Введение к работе
Актуальность темы. Последние технические достижения для радиотехнических систем высокочастотного (ВЧ) диапазона основаны на применении новых научных знаний и являются весьма ощутимыми. Вызывает интерес задача расширения полосы частот ВЧ радиосигналов, которая, однако, наталкивается на недостаточно изученную научную проблему их дисперсионных искажений в ионосфере Земли. В решении этого вопроса необходимо отметить фундаментальные работы А.П. Анютина, Н.А. Арманда, В.Э. Герма, В.Л. Гинзбурга, Л.М. Ерухимова, Н.Н. Зернова, В.А. Иванова, Д.В. Иванова, А.С. Крюковского, В.Е. Куницына, В.И. Куркина, Д.С. Лукина, А.П. Потехина, Н.В. Рябовой, Ю.Н. Черкашина, J.A. Hoffmeyer, В. Lundborg, S. Salous, L.E. Vogler. Существующую научную задачу необходимо рассматривать в рамках развиваемого, особенно в последнее время, подхода, в котором процесс распространения в среде радиосигналов заменяется на прохождение ими эквивалентной многомерной линейной системы с одним (в случае узкополосных систем) или многими (в случае широкополосных систем) выходами. Такие системы описываются в частотной области частотной (ЧХ) и дисперсионной (ДХ) характеристиками, а во временной -импульсной характеристикой (ИХ). Основной задачей в этом случае является решение вопроса о влиянии частотной дисперсии, описываемой видом ДХ, на ЧХ и ИХ широкополосных радиоканалов, с различными средними частотами из полосы прозрачности радиолинии.
Проведенный анализ научно-технической литературы показал, что нерешенной является научная задача исследования факторов нелинейности и стохастичности ДХ и влияния этих факторов на искажения ИХ различных ионосферных радиоканалов и широкополосных сигналов с различными видами модуляции, способствующей существенному расширению их полосы частот с учетом их сжатия при обработке. Данная задача является актуальной, т.к. ее решение будет способствовать развитию теории распространения групп высокочастотных колебаний в средах с дисперсией и развитию радиофизических методов исследования диспергирующих сред.
Цель диссертационной работы: развитие методов и математических моделей для исследования характеристик широкополосных высокочастотных радиоканалов и влияния на их искажения стохастической и регулярной нелинейной частотной дисперсии.
Задачами данной работы являются:
-
Проведение классификации существующих методов и методик теоретических и натурных исследований распространения широкополосных радиосигналов в стохастических средах с частотной дисперсией.
-
Создание математических моделей частотной дисперсии для широкополосных ионосферных радиоканалов в случайно-неоднородной среде на основе экспериментальных данных.
-
Проведение теоретических исследований влияния многофакторной частотной дисперсии на импульсные характеристики широкополосных радиоканалов; установление особенности влияния на них нелинейной и стохастической составляющих частотной дисперсии.
-
Разработка методики выделения по экспериментальным данным составляющих дисперсии; экспериментальное и теоретическое исследование параметров стохастической и нелинейной регулярной дисперсии на радиотрассах протяженностью 1500-3500 км в зависимости от средней частоты канала и геофизических факторов (времени суток, сезона).
Методы исследований. Для решения поставленных задач и получения основных научно-практических результатов использованы методы математического анализа, вычислительной математики, вариационного исчисления, математической статистики. Кроме того, в рамках работы были использованы методы численного моделирования с использованием лицензионного пакета прикладной программы Mathcad. Моделирование проведено с использованием современного метода вычислительного эксперимента при задании характеристик ионосферы на основе международной модели IRI-2007. Результаты натурных экспериментов получены с использованием современного метода наклонного зондирования ионосферы сигналами с линейно-частотной модуляцией. Эксперименты проведены для радиолиний: Иркутск - Йошкар-Ола; Кипр - Йошкар-Ола. При обработке экспериментальных данных использовались статистические методы анализа.
Объект исследования: стохастическая и нелинейная частотная дисперсия, импульсные характеристики ионосферных радиоканалов и широкополосные радиосигналы с учетом сжатия в приемнике.
Предмет исследования: математические модели системных характеристик широкополосных ионосферных радиоканалов и их параметры, а также искажения этих характеристик в зависимости от средней частоты канала, геофизических факторов и протяженности трассы.
Достоверность и обоснованность результатов и выводов диссертационной работы определяются использованием адекватного математического аппарата, статистически достаточным набором экспериментальных данных, полученных за период с 2005г. по 2012г., их репрезентативностью, хорошим согласием экспериментальных данных с результатами математического моделирования и повторяемостью результатов, а также проверкой на соответствие независимым выводам других авторов.
Положения, выносимые на защиту:
1. Методика определения составляющих дисперсионной характеристики широкополосных ВЧ радиоканалов по ионограммам натурных экспериментов в случае стохастической и регулярной частотной дисперсии; критерий учета нелинейных составляющих регулярной фазо-частотной характеристики радиоканала с частотной дисперсией.
2. Аналитические выражения для импульсной характеристики
широкополосного ионосферного радиоканала в случае нелинейной частотной
дисперсии; причины неопределенности связи производной г = dq>/da с
искаженной дисперсией огибающей широкополосного сигнала, полученной с учетом согласованной обработки при приеме.
-
Закономерности влияния стохастической и нелинейной регулярной частотной дисперсии на искажения импульсных характеристик радиоканалов с полосой 1МГц и различной средней относительной частотой.
-
Экспериментальные характеристики параметров стохастической и нелинейной регулярной частотной дисперсии, а также влияние на них протяженности трассы, средней частоты канала и геофизических факторов.
Научная новизна работы
-
Разработана методика определения составляющих дисперсионной характеристики широкополосных ВЧ радиоканалов по ионограммам натурных экспериментов в случае стохастической и регулярной частотной дисперсии; предложен новый критерий учета нелинейных составляющих регулярной фазо-частотной характеристики радиоканала с частотной дисперсией.
-
Впервые получены аналитические выражения для импульсной характеристики широкополосного ионосферного радиоканала в случае нелинейной частотной дисперсии; установлены причины неопределенности связи производной г = dq>/da) с искаженной дисперсией огибающей широкополосного сигнала, полученной с учетом согласованной обработки при приеме.
-
Впервые установлены закономерности влияния стохастической и нелинейной регулярной частотной дисперсии на искажения импульсных характеристик радиоканалов с полосой 1МГц и различной средней относительной частотой.
-
Впервые представлены экспериментальные характеристики параметров стохастической и нелинейной регулярной частотной дисперсии, а также влияние на них протяженности трассы, средней частоты канала и геофизических факторов.
Практическая ценность и реализация результатов работы
-
Полученные автором основные результаты являются новыми, они существенно расширяют возможности теоретических и экспериментальных исследований новых явлений и процессов, связанных с частотной дисперсией случайно-неоднородной среды распространения сложных радиосигналов.
-
Полученные экспериментальные результаты имеют важное значение для изучения неоднородной структуры ионосферы при разработке проблемы взаимодействия ионосферной плазмы с распространяющимися в ней радиосигналами, а также для развития физики верхней атмосферы Земли.
-
Полученные результаты могут быть использованы предприятиями, занимающимися разработкой перспективных систем связи и радиолокации. Результаты исследований внесут существенный вклад в развитие научных направлений, связанных с разработкой методов обеспечения
помехоустойчивости информационных коммуникаций для целей передачи, хранения и защиты информации, а также с вопросами организации беспроводных телекоммуникационных систем и оценки их эффективности.
4. Результаты, полученные автором, использованы при выполнении НИР в следующих организациях: Институт Солнечно-Земной физики СО РАН (г. Иркутск), ОАО Концерн ПВО «Алмаз-Антей», ОАО Концерн «Созвездие», ФГУП НЦП «Дельта», Поволжский государственный технологический университет. Кроме того, эти результаты внедрены в учебный процесс в Поволжском государственном технологическом университете и используются при подготовке бакалавров и магистров по направлениям: 210700 -«Инфо коммуникационные технологии и системы связи»; 210400 -«Телекоммуникации».
Личный творческий вклад автора. В работах [1, 2, 9, 11] автором проведены научное обоснование и разработка математической модели дисперсионной характеристики в случае стохастической и регулярной частотной дисперсии. В работах [4, 6, 8] автором проведено научное обоснование дисперсионных искажений импульсных характеристик в случае стохастической, линейной регулярной и нерегулярной частотной дисперсии и представлены результаты вычислительных экспериментов. В работах [5, 12, 16] автором проведено научное обоснование влияния нелинейной частотной дисперсии на искажения сложных радиосигналов и представлены результаты вычислительных и натурных экспериментов. В работах [10, 14, 15] автором представлены результаты вычислительных экспериментов влияния составляющих частотной дисперсии на искажения сигналов с различной модуляцией. В работах [3, 7, 13, 17] автором представлены научное обоснование, разработка методики выделения стохастической и регулярной составляющих частотной дисперсии по натурным ионограммам и результаты натурных экспериментов. Автором получены все выносимые на защиту положения, сформулированы научные выводы.
Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, были представлены на XII Международной Байкальской молодежной научной школе по фундаментальной физике (Иркутск, 2011), на XXIII Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн» (Йошкар-Ола, 2011), на Международных научных студенческих конференциях по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу - творчество молодых» (Йошкар-Ола, 2011, 2012, 2013), на XVIII международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь - RLNC» (Воронеж, 2012), на Всероссийской научной конференции «Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред» (Муром, 2012, 2013), на Международном научно-техническом семинаре «Синхроинфо» (Йошкар-Ола, 2012), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов, докторантов и сотрудников ПГТУ (Йошкар-Ола, 2012, 2013), на Молодежной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки в 21 веке» (Казань,
2012), на VI Международном молодежном форуме и IX Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в мире коммуникаций» (Москва, 2013).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 5 в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. Она содержит 158 страниц основного текста, 59 иллюстраций, 21 таблицу, список цитируемой литературы из 120 наименований и 4 приложения.
