автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Разработка принципов использования радиопередающих устройств СДВ диапазона для организации дополнительных каналов передачи цифровой информации

Р г □ од

На правах рукописи

Лукин Алексей Анатольевич

РАЗРАБ ОТКА ПРИНЦИПОВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ СДВ ДИАПАЗОНА ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ

Специальность 05.12.17.- РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ И ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВА

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.

Научный руководитель - кандидат технических наук,

проф. П.П. Гелль

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, С.Б. Волошин

кандидат технических наук, Л. А. Яковлев

Ведущая организация

Российский институт радионавигации и времени

Защита состоится 1998 г. в /^часов на

заседании диссертационного совета К ii8.01.01 Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по адресу 191186, Санкт-Петербург, наб. р. Мойки 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан

1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Сверхдлинноволновый диапазон (диапазон ОНЧ) - 10 - 30 кГц в настоящее время используется для специальной радиосвязи, прежде всего для связи с подвижными объектами, а также для дальней радионавигации и передачи сигналов единого времени. Это объясняется большими дальностями и высокой стабильностью распространения сверхдлинных волн.

Для передачи информации различного назначения в этом диапазоне используются сверхдлинноволновые (СДВ) передающие радиостанции мощностью от сотен до тысяч киловатт. На территории бывшего Советского Союза расположено шесть мощных СДВ радиостанций, осуществляющих передачу информации в радиолиниях дальней магистральной связи и передачу сигналов единого времени. Кроме связных радиостанций в диапазоне непрерывно работают и опорные станции фазовых радионавигационных систем. На территории СНГ расположены пять таких радиостанций.

Экономические реформы в Российской Федерации и других странах СНГ, сокращение расходов на оборону, жесткая экономия госбюджета находятся в противоречии с необходимостью больших финансовых затрат на эксплуатацию существующих передающих центров СДВ диапазона.

Актуальной представляется задача дополнительной загрузки имеющегося оборудования с целью получения финансовых ресурсов для эффективной эксплуатации и дальнейшего развития указанной техники.

Одним из возможных направлений использования радиопередающих устройств СДВ диапазона является дополнительная передача ими цифровой информации ограниченных объемов практически в любую точку Земли, аналогично обычным системам пейджинговой связи, работающих в крупных населенных пунктах. Глобальная пейджинговая связь может представлять интерес для государственных и коммерческих предприятий, заинтересованных в оперативной и прямой доставке цифровой информации непосредственно потребителю минуя междугородные и международные средства телекоммуникаций и не требующие знания местонахождения потребителя, который может находиться на суше, в воздухе, на воде, и даже под водой.

Цель работы

Целью настоящей диссертационной работы является подготовка технических предложений использования наземного оборудования СДВ радиопередающих устройств для передачи дополнительной цифровой информации.

Задачи исследования

• Анализ возможности использования имеющихся СДВ радиопередающих устройств для передачи дополнительной цифровой информации.

• Разработка принципов передачи дополнительной цифровой информации с помощью СДВ передающих устройств.

• Разработка алфавитов сигналов, позволяющих при ограничениях, накладываемых СДВ радиопередающими устройствами (узкополосность, возможность использования только угловой модуляции совместно с амплитудной манипуляцией), получить максимальную скорость передачи цифровой информации.

• Разработка структурных схем формирования и приема сигналов.

• Разработка методов построения преселекторов приемных устройств СДВ диапазона с независимым изменением полосы пропускания, центральной частоты настройки и коэффициента передачи.

Методы исследования

Для решения поставленных задач и проверки результатов в диссертационной работе использовались методы машинного моделирования (программы для схемотехнического Pspice и математического моделирования Mathcad) и натурного макетирования.

Новые научные результаты

В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:

1) аппроксимирующие характеристики существующих СДВ радиопередающих устройств (КПД, полосы пропускания);

2) оценена возможность использования существующих СДВ радиопередающих устройств для передачи дополнительной цифровой информации;

3) сформулированы принципы передачи дополнительной цифровой информации с помощью фазовых радионавигационных систем (РНС) и связных станций СДВ диапазона;

4) синтезирован новый вид высокочастотной модуляции, получивший название двойной угловой модуляции (ДУМ). Использование алфавитов сигналов с двойной угловой модуляцией позволяет на 60 - 90%, по сравнению с фазовой модуляцией, увеличить скорость передачи цифровой информации при одинаковой помехозащищенности алфавитов сигналов и равных полосах частот, занимаемых вариантами сигнала;

5) предложены алфавиты сигналов с ДУМ, имеющие различную информационную емкость - от единиц до десятков вариантов сигнала, при одинаковых помехозащшценностях и скоростях передачи цифровой информации;

6) оценена помехоустойчивость метода приема сигналов с двойной угловой модуляцией;

7) сформулированы принципы построения ARC - преселекторов с независимым управлением коэффициентом передачи, полосой пропускания и цент-

ральной частотой настройки.

Практическая ценность

Разработанные в диссертационной работе предложения по использованию радиопередающих устройств для передачи дополнительной цифровой информации дают теоретические предпосылки для построения на базе существующих передающих устройств СДВ диапазона глобального пейджера, предназначенного для передачи ограниченных объемов цифровой информации практически в любую точку планеты.

Предложенный в диссертационной работе новый вид модуляции может быть использован для модернизации имеющихся и создания новых систем передачи цифровой информации с угловой модуляцией.

Методы построения преселекторов с независимым управлением коэффициентом передачи, полосой пропускания и центральной частотой настройки могут быть использованы для построения активных частотных фильтров с указанными свойствами.

Внедрение результатов работы

Основные и экспериментальные результаты диссертационной работы использованы при выполнении научно - исследовательской работы "Фундаментальные аспекты новых информационных и ресурсосберегающих технологий"-шифр "АСПЕКТ-ГУТ' в 1995,1996, 1997 гг. (№ 190-93-054) и в опытно-конструкторской разработке "Интегрированный приемоиндикатор для фазовых РНС СДВ диапазона" № 5-95, проводимой АО "ЭФИР" по заказу Российского института радионавигации и времени, в 1995,1996 гг., что подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 48-й НТК, Санкт-Петербург, 1996 г.; на 49-й НТК, Санкт-Петербург, 1996 г.; 50-й НТК, Санкт-Петербург, 1997 г.

Публикации

Основные положения диссертации изложены в 4 тезисах докладов.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы, включающего 48 наименований, двух приложений. Основная часть работы изложена на 107 страницах машинописного текста. Работа содержит 99 рисунков и 13 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности и практической значимости рассматриваемой проблемы - построения системы передачи дополнительной цифровой информации с использование радиопередающего оборудования фазовых РНС и связных станций СДВ диапазона. Сформулированы цель работы, решаемые задачи, кратко описано содержание глав диссертационной работы.

Первый раздел посвящен обзору характеристик СДВ радиопередающих устройств, каналов связи СДВ диапазона и обоснованию возможности построения системы передачи дополнительной цифровой информации с использованием существующих СДВ радиопередающих устройств.

Возможность построения глобального пейджера, обеспечивающего передачу цифровой информации непосредственно потребителю, с использованием волн СДВ диапазона (10... 30 кГц) связана с большими дальностями и стабильностью распространения сверхдлинных волн.

Интерференционная картина поля в этом диапазоне частот образуется суперпозицией земной волны, распространяющейся на расстояния до 3000 км, и волны отраженной от ионосферы, которая присутствует, начиная с расстояний 300-400 км. Это приводит к нестабильности фазы, что существенно затрудняет возможность работы радионавигационных систем СДВ диапазона на указанных расстояниях.

Оценочный расчет напряженности электрического поля для ДВ и СДВ волн многие годы проводится по эмпирической формуле Остина. Однако формула Остина в явном виде не учитывает волноводный эффект распространения СДВ электромагнитных колебаний вокруг поверхности Земли, который определяет энергетику канала, начиная с расстояний в 1000 км.

Напряженность электромагнитного поля, создаваемого СДВ радиостанцией с учетом волноводного эффекта может быть оценена по аппроксимацион-ной формуле, полученной в Петербургском Государственном Университете.

В диапазоне СДВ наиболее интенсивно действуют атмосферные помехи, источником которых являются грозы. Во время грозового разряда возникает мощный импульс электромагнитного колебания, носящий апериодический характер или характер затухающих колебаний и имеющий длительность т = 0.1-3мс. Такой импульс имеет непрерывный спектр частот с максимумом в области 3...8 кГц, спадающий в области высоких частот по закону 1//. Основным источником помех являются грозы, происходящие в течение круглого года в экваториальных районах земного шара - очагах грозовой деятельности.

Радиоволны различной длины, возникающие во время грозового разряда, распространяются подобно волнам соответствующих диапазонов. Количественное описание временных и географических изменений уровня атмосферных помех производится статистическими методами, основанными на резуль-

татах обработки данных многолетних измерений.

Другим типом помех являются промышленные помехи, которые создаются различными типами электротехнического и радиоэлектронного оборудования; интенсивность этих помех может в индустриальных районах планеты превосходить на несколько порядков атмосферные шумы.

Многолетние исследования помех в диапазоне СДВ позволили разработать модели, позволяющие прогнозировать напряженности поля помехи в заданной области Земли.

Радиопередающие устройства (РПУ) СДВ систем связи и радионавигации являются одними из самых мощных радиотехнических средств, что определено глобальностью решаемых ими технических задач.

Существующие РПУ СДВ диапазона можно разделить на две большие группы - связные и навигационные.

Навигационные СДВ радиопередающие устройства излучают электромагнитные колебания в диапазоне частот от 10 до 30 кГц и имеют полосы пропускания от нескольких десятков до нескольких сотен герц, то есть являются принципиально узкополосными. Связные СДВ передающие устройства работают в диапазоне частот от 8 до 60 кГц, характеризуются большими, по сравнению с навигационными передатчиками, полосами пропускания (сотни герц), большими мощностями излучения и, соответственно, более приспособлены для передачи цифровой информации. Все передающие устройства, как радионавигационные, так и связные, способны излучать сигналы только с угловой модуляцией совместно с амплитудной манипуляцией. Кроме того, радионавигационные передающие устройства привязаны к частотно-временной диаграмме работы фазовых РНС, которая должна бьпъ известна потребителю информации. У связных передающих устройств нет жесткой частотно-временной привязки, и возможные несущие частоты располагаются через 100 Гц в полосе частот СДВ диапазона.

Навигационные РПУ характеризуются значительным увеличением КПД с возрастанием частоты. Связные передатчики имеют более пологую характеристику: величина КПД изменяется в значительно меньшей степени.

Возможны два режима работы навигационных РПУ: навигационный, в котором возможна передача только навигационной информации, и связной, позволяющий осуществить передачу как навигационной, так и связной информации. Связной режим работы навигационных РПУ возможен при расширении полосы пропускания выходных колебательных систем. Требуемое увеличение полосы пропускания достигается за счет уменьшения КПД передающего устройства, что приводит к уменьшению излучаемой мощности. При этом уменьшение значения КПД происходит значительно быстрее, чем расширение полосы пропускания колебательных систем РПУ, так что такой обмен является край-

не невыгодным.

Связные радиопередающие устройства имеют принципиально лучшие, с точки зрения передачи цифровой информации, энергетические характеристики.

Кроме частотных характеристик канала связи полезно знать и временные характеристики, к числу которых, прежде всего, относится импульсная характеристика, определяющая свободные (собственные) колебания в канале связи при наличии в нем начальной запасенной энергии.

При изменении варианта сигнала необходимо учитывать инерционность канала связи, в котором для "забывания" предыдущего варианта сигнала и "восприятия" нового варианта сигнала необходимо время не меньшее длительности импульсной характеристики. Если не дать каналу "забыть" предыдущий сигнал, то его остатки в виде свободных колебаний канала связи выступают в качестве помехи приему последующего варианта сигнала.

В качестве моделей избирательных устройств РПУ СДВ диапазона целесообразно выбрать характеристики полосовых частотных фильтров, АЧХ которых аппроксимируются полиномами Чебышева и Баттерворта четвертого порядка. Длительность импульсной характеристики при этом составляет 20 ... 25 периодов несущей частоты.

Помехозащищенность приема сигналов при воздействии флуюуационных помех, в самом общем случае, определяется соотношением энергии принимаемого сигнала и спектральной плотности помехи.

Необходимое отношение сигнал/помеха и связанная с этим дальность передачи цифровой информации, зависит от мощности передающего устройства, расстоянием между передатчиком и приемником, алфавита сигналов, заданной вероятности ошибки приема информации и выбранного метода приема и т.п.

Многофакторность дальности передачи информации требует при уточнении расчета этого телекоммуникационного показателя учета конкретных особенностей передачи сообщений с использованием реально существующих радиопередающих устройств, их местонахождения, заданного режима работы. Существующие математические модели распространения волн СДВ диапазона позволяют оценить для конкретного момента времени напряженности поля сигнала, в различных точках Земли, уровень флуюуационных помех и как следствие, достоверность приема сигналов.

Во втором разделе сформулированы принципы передачи цифровой информации с использованием оборудования РПУ СДВ диапазона. В нем также обсуждается вопросы, связанные с синтезом алфавитов сигналов, позволяющих получить максимальную скорость передачи цифровой передачи информации при заданной помехозащищенности, с учетом ограничений РПУ СДВ диапазона.

Возможные режимы передачи цифровой информации с использованием СДВ передающих устройств можно разделить на:

• связной, при котором РПУ передают только связную информацию;

• совместный, при котором кроме обеспечения частотно-временной диаграммы работы фазовой РНС в "пустых" сегментах осуществляется передача дополнительной цифровой информации на выбранных несущих частотах;

• одновременный, при котором передача цифровой информации осуществляется одновременно с навигационными сигналами.

Каждый из трёх рассмотренных режимов работы может быть, в свою очередь, разделен на подрежимы. Кроме этого, организационно возможна независимая (автономная) работа РПУ, передающих каждый свою информацию, или работа РПУ в сети, где информация распределяется по всем станциям, каждая из которых передаёт определенную часть информации.

Учитывая многообразие всевозможных способов использования наземных комплексов в автономных или сетевых режимах передачи цифровой информации, основные (общие) условия использования РПУ навигационных систем и связных станций СДВ диапазона следующие:

• имеющиеся РПУ способны передавать лишь узкополосные сигналы, соответствующие по своим энергетическим спектрам полосам пропускания колебательных систем и связанным с ними мощностями излучаемых колебаний;

• РПУ допускают использовать только угловой модуляции совместно с амплитудной манипуляцией несущего колебания;

• при использовании совмещенного и одновременного режима передачи информации требуется синхронизация работы связного канала с частотно-временной диаграммой работы фазовой РНС;

• высокая стабильность частоты излучаемых навигационных колебаний позволяет осуществлять когерентные методы передачи цифровой информации, обеспечивающие наибольшую помехоустойчивость;

• объёмы и скорость передаваемой информации при заданной достоверности взаимосвязаны с требуемой дальностью связи.

Наибольшая скорость передачи цифровой информации, при заданном значении помехозащищенности алфавита сигналов и ограничениях со стороны СДВ радиопередающих устройств, наблюдается у алфавитов сигналов с двойной угловой модуляции.

Вариант сигнала с данным видом модуляции в рабочем "временном окне -Г":

о

е(() = А-со5(п-а)0-1 + 9-со5(о)<>-1 + <р,) + (ря), о, =2-я/Т<>, г еГ0.

Параметрами сигнала, определяющими алфавит, являются варианты фаз

несущего -<рп и модулирующего колебаний - <ро. Несущее колебание является п-й гармоникой модулирующего колебания. Амплитуда колебаний -А и индекс модуляции - 9 у всех вариантов сигнала одинаковы.

Вариант сигнала е(0 может бьггь представлен рядом

+Jl(в)■cos((n+l)■a)<> •/ + ?>„ 4-<р0 +я/2)-Jг(0)^cos((n-2)^a)<l^t + <pll -2-<р0)--Jг{в)^cos{(n+2)^o>l,•t + <pll+2■<pl>)+...},

где Зп(в) - функция Бесселя действительного аргумента п-го порядка. Фаза_/-й гармонической составляющей варианта сигнала (/'= п+к)

= 9. +к-<Р. +Щ-я/2, к= -К ..., О,..., N.

Нормированное скалярное произведение между / и т вариантами сигнала, выраженное через амплитуды и фазы гармонических составляющих этих вариантов сигнала, определяется выражением

1

р = -

J,(e)1+2-YJJh(9)1

Л (в)г + 2 • Е Л (в)1 ■ cos(k ■ Am)

cos(Arn),

где A<patm, А<рлЫ разность фаз модулирующего и несущего колебаний / и т вариантов сигнала.

Если выражение для р представить в виде

Р = Pi(A<P.)'Рг(Д<Рш) >

1

где (\(Aq>J =

+2-ЁЛ (в)г ■cos(k-A<pcJ

Р1(А<рп) = со$(А<рЫт),

то условия формирования алфавита сигналов, имеющего максимальную скорость передачи цифровой информации при прочих равных условиях, имеют вид

тах|д(Д<г>,)| = тах|р1(Л^)|,

по всем возможным значениям А<ро, А<рп, и

Ъ.(р0-т = 2-п ,К(рл-к =2 -к, где т и к - целые положительные числа или нуль.

Наращивание информационности алфавита сигналов достигается уменьшением значений, и увеличением индекса модуляции в. Увеличение в приводит к тому, что полоса частот, занимаемая сигналом, увеличивается. Восстановление прежнего значения ширины спектра варианта сигнала связано с наращиванием длительности варианта сигнала Тд, и как следствие, увеличением его энергии. При этом обмен между в и Т0 проходит таким образом, что при равных минимальных расстояниях между вариантами алфавитов сигналов скорость передачи цифровой информации практически не изменяется.

Использование алфавитов сигналов с ДУМ позволяет на 60 - 90 %, по сравнению с алфавитами сигналов ФМ, повысить скорость передачи цифровой информации, сохраняя при этом прежними помехозащищенность алфавитов и необходимую ширину полосы пропускания канала связи. Естественно, что этот выигрыш связан с усложнением программных и аппаратных средств, необходимых для реализации методов передачи и приема ДУМ сигналов.

Применение двойной угловой модуляции в зависимости от индекса в позволяет осуществить реализацию всех трех принципов передачи цифровой информации с использованием РПУ СДВ диапазона: связного, совместного и одновременного.

Связной и совместный режимы работы возможны при любых значениях индекса модуляции а одновременный - при значении индекса в =2 А. В этом случае в спектрах вариантов сигнала отсутствует гармоническая составляющая с частотой несущей.

Третий раздел посвящен рассмотрению методов формирования и приема сигналов и вопросам, связанным с определением частоты дискретизации сигнала.

Формирование ДУМ - сигналов, в зависимости от используемого режима работы, может быть синхронизовано с частотно-временной диаграммой работы радионавигационного комплекса, при совместном или одновременном режимах работы, или синхронизация не нужна, при связном режиме работы радиопередающих устройств.

В алгоритмы и программы формирователя ДУМ - сигналов заложены следующие принципы:

• безубыточное кодирование цифровой информации на основе кодов Грея, позволяющее сопоставить варианту цифрового сигнала с минимальным кодовым расстоянием вариант ДУМ-сигнала с минимальным энергетическим расстоянием;

• цифровая информация "вносится" в разность фаз ДУМ - колебания на двух соседних рабочих посылках, что позволит избегать неопределенности начальной фазы приходящего сигнала (относительная двойная угловая модуляция (ОДУМ));

• синтез ДУМ - колебания выполняется на основе обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ) непосредственно по частотному спектру варианта алфавита сигнала;

• частотные составляющие формируемого сигнала должны бьггь гармониками основной частоты, период которой определяется скоростью передачи информации.

Структурная схема алгоритма формирователя сигналов с относительной двойной модуляцией состоит из грех функционально независимых блоков:

• определения фаз несущего и модулирующего колебаний варианта сигнала, в котором происходит преобразование двоичной цифры в соответствующие ей фазы несущего <р„ и модулирующего <р„ колебаний варианта сигнала. Данное преобразование осуществляется в соответствии с манипуляционным кодом, который отражает соотношения фаз <р„ и <р0 на двух соседних посылках;

• преобразования фаз несущего и модулирующего колебаний в фазы гармонических составляющих варианта сигнала, где по значениям фаз <р„ и ф0 формируется фазочастогная характеристика варианта сигнала:

> Л Г1 -N N

«V, 1 -1 1

й = 1 0 0 ■

Л.. 111

.ftj L1 N N.

• синтеза варианта сигнала по его гармоническим составляющим, где в соответствии с выражением

лм i

»-о TV

на основе алгоритма ОБПФ происходит формирование отсчетов варианта сигнала.

Приём ДУМ - сигналов в присутствии аддитивной помехи может осуществляться множеством различных способов, среди которых заслуживают внимания два метода:

• когерентный, основанный на полной информации о частотных характеристиках приходящих вариантов сигнала, в том числе и фазовых;

• корреляционный, при использовании которого не нужна информация о начальных фазах частотных составляющих приходящих сигналов.

Помехоустойчивость когерентного метода приёма, естественно, несюоль-

9» Рс

л/г

ко больше корреляционного, однако получаемый выигрыш связан с усложнением аппаратных и программных средств, используемых для приёма сигналов.

Реализация когерентного и корреляционного метода приёма в настоящее время должна основываться на использовании цифровой обработки сигналов в реальном масштабе времени сигнальными процессорами, производительности которых хватает как на выполнение рабочей программы обработки сигналов, так и на сервисные задачи.

При наличие в системе передачи дополнительной цифровой информации приемоиндикагора фазовой РНС, где происходит определение фаз приходящих радионавигационных сигналов, возможна непосредственная реализация когерентного метода приема. Во всех остальных необходимо использовать когерентно - разностный и корреляционный методы приема. Помехоустойчивость когерентно -разностного метода приема занимает промежуточное положение между когерентным и корреляционным методами.

Вне зависимости от метода приема, структурная схема радиоприемного устройства СДВ диапазона состоит из следующих функциональных блоков:

• преселекгора, необходимого для приведения параметров приходящего сигнала к значениям, при которых корректно проводится аналого-цифровое преобразование, и повышения помехоустойчивости приемного устройства;

• аналого-цифрового преобразователя, осуществляющего преобразование непрерывного сигнала в последовательность отсчетов;

• сигнального процессора, осуществляющего дальнейшую обработку полученных отсчетов; определение спектрального состава принятого колебания, определение принятого варианта сигнала, декодирование принятого символа, а также сервисные функции, такие как управление преселекгором, АЦП и т.п.

В алфавитах сигналов с ДУМ информационную нагрузку несут фазы гармонических составляющих варианта сигнала. В настоящий момент определение спектрального состава варианта сигнала наиболее целесообразно проводить методами, основанными на алгоритме быстрого преобразования Фурье (БПФ).

Помехоустойчивость метода приема, использующего алгоритм БПФ, при прочих равных условиях, зависит от количества отсчетов, используемых при обработке, и типа используемого "окна".

Для достаточно надежного определения математического ожидания и корреляционной функции амплитуд и фаз гармонических составляющих варианта сигнала на периоде самой высокочастотной гармоники необходимо взять не менее 10 отсчетов. Так как рассматриваемые случайные процессы относятся к классу стационарных и эргодических случайных процессов, необходимое количество точек, для получения достоверных характеристик, можно взять не на одном, а на множестве периодов самой высокочастотной гармоники.

Различные типы "окон" позволяют за счет перераспределения энергии, находящейся в высокочастотных гармонических составляющих спектра варианта сигнала, увеличить точность определения гармонических составляющих в низкочастотной части спектра и наоборот. Стратегия выбора "окна" диктуется компромиссом между смещением амплитуд и фаз гармонических составляющих из-за помех в области близких боковых лепестков и в области дальних боковых лепестков.

С точки зрения точности оценки статистических характеристик гармонических составляющих варианта сигнала, предпочтительными являются алфавиты с "большими" значениями индекса модуляции, так как увеличение индекса модуляции, при сохранении ширины спектра сигнала, приводит к возрастанию длительности варианта сигнала и как следствие, к увеличению числа отсчетов на интервале записи сигнала.

Четвертый раздел диссертационной работы посвящен разработке аппаратных средств приема сигналов: построению преселекгоров с независимым управлением полосой пропускания, частотой настройки и коэффициента передачи. В ней также рассмотрена современная элементная база перспективная для построения приемников СДВ диапазона.

В настоящее время техническая реализация аппаратуры формирования и приема сигналов СДВ диапазона требует применения алгоритмов, основанных на достаточно мощном математическом аппарате. Возможность использования цифровой обработки сигналов определяется наличием соответствующей элементной базы, обеспечивающей предварительное усиление и фильтрацию входных сигналов, их аналого-цифровое преобразование и дальнейшую обработку в сигнальных процессорах. Техническое качество элементной базы определяет столь важные характеристики радиоэлектронной аппаратуры как чувствительность, динамический диапазон, селективность и т.д.

Построение преселекгоров приемных устройств СДВ диапазона наиболее целесообразно осуществлять на основе операционных усилителей (ОУ), так как уровень их собственных шумом находится на уровне собственных шумов лучших активных дискретных элементов.

Из всей номенклатуры аналого-цифровых преобразователей требуемому соотношению быстродействие/разрядность наиболее удовлетворяют Сигма-Дельта преобразователи. При числе разрядов от 16 до 18 они имеют частоту дискретизации от 100 кГц до 44 кГц.

В настоящее время ситуация на рынке сигнальных процессоров такова, что множество фирм выпускают огромное количество процессоров для самых различных приложений. Ресурсов большинства из них хватает для реализации требуемых методов формирования и приема сигналов. Выбор процессора в основном определяется экономическими показателями разработки.

Лидирующие позиции в производстве ОУ, АЦП и цифровых сигнальных процессоров занимают фирмы Texas Instrument, Analog Devices, Motorola.

Условия узнополосности принимаемых сигналов и незнание их несущей частоты, задаваемой частотно - временными диаграммами работы навигационных станций и частотными сетками связных станций, определяют необходимость выполнения преселектором следующих функций:

• настройки на несущую частоту принимаемого сигнала;

• автоматической регулировки усиления;

• изменения полосы пропускания в зависимости от режима работы приемного устройства.

Последняя из функций вводится для увеличения помехоустойчивости приемного устройства и выполняется после того, как произошел "захват" несущей частоты принимаемого сигнала.

Управление преселектором выполняется цифровым сигнальным процессором на основе оценки параметров принимаемого сигнала.

Техническая реализация преселектора должна основываться на частотно-избирательных устройствах, например на использовании ARC или ARLC -цепях с малошумящими ОУ Уровень собственных шумов преселектора будет определять нижнюю границу динамического диапазона приемного устройства.

Возможны три варианта построения преселекгоров:

• на основе каскадного соединения фильтров;

• на основе каскадного соединения фильтров с использованием дополнительных петель обратных связей, вводимых для получения стабильности, сравнимой со стабильностью LCR - структур;

• имитация LCR - фильтров, на основе гирагарных схем и обобщенных конверторов сопротивлений, например, частотозависимых отрицательных сопротивлений.

Необходимая передаточная функция л-го порядка, может быть представлена в виде произведения передаточных функций второго порядка при четном и, и в виде произведения передаточных функций второго порядка и дополнительного сомножителя первого порядка, при нечетном п. При этом выход каждого из звеньев должен представлять собой источник напряжения.

В зависимости от требуемого значения результирующей добротности преселектора составляющие его звенья должны строится на одном, двух или трех ОУ. Добротность схем на одном ОУ ограничена значением 20. Это обстоятельство связано с тем, что чувствительность передаточной функции в схемах с одним ОУ по некоторым элементам прямо пропорциональна добротности полюсов, что уменьшает стабильность устройства и усложняет его настройку. Для получения преселекгоров с большей добротностью, составляющие из звенья

должны строится на двух и более ОУ.

Изменение полосы пропускания полосовой системы, описываемой передаточной функцией Т(р) /7-го порядка

Т(р) =_£1Р_

а,-Р"+<>„-, •Р"~'+-+"1-Р+ао

связано с варьированием значений добротности ее полюсов.

Один из способов состоит в электрическом или механическом изменении номиналов элементов, "отвечающих" за варьирование добротности. Второй -во введении в устройство, описываемое передаточной функцией Т(р), дополнительного элемента, влияющего только на изменение полосы пропускания.

В полосовых структурах таким элементом может быть обратная связь (ОС), связывающая вход и выход устройства. Если выход устройства представляет собой источник напряжения, то например, передаточная функция полосовой цепи 2-го порядка с изменяемой полосой пропускания имеет вид:

ад-

р'+р-ч^-а-м+со;

Варьироваие коэффициента передачи цепи ОС позволяет управлять полосой пропускания устройства независимо от его частоты настройки.

Преселекгоры, построенные по такому принципу, допускают изменение полосы пропускания в 10 раз.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Получены аппроксимационные выражения для характеристик реально существующих радиопередающих устройств СДВ диапазона, оценена дальность передачи цифровой информации с помощью радиопередающих устройств СДВ диапазона.

2. Оценена возможность организации дополнительных каналов передачи цифровой информации на базе навигационного СДВ радиопередающего оборудования.

3. Сформулированы принципы использования фазовых РНС для организации дополнительных каналов передачи цифровой информации.

4. Синтезирован новый вид модуляции, получивший название двойной угловой модуляции. Сформированные на его основе алфавиты сигналов позволяют при ограничениях накладываемых СДВ передающими устройствами, удовлетворить принципам дополнительной передачи информации и получить скорость передачи информации на 60 - 90% большую, чем при использовании алфавитов на основе фазовой модуляции.

5. Предложены алфавиты сигналов с двойной угловой модуляцией, имеющих при одинаковых помехозащшценностях и скоростях передачи цифровой информации различную информационную емкость (от единиц до десятков вариантов сигнала).

6. Оценена помехоустойчивость метода приема сигналов с двойной угловой модуляцией.

7. Разработаны структурные схемы формирования и приема сигналов с двойной угловой модуляцией.

8. Предложен метод построения преселекторов с независимым управлением коэффициентом передачи, полосой пропускания и центральной частотой настройки.

9. Предложены варианты построения малошумящих преселекторов, с изменяемой полосой пропускания, для различных типов приемных антенн.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Лукин A.A., Кустов О.В. Динамический диапазон ARLC - преселекторов приемников диапазона ОВД // 49 НТК: Тезисы докл./СПбГУТ. -СПб, 19%. - С. 78.

2. Лукин A.A., Кустов О.В. Принцип дополнительной передачи цифровой информации в радиоэлектронных средствах ОНЧ диапазона // 50 НТК: Тезисы докл./ СПбГУТ. - СПб, 1997. - С. 119-120.

3. Лукин A.A. Современная элементная база для аналого-цифровой обработки сигналов ОНЧ диапазона // 50 НТК: Тезисы докл. /СПбГУТ. - СПб, 1997.-С. 119.

4. Лукин A.A. Конструкторские ограничения при проектировании радиоприемных устройств с ФАПЧ // 48 НТК: Тезисы докл. /СПбГУТ. - СПб, 1995. - С. 74.

5. Разработка принципов использования радиотехнических средств ведомственной принадлежности для создания дополнительных каналов передачи цифровой информации и расширения на их основе номенклатуры услуг связи: Отчет по НИР/ Рук. темы М.А.Сиверс. - Шифр "АСПЕКТ-ГУТ". № 190-93-054. СПб, 1995, 1996, 1997 г.г.

6. Интегрированный приемоиндикатор для фазовых РНС СДВ диапазона: Отчет по ОКР / Руктемы О.В. Кустов. № 5-95,- СПб, 1995, 1996 г.г.

МИНИСТЕРСТВО СВЯЗИ РОССИИ

Санкт-Петербургский Государственный Университет Телекоммуникаций

им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

ЛУКИН АЛЕКСЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

3

РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ СДВ ДИАПАЗОНА ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ

Специальность: 05.12.17 - Радиотехнические и телевизионные

системы и устройства

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: Кандидат технических наук, профессор П. П. ГЕЛЛЬ

Санкт-Петербург 1997

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

1. ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КАНАЛОВ СВЕРХДЛИННОВОЛНОВОГО ДИАПАЗОНА..............................................................В

1.1 Распространение сверхдлинных волн................................................................8

1.2 Энергетические показатели радиопередающих устройств................................13

1.3 Частотные и временные характеристики...........................................................17

1.4 Дальность передачи цифровой информации.....................................................22

1.5 Зоны обслуживания.....^................................:.....................................................29

1.6 Выводы...............................................................................................................32

Приложения к разделу 1..........................................................................................33

2. СПОСОБЫ ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ СДВ ДИАПАЗОНА......................................35

2.1 Основные режимы работы.................................................................................35

2.2 Алфавит сигналов..............................................................................................37

2.3 Частотная модуляция.........................................................................................40

2.4 Фазовая модуляция............................................................................................42

2.5 Линейная частотная модуляция.........................................................................44

2.6 Двойная угловая модуляция...............................................................................46

2.7 Выводы...............................................................................................................54

Приложения к разделу 2..........................................................................................55

3. МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ И ПРИЕМА СИГНАЛОВ.........................................72

3.1 Формирование сигналов с двойной угловой модуляцией.................................72

3.2 Методы приема сигналов...................................................................................76

3.2.1 Когерентный метод приёма........................................................................77

3.2.2 Корреляционный метод приёма..................................................................80

3.2.3 Разностно - когерентный метод приема......................................................81

3.3 Оценка размера выборки принимаемого сигнала.............................................84

3.3.1 ДПФ и интерполяция обобщенными полиномами....................:................84

3.3.2 Оценка требуемой частоты дискретизации................................................85

3.4 Структурная схема алгоритма приема сигнала с ОДУМ..................................91

4. АППАРАТНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ УСТРОЙСТВ............................................................94

4.1 Элементная база для построения приемников СДВ диапазона.........................94

4.1.1 Операционные усилители............................................................................94

4.1.2 Аналого - цифровые преобразователи.......................................................96

4.1.3 Цифровые сигнальные процессоры............................................................99

4.2 Преселекторы приемных устройств СДВ диапазона.......................................104

4.3 Преселектор ы с изменяемой полосой пропускания.........................................106

4.4 ARLC преселектор с изменяемой полосой пропускания.................................110

4.5 ARC - преселектор с имитацией индуктивности.............................................114

4.5.1 ARC -индуктивность.................................................................................114

4.5.2 ARC - структура........................................................................................116

4.6 Низкодобротный ARC - полосовой фильтр с изменяемой полосой пропускания для преселекторов приемных устройств СДВ диапазона..........118

4.7 Высокодобротный ARC - полосовой фильтр с изменяемой полосой пропускания для преселекторов приемных устройств СДВ диапазона..........121

4.8 Выводы.............................................................................................................125

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................................126

ЛИТЕРАТУРА....................................................................................................................127

ВВЕДЕНИЕ

Сверхдлинноволновый диапазон (диапазон ОНЧ) - 10-30 кГц в настоящее время используется для специальной радиосвязи, прежде всего для связи с подвижными объектами, а также для дальней радионавигации и передачи сигналов единого времени. Это объясняется большими дальностями и высокой стабильностью распространения сверхдлинных волн.

Для передачи информации различного назначения в этом диапазоне используются СДВ передающие радиостанции мощностью от сотен до тысяч киловатт. На территории бывшего Советского Союза расположено шесть мощных СДВ радиостанций, осуществляющих передачу информации в радиолиниях дальней магистральной связи и передачу сигналов единого времени. Четыре из них находятся на территории России - радиостанция УТР - 3 (г. Нижний Новгород), УШЦ - 3 (г. Хабаровск), УПД - 8 (г. Архангельск), и радиостанция в районе г. Краснодара. Радиостанция УНЦ - 3 находится в районе г. Моло-дечно (Белоруссия), радиостанция УСБ - 2 - в районе города Бишкек. Излучаемая мощность всех радиостанций при передаче сигналов единого времени установлена 300 кВт.

Кроме связных радиостанций в СДВ диапазоне непрерывно работают и опорные станции фазовых радионавигационных систем. На территории СНГ расположены пять таких радиостанций, расположенных вблизи городов Мурманск, Краснодар, Новосибирск, Комсомольск-на-Амуре и Чарджоу. Мощность излучения этих станций составляет 50 ... 80 кВт; суточная нестабильность частоты не превышает 5-10"13. На станциях фазовых РНС предусмотрен связной режим работы радиопередающих устройств.

Экономические реформы в Российской Федерации и других странах СНГ, сокращение расходов на оборону, жесткая экономия госбюджета находятся в противоречии с необходимостью больших финансовых затрат на эксплуатацию существующих передающих центров СДВ диапазона.

Актуальной представляется задача дополнительной загрузки имеющегося оборудования с целью получения финансовых ресурсов для эффективной эксплуатации и дальнейшего развития указанной техники.

Одним из возможных направлений использования радиопередающих устройств СДВ диапазона является дополнительная передача ими цифровой информации ограниченных объемов практически в любую точку Земли, аналогично обычным системам пей-джинговой связи, работающих в крупных населенных пунктах. Глобальная пейджинговая связь может представлять интерес для государственных и коммерческих предприятий, заинтересованных в оперативной и прямой доставке цифровой информации непосредственно потребителю минуя междугородные и международные средства телекоммуникаций и не требующие знания местонахождения потребителя, который может находиться на суше, в воздухе, на воде, и даже под водой.

Как отмечалось выше, не малую роль в необходимости такой разработки играет экономическая сторона вопроса, но еще несколько лет назад не существовало элементной базы, которая позволяла бы реализовать алгоритмы обработки сигналов, необходимые для решения данной задачи. В первую очередь это касается аналого-цифровых преобразователей и цифровых сигнальных процессоров.

Целью настоящей диссертационной работы является подготовка технических предложений использования наземного оборудования СДВ радиопередающих устройств для передачи дополнительной цифровой информации.

Отправной точкой в решении данной задачи являются параметры того оборудования, которое предоставляется фазовой радионавигационной системой и связными станциями, а именно СДВ передающие устройства.

Навигационные СДВ радиопередающие устройства излучают электромагнитные колебания в диапазоне частот от 10 до 30 кГц и имеют полосы пропускания от нескольких десятков до нескольких сотен герц, т.е. являются принципиально узкополосными. Связные СДВ передающие устройства работают в диапазоне частот от 8 до 60 кГц, характеризуются большими по сравнению с навигационными передатчиками полосами пропускания, большими мощностями излучения и соответственно более приспособлены для передачи цифровой информации. Все передающие устройства, как радионавигационные так и связные способны излучать сигналы только с угловой модуляцией. Кроме того, радионавигационные передающие устройства привязаны к частотно-временной диаграмме работы системы, которая должна быть известна потребителю информации. У связных передающих устройств нет жесткой частотно-временной привязки, и возможные несущие частоты могут располагаться через 100 Гц в полосе частот СДВ диапазона.

Анализ характеристик имеющегося оборудования, таких как, частотные зависимости мощностей излучения РПУ, коэффициентов полезного действия, полос пропускания, характеристик каналов связи СДВ диапазона, среды распространения, дальностей связи существующих СДВ передающих устройств и является предметом обсуждения первого раздела диссертационной работы. Также в ней рассмотрены распределение напряженно-стей полей от существующих опорных станций фазовых РНС СДВ диапазона и поля распределения шумов, имеющихся в этом диапазоне частот, по площади всего земного шара, т. е. те моменты новой системы передачи цифровой информации, которые практически не поддаются управлению.

Еще одним важным моментом совместной работы двух систем является разработка принципов совместного использования СДВ передающих устройств, предназначенных для передачи навигационной информации и для организации дополнительных каналов передачи цифровой информации. Дополнительная информация может передаваться как в пустых сегментах частотно-временной диаграммы работы фазовой СДВ РНС, так и одновременно с передачей навигационной информации.

Данный этап является основополагающим как в смысле определения объемов и средних скоростей передачи цифровой информации, так и в смысле определения экономической целесообразности построения системы, позволяющей передавать дополнительную цифровую информацию с помощью СДВ радиопередающих устройств. Именно здесь закладываются максимальные объемы и скорости передачи цифровой информации, которые впоследствии лишь незначительно могут быть скорректированы в ту или другую сторону.

Следующая задача, которую предстоит решить, - это обоснование основных режимов работы СДВ передающих устройств, т.е. нахождение таких технических решений, которые позволили бы реализовать принципы передачи дополнительной цифровой информации. Решению данной задачи и посвящен второй раздел диссертационной работы.

В системе цифровой передачи информации каждому передаваемому символу ставится в соответствие один единственный сигнал. Этот сигнал называется вариантом сигнала, а набор вариантов сигнала - алфавитом сигнала. Число вариантов сигнала равно числу символов используемых для передачи информации. Вариант сигнала может быть как элементарным, т.е. колебанием у которого параметры, в которые заложена информация, во время передачи не меняются, так и состоящим из нескольких элементарных.

Необходимо найти такие алфавиты сигналов, которые удовлетворяли бы выбранным принципам передачи и одновременно учитывали особенности работы СДВ передающих устройств (вид высокочастотной модуляции и полосы излучаемых сигналов). Кроме этого они должны иметь достаточную информационную емкость с тем, чтобы с их помощью была возможность передачи всех символов используемых для передачи информации без дополнительного кодирования, т.е. желательно, чтобы в процессе передачи варианта сигнала не происходило изменение модулируемых параметров сигнала. При этом сокращается время, затрачиваемое на переходные процессы в канале связи, что в конечном ито-

ге увеличивает скорость и объемы передачи цифровой информации. Это положение, прежде всего, относится к пейджинговым системам, где набор символов используемых для передачи сообщений ограничивается буквами алфавита и десятью цифрами.

При приеме в полезном сигнале всегда присутствует шумовая компонента. Важной характеристикой алфавита сигналов, определяющей его способность выделяться на фоне помех, является помехозащищенность, т.е. степень различимости вариантов сигнала. Чем больше различие сигналов, при прочих равных условиях, тем меньше вероятность ошибки при приеме, данного варианта сигнала, тем большую скорость передачи цифровой информации можно использовать.

Таким образом, задача нахождения необходимого алфавита сигналов связана с многофакторной оптимизацией по множеству параметров, часть из которых указана выше. За критерий оптимизации можно принять скорость передачи цифровой информации при заданном значении вероятности ошибки.

Этот этап также закладывает теоретические предпосылки для определения методов формирования и приема сигналов, а также построения аппаратуры для этих целей.

Приемное устройство может использоваться как совместно с радионавигационным приемным устройством, так и самостоятельно. В первом случае, для приема сигналов возможно применение когерентного метода приема, т.к. изменение параметров сигнала, связанных с его распространением, может быть вычислено с помощью радионавигационного оборудования фазовой СДВ РНС. Во втором случае необходимо использовать относительные методы приема сигналов.

Методы формирования и приема сигналов должны основываться на цифровой обработке сигналов. Это положение основывается на том, что алгоритмы обработки сигналов, предназначенных для передачи цифровой информации, требуют точной выдержки временных интервалов, что представляется достаточно проблематичным при использовании аналоговой техники.

Все это является предметом третьего раздела диссертационной работы. Кроме этого, в ней затронуты вопросы связанные с дискретизацией сигнала, определены методы приема сигналов.

Четвертый раздел работы посвящен разработке аппаратных средств, входящих в систему передачи цифровой информации с использованием существующих СДВ радиопередающих устройств.

В настоящее время техническая реализация аппаратуры формирования и приема сигналов СДВ диапазона, требует применения алгоритмов, основанных на достаточно мощном математическом аппарате. Возможность использования цифровой обработки сигналов определяется наличием соответствующей элементной базы, обеспечивающей предварительное усиление и фильтрацию входных сигналов, их аналого-цифровое преобразование и дальнейшую обработку в сигнальных процессорах. Техническое качество элементной базы определяет столь важные характеристики радиоэлектронной аппаратуры как чувствительность, динамический диапазон, селективность и т.д.

В данном разделе дан обзор элементной базы, перспективной для построения на ее основе указанной выше системы, а именно: операционных усилителей, аналого-цифровых преобразователей, цифровых сигнальных процессоров.

Еще один важный вопрос, который затронут в данной главе, - это построение ма-лошумящих преселекторов, с независимым управлением центральной частотой настройки и полосой пропускания и коэффициентом передачи, осуществляемых электронными способами.

Это связано с тем, что сигналы, излучаемые СДВ передающими устройствами, уз-кополосны и, что их несущие частоты могут изменяться в процессе передачи информации.

Приемное устройство должно отслеживать эти изменения, т.е. должна быть предусмотрена функция поиска сигналов и настройки приемного устройства на частоту излучаемого колебания. В режиме поиска полоса пропускания преселектора должна быть максимальной, а после того как произошел "захват" сигнала, она должна быть уменьшена до значения, соответствующего полосе излучаемых колебаний. Управление данными функциями должно осуществляться с помощью процессора на основе оценки параметров приходящего сигнала.

Технические предложения, представленные в диссертационной работе, позволяют сделать вывод о возможности использования наземного оборудования СДВ радиопередающих устройств для дополнительной передачи цифровой информации, и могут быть использованы при построении системы дополнительной передачи цифровой информации с использованием существующего СДВ радиопередающего оборудования.

1. ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КАНАЛОВ _СВЕРХДЛИННОВОЛНОВОГО ДИАПАЗОНА_

1.1 Распространение сверхдлинных волн

К диапазону сверхдлинных волн (СДВ) относятся волны длиной от 10000 м до 100000 м (/ = 3 кГц ... 30 кГц) [1]. Токи проводимости земной поверхности для диапазона СДВ преобладают над токами смещения. Поэтому при распространении поверхностной волны происходит лишь незначительное проникновение ее энергии вглубь земли. Сферичность земли, служащая препятствием для прямолинейного распространения радиоволн, до рас�