Введение к работе
Актуальность работы
Радиосвязь в декаметровом диапазоне играет важную роль как средство магистральной внутренней и международной, зоновой, подвижной и производственно-диспетчерской связи общего и ведомственного пользования. Несмотря на то, что в условиях быстрого развития высокоэффективных оптоволоконных, радиорелейных и спутниковых систем связи удельный вес и назначение ионосферной радиосвязи изменяется, в настоящее время резко возросла ее необходимость. Кроме этого, Правительственная комиссия по развитию телерадиовещания в России одобрила предложение о национальном стандарте цифрового радиовещания для диапазонов длинных, средних и коротких волн и Минкомсвязи разработало проект о применении системы цифрового радиовещания стандарта DRM (Digital Radio Mondiale).
При передаче информации по ионосферным радиоканалам возникают ошибки в принимаемом сообщении, обусловленные влиянием условий распространения радиоволн, таких как замирания и многолуче-вость, а также воздействием различного рода шумов и помех. Эти физические эффекты приводят к значительным искажениям принимаемого сигнала и ухудшают помехоустойчивость и пропускную способность ионосферного канала связи. Определение этих характеристик позволяет наиболее эффективно использовать радиоканал.
В настоящее время существует два способа решения этой проблемы. Первый состоит в разработке систем связи и передачи информации с учетом физических особенностей радиоканала. Второй – в создании адаптивных систем со средствами диагностики среды распространения радиоволн на основе радиозондирования ионосферы сложными сигналами. Вопросы помехоустойчивости и пропускной способности радиоканалов ионосферной связи рассматривались в исследованиях Е. Н. Коноплевой, Е. А. Хмельницкого, В. Ф. Комаровича, В. Н. Сосу-нова, О. В. Головина и С. П. Простова. Существенный вклад в создание и развитие теории зондирования ионосферы и разработку ионозондов в нашей стране внесли В. А. Иванов, Н. В. Рябова, В. П. Урядов, В. И. Куркин, Ю. Н. Черкашин и за рубежом P. S. Cannon, M. J. Angling, N. C. Davies, B. Lundborg.
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). В этой связи поставленная тема диссертационного исследования является актуальной.
Цель работы: разработка и исследование методик и алгоритмов обработки сложного линейно-частотно модулированного (ЛЧМ) сигнала при наличии помех, используемого для наклонного зондирования ионосферных линий радиосвязи, с целью повышения помехоустойчивости и пропускной способности каналов связи.
Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:
-
Анализ методов повышения помехоустойчивости и пропускной способности радиоканалов ионосферной связи.
-
Разработка методик оценки:
диапазонов оптимальных рабочих частот (ДОРЧ) по экспериментальным данным наклонного зондирования ионосферы ЛЧМ сигналом;
среднего энергетического выигрыша при групповом использовании частот и плотности потока смены частот при автоматическом выборе оптимальной рабочей частоты;
пропускной способности ионосферных радиоканалов на оптимальной рабочей частоте с заданной вероятностью ошибки принятого сообщения;
- помехоустойчивости ионосферных радиоканалов по данным на
клонного зондирования ионосферы ЛЧМ сигналом.
-
Разработка алгоритмов и программных средств для реализации созданных методик на основе данных наклонного зондирования ионосферы ЛЧМ сигналом для модернизации аппаратно-программных средств системы радиозондирования ионосферы.
-
Исследование в натурных и вычислительных экспериментах созданных методик и алгоритмов для трасс протяженностью 2,6-5,7 тыс. км в зависимости от возмущенности ионосферы, времени суток, сезона и разработка рекомендаций для повышения эффективности дальней ВЧ радиосвязи.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы теории распространения радиоволн в ионосфере, методы математического моделирования, системный подход к анализу и синтезу алгоритмов автоматической обработки сигналов ЛЧМ-ионозонда при наличии помех. Теоретические результаты были получены с помощью аналитических методов теории вероятностей и математической статистики, методов корреляционного анализа. Также в работе применялись методы численного моделирования с использованием лицензированного пакета прикладных программ MathCad.
Научная новизна.
1. 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.
-
Создан банк экспериментальных данных диапазонов оптимальных рабочих частот для стандартных модемов связи. Получены статистически устойчивые экспериментальные оценки исследуемых характеристик радиоканалов для линий дальней ионосферной связи меридионального и широтного направлений протяженностью 2,6-5,7 тыс. км в условиях многолучевости.
-
Проведена экспериментальная оценка и сравнительный анализ помехоустойчивости ионосферных каналов при наличии помех на дальних радиолиниях протяженностью 2,6-5,7 тыс. км в различные сезоны года и время суток для стандартных модемов по данным наклонного зондирования ионосферы ЛЧМ сигналом.
Положения выносимые на защиту:
1. Методики обработки сложного ЛЧМ сигнала при наличии помех,
позволяющие производить в автоматическом режиме оценку:
диапазонов оптимальных рабочих частот при использовании в системе связи различных радиомодемов;
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 ионосферных радиоканалов по данным на
клонного зондирования линии связи сложным ЛЧМ сигналом при нали
чии помех.
2. Алгоритм расчета помехоустойчивости ионосферных радиокана
лов по данным наклонного зондирования ионосферы, позволивший мо
дернизировать аппаратно-программные средства системы радиозонди
рования ионосферы.
-
Набор экспериментальных данных полученных оценок: ДОРЧ, ОРЧ для радиолиний меридионального и широтного направлений протяженностью 2,6-5,7 тыс. км в условиях многолучевости и при наличии помех.
-
Набор экспериментальных значений помехоустойчивости на исследуемых радиолиниях в различные сезоны года и время суток для стандартных модемов, позволивший выработать рекомендации для повышения эффективности работы систем дальней ионосферной радиосвязи.
Практическая значимость работы. Практические результаты диссертационной работы связаны с возможностью применения разработанных методик и алгоритмов для задач диагностики и исследования ионосферных радиоканалов, а также в системах частотного обеспечения ионосферных радиолиний для повышения эффективности радиотехнических систем магистральной радиосвязи, радиовещания, радионавигации и загоризонтной радиолокации.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XXI Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн» (г. Йошкар-Ола, 2005); 60-й и 61-й Научных сессиях, посвященных Дню Радио (г. Москва, 2005, 2006); XI Региональной конференции «Распространение радиоволн» (г. Санкт-Петербург, 2005); ХII, XIII, XIV Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2006, 2007, 2008); Всероссийской научной конференции студентов по естественнонаучным и техническим дисциплинам, посвященной 75-летию Марийского государственного технического университета (г. Йошкар-Ола, 2007); Международной молодежной научной конференции ХIV, XIV Туполев-ские чтения (г. Казань, 2006, 2007, 2008); XIII, XIV, XV, XVI Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь» (г. Воронеж, 2007, 2008, 2009, 2010); 15 Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов, (г. Москва, 2009); Международных научно-технических конференция по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу - творчество молодых», (г. Йошкар-Ола, 2007, 2008, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 работа, из них: 3 статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 17 работ в сборниках статей, в трудах и тезисах конференций и симпозиумов; получено 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ
Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты работы использовались при выполнении исследований по государственным контрактам по Федеральным целевым научно-техническим программам: «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы (госконтракт № 02.442.11.7152, шифр РИ-19.0/002/170); «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (госконтракт № 02.740.11.0233, шифр 2009-1.1-123-053-014); по проекту № 2.1.1/3896 Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы); при выполнении грантов Российского фонда фундаментальных исследований №№ 05-07-90313, 06-02-16089, 07-05-12047, 08-02-12081, 09-07-00331, 10-07-00466.
Результаты исследований реализованы в Управлении федеральной службы по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникации по Республике Марий Эл. Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе ГОУ ВПО «Марийский государственный технический университет».
Личный вклад автора. В работах [1, 3, 7, 8, 10, 12, 13, 15] выполнена разработка методик и алгоритмов расчета помехоустойчивости ионосферной радиосвязи. В работах [2, 4, 5, 6, 9, 11, 14, 17, 18, 20, 21] автором разработана методика автоматической оценки диапазонов оптимальных рабочих частот. Результаты расчета среднего энергетического выигрыша, плотности потока смены частот и скорости передачи данных для ионосферных радиоканалов выполнены в работах [1, 2, 16, 17, 19]. Автором проанализированы полученные результаты и сделаны основные выводы. Печатная работа [4] написана автором самостоятельно.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (143 наименования) и 3 приложений, изложена на 160 страницах машинописного текста, в котором приведено 28 рисунков и 14 таблиц.
