автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Моделирование и разработка помехозащищенных цифровых тропосферных радиолиний с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты

УЛЬЯНОВСКИЙ ФИЛИАЛ ВОЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА СВЯЗИ

На правах рукописи

Рагузин Сергей Вячеславович

МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПОМЕХОЗАЩИЩЕННЫХ ЦИФРОВЫХ ТРОПОСФЕРНЫХ РАДИОЛИНИЙ С ПСЕВДОСЛУЧАЙНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ РАБОЧЕЙ

ЧАСТОТЫ

Специальность 05.13.16 - Применение вычислительной техники, математического

моделирования и математических методов в научных исследованиях Специальность 05.12.13 - Системы и устройства радиотехники и связи

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук Тимофеев A.C.

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Самохвалов М.К.

Ульяновск - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................4

1. Анализ методов повышения эффективности тропосферных

радиолиний .................................................................................

1.1. Особенности тропосферных линий связи ........................./.Р

1.2.Помехоустойчивость и помехозащищенность тропосферных линий связи............... ................................м

1.3. Анализ эффективности тропосферной линии связи ... .......»

1.4. Выбор и обоснование структуры модели тропосферной

линии связи.......................................................................

Выводы.............. .................................................................гг

2. Разработка математической модели тропосферной линии

связи..........................................................................................

2.1. Модель тропосферного канала для систем с маневрированием по частоте...........................................

2.2. Имитационные модели приемника и передатчика тропосферной станции.....................................................

2.3.Помехозащищенность тропосферной станции в условиях имитирующих помех ........................................................^

2.3.1. Логарифмически-нормальные замирание помехи

2.3.2. Рэлеевские замирания помехи....................................

2.4. Анализ обнаружительной способности тропосферной линии с маневрированием по частоте..............................^

Выводы..................................................................................&&

3. Исследование помехоустойчивости тропосферных линий

связи в режимах псевдослучайной перестройки рабочей

частоты и выбора оптимальной частоты....................ЯР

3.1. Исследование помехоустойчивости выбора оптимальной частоты и разнесенного приема при передаче высокоскоростной информации............................................$

3.2. Анализ и оптимизация алгоритмов обработки сигналов с относительной фазовой манипуляцией в режиме псевдослучайной перестройки рабочей частоты на тропосферных линиях связи............................................

3.3. Исследование помехоустойчивости тропосферной линии связи с многочастотным сигналом в режиме псевдослучайной перестройки рабочей частоты при использовании корректирующего кодирования................

Выводы....................................................................................

4. Исследование помехозащищенности тропосферной линии

с многочастотным сигналом и псевдослучайной перестройкой рабочей частоты............................................

4.1. Исследование помехозащищенности тропосферных линий связи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты при воздействии апостериорных помех.........

4.2. Алгоритм работы линии связи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты и адаптацией к медленно-перестраиваемым помехам.....................................

4.3. Адаптация тропосферной линии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты к апостериорному распределению быстро перестраиваемых помех по частоте .......................... ..................................................№

Выводы....................... .........................................

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................¿#6

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Тропосферная связь является одной из основных видов радиосвязи, наряду с радиорелейной и спутниковой. Высокая эффективность тропосферных линий обусловлена меньшим количеством ретрансляционных станций по сравнению с радиорелейными линиями прямой видимости, возможностью работать в труднодоступных районах , высокой мобильностью развертывания и устойчивостью многоканальной связи. Радиосигналы из точки передачи в точку приёма поступают за счёт их рассеяния на неоднородностях тропосферы, специфика линий тропосферной радиосвязи определяет ярко выраженный многолучевой характер распространения сигналов, вызывающих быстрые глубокие замирания и значительные ослабления сигнала. Явление дальнего тропосферного распространения , необъяснимое с позиций теории дифракции при однородной тропосфере, описывается с помощью теории рассеяния, не требующей глубокого знания физических явлений и использующей практически проверенные эмпирические формулы и графики в инженерных методиках расчёта линий связи. Данная особенность обуславливает необходимость применения математического моделирования и численных методов при разработке линий тропосферной радиосвязи.

В тропосферной связи широко используются методы маневрирования частотным ресурсом: перевод на запасные частоты, выбор оптимальной частоты и псевдослучайная перестройка рабочей частоты. Они позволяют обеспечивать выполнение требований по электромагнитной совместимости, надёжности и

помехозащищённости связи. Предприняты попытки повысить с

помощью выбора оптимальной частоты помехозащищённость тропосферных радиолиний, как в условиях замираний сигналов, так и в условиях преднамеренных помех. Эффективность метода достигается уменьшением задержки сигналов обеспечением работы на передачу и приём на одной частоте, что исключает необходимость передачи информации о состоянии зондируемых линий по обратному каналу. Однако необходимый для этого пакетный режим работы в тропосферном канале практически не исследован. Наименее исследованными являются вопросы использования на тропосферных радиолиниях систем с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты, которые получили широкое применение в спутниковой и УКВ связи. Недостаточная изученность данных систем в тропосферной связи вызвана тем, что основные вопросы помехоустойчивого приема при использовании метода псевдослучайной перестройки рабочей частоты не были решены из-за сложностей когерентной демодуляции и сложения сигналов. До сих пор остаются нерешенными задачи исследования сравнительной эффективности выбора оптимальной частоты и разнесённого приёма в условиях межсимвольной интерференции; уменьшение энергетических потерь сигнала в условиях разнесенного приёма и быстрой смены параметров канала распространения при применении реализуемых фильтров; повышения эффективности исправляющего ошибки кодирования в режиме псевдослучайной перестройки рабочей частоты; повышения эффективности псевдослучайной перестройки рабочей частоты, как средства борьбы с помехами на тропосферных линиях связи путём адаптации к частотно-помеховой обстановке в процессе работы радиолинии.

Таким образом, в настоящее время разработка с помощью математического моделирования и численных методов комплексных

способов маневрирования частотным ресурсом и адаптации к помеховой обстановке для тропосферных линий связи является актуальной проблемой развития методов и средств связи.

Цель и задачи исследований. Целью работы является исследование и разработка способов помехоустойчивой передачи и приёма информации с помощью моделирования цифровых тропосферных линий связи при использовании методов маневрирования частотным ресурсом и адаптации.

Поставленная цель достигается путём решения следующих взаимосвязанных задач:

1. Разработка модели тропосферной линии связи, учитывающей особенности тропосферного канала связи в режиме маневрирования частотным ресурсом.

2. Сравнительное исследование помехоустойчивости режимов выбора оптимальной частоты и псевдослучайной перестройки рабочей частоты на тропосферных линиях связи.

3. Разработка алгоритма адаптации к помеховой обстановке и оценка его эффективности.

4. Определение оптимальных параметров маневрирования частотным ресурсом и достижимой помехозащищенности и требуемого энергетического запаса на реализацию метода маневрирования частотным ресурсом.

5. Разработка модели и определение параметров радиоэлектронного конфликта цифровых тропосферных линий связи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты с учетом особенностей распространения сигналов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Модель тропосферной линии связи с квадратурным модулятором и системой оптимального сложения ветвей разнесения с

резким изменением параметров распространения сигнала в режиме маневрирования частотным ресурсом и различными вариантами выбора оптимальной частоты.

2. Предложенный алгоритм демодуляции и сложения разнесенных сигналов в режиме псевдослучайной перестройки рабочей частоты, отличающийся использованием в качестве фильтров опорных трактов коммутируемых интеграторов, позволяет обеспечить высокую точность оценки параметров квадратурных компонент сигнала в режиме псевдослучайной перестройки рабочей частоты.

3. Разработанный алгоритм управления частотным ресурсом тропосферной радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты обеспечивает более высокую скорость адаптации за счет обмена информацией о пораженных помехами участках диапазона частот.

4. Модель радиоэлектронного конфликта для тропосферной радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты в частотно-временной области позволяет учесть алгоритм работы перспективных приемо-передающих комплексов и особенности тропосферного распространения цифровых сигналов и помех.

Научная новизна проведенных исследований и полученных результатов заключается в следующем:

1. Впервые разработана имитационная модель тропосферной линии связи с маневрированием частотным ресурсом на основе трансверсального фильтра со случайными весовыми коэффициентами.

2. Показано, что для повышения помехозащищенности цифровых линий связи целесообразно комплексное использование методов разнесенного приема и псевдослучайной перестройки рабочей частоты радиосигналов.

3. В качестве оптимального фильтра для опорных трактов демодулятора в режиме псевдослучайной перестройки рабочей частоты предложен интегратор с гашением и разработан алгоритм демодуляции.

4. Разработана методика анализа помехозащищенности тропосферной линии связи к медленным и быстрым перестраиваемым помехам.

5. Предложены алгоритмы адаптации канала радиосвязи к перестраиваемым помехам и проведена оценка их эффективности.

Практическая ценность работы.

1. На основании результатов имитационного моделирования тропосферного канала связи определены оптимальные режимы передачи цифровой информации для псевдослучайной перестройки рабочей частоты и разнесенного приема в условиях межсимвольной интерференции.

2. Анализ эффективности режимов псевдослучайной перестройки рабочей частоты показал необходимость модернизации приемно-передающих устройств, в качестве оптимального фильтра для опорных трактов демодулятора предложен интегратор со сбросом накопленного напряжения в момент смены частот передачи.

3. Определены параметры тропосферных линий связи, обеспечивающие высокую помехозащищенность в условиях динамической помеховой обстановки при использовании кодирования сигналов и адаптации к перестраиваемым помехам.

4. Разработана методика расчета обнаружительной способности приемника, обеспечивающая быстрое обнаружение тропосферной радиостанции с помощью радиометра при учете замираний сигнала на трассе распространения.

Результаты диссертационной работы нашли применение при разработках методов и устройств повышения помехозащищенности тропосферных радиолиний в Воронежском НИИ связи и в учебном процессе в Ульяновском филиале ВУС.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно - практической конференции "Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем" (г.Ульяновск, 1998г.), научно - практической конференции "Новые методы, средства и технологии в науке, промышленности и экономике" (г.Ульяновск, 1997г.), школе-семинаре "Актуальные проблемы физической и функциональной электроники" (г.Ульяновск, 1998г.), научно - технических конференциях профессорско-преподавательского состава Ульяновского государственного университета в 1998 и 1999г.г. и Ульяновского высшего военного инженерного училища связи в 1997 и 1998 г.г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет страниц, включая рисунков, таблиц и список литературы из наименований.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТРОПОСФЕРНЫХ РАДИОЛИНИЙ.

1.1 Особенности тропосферных линий связи

Тропосферная связь - дальняя радиосвязь, основанная на использовании явления переизлучения электромагнитной энергии в электрически неоднородной тропосфере при распространении в ней радиоволн; осуществляется в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн. Электрическая неоднородность тропосферы (неоднородность ее диэлектрической проницаемости) обусловлена случайными локальными изменениями температуры, давления и влажности воздуха, а также регулярным уменьшением этих величин с увеличением высоты. Переизлучение энергии происходит в области пересечения диаграмм направленности передающей и приемной антенн. Расстояние между пунктами передачи и приема может достигать 1000 км. Принципиальное отличие линий тропосферной радиосвязи от радиорелейных линий заключается в отсутствии прямой радиовидимости: приемник находится, как правило, за радиогоризонтом в области глубокой тени. Все это определяет специфику линий тропосферной радиосвязи, основное содержание которой сводится к ярко выраженному многолучевому характеру распространения сигналов, вызывающих быстрые глубокие замирания и значительные (до 200 - 250 дБ) ослабления сигнала с расстоянием, что превышает ослабление сигнала на аналогичных участках при прямой радиовидимости на 100 - 150 дБ [1-7]. Поэтому для реализации такой связи используют мощные передатчики, остронаправленные антенные системы, применяют различные методы разнесенного

приема и передачи, а также другие методы повышения надежности и помехозащищенности линий связи [8].

Явление дальнего тропосферного распространения было обнаружено экспериментально в конце 40-х годов [1-3]. Оно не могло быть объяснено с позиций теории дифракции для однородной тропосферы, ибо расчетные значения не соответствовали реально измеренным [3]. Для анализа закономерностей распространения радиоволн была использована теория рассеяния, которая не требовала детального знания физики явлений, происходящих в канале связи [4]. Суть этого анализа сводится к определению зависимости уровня принимаемого сигнала от передаваемого через коэффициент передачи (множитель ослабления) или коэффициент затухания [6].

В качестве физической модели была предложена модель с однократным рассеянием (каждая неоднородность участвует с переизлучением один раз) в области пересечения диаграмм направленности приемной и передающей антенн [1,2]. Данная модель, очевидно, не отражала всех деталей физических процессов, происходящих в канале связи, поскольку в этой модели не учитывалась многократность рассеяния, происходящая на всем протяжении радиотрассы, не учитывалась специфика строения самой тропосферы и другие важные особенности. В.Н.Троицким была предложена более адекватная теория рассеяния с учетом слоистых неоднородностей [4]. В дальнейшем эти физические модели совершенствовались, уточнялись и усложнялись [5,6], что приводило к значительному усложнению расчетов линии связи. Поэтому до настоящего времени используется первоначальная модель распространения с однократным рассеянием в некотором объеме с практически проверенными эмпирическими формулами и графиками. Разработанные различные инженерные методики расчета линий связи при

дальнем тропосферном распространении учитывают особенности рельефа местности, климатические особенности региона и технической реализации средств связи.

Рассмотрим наиболее характерные особенности физических явлений и влияние различных факторов на параметры сигнала для дальней тропосферной радиосвязи.

Поскольку возникновение самого явления дальнего тропосферного распространения возможно лишь при наличии реальной турбулентной атмосферы, то состояние последней во многом определяет уровень и характеристики сигналов в точке приема. Причиной наличия рассеянных компонент являются различные неоднородности тропосферы: турбулентные перемещения, слоистые образования, г