМИР АН. Приведены также результаты трассовых испытаний радиомодема «Ангара-5М» на трассе Москва-Екатеринбург.
Как известно, наибольшее распространение получили две разновидности широкополосных систем связи — системы с одночастотным псевдослучайным сигналом, в которых несущая модулируется цифровой кодовой последовательностью с частотой следования импульсов, значительно превышающей ширину полосы информационного сигнала, и системы с «прыгающей» частотой, в которых модуляция осуществляется путем скачкообразного изменения частоты несущей в определенные моменты времени по определенному закону, заданному кодовой последовательностью [3, 49-51]. Система связи «Ангара-5М» относится к первому типу. В ней используется расширение спектра с помощью взаимно-ортогональных ПСП длиной 32. Число таких последовательностей равно 32, все вместе они образуют ансамбль последовательностей Стиффлера. В канале синхронизации используется ПСП длиной 32, 64 или 128 элементов, состоящая соответственно из 1, 2 или 4 последовательностей из вышеупомянутого ансамбля Стиффлера. Для передачи информации используются последовательности, не входящие в состав ПСП канала синхронизации. Основные технические характеристики радиомодема приведены в таблице 3.
Ортогональность ПСП, используемых в различных информационных каналах, дает возможность передавать информацию по нескольким каналам одновременно и таким образом увеличить скорость передачи информации без изменения ширины занимаемой полосы частот и длины ПСП. В данном радиомодеме реализована четырехканальная система передачи с возможностью выбора одного из двух способов увеличения скорости передачи информации. Первый способ заключается в передаче по четырем каналам одновременно с использованием двухпозиционной фазовой модуляции BPSK в каждом канале. При втором способе используется два канала с четырехпозиционной фазовой модуляцией QPSK.
Управление радиомодемом производится с ПК с помощью одноименной управляющей программы «Ангара-5М». Программа осуществляет управление приемовозбудителем, загрузку необходимых команд и режимов работы. Имеется три режима работы: телетайп, передача файлов и передача речи.
Основные идеи, лежащие в основе генетических алгоритмов
С августа 2003 по апрель 2004 гг. на трассе Москва—Екатеринбург протяженностью около 1500 км была поведена серия трассовых испытаний. Целью испытаний было определение максимальной скорости передачи информации и накопление статистических данных по продолжительности суточной связи.
Испытания проводились в основном в диапазоне любительской радиосвязи 14,0-14,3 МГц, а помимо этого — кратковременно на частотах 13,0 и 16,5 МГц. Во всех указанных испытаниях ширина полосы сигнала составляла 150 кГц. Применялись два серийных комплекта радиомодема «Ангара-5М» с выходной мощностью передатчика 100 Вт. Передача велась по каналу синхронизации и по информационным каналам от одного до четырех. Испытания проводились в нескольких режимах: 1. Вхождение в связь, передача тестового файла, разрыв связи. 2. Работа в режиме телетайпа. 3. Вхождение в связь, передача больших объемов цифровой информации, разрыв связи. 4. Непрерывная передача тестового сигнала одной станцией, прием другой станцией с контролем ошибок соответствующей программой. 5. Автоматическое выполнение задания без вмешательства оператора. 6. Проверка автоматической адаптации скорости передачи при изменении параметров канала связи. Проведенные трассовые испытания показали соответствие полученных результатов заявленным характеристикам радиомодема. Для некоторых данных, полученных в ходе трассовых испытаний, проведено сопоставление с результатами прогноза прохождения радиоволн с помощью программы HfPro [44, 45].
Пакет программ HfPro позволяет производить оперативное и долгосрочное прогнозирование радиосвязи в KB диапазоне. Для оперативного прогнозирования используются данные вертикального зондирования ионосферы, в частности, критическая частота слоя f0F2 и его истинная высота hmF2. Помимо этого используются индекс солнечной активности F10.7 и количество солнечных пятен R. Для заданной трассы программа выдает прогнозируемые слои, количество модов, напряженность поля в точке приема, групповое запаздывание, наименьшую применимую частоту (НПЧ), максимальную применимую частоту (МПЧ), оптимальную рабочую частоту (ОРЧ) и углы прихода сигнала в вертикальной и азимутальной плоскостях. Для каждого мода указывается минимальная и максимальная частоты для данной трассы и рассчитываются данные для трех базовых частот, для заданных оператором частот расчет производится отдельно. Полученные результаты представляются в графическом и текстовом виде. В зависимости от опций может быть произведен расчет до четырех последующих часов. При отсутствии текущих ионосферных данных расчет производится по значениям из базы данных за предыдущие годы.
Для долгосрочного прогнозирования используются данные прогноза индекса солнечной активности F10.7 и количества солнечных пятен R. При этом для заданной трассы выдается прогноз для FHT4, ОРЧ, МПЧ, количества модов и напряженности поля для доминирующего мода, а также производится расчет напряженности поля для заданных частот. При отсутствии данных прогноза о F10.7 и R используются значения из базы данных. Примеры результатов оперативного и долгосрочного прогнозирования приведены на рис. 14 и рис.15.
Для трассовых испытаний использовалась управляющая программа «Ан-гара-5М», не предназначенная для фиксирования полученных результатов по скорости передачи, поэтому в экспериментах применялись стандартные программы ПК, позволяющие зафиксировать результат испытаний.
При сопоставлении экспериментальных данных с результатами прогноза следует иметь в виду, что наряду с полезным сигналом принимаются также сигналы от других радиостанций. Эти мешающие сигналы автоматически обнаруживаются и частично подавляются встроенными режекторными фильтрами, после чего затруднительно вычислить уровень принимаемого полезного сигнала даже при наличии информации о коэффициенте усиления в тракте приемника. По этой причине для указанного сопоставления были отобраны сеансы при минимальных помехах.
Предварительно, в результате анализа данных, полученных в ходе экспериментов с аппаратным комплексом «Ангара-8И», был сделан вывод, что для надежной регистрации сигнала данным комплексом необходима расчетная напряженность поля в точке приема порядка 8-10 мкВ/м. Отметим, что мощность передатчика комплекса «Ангара-8И» равна 10 Вт, ПСП состоит из 128 элементов, а скорость передачи информации составляет 600 бит/с. Длина ПСП канала данных радиомодема «Ангара-5М» равна 32 элементам. Отсюда следует, что для уверенного приема сигнала при скорости передачи данных 2400 бит/с расчетная напряженность поля должна быть не ниже 15-20 мкВ/м, что соответствует мощности передатчика, равной 40 Вт. Эксперименты подтвердили, что для передачи информации со скоростью 2400 бит/с действительно необходима мощность передатчика около 40 Вт. При мощности передатчика в 100 Вт расчетная скорость передачи информации достигает 4800 бит/с с учетом того, что некоторая часть мощности отводится на синхроканал.