Система коротковолновой радиосвязи с разнесённым приёмом на вынесенном ретрансляторе и оптимизацией рабочих частот по данным наклонного зондирования ионосферы

Труднев, Константин Иванович

Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Система коротковолновой радиосвязи с разнесённым приёмом на вынесенном ретрансляторе и оптимизацией рабочих частот по данным наклонного зондирования ионосферы

кандидата технических наук: Труднев, Константин Иванович
город: Иркутск
год: 2011
специальность ВАК РФ: 05.12.04

Диссертация по радиотехнике и связи на тему «Система коротковолновой радиосвязи с разнесённым приёмом на вынесенном ретрансляторе и оптимизацией рабочих частот по данным наклонного зондирования ионосферы»

Автореферат диссертации по теме "Система коротковолновой радиосвязи с разнесённым приёмом на вынесенном ретрансляторе и оптимизацией рабочих частот по данным наклонного зондирования ионосферы"

На правах рукописи

005001508

Труднев Константин Иванович

СИСТЕМА КОРОТКОВОЛНОВОЙ РАДИОСВЯЗИ С РАЗНЕСЁННЫМ

ПРИЁМОМ НА ВЫНЕСЕННОМ РЕТРАНСЛЯТОРЕ И ОПТИМИЗАЦИЕЙ РАБОЧИХ ЧАСТОТ ПО ДАННЫМ НАКЛОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ИОНОСФЕРЫ

05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 О НОЯ 2011

Иркутск - 2011

005001508

Работа выполнена на кафедре радиоэлектроники и телекоммуникационных систем ГОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

старший научный сотрудник Агарышев Анатолий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Куцый Николай Николаевич;

доктор технических наук, доцент Марюхненко Виктор Сергеевич

Ведущая организация: Московский государственный технический

Защита состоится "30" ноября 2011 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д212.073.09 при ГОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет» по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, д. 83, корпус «К», конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет», с авторефератом - на официальном сайте университета \vw\v. is1u.edu.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, прошу высылать по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, д.83, ученому секретарю диссертационного совета Д212.073.09 Ченскому А.Г.

Автореферат разослан "14"октября 2011г.

Ученый секретарь

университет гражданской авиации

диссертационного совета Д212.073.09, кандидат физико-математических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основной задачей радиотехники является передача информации посредством и:шучения и приёма радиоволн, что важно для нормальной жизнедеятельности каждого человека и общества в целом. С этой целью используют различные диапазоны частот, но сохраняется интерес к коротким радиоволнам (КВ) дайной А=3-30м для радиосвязи на расстояния до нескольких тысяч километров. Системы КВ-радиосвязи более устойчивы к внешним воздействиям и могут применяться на различных подвижных объектах (самолетах, кораблях и др.), расположенных в труднодоступных районах. Известные недостатки систем КВ-радиосвязи - низкая надёжность и пропускная способность радиоканалов, сравнительно большой вес, габариты и энергопотребление аппаратуры.

Для повышения эффективности систем КВ-радиосвязи можно использовать ретранслятор, вынесенный за зону расположения абонентов системы КВ-радиосвязи. Эта идея впервые высказана Е.Ф. Камневым и разработана О.В. Головиным. Очевидные преимущества систем КВ-радиосвязи с вынесенным ретрансляционным пунктом (ВРП) - применение направленных приёмо-пере-дающих антенн ВРП, а также более высоких рабочих частот, для которых меньше поглощение КВ в ионосфере и меньше уровни атмосферных и станционных помех. В результате можно повысить отношения сигнал/помеха, повысить надёжность системы, решить вопросы взаимодействия абонентов систем.

Другая возможность повышения эффективности КВ-радиосвязи заключается в применении метода наклонного зондирования (НЗ) ионосферы. Важный вклад в развитие этого метода внесли К. Дэвис, Р. Фенвик, В.Б. Смирнов, В.А. Иванов, А.П. Потехин, В.И. Куркин и др. Поэтому актуальны разработки в области применения метода НЗ в системах КВ-радиосвязи с ВРП, что позволит выбирать оптимальные рабочие частоты (ОРЧ), обеспечивающие повышение вероятности приёма одиолучёвых сигналов и повышение скорости передачи информации на радиолиниях абоненты-ВРП. Новые возможности решения этих задач даёт определение эффективных индексов активности Солнца и учёт рассеяния радиоволн в ио носфере по данным НЗ (А.И. Агарышев).

При использовании ОРЧ наиболее вероятно распространение КВ между ВРП и абонентом способом (модом) №2, т.е. одним отражением от слоя Р2 ионосферы. Поэтому актуальна задача оптимизации приемо-передающих антенн ВРП для наилучшего приема радиоволн, распространяющихся этим способом, и подавления многолучёвостя сигнала, обусловленной другими модами. Для решения этой задачи важно использовать экспериментальные данные об угловых характеристиках КВ, полученные А.И. Агарышевым и В.Е. Унучковым. При этом актуальной становится задача оптимизации удаления ВРП от центра зоны обслуживания абонентов по критерию максимума напряженности поля КВ для мода 1Р2, в отличие от критерия минимальной вероятности ошибок приёма многолучёвого сигнала, что даёт удаление ВРП на «2500-3000 км.

Повышение эффективности КВ-радиосвязи обеспечивает также применение разнесённого приема и помехоустойчивого кодирования информации. По-

этому актуальны разработки вопросов оптимизации применения этих методов для зоновых систем КВ-радиосвязи с ВРП.

Таким образом, комплексная оптимизация систем КВ-радиосвязи на основе обеспечения приёма одномодовых сигналов и применения современных методов обработки сигнала является актуальной научно-технической задачей, решение которой позволит существенно повысить эффективность этих систем, в том числе уменьшить мощности радиостанций абонентов, что особенно важно для радиосвязи между подвижными объектами.

Система КВ-радиосвязи с ВРП является сложной системой, которая находится под воздействием внешних факторов случайного характера, из которых наиболее существенны изменения ионосферы Земли и радиопомехи. Поэтому актуальны разработки вопросов управления системой.

Цель диссертации заключается в обосновании возможностей повышения эффективности систем КВ-радиосвязи с ретранслятором, вынесенным за зону расположения абонентов, на основе разнесенного приема на ретрансляторе и оптимизации рабочих частот по данным наклонного зондирования ионосферы, оптимизации приёмо-передающих антенн и местоположения ретранслятора.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Разработана методика оптимального управления рабочими частотами в системе КВ-радиосвязи с ВРП, основанная на определении частотных диапазонов распространения КВ с минимальной многолучёвостью по данным НЗ.

2. Разработана и экспериментально проверена методика оптимизации приемо-передающих антенн ВРП, основанная на прогнозах углов излучения и приема в вертикальной плоскости для различных условий распространения КВ.

3. Разработана методика оптимизации местоположений ВРП для зон обслуживания абонентов различных размеров и конфигураций по критерию максимума напряженности поля КВ, распространяющихся способом 1Р2.

4. Получены аналитические выражения для расчета вероятностей ошибочного приёма, на основе которых даны рекомендации по применению помехоустойчивых кодов и разнесённого приёма.

5. Разработана методика оптимизации мощностей радиопередатчиков ВРП и радиостанций абонентов для заданных вероятностей ошибочного приема.

По результатам выполненных исследований можно сформулировать следующие основные положения, выносимые на защиту:

1. Повышение надёжности и пропускной способности систем КВ-радиосвязи с вынесенным ретранслятором возможно на основе разработанных методик, обеспечивающих приём одномодовош сигнала благодаря оптимизации рабочих частот, приёмо-передающих антенн, местоположения ретранслятора и применению пространственно-разнесённого приёма на ретрансляторе.

2. Максимальную напряжённость поля радиоволн, распространяющихся модом Ш2, даёт удаление ретранслятора от центра зоны расположения абонентов системы радиосвязи примерно на 1500 км для зоны размером 500 км и примерно на 2000 км для зоны размером 1000 км, в отличие от рекомендуемого ранее удаления 2800 км, соответствующего минимуму межмодовых задержек.

3. Возможность применения радиостанций абонентов мощностью меньше, чем 10 Вт, в системах радиосвязи с вынесенным ретранслятором обеспечивает разнесённый приём на ретрансляторе и оптимизация: 1) рабочих частот по данным НЗ ионосферы; 2) диаграмм направленности антенн ретранслятора; 3) удаления ретранслятора от зоны расположения абонентов.

Таким образом, предметом исследований являются системы КВ-радио-связи с ретранслятором, вынесенным за зону расположения абонентов.

Методы исследований заключались в применении математических методов для получения выражений, позволяющих оценить эффективность применения разнесённого приема и помехоустойчивого кодирования для радиоканалов с рэлеевскими замираниями амплитуд радиоволн, а также в применении компьютерного моделирования и анализа экспериментальных данных.

Достоверность и обоснованность основных результатов и выводов работы определяется детальным анализом работы систем КВ-радиосвязи с использованием известных методов прогнозирования характеристик КВ, сравнением результатов расчетов с экспериментальными данными, большим объемом выполненных расчётов и их корректной статистической обработкой, анализом работы исследуемой системы для наихудших условий прохождения КВ.

Научпая новизна работы состоит в том, что впервые:

1. Поставлена и решена задача оптимизации зоновой системы КВ-радиосвязи с вынесенным ретранслятором по критерию максимума напряженности поля при распространении радиоволн способом ]Е2.

2. Выявлена зависимость оптимального расположения ретранслятора от размеров и конфигурации зоны обслуживания абонентов системы.

3. Получены формулы, позволяющие рассчитать вероятности ошибочного приема символов дискретной информации при совместном использовании помехоустойчивого кодирования и разнесённого приёма на ретрансляторе.

4. Показаны новые возможности существенного повышения эффективности систем КВ-радиосвязи на основе оптимизации систем с ретрансляторами, вынесенными за зоны обслуживания абонентов, что обусловлено уменьшением веса, габаритов, энергопотребления и стоимости радиостанций абонентов, а также повышением надёжности и скорости передачи информации.

Результаты работы внедрены в ИВВАИУ при выполнении НИР "Радиосвязь", в ООО ОА "Форпост" (проектирование устройств разнесённого приема с целью повышения надёжности приема данных), в учебном процессе Иркутского государственного технического университета (лекции, курсовой проект и лабораторные работы по дисциплине "Системы радиосвязи").

Практическая значимость работы в том, что обоснованные в диссертации рекомендации можно использовать при проектировании и эксплуатации систем КВ-радиосвязи различного назначения (авиационных, корабельных и др.), а именно: при формулировке требований к аппаратуре систем, разработке алгоритмов функционирования аппаратуры, определении взаимного расположения радиосредств, выборе конкретных средств, а также в оценках эффективности перспективных систем радиосвязи КВ-диапазона различного назначения.

Апробация работы. Основные результаты и выводы, обоснованные в диссертации, докладывались и обсуждались на IV, VI, VII и IX Всероссийских с международным участием научно-техническнх конференциях "Современные проблемы радиоэлектроники" (г. Красноярск, 2002,2004,2005,2007 гг.), на ежегодной Всероссийской научно-практической конференции "Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири" (г. Иркутск, ИрГТУ, 2003, 2004 гг.), на научно-практической конференции "Технико-экономические проблемы развития регионов" (г. Иркутск, ИрГТУ, 2005 г.), на

межвузовских научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные проблемы радиоэлектроники и связи" (г. Иркутск, ИрГТУ, 2002-2009 гг.), на XII, XIV, XV Всероссийских научно-технических конференциях "Проблемы повышения боевой готовности, боевого применения, технической эксплуатации и обеспечения безопасности полётов летательных аппаратов" (г. Иркутск, ИВВАИУ, 2002, 2005, 2008 гг.), на П-ой студенческой научно-практической конференции "Актуальные проблемы и перспективы развития гражданской авиации России" (г. Иркутск, ИФ МГТУ ГА, 2009 г.), а также на научных семинарах в ИрГТУ, ИрГУПС и ИВВАИУ.

Личный вклад автора. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1-18] (доклады, статьи, учебное пособие, монография), являются оригинальными и получены либо автором, либо при его непосредственном участии. Постановка задач, разработка методики оптимизации рабочих частот и мощностей радиопередатчиков, анализ экспериментальных данных, обобщение результатов диссертации выполнены совместно с научным руководителем.

Автором самостоятельно разработаны методики оптимизации приёмопередающих антенн, удалений до ретранслятора, получены формулы для расчета вероятностей ошибок, разработаны алгоритмы и программы для ЭВМ, выполнены расчеты и графическое представление данных.

Объем и структура работы. Диссертацга состоит из введения, 4-х разделов, заключения и приложения общим объемом в 141 страницу, включая список используемых источников из 130-ти наименований, 8 таблиц и 39 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, раскрыта её актуальность, сформулированы цель и задачи диссертации, определены положения, выносимые на защиту, обоснована научная новизна и практическая значимость выполненных исследований. Показан личный вклад автора, внедрение и апробация результатов работы. Дано краткое содержание диссертации по разделам.

В разделе 1 диссертации, который имеет характер обзора с постановкой задачи, рассмотрены особенности систем КВ -радиосвязи, выполнен анализ преимуществ и недостатков таких систем.

В подразделе 1.1 рассматриваются особенности строения ионосферы и параметры её основных слоев. Дан краткий обзор методов измерения и прогнозирования этих параметров, применяемых для решения вопросов проектирования и эксплуатации систем КВ-радиосвязи.

В подразделе 1.2 анализируются особенности ионосферного распространения КВ, даны определения терминов, таких как максимальная применимая и максимальная наблюдаемая частоты (МПЧ и МНЧ), наинизшая наблюдаемая частота (ННЧ). Выполнен краткий анализ процессов отражения, преломления, поглощения и рассеяния КВ, дана классификация основных способов (модов) распространения КВ (типов траекторий) и рассмотрены условия их реализации.

В подразделе 1.3 рассмотрены характеристики КВ-радиосвязи, такие как диапазон рабочих частот и его изменения в течение суток, дано понятие оптимальной рабочей частоты (ОРЧ), определены критерии оптимальности по надежности и пропускной способности радиоканала, по уровню сигнала в канале. Анализируются факторы, влияющие на многолучёвость КВ-сигнала, особенности частотных зависимостей атмосферных и станционных помех. Рассмотрены причины случайных изменений амплитуд КВ (замираний) и модели, используемые для описания замираний. Рассмотрены виды модуляции сообщений, используемые в КВ-диапазоне, и особенности применения этих видов. Отмечены преимущества относительной фазовой манипуляции (ОФМ), обеспечивающей наиболее высокую помехоустойчивость приема.

В подразделе 1.4 рассмотрены известные принципы построения систем КВ-радиосвязи с ретранслятором, вынесенным за зону расположения абонентов системы. Показаны преимущества таких систем по сравнению с радиолиниями прямого действия, а также по сравнению с применением ретрансляторов, расположенных внутри зоны обслуживания абонентов.

В подразделе 1.5 дан анализ возможностей повышения эффективности зоновых систем КВ-радиосвязи с ВРП и конкретизированы задачи исследований. Отмечена важность правильного выбора удаления ВРП от центра зоны расположения абонентов, когда удаление на ~2500-3000 км даёт минимальные межмодовые задержки сигнала, т.е. более высокую надёжность и скорость передачи информации многомодовыми сигналами. Однако при таких удалениях качество радиосвязи ухудшается ввиду роста затухания КВ, особенно из-за несимметрии траекторий КВ утром и вечером на широтных радиолиниях, а также из-за возбуждения "рикошетирующих" над поверхностью Земли траекторий при рассеянии КВ неоднородностями ионосферы.

В итоге показана важность разработки других критериев определения удалений ВРП от центра зоны расположения абонентов, учитывающих возможности подавления многолучёвости сигнала при определении оптимальных рабочих частот (ОРЧ) по данным НЗ ионосферы, а также дополнительные возможности выделения радиоволн, распространяющихся модом Ш2, на основе оптимизации приемо-передаюяцгх антенн ВРП.

В заключении к разделу 1 сделан вывод о целесообразности применения НЗ ионосферы в системах зоновой КВ-радиосвязи с ВРП для повышения надежности и пропускной способности КВ-радиоканалов в интересах большого числа абонентов зоны. Отсюда следует необходимость разработки методик оптимизации такой системы по критерию максимума напряженности поля при распространении модом №2.

Раздел 2 посвящен разработке структуры зоновых систем КВ-радиосвязи с ВРП и средствами НЗ, а также разработке алгоритмов прогнозирования и оптимизации рабочих частот в таких системах.

В подразделе 2.1 рассмотрен метод НЗ ионосферы. Приведена ионограм-ма НЗ, показывающая, что метод НЗ позволяет в реальном масштабе времени (оперативно) определять основные характеристики КВ-радиоканала, такие как ОРЧ, уровни сигнала, типы траекторий и моды распространения на заданной рабочей частоте. При этом в зоновой системе КВ-радиосвязи с ВРП данные НЗ можно использовать для достаточно большого числа абонентов системы.

В 2.1 на основе работ [2,10,11,18] дано описание структуры зоновой системы КВ-радиосвязи с ВРП, основанной на использовании данных НЗ ионосферы, а также обоснованы режимы работы и характеристики средств НЗ. Предложено располагать передатчик НЗ примерно в центре зоны (рис. 1), а приемник НЗ - на ВРП. Диаграмма направленности (ДН) антенны передатчика НЗ в вертикальной плоскости должна соответствовать ДН антенн абонентов. Антенна приёмника сигналов НЗ должна соответствовать приёмо-передающим антеннам ВРП, методика синтеза которых дана ниже в разделе 3. Эффективная

ловий, когда параметры НЗ, важные для назначения рабочих частот радиосвязи между абонентами системы, меняются сравнительно медленно.

В подразделе 2.2 выполнен анализ измеренных ионограмм НЗ, на основе чего в прогнозах рабочих частот радиосвязи предлагается использовать следующие параметры НЗ [11,18]:

1 ~)МНЧ1Р2, соответствующие известному порогу приёма сигналов НЗ;

2) МПЧШ2, которые определяются как частоты слияния верхнего и нижнего лучей, однократно отраженных от слоя Р2 ионосферы (модов 1Р2 и 1Р2в)\

3) максимальные наблюдаемые частоты (МНЧ2Ё2) для двух отражений от слоя Р2 (мод Ж?), как нижние границы диапазонов ОРЧ трасс передатчик НЗ-ВРП, либо МПЧ 1Е(2Е), если эти МПЧ большеМНЧ2Р2\

4) наинизшие наблюдаемые частоты для верхних лучей (ННЧ1Р2в) как верхние границы диапазонов ОРЧ для трасс передатчик НЗ-ВРП.

мощность передатчика НЗ должна соответствовать мощности радиостанций абонентов, что обеспечит близость МНЧ1Р2 при регистрации ионограмм НЗ и сигналов радиостанций абонентов.

Рис. 1. Структура системы радиосвязи с ВРП: ВРП: — граница зоны расположения абонентов А1,..,Ац, Л<р - ширина ДН антенны ВРП по азимуту (уровень половины мощности)

Регистрацию ионограмм НЗ рекомендуется выполнять 4ра-за в час при быстрых измене-

ниях МПЧ 1¥2 (в утренние и

вечерние часы суток зимой), 2 раза в час - в эти часы весной и 1 раз в час - для других ус-

Показано, что диапазон частот МНЧ2Р2 - ННЧШ2в соответствует минимуму многолучёвости КВ-сигналов, так как наиболее вероятен одномодовый сигнал с модом 2. В околополуденные часы в этом диапазоне наблюдаются также отражения от слоя Е ионосферы (моды 1Е), либо моды только летним днем. Возможны также отражения от спорадического слоя Еэ ионосферы (мод 1Еа) и экранирование слоя Р2 слоями Е& Е, или р], когда сигнал, как правило, однолучёвый. Согласно результатам наблюдений для радиолинии Хабаровск-Иркутск длиной 2300 км для рабочей частоты/=16,8 МГц в диапазоне МНЧ2Р2 - ННЧ1Р2в моды 1Е& 1Е, №1 наблюдались в ~ 1% сеансов, когда/ ~МПЧ1Е, а преобладало одномодовое распространение модом 1Р2.

Отмечено, что углы приёма и излучения КВ для модов 1Е:;, 1Е, №1 в вертикальной плоскости ниже, чем для мода Ш2. Поэтому из-за высокого поглощения КВ в слоях Е и О уровни сигналов для этих модов ниже, чем для мода №2, причём эти уровни для модов 1Е& 1Е, №1 можно дополнительно уменьшить за счёт ДН приёмо-передающих антенн ВРП, которые необходимо ориентировать на лучший приём мода 1Р2. Поэтому оптимизация ДН ВРП то разработанным ниже в разделе 3 методикам позволит существенно увеличить отношения амплитуд сигналов для основного мода Ш2 к амплитудам других модов.

В подразделе 2.3 обоснован выбор методов, алгоритмов и программ прогнозов характеристик МНЧШ2, МПЧ1Р2, ННЧ1Р2е, МНЧ2Р2, наблюдаемых на ионограммах НЗ [11,13,14,18]. Результаты таких прогнозов в сочетании с данными НЗ позволяют, как показано ниже в 2.4, оперативно управлять рабочими частотами системы КВ-радиосвязи с ВРП на основе прогнозов диапазонов МНЧ2Р2 -ННЧ1Р2в (диапазонов ОРЧ) для абонентов системы.

Для прогнозирования МПЧШ2,МНЧ2Р2 предлагаются методы, учитывающие изменения параметров ионосферы вдоль радиолиний. Этими методами рассчитываются также углы излучения и приёма КВ в вертикальной плоскости, используемые для оптимизации приемо-передающей антенны ВРП в разделе 3. При этом метод равных МПЧ, разработанный А.И. Агарышевым, рекомендован Международным консультативным комитетом по радио (МККР) для расчетов характеристик распространения КВ модом 2Р2.

Для расчётов МНЧ1Р2, ННЧ1Р2в предложено использовать метод, учитывающий рассеяние КВ случайными неоднородностями ионосферы с использованием параметра 5, который можно определять по значениям разностей АМ=МНЧ1Р2- МПЧШ2, полученным из данных НЗ.

В подразделе 2.3 рассмотрены также программные реализации использованных прогнозов характеристик КВ и приведены примеры расчётов.

В подразделе 2.4 разработаны алгоритмы прогнозов частотных диапазонов МНЧ2Р2-ННЧ1Р2в (диапазонов ОРЧ) для абонентов зоновой системы КВ-радиосвязи с ВРП [14,15,18]. Основой прогнозов являются полученные из данных НЗ сглаженные зависимости МНЧШ, МПЧ1Р2, ННЧ1Р2в, МНЧ2Р2 от времени, где значения МПЧ1Р2 дают эффективные индексы активности Солнца 1¥э в процессе итераций этими индексами, как входными параметрами программы из раздела 2.3, до получения разностей измеренных и рассчитанных

МПЧШ2 меньше, чем 0.1 МГц. Затем при итерациях по измеренным ДМ определяют параметры рассеяния КВ 5. Зависимости \¥э и 5 от времени дополнительно сглаживают, что даёт прогноз этих параметров по времени до следующей ионограммы НЗ. Прогнозируют также коэффициенты К2 и К1, т.е. отношения сглаженных измеренных значений МНЧ2Р2, ННЧ1¥2в к рассчитанным по сглаженным Шэ и 5. Значения \¥э, 5, К2, К1 обновляют после каждого сеанса НЗ, а затем используют в прогнозах диапазонов МНЧ2Р2-ННЧ1Р2в для заданных моментов времени и заданных радиолиний ВРП-абоненгы.

Разработаны также алгоритмы назначения рабочих частот для приёма на ВРП от абонентов, которые обмениваются дискретной информацией в виде текста. Согласно этим алгоритмам для каждого набора прогнозируемых значений 1Уэ, 5', К1, К2, времени суток, дня года и координат зоны расположения абонентов решается задача выбора конкретных рабочих частот, принадлежащих диапазону ОРЧ, из массива разрешенных для радиосвязи в данной зоне. Эти частоты в данный период должны быть свободны от приёма-передачи сигналов других абонентов, а также свободны от внешних станционных помех.

Из выбранных частот на основе измерений уровней помех выбирают частоты, для которых отношения сигнал/помеха выше порога приёма сообщений от абонентов зоны с заданным качеством. Коды этих частот, а также сигналы синхронизации периодически передают по низкоскоростному служебному каналу с повышенной помехозащищенностью. Одна для данного периода времени оптимальная рабочая частота служебного канала (ОРЧС) прогнозируется рассмотренными выше методами на ВРП, а также для абонентов зоны.

Приёмники ВРП настраивают на частоты, номера которых передают по служебному каналу. После включения приёмник абонента настраивается на ОРЧС и получает служебную информацию, на основе которой настраивается передатчик и передаётся информация на адрес другого абонента с указанием своего адреса (номера), адреса другого абонента. Передаётся также тест-сигнал для контроля качества приёма. От ВРП на этой частоте поступает сигнал, подтверждающий приём информации с заданным качеством. Если такой сигнал отсутствует или качество приёма ниже заданного, то радиостанция абонента выбирает другую рабочую частоту из диапазона МНЧ2Р2-ННЧШ2в (диапазона ОРЧ) и передача пакета информации повторяется. Такой выбор продолжается до получения заданного качества приёма пакета информации на ВРП.

При работе абонента в режиме приёма его радиостанция настраивается на ОРЧС и получает служебную информацию, на основе чего выбирает рабочие частоты, для которых измеряет уровни помех. Код частоты с максимальным отношением сигнал/помеха и свой адрес (номер) передаётся на ВРП, который даёт подтверждение приёма на этой частоте. При наличии пакета информации, предназначенного данному абоненту, радиостанция ВРП направляет этот пакет и тест-сигнал. Радиостанция абонента даёт подтверждение качества приёма. Если это качество не соответствует заданному, то передача пакета повторяется на других частотах до получения заданного качества приёма информации.

В заключении к разделу 2 делается вывод о том, что применение разработанных алгоритмов управления рабочими частотами в зоновой системе радиосвязи КВ-диапазона с ВРП, основанных на использовании оперативных данных НЗ ионосферы и оперативных методов расчёта КВ, обеспечит повышение скорости и качества передачи информации по сравнению с системами, использующими прием многомодовых сигналов.

В разделе 3 разработаны методики комплексной оптимизации зоновых систем КВ-радиосвязи с ВРП, воючая применение разнесенного приёма, помехоустойчивых кодов, оптимизацию антенн и местоположений ВРП.

В подразделе 3.1 рассмотрен разнесённый приём на ВРП, как эффективный метод повышения качества приёма информации для радиоканалов со случайными замираниями амплитуд принимаемых сигналов, что типично для КВ-диапазона. Отмечено, что для разрабатываемой зоновой системы КВ-радиосвязи с ВРП наиболее прост и достаточно эффективен автовыбор сигнала с максимальной амплитудой от антенн, разнесённых примерно поперёк направления на зону на расстояние 200-400 м [1,4,18].

В подразделе 3.2 для расчётов вероятностей ошибочного приёма двоичных сигналов с ОФМ получено выражение [4], в котором учтён выбор из L приёмных каналов канала с максимальным отношением сигнал/помеха:

реЛк)=ф п(;+с)> «

где hcp2 = E/N0 - отношение средней энергии сигнала к спектральной плотности помехи. На основе выражения (1) оценена энергетическая эффективность разнесённого приема, что показывает рис. 2 [4,18], откуда виден наиболее существенный рост выигрыша в мощности передатчика при переходе от одиночного к сдвоенному приему с L=2. Видао также, что эффективность разнесённого приёма растёт с ростом требований к качеству передачи информации. IGD03 __ _ ________

Рис. 2. Зависимости отношений мощности передатчика без при-^ менения разнесённого приёма (L=l) к мощности передатчика при разне-3 сенном приёме сигналов с ОФМ от числа каналов разнесения L для раз-1 личных вероятностен ошибок: 1, Р, = 10"', 2 -Ре = 10~2, 3 -Р, =10"\ 4-Ре = Ю-4,5-Р„ =10-5 12 3 4 б в L В подразделе 3.3 в соответствии с работами [1,5,6,18] получено выражение для средней вероятности ошибочного приёма двоичных символов информации с ОФМ, не исправляемых помехоустойчивым кодом:

JVf-iy_L_ 1

2j (n-j-y,,. ...,ер,

100-

РЛК

,) = («-!) Ету

j—o+1

1 + hl(j + y)

(2)

где а - число ошибок, исправляемых кодом, п=к+г - число позиций в кодовом слове, к и г - число информационных и проверочных символов. С помощью выражения (2) на рис. 3 оценена эффективность помехоустойчивых кодов, откуда видно, что выигрыш в мощности передатчика почти прямо пропорционален а и почти не зависит от требований к качеству передачи информации.

Для рис. 3 к=6, что достаточно, например, для передачи 64-х знаков алфавита. Для к=б в 3.3 показано, что при а=2 п=12, т.е. скорость передачи информации уменьшается в 2 раза. Поэтому целесообразно применять коды с а<2.

Рис. 3. Выигрыш в мощности передатчика в зависимости от числа исправляемых кодом ошибок для различных вероятностей ошибок приёма сигналов с ОФ\1, где кривая 1 соответствует

3-Р„ = 1(Г\ 4,5 для рт =1СГ5 и реа = 10"' близки к кривой 3

В подразделе 3.4 в соответствии с работами [1,8,9,13,18] оценена эффективность одновременного применения помехоустойчивых кодов и разнесённого приёма на ВРП. С этой целью рассчитаны средние вероятности ошибок ^(Л)при случайных изменениях амплитуд КВ по известному закону Рэлея:

где Рь(!') - плотность вероятности распределения значений /г, полученных при автовыборе канала с максимальным отношением сигнал/помеха. Для этой плотности в подразделе 3.2 для сигналов с ОФМ получено выражение:

П /«.л Ш

( 1 - ехр Г

И1 И2

\ ср

(4)

Выражение для вероятности ошибок некогерентного приёма двоичных сигналов с ОФМ при коде, исправляющем а ошибок, имеет вид:

]=а*\

Тогда из (3-5) следует, что при разнесённом приёме кодированного сигнала средняя вероятность ошибочного приёма одного символа равна:

172«,

п{ К

п\

Жи-уЖ 2 П 'Л 2 п '

¿И (6)

Для вычисления интеграла (6) разность в скобках с показателями степени л-;' и 1-1 разложена в биномиальный ряд. В результате интегрирования слагаемых ряда получено выражение для вероятностей ошибок приёма [9,12,18]:

рха(//)=£(и-1)£

* ' и{ь-1-0

Результаты расчетов по выражению (7) дает рис. 4.

(7)

Рис. 4. Зависимости выигрышен в мощности иередатчнков от числа каналов разнесённого приёма Ь, числа исправляемых кодом ошибок а для вероятностей ошибочного приёма сигналов с ОФМ при Ре=10 Ре=10 5 (кривые 1-5 соответственно)

В подразделе 3.5 разработана методика оптимизации приёмо-передаю-щей антенны ВРП в виде последовательности операций [2,8,9,13,18]:

1. Задание географических координат 4-х пунктов, характеризующих размеры и конфигурацию зоны расположения абонентов системы.

2. Задание координат ретранслятора.

3. Определение ширины ДН антенны ВРП по азимуту Д<р согласно рис. 1.

4. Прогноз распределений углов места мода 1К2 для координат ВРП из п.2 и пунктов зоны согласно п.1 для 0-24 ч суток, 1-12 месяцев, уровней солнечной активности ^=10,50,100,200 с использованием программы из раздела 2.

5. Определение суммарного распределения углов места для 4-х пунктов зоны по данным п.4, откуда согласно рис. 5 определяется центр и ширина АО главного лепестка ДН антенны ВРП в вертикальной плоскости.

6. Расчёт коэффициента направленного действия (КНД) антенны ВРП:

■ КНД*3200(1/(А<р°-Ав°) (8)

Рис. 5. Траектории КВ между абонентами А1,А2 и ретранслятором: 1 и 2 -различные наклоны отражающего слоя ионосферы, АО - ширина ДН по уровню половины мощности в вертикальной плоскости.

В 3.5 оценена также точность прогнозов распределений углов приёма КВ в вертикальной плоскости (углов места) [11,18] по результатам измерений, где учтены вариации углов места из-за наклонов отражающего слоя (рис. 5) и изменений высот слоя Р2 для разных условий. Приведены экспериментальные гистограммы углов места для мода 1Р2 и гистограммы, рассчитанные для условий экспериментов по программам раздела 2. Таблица 1 показывает достаточную точность прогнозов углов места для мода Ш2, что позволяет применять методику в прогнозах характеристик направленности КВ-антенн.

Таблица 1. Измеренные (столбец 3) и рассчитанные (столбец 2-е учетом наклонов отражающего слоя, столбец 4 - методом МККР) характеристики углов места.

Средние углы места мода №2 11.3° 9.9° 10.5°

Среднеквадратичные отклонения от средних (СКО) 2.2° 1.9° 1.9°

В подразделе 3.6 разработана методика оптимизации местоположений ВРП [11], в которой после операций (1-6) из подраздела 3.5 выполняются операции:

7. Задание мощности передатчика ретранслятора Р~1кВт и прогнозирование суммарного распределения напряжённости поля КВ для различных ситуаций п. 4. для КНД из (8) и/=ОРЧ с помощью программ из раздела 2 .

8. Определение напряжённости поля для левой границы суммарного распределения из п.7, что соответствует наихудшим условиям прохождения КВ.

9. Повторение расчётов, начиная с п.2, для других координат ретранслятора.

10. Выбор координат ВРП и параметров ДН его приёмо-передающей антенны, соответствующих максимуму напряжённости поля согласно п.8.

Пример реализации этой методики для территории Иркутской области [16] показывает, что оптимизация рабочих частот и антенн ВРП даёт удаления ВРП от центра зоны меньше, чем рекомендуемые 2.5-3 тыс. км, причём эти удаления зависят от размеров и конфигурации зоны. Прогнозируемые параметры антенны ВРП и соответствующие напряжённости поля даёт таблица 2.

Таблица 2. Параметры системы радиосвязи КВ-диапазона с ВРП для зон размером 500 км (верхние строки) и 1000 км (нижние строки) в зависимости от удалений ВРП от центров зон расположения абонентов [16].

Название прогнозируемого параметра зоновой системы с ВРП Удаления ВРП от центров зон, км

667 1000 1500 2000 2500 3000

Коэффициент направленного действия (КНД) антенны ВРП, дБ 14,1 17,9 20,8 23,2 25,7 26,5

8,7 12,2 15,9 19,2 21,3 22,6

Ширина ДН антенны ВРП по азимуту (уровень половины мощности), градусы 44,4 28,6 19,3 14,5 11,6 9,7

76,2 52,2 36,2 27,5 22,2 18,5

Ширина ДН антенны по углу места (уровень половины мощности), градусы 22 17 13 10 7 7

53 35 21 13 10 9

Минимальная напряженность поля для Г ~ ОРЧ в дБ относительно 1 мкВ/м 36 38 39 38 37 34

29 31 34 34 33 18

Средняя напряженность поля у абонента для £ к ОРЧ в дБ относительно 1 мкВ/м 43 43,8 44,8 43,8 42,5 41,8

36,8 38,5 40 40,8 40,3 36

Напряжённость поля КВ согласно таблице 2 и рис. б максимальна для дальностей 1500 км (зона размером 500 км) и 2000 км (зона 1000 км), что обусловлено уменьшением напряженности поля с ростом дальности при постоянном КНД, но ростом КНД с увеличением удалений ВРП от центров зон, так как уменьшаются ширины ДН антенны ВРП по азимуту и углу места.

Таким образом, при подавлении многолучёвости КВ-сигналов рассмотренными выше методами возможно и целесообразно оптимизировать удаления ВРП от центра зон обслуживания абонентов по критерию максимума напряженности поля КВ. Показано также, что эти удаления зависят от размеров зон.

В подразделе 3.7 согласно работам [11,16,18] дан пример технической реализации приёмо-передающей антенны ВРП на основе известной антенны типа ромб горизонтальный. Пример ДН такой антенны даёт рис. 7. Из таблицы 2 и рис. 7 следует, что задача синтеза приёмо-передающей антенны ВРП для заданных условий успешно решена, так как максимумы главного лепестка ДН на рис. 7 соответствуют максимумам прогнозируемых по методике подраздела 3.5 распределений углов места, а границы этих лепестков соответствуют ширинам этих распределений. Показано, что оптимизация ДН антенны ВРП позволит не только увеличить напряжённости поля КВ, распространяющихся модом Ш2, но и подавлять радиоволны, распространяющиеся модами 2Р2 и Ш2в.

Рис. 6. Минимальная напряженность поля у абонента Е„ла в зависимости от расстояния Ь? меяеду ВРП и центром зон размером 500 км (1) и 1000 км (2), прогнозируемая для передатчика мощностью 1 кВт, Г к ОРЧ и КНД из таблицы 2

Ей,» мкВ/м 110

1 А г-/Ыа идшшй лроНЬмш ----М> среЗвеа ¡роккиюшК^^'^Ю''^, --тк тМ

$ \

г-

/ 1

/ \

г Г/ К / \ / \

/Д "" РсиЗа чк'отш пцскИи»оояи ----граней щИо!к1мхт\1г4,■ ~

—¡с \ ! .....

/ 1 / 1

1 \ / \ / \ г \( \ к

С ..».

В подразделе 3.7 приведены также примеры прогнозов ОРЧ при разных условиях эксплуатации системы и пример прогноза уровней КВ-радиопомех.

В заключении к разделу 3 делаются выводы о том, что применение разработанных методик позволит выделять компоненты сигнала, распространяющиеся модом 7F2, при подавлении других модов, а также повысить средние отношения сигнал/помеха для приёма радиоволн, распространяющихся этим модом. Для уменьшения вероятностей ошибочного приёма двоичных символов информации целесообразно использовать помехоустойчивые коды и разнесённый приём радиосигналов на ВРП. На основе результатов раздела 3 в разделе 4 решаются задачи оптимизации мощностей радиопередатчиков разрабатываемой системы КВ-радиосвязи для заданного качества передачи информации.

В разделе 4 согласно работам [2,12,14,17,18] оценена эффективность разрабатываемой системы радиосвязи по сравнению с известными системами КВ-радиосвязи для наиболее важных характеристик системы, таких как мощности радиостанций абонентов и скорости передачи информации.

В подразделе 4.1 разработана методика оптимизации мощностей радиостанций абонентов Ра. Отмечено, что при большом (>1000) числе абонентов Ра определяет возможность массового применения и стоимость системы радиосвязи, так как при уменьшении Ра уменьшаются стоимость, габариты, вес и энергопотребление радиостанций абонентов. Однако при этом необходимо обеспечить заданную среднюю вероятность ошибочного приёма двоичных символов Ре как основную характеристику качества передачи информации.

Значения Р„ можно определить экспериментально в процессе эксплуатации системы радиосвязи, но на этапе разработки этой системы, оптимизированной с использованием разработанных в разделах 2,3 методик и алгоритмов, важно обосновать значения Ра, соответствующие заданным Ре.

Согласно выражениям (1,2,7) значения Ре определяют средние отношения мощностей полезного сигнала и помехи И\Р, зависящие от Ра, КНД антенн радиостанций абонентов и ВРП, потерь в радиоканалах и числа каналов разнесённого приёма на ВРП. Антенна мобильной радиостанции абонента имеет малую длину и ДН по азимуту, близкую к круговой, с КНД»: 1.5. С учётом этих факторов в публикациях [12,14,18] разработана методика оптимизации мощности радиостанций абонентов в виде последовательности операций:

1. Задание вероятности ошибок приёма Ре информации от абонента на ВРП.

2. Задание мощности передатчика абонента Ра ==10 Вт и КНД антенны 1.5.

3. Задание географических координат 4-х пунктов, характеризующих размеры и конфигурацию зоны обслуживания абонентов.

4. Прогнозирование ОРЧ для радиолиний пункты из операции 3 - ВРП при оптимальном местоположении ВРП, которое даёт методика подраздела 3.6.

5. Задание разных условий (12 месяцев, 24 часа суток, ^=10,50,100, 200) на радиолиниях пункты из операции 3-ВРП, расчёт распределений суммарных на-пряжённостей поля КВ для ОРЧ на ВРП от радиостанций абонентов с параметрами из операции 2 по программам для ЭВМ, рассмотренным в подразделе 2.3, определение минимальных значений Емин для левой границы распределений. Пример выполнения операции 5 даёт рис. 8, где Еми^2 дБ/мкВ/м.

6. Расчёт среднего отношения мощностей полезного сигнала и помехи:

' - -Ч2

АД =

КНД

д/.

-р\е,<р).

где напряжённости поля помех Е„ измерены в полосе частот 4/=1 кГц, А/„ - занимаемая сигналом полоса частот, кГц, ДН антенны ВРП Р(в,ср) определяется согласно подразделу 3.7, а КНД этой антенны определяет выражение (8).

7. Расчёт скорости передачи информации: У~1/т1~А/„ /2, кбит/с, где т, -длительность элементарной посылки, мс. Применение двойной относительной фазовой манипуляции (ДОФМ), позволяющей в »2 раза уменьшить значения А/„, даёт А/„~У. При помехоустойчивом кодировании реальная скорость передачи информации С-(к/п) V. Поэтому подавление многомодовости сигнала разработанными в разделах 2,3 методами позволит передавать информацию по стандартному телефонному радио КВ-каналу cAf=Ъ.\ кГц со скоростью »1 кбит/с.

8. Выбор помехоустойчивого кода с учётом числа исправляемых ошибок а и значений п,к, С, А/п при использовании выражений (2), (9) и рис.3.

9. Выбор числа каналов пространственно-разнесённого приёма на ВРП (¿=2,3) при использовании выражений (1), (9) и рис. 2.

10. Расчёт средней вероятности ошибочного приёма для совместного применения помехоустойчивого кода и разнесённого приёма на ВРП из (7) и рис. 4.

11. Изменение мощности передатчика абонента и повторение расчётов до выполнения требований операции 1. В результате получаем мощность радиостанции абонента, обеспечивающую заданную вероятность ошибочного приёма двоичных символов информации для наихудших условий распространения КВ.

Рис. 8. Распределение средних напряжённостей поля (в дВ/мкВ/м), создаваемых абонентами, расположенными на территории Иркутской области

Подраздел 4.2 даёт результаты расчётов вероятностей ошибочного приёма для наихудших

0 1 2 3 4 5 6 7 8 Э 10 11 12 1 3 1 4 15 1 6 1 7 18 1 9 20 уСЛОВИЙ При реЭЛИЗаЦИИ

систем радиосвязи с ВРП и без ВРП. Для систем без ВРП и Ра =10 Вт значения Ре~0.1-0.01, что неприемлемо для современных систем радиосвязи. Применение ВРП с направленной на зону антенной существенно уменьшает эту вероятность. Сочетание разнесённого приёма на ВРП и помехоустойчивых кодов даёт приемлемое качество передачи информации даже для ~3, когда, например, пространственно-разнесённый приём всего на две антенны в сочетании с простым помехоустойчивым кодом при а=1 даёт Рш~\0'й, что не достигается в известных системах КВ-радис связи.

. ® 1 17

1 1 , II. II. ,

В подразделе 4.3 оценены мощности радиостанций абонентов в зоновой системе КВ-радиосвязи с вынесенным ретранслятором, оптимизированной с использованием разработанных в разделах 2,3 методик.

В 4.3.1 оценены мощности радиостанций абонентов на основе прогнозов напряжённостей поля КВ по программе, рассмотренной в подразделе 2.3, и прогнозов уровней помех. Показано, что в наихудших условий приёма на ВРП, расположенном вне населённых пунктов, можно получить достаточно высокое качество передачи информации при Ра =10 Вт, когда при Ь=3, а=1 вероятность ошибок ~10"4. При этом для средних условий приёма разработанная методика даёт Ра^ 1 Вт. В наихудших условиях прохождения КВ для разрабатываемой системы с ВРП такая мощность обеспечит среднюю вероятность ошибочного приёма двоичного символа информации <0.01, что приемлемо для КВ-систем.

В 4.3.2 оценены выигрыши в мощности радиостанций абонентов по сравнению с системами радиосвязи без ретранслятора [2,13,14,17,18]. Мощности радиостанций подвижных абонентов со слабонаправленными антеннами (КНД~1.5) рассчитаны для наиболее сложных условий - зимняя ночь при низкой активности Солнца (1¥=\0) для приёма в индустриальных районах. Задавались следующие одинаковые параметры систем КВ-радиосвязи с ВРП и без ВРП: 1) размер зоны обслуживания абонентов - 500 км; 2) вероятность ошибок приёма двоичных символов с ОФМ Р;=10"2. Для системы без ВРП получены значения Рс&\0 кВт, что неприемлемо для подвижных абонентов. При приёме вне населенных пунктов в системе радиосвязи без ВРП можно использовать радиостанции мощностью ~1 кВт, что типично для КВ-радиосвязи.

В работах [2,17,18] показано, что выигрыш в мощностях радиостанций абонентов оптимизированной зоновой системы радиосвязи КВ-диапазона с ВРП по сравнению с системой без ВРП составляет я 10000 раз, что для рассмотренного в 4.3.2 примера складывается из следующих факторов: 1) расположение ВРП вне населённых пунктов (—15 раз); 2) разнесённый приём на ВРП совместно с помехоустойчивым кодом (и25 раз); 3) направленная на зону расположения абонентов антенна (»30 раз). Благодаря такому выигрышу в разрабатываемой системе можно применять переносные радиостанции абонентов.

В 4.3.3 оценены мощности передатчика ВРП с оптимизированной антенной, расположенного на оптимальном удалении »1500 км от центра зоны расположения абонентов размером 500 км, когда разнесённый приём абонентами не применяется, что требует дополнительного запаса мощности передатчика ВРП по сравнению с передатчиком абонента. Для: А/„= 1кГц, КНД антенны абонента «1.5 и помехоустойчивого кода с о=1 при расположении абонентов вне населённых пунктов получена вероятность ошибок приёма двоичного символа информации абонентом Р}~8х 10"5 в наихудших условиях прохождения КВ для мощности передатчика ВРП 1 кВт. Отсюда следует, что качество передачи информации в разрабатываемой системе определяет приём сигналов на ВРП от передатчиков абонентов, так как заданное качество передачи информации от ВРП к абонентам можно обеспечить увеличением мощности передатчика ВРП.

В 4.3.4 рассмотрены отличительные особенности разработанной системы, в том числе вопросы управления системой при случайных внешних воздействиях, таких как изменения: ионосферы, радиопомехи и случайные моменты проведения радиосвязей абонентами системы. Приведённая на рис. 9 блок-схема [15] показывает, что задача управления системой может успешно решаться благодаря управлению рабочими частотами по данным НЗ ионосферы, выбору наилучшего канала разнесённого приёма на ВРП и управлению потоками информации на ВРП, включая вопросы организации взаимодействия между абонентами при исключении взаимных радиопомех. Преимущества разработанной системы КВ-радиосвязи по сравнению с, известными системами согласно этой схеме обеспечивает также оптимизация приёмо-передающих антенн ВРП и местоположения ВРП по критерию максимума напряжённости поля 1<В.

Управление системой

Случайные внешние воздействия

Изменения ионосферы Радиопомехи Абоненты

ДН антенн ВРП Ме ггопо-ло:кение ВРП Рабочие частоты Помехоустойчивое кодирование Мощности радиостанций Число каналов разнесенного приема

Оптимизация по критерию максимум а Е для мода 7 К? Оптимизация для заданного качества передачи информации

Рис. 9. Блок-схема организации управления системой КВ-радиосвязи в процессе эксплуатации с учётом случайных внешних воздействий на систему

В заключении к разделу 4 (подраздел 4.4) сформулированы выводы о возможности технической реализации системы КВ-радиосвязи для радиостанций абонентов мощностью меньше, чем 10 Вт, при вероятности ошибочного приёма меньше, чем 10"4, и скорости одноканальной передачи информации в стандартном телефонном канале больше, чем 1000 бит/сек.

Таким образом, показаны возможности существенного повышения эффективности систем КВ-радиосвязи на основе дальнейших разработок и применения оптимизированных зоновых систем с ретранслятором, вынесенным за зону расположения абонентов.

В Приложении приведены акты о внедрении результатов исследований.

Заключение и выводы по работе

В заключении сформулированы основные результаты разработки систем КВ-радиосвязи с вынесенным за зону расположения абонентов ретранслятором.

1. Разработаны методики и алгоритмы оперативного управления рабочими частотами по данным наклонного зондирования ионосферы, основанные на краткосрочных прогнозах частотного диапазона прохождения КВ с минимальной многолучёвостью радиосигнала.

2. Разработана и экспериментально проверена методика прогнозирования распределений углов приёма и излучения для различных условий распространения радиоволн, использованная при оптимизации антенн ретранслятора.

3. Разработана методика оптимизации местоположения и антенн ретранслятора для заданной зоны расположения абонентов системы радиосвязи, основанная на максимизации напряжённости поля КВ дои мода 1Р2.

4. Получена формула для расчета вероятностей ошибочного приёма двоичных символов информации при одновременном применении помехоустойчивых кодов и разнесённого приёма.

5. Разработаны методики оптимизации мощностей радиостанций абонентов и ретранслятора, с использованием которых показано, что для передачи информации от абонента на ретранслятор с вероятностью ошибки 10"4 можно использовать передатчики мощностью 10 Вт для наихудших условий эксплуатации системы, а для передачи от ретранслятора :;< абоненту с вероятностью ошибки 10"5 достаточно иметь передатчики мощностью 1 кВт.

6. Показана возможность одноканальной передачи полезной информации в системе со скоростью —1000 бит/сек.

7. В результате разработан новый подход к проектированию систем КВ-радиосвязи с вынесенным ретранслятором и заданной зоной расположения абонентов, основанный на комплексной оптимизации рабочих частот, местоположений ретрансляторов, приёмо-передающих антенн, мощностей радиостанций ретранслятора и абонентов, числа исправляемых помехоустойчивым кодом ошибок и числа каналов разнесённого приёма на ВРП.

Таким образом, показаны возможности существенного повышения эффективности систем КВ-радиосвязи на основе дальнейших разработок и применения зоновых систем с ретранслятором, вынесенным за зону расположения абонентов. Сформулируем преимущества разрабатываемой системы КВ-радиосвязи, важные для практического применения разработанной системы:

1) применение малогабаритных радиостанции абонентов мощностью ~10 Вт позволит уменьшить стоимость создания и эксплуатации системы;

2) возможность применения для труднодоступных регионов при существенном уменьшении стоимости канала по сравнению со спутниковой связью;

3) повышенная помехозащищённость передачи информации благодаря оперативным изменениям рабочих частот и направленности антенны ВРП;

4) повышенная пропускная способность каналов передачи дискретной информации в виде текста в оптимизированной системе КВ-радиосвязи с ВРП.

Основное содержание диссертации изложено в публикациях: Издания, рекомендованные ВАК РФ

1. Труднев, К.И. Оценка эффективности разнесённого приёма и помехоустойчивого кодирования для системы радиосвязи с вынесенным КВ-ретранслятором / К.И. Труднев // Вестник ИрГТУ. - 2006. - № 2. - С. 12.

2. Труднев, К.И. Оптимизированная система коротковолновой радиосвязи с ретранслятором, вынесенным за зону обслуживания абонентов / К.И. Труднев // Вестник ИрГТУ. - 2007. - № 2. - Т. 2. - С. 86-88.

Другие издания

3. Агарышев, А.И. Возможности цифровой пакетной КВ-радиосвязи с вынесенным ретранслятором /А.И. Агарышев, К.И. Труднев//Материалы XII научно-техн. конф. ИВАИИ "Проблемы повышения боевой готовности, военного применения, технической эксплуатации и обеспечения безопасности полётов летательных аппаратов с учётом климатогеографических условий Сибири и Дальнего Востока". - Иркутск: ИВВАТУ. - 2002. - Вып. 1. - С. 6-9.

4. Агарышев, А.И. Применение вынесенного коротковолнового ретранслятора для передачи дискретной информации / А.И. Агарышев, B.C. Кирштейн, К.И. Труднев // Информационные системы контроля и управления на транспорте - Иркутск: ИрГУПС. - 2002. - Вып. 10. - С. 106-109.

5. Агарышев, А.И. Характеристики системы передачи дискретной информации через вынесенный ретранслятор KB диапазона / А.И. Агарышев, B.C. Кирштейн, К.И. Труднев // Материалы IV Всероссийской научно-технической конференции "Современные проблемы радиоэлектроники". Сборник научн. тр. / Под общ. ред. Ю.В. Коловского. - Красноярск: ИПЦ КГТУ. - 2002. - С. 26-29.

6. Агарышев, А.И. Оценка выигрыша в мощности KB радиопередатчиков при использовании разнесенного приема / А.И. Агарышев, К.И. Труднев // Материалы ежегодной Всероссийской научно-практической конференции "Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири". - Иркутск: ИрГТУ. - 2003. - С. 368-373.

7. Агарышев, А.И. Оценка выигрыша в мощности радиопередатчика при использовании помехоустойчивого кодирования / А.И. Агарышев, К.И. Труднев // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири. Материалы ежегодной Всероссийской, научно-практической конференции. - Иркутск: ИрГТУ. - 2004. - С. 472-476.

8. Агарышев, А.И. Оценка эффективности применения линейных двоичных блочных кодов для каналов с замираниями / А.И. Агарышев, К.И. Труднев // Современные проблемы радиоэлектроники: Сборник научн. тр. / Под общ. ред. A.B. Сарафанова. - Красноярск: ИПЦ КГТУ. - 2004. - С. 46-48.

9. Агарышев, А.И. Повышение надёжности авиационной радиосвязи на основе применения вынесенного ретранслятора и цифровой обработки сигналов / А.И. Агарышев, К.И. Труднев // Материалы XIV Всероссийской научно-технической конф. "Проблемы повышения боевой готовности, боевого приме-

нения, технической эксплуатации и обеспечения безопасности полётов летательных аппаратов". Часть II. - Иркутск: ИВВАТУ. - 2005. - С. 103-105.

10. Агарышев, А.И. Расчёт эффективности разнесенного приёма и помехоустойчивого кодирования для каналов с замираниями / А.И. Агарышев, К.И. Труднев/ТМатериалы научно-практической конференции "Технико-экономические проблемы развития регионов". - Иркутск: ИрГТУ. - 2005. - С. 222-226.

11. Агарышев, А.И. Разнесённый приём и помехоустойчивое кодирование в системе радиосвязи с ретранслятором / А.И Агарышев, К.И Труднев // Современные проблемы радиоэлектроники: Сборник научн. тр. / Под ред. А.И. Громыко, A.B. Сарафанова. - Красноярск: ИПЦ КГТУ. - 2005. - С. 66-68.

12. Труднев, К.И. Методы оптимизации систем передачи информации КВ-диапазона через ретранслятор, вынесенный га зону обслуживания абонентов // Материалы V Межвузовской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, посвященной Дню радио "Современные проблемы радиотехники". - Иркутск: ИрГТУ. - 2006. - С. 170-179

13. Агарышев, А.И. Повышение эффективности систем КВ-радиосвязи с вынесенным ретранслятором на основе подавления многолучевости сигнала / А.И. Агарышев, В.А. Агарышев, К.И. Труднев/Материалы V Межвузовской научно-техн. конф. молодых ученых и специалистов, посвященной Дню радио "Современные проблемы радиотехники". - Иркутск: ИрГТУ. - 2006. - С.7-17.

14. Агарышев, В.А. Оптимизация рабочих частот и мощностей радиостанций в системе коротковолновой радиосвязи с ретранслятором, вынесенным за зону обслуживания абонентов/ В.А. Агарышев, А.И. Агарышев, К.И. Труд-нев//Современные проблемы радиоэлектроники: сб.науч.ст./ред.:А.И. Громыко, А. В. Сарафанов.-Красноярск: Сиб. Федеральн.ун-т;Политехи. ин-т.-2007 -С.56-58.

15. Агарышев, А.И. Алгоритмы прогнозирования диапазонов однолучёво-го прохождения радиоволн для системы КВ-радиосвязи с выносным ретранслятором / А.И. Агарышев, В.А. Агарышев, К.И. Труднев // Материалы XV Всероссийской научно-технической конференции. Проблемы повышения боевой готовности, боевого применения, технической эксплуатации и обеспечения безопасности полётов летательных аппаратов. Научно-технический сборник. Часть I. - Иркутск: ИВВАИУ (ВИ). - 2008. - С. 7-12.

16. Агарышев, А.И. Системы радиосвязи. Проектирование систем КВ радиосвязи с вынесенным ретранслятором: методические указания. /А.И. Агарышев, К.И. Труднев. - Ирку тск: Изд-во ИрГТУ, 2008. - 32 с.

17. Агарышев, А.И. Новые возможности систем передачи информации КВ-диапазона с вынесенным ретранслятором / А.И. Агарышев, В.А. Агарышев, К.И. Труднев // Современные проблемы радиоэлектроники и связи: материалы VIII Всерос. науч.-тех. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых и специалистов / Под ред. А.И. Агарышева, Е.М. Фискина. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009. -С.40-45.

18. Агарышев, А.И. Системы коротковолновой радиосвязи с подавлением многолучёвости сигнала / А.И. Агарышев, В.А. Агарьпдев, П.М. Алиев, К.И. Труднев. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009. - 160 с.

Подписано в печать 11.10.2011. Формат 60 х 90 / 16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,75. Тираж 120 экз. Зак. 195. Поз. плана 34н.

Лицензия ИД № 06506 от 26.12.2001 Иркутский государственный технический университет 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Труднев, Константин Иванович

Обозначения и сокращения.

Введение.

1. Особенности распространения коротких радиоволн и перспективные направления развития систем КВ-радиосвязи.

1Л. Основные параметры ионосферы и методы их прогнозирования.

1.2. Характеристики ионосферного распространения коротких радиоволн и методы их прогнозирования.

1.2.1. Отражение и преломление КВ в ионосфере.

1.2.2. Частотные характеристики наклонно отраженных радиоволн.

1.2.3. Поглощение КВ в ионосфере.

1.2.4. Углы излучения и приема при распространении КВ модом 1Р2.

1.2.5. Способы распространения КЕЗ и многолучёвость сигнала.

1.3. Основные характеристики КВ-радиосвязи и особенности её применения.

1.3.1. Рабочие частоты.

1.3.2. Скорости передачи информации.

1.3.3. Случайные изменения амплитуд КВ-сигнала.

1.3.4. Виды модуляции информационных сигналов в КВ диапазоне.

1.3.5. Характеристики радиопомех в КВ диапазоне.

1.4. Принципы построения систем КВ-радиосвязи с ретранслятором, вынесенным за зону расположения абонентов.

1.5. Анализ возможностей повышения эффективности систем КВ-радиосвязи с вынесенным ретранслятором.

1.6. Выводы к разделу 1.

2. Алгоритмы оптимизации рабочих частот в системе

КВ-радиосвязи с вынесенным ретранслятором.

2.1. Структура системы КВ-радиосвязи с вынесенным ретранслятором и требования к аппаратуре наклонного зондирования ионосферы.

2.2. Обоснование набора измеряемых параметров НЗ.

2.3. Программное обеспечение для расчётов и прогнозирования параметров ионосферы и характеристик распространения КВ.

2.3.1. Расчёт и прогнозирование основных параметров ионосферы МПЧ1Р2, МНЧ2Р2, углов излучения и приёма для мода 1Р2.

2.3.2. Расчёт и прогнозирование МНЧ1Р2, ЫНЧ1Р2в.

2.3.3. Расчёт и прогнозирование напряжённости поля КВ.

2.4. Алгоритмы управления оптимальными рабочими частотами для зоновой системы КВ-радиосвязи с вынесенным ретранслятором.

2.4.1. Определение исходных данных.

2.4.2. Алгоритмы определения рабочих частот радиосвязей между абонентами и ВРП.

2.4.3. Алгоритмы определения рабочих частот радиосвязей между ВРП и абонентам зоны.

2.5. Выводы к разделу 2.

3. Методики оптимизации систем КВ-радиосвязи с вынесенным ретранслятором.

3.1. Применение разнесённого приёма для обработки сигналов на вынесенном ретрансляторе.

3.2. Оценка энергетической эффективности разнесённого приёма.

3.3. Оценка энергетической эффективности помехоустойчивого кодирования информации.

3.4. Оценка выигрыша в мощности передатчика при использовании помехоустойчивого кодирования и разнесённого приема.

3.5. Оптимизация диаграммы направленности антенны ВРП.

3.5.1. Методика прогнозирования характеристик направленности приёмо-передающей антенны ВРП.

3.5.2. Сравнение измеренных и прогнозируемых распределений углов места КВ.

3.6. Оптимизация удалений ВРП от центра зоны расположения абонентов.

3.7. Техническая реализация антенны ВРП.

3.7.1. Синтез приёмо-передающей антенны для радиолинии.

3.7.2. Техническая реализация приёмо-передающей антенны ВРГ1 для заданной зоны расположения абонентов систем КВ-радиосвязи.

3.7.3. Долгосрочное прогнозирование оптимальных рабочих частот для системы КВ-радиосвязи с ВРП.

3.8. Выводы к разделу 3.

4. Характеристики оптимизированной системы КВ-радиосвязи для передачи дискретной информации через вынесенный ретранслятор.

4.1. Методика оптимизации мощности абонентской радиостанции.

4.2. Анализ результатов расчётов вероятностей ошибочного приёма для различных вариантов реализации систем КВ-радиосвязи.

4.3. Оценка мощностей радиопередатчиков в оптимизированной системе

КВ-радиосвязи с вынесенным ретранслятором.

4.3.1. Мощности радиостанций абонентов.

4.3.2. Выигрыш в мощности радиопередатчиков по сравнению с системой радиосвязи без ретранслятора.

4.3.3. Оценка мощности радиопередатчика ВРП.

4.3.4. Управление системой в процессе эксплуатации.

4.4. Выводы к разделу 4.

Введение 2011 год, диссертация по радиотехнике и связи, Труднев, Константин Иванович

Актуальность темы. Основной задачей радиотехники является радиосвязь с использованием распространяющихся в окружающей среде радиоволн, что необходимо для нормальной жизнедеятельности каждого человека и общества в целом. С этой целью используют различные диапазоны радиоволн, но сохраняется интерес к коротким радиоволнам (КВ) длиной А,= 10-100м для радиосвязи на расстояния до нескольких тысяч километров, так как системы КВ-радиосвязи более устойчивы к искусственным внешним воздействиям и могут применяться на различных подвижных объектах (самолётах, кораблях и др.), расположенных в труднодоступных районах. Системы КВ-радиосвязи используют также в лесной, нефтегазовой промышленности, в геологии, гидрометеослужбе, в Минобороны, МЧС и других отраслях. Известные недостатки систем КВ-радиосвязи - низкая надёжность и пропускная способность, большой вес, габариты и энергопотребление аппаратуры.

Для повышения эффективности систем КВ-радиосвязи можно использовать ретранслятор, вынесенный за зону расположения абонентов системы. Эта идея впервые высказана Е.Ф. Камневым и детально разработана О.В. Головиным [1.11-1.13]. Очевидные преимущества систем КВ-радиосвязи с вынесенным ретрансляционным пунктом (ВРГ1) - использование направленности приё-мо-передающих антенн ВРГ1, а также более высоких рабочих частот, для которых меньше поглощение КВ в ионосфере и меньше уровни атмосферных и станционных помех. В результате возрастают отношения сигнал/помеха, повышается надёжность системы, решаются вопросы взаимодействия абонентов.

Другая известная возможность повышения эффективности КВ-радиосвязи заключается в применении метода наклонного зондирования (НЗ) ионосферы. Важный вклад в развитие и применение этого метода внесли К. Дэвис, Р. Фенвик, В.Б. Смирнов, В.А. Иванов, А.П. Потехин, В.И. Куркин и др. Поэтому актуальна разработка вопросов применения метода НЗ в зоновой системе КВ-радиосвязи с ВРП, что позволит выбирать оптимальные рабочие частоты (ОРЧ), обеспечивающие повышение вероятности приёма одномодовых сигналов и повышение скорости передачи информации на радиолиниях абоненты-ВРГ1. Новые возможности решения этих вопросов обеспечивает определение эффективных индексов солнечной активности и параметров рассеяния радиоволн в ионосфере по данным НЗ (А.И. Агарышев [2.4,2.121).

При использовании ОРЧ наиболее вероятно распространение КВ между ВРП и абонентом способом (модом) У/7?, т.е. одним отражением от слоя П ионосферы. Поэтому актуальна задача оптимизации приемо-передающих антенн ВРП для наилучшего приема радиоволн, распространяющихся способом /Р'2, и подавления многолучёвости сигнала, обусловленной другими модами. Для решения этой задачи можно использовать экспериментальные данные об угловых характеристиках КВ, полученные А.И. Агарышевым и В.Е. Унучковым [2.8]. При этом актуальной становится задача оптимизации удаления ВРП от зоны обслуживания абонентов по критерию максимума напряженности поля КВ для мода /^2, в отличие от критерия 11.111 минимальной вероятности ошибок приёма многолулучёвого сигнала, что даёт удаление ВРП на -2500-3000 км.

Таким образом, комплексная оптимизация систем КВ-радиосвязи на основе на основе подавления многолучёвости сигнала и применения современных методов обработки сигнала является актуальной научно-технической задачей, решение которой обеспечит возможность существенного повышения эффективности этих систем, в том числе возможность существенного снижения мощностей абонентских радиостанций, что особенно важно для радиосвязи между подвижными объектами.

Система КВ-радиосвязи с ВРП представляет собой типичный пример сложной системы, которая находится под воздействием внешних факторов случайного характера, из которых наиболее существенны случайные изменения ионосферы Земли и случайные радиопомехи. Поэтому актуальны разработки вопросов управления системой в процессе эксплуатации.

Цель диссертации заключается в обосновании возможностей повышения эффективности систем КВ-радиосвязи с ретранслятором, вынесенным за зону расположения абонентов, на основе применения разнесённого приёма на вынесенном ретрансляторе и оптимизации рабочих частот на основе наклонного зондирования ионосферы, оптимизации приёмо-передающих антенн и местоположения ретранслятора.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

4. Получены аналитические выражения для расчета вероятностей ошибочного приема, на основе которых даны рекомендации по применению помехоустойчивых кодов и разнесённого приема.

1. Повышение надёжности и пропускной способности систем КВ-радиосвязи с вынесенным ретранслятором возможно на основе разработанных методик, обеспечивающих приём одномодового сигнала благодаря оптимизации рабочих частот, приёмо-передающих антенн, местоположения ретранслятора и применению пространственно-разнесённого приёма на ретрансляторе.

2. Максимальную напряжённость поля радиоволн, распространяющихся модом 1Р2, даёт удаление ретранслятора от центра зоны расположения абонентов системы радиосвязи примерно на 1500 км для зоны размером 500 км и примерно на 2000 км для зоны размером 1000 км, в отличие от рекомендуемого ранее удаления 2800 км, соответствующего минимуму межмодовых задержек.

Таким образом, предметом исследований являются системы КВ-радиосвязи, а более конкретно - системы с ретранслятором, вынесенным за зону расположения абонентов.

Методы исследований заключались в применении математических методов для получения выражений, позволяющих оценить эффективность применения разнесенного приема и помехоустойчивого кодирования для радиоканалов с рэлеевскими замираниями амплитуд радиоволн, а также в применении компьютерного моделирования и анализа экспериментальных данных.

Научная новизна работы состои т в том, что впервые:

2. Выявлена зависимость оптимального расположения ретранслятора от размеров и конфигурации зоны обслуживания абонентов.

3. Получены формулы, позволяющие рассчитать вероятности ошибочного приема дискретной информации при совместном использовании помехоустойчивого кодирования и разнесенного приема на ретрансляторе.

Результаты работы внедрены в ИВВАИУ при выполнении НИР "Радиосвязь", в ООО ОА «Форпост» (проектирование устройств разнесённого приема с целью повышения надёжности приема данных), в учебном процессе Иркутского государственного технического университета (лекции, курсовой проект и лабораторные работы по дисциплине «Системы радиосвязи»).

Практическая значимость работы состоит в том, что обоснованные в диссертации рекомендации можно использовать при проектировании и эксплуатации систем КВ-радиосвязи различного назначения (авиационных, корабельных и др.), а именно: при формулировке требований к аппаратуре систем, определении режимов работы и алгоритмов функционирования аппаратуры, определении взаимного расположения радиосредств, выборе конкретных видов средств и т.п., а также в оценках эффективности перспективных средств и систем КВ-радиосвязи различного назначения.

Апробация работы. Основные результаты и выводы, обоснованные в диссертации, докладывались и обсуждались на IV, VI и VII, IX Всероссийских с международным участием научно-технических конференциях "Современные проблемы радиоэлектроники" (г. Красноярск, 2002,2004,2005,2007 гг.), на ежегодной Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (г. Иркутск, ИрГТУ, 2003, 2004 гг.), на научно-практической конференции «Технико-экономические проблемы развития регионов» (г. Иркутск, ИрГТУ, 2005 г.), на I-VIII межвузовских научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники и связи» (г. Иркутск, ИрГТУ, 2002-2009 гг.), на XII, XIV, XV Всероссийских научно-технических конференциях «Проблемы повышения боевой готовности, боевого применения, технической эксплуатации и обеспечения безопасности полётов летательных аппаратов» (г. Иркутск, ИВВАИУ, 2002, 2005, 2008 гг.), на П-ой студенческой научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития гражданской авиации России» (г. Иркутск, ИФ МГТУ ГА, 2009 г.), а также на научных семинарах в ИрГТУ, ИрГУПС и ИВВАИУ.

Личный вклад автора. Основные результаты диссертации, опубликованы в 18-ти работах [1.1,1.38,2.1,2.7,2.13,2.16,2.24,2.21-2.23,2.25,2.28,2.29, 2.33,2.34, 2.73-2.75] (доклады, статьи, учебное пособие, монография), являются оригинальными и получены либо автором, либо при его непосредственном участии. Постановка задач, разработка методики оптимизации рабочих частот и мощностей радиопередатчиков, анализ экспериментальных данных, обобщение результатов диссертации выполнены совместно с научным руководителем.

Автором самостоятельно разработаны методики оптимизации приемопередающих антенн, удалений до ретранслятора, получены формулы для расчета вероятностей ошибок при использовании помехоустойчивого кодирования и разнесенного приема, разработаны алгоритмы и программы для ЭВМ, выполнены расчеты и графическое представление результатов исследований.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4-х разделов, заключения и приложения общим объемом в 141 страницу, включая список используемых источников из 130-ти наименований, 8 таблиц и 39 рисунков.

Заключение диссертация на тему "Система коротковолновой радиосвязи с разнесённым приёмом на вынесенном ретрансляторе и оптимизацией рабочих частот по данным наклонного зондирования ионосферы"

4.4 Выводы к разделу 4

Сформулируем основные результаты, обоснованные в данном разделе применительно к разрабатываемой системе КВ-радиосвязи вынесенный ретранслятор КВ-диапазона.

1. Разработана методика оптимизации мощностей радиостанций абонентов для заданных средних вероятностей ошибочного приёма двоичных символов дискретной информации.

2. Показано, что применение системы КВ-радиосвязи ретранслятором, который расположен на оптимальном удалении от абонентов зоны и имеет оптимизированную приёмо-передающую антенну с двумя каналами пространственно-разнесённого приёма на оптимальных рабочих частотах, может более, чем в ~103 раз уменьшить средние вероятности ошибочного приёма символов дискретной информации по сравнению с системой прямого действия без ВРП.

3. Показано, что использование в разрабатываемой системе КВ-радиосвязи радиопередатчиков абонентов мощностью меньше, чем 10 Вт, обеспечит средние вероятности ошибочного приёма на ВРП меньше, чем 0.001, для наихудших условий эксплуатации системы при размерах зон расположения абонентов меньше, чем -1000 км.

4. Обоснована возможность уменьшения в -10 000 раз мощности радиопередатчика абонента оптимизированной зоновой системы КВ-радиосвязи с ВРП по сравнению с мощностью передатчика системы без ретранслятора при сравнимом качестве передачи информации.

5. Показано, что использование радиопередатчика ВРП мощностью -1 кВт обеспечит вероятность ошибочного приёма двоичного символа информации абонентами оптимизированной зоновой системы КВ-радиосвязи меньше, чем 10~4, для наихудших условий эксплуатации разрабатываемой системы.

6. Для условий, сформулированных выше в результатах 1-5, показана возможность одноканальной передачи дискретной информации в стандартном телефонном канале с шириной частотной полосы 3.1 кГц со скоростью больше, чем 1500 двоичных символов информации в секунду.

Таким образом, анализ перечисленных выше результатов показывает возможности существенного повышения эффективности систем КВ-радиосвязи на основе дальнейших разработок и применения оптимизированных зоновых систем с ретранслятором, вынесенным за зону расположения абонентов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении сформулированы основные результаты работы по обоснованию новых возможностей повышения эффективности систем КВ-радиосвязи с ретранслятором, вынесенным за зону расположения абонентов системы.

3. Разработана методика оптимизации местоположения и антенн ретранслятора для заданной зоны расположения абонентов системы КВ-радиосвязи, основанная на максимизации напряжённости поля КВ для мода 1 Р2.

5. Разработаны методики оптимизации мощностей радиостанций абонентов и ретранслятора, с использованием которых показано, что для передачи информации от абонента на ретранслятор с вероятностью ошибки 10~4 можно использовать передатчики мощностью 10 Вт для наихудших условий эксплуатации системы, а для передачи от ретранслятора к абоненту с вероятностью ошибки 10° достаточно иметь передатчики мощностью 1 кВт.

6. Показана возможность одноканальной передачи полезной информации в системе со скоростью ~1 ООО бит/сек.

Сформулируем преимущества разрабатываемой системы КВ-радиосвязи, важные для практического применения системы:

1) применение малогабаритных радиостанций абонентов мощностью ~10Вт позволит уменьшить стоимость создания и эксплуатации системы;

4) повышенная пропускная способность каналов передачи информации.

Для реализации разработанных методов оптимизации системы КВрадиосвязи с ВРП необходимо разработать соответствующую аппаратуру и оценить качество радиосвязи в условиях реальных экспериментов.

Библиография Труднев, Константин Иванович, диссертация по теме Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

1. Агарышев, А.И. Системы коротковолновой радиосвязи с подавлением многолучёвости сигнала / А.И. Агарышев, В.А. Агарышев, П.М. Алиев, К.И. Труднее. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009. - 160 с.

2. Айзенберг, Г. 3. Коротковолновые антенны / Г.З. Айзенберг. М.: Связьиздат, 1962. - 815 с.

3. Альперт, Я.Л. Распространение электромагнитных волн и ионосфера / Я.Л. Альперт. М.: Наука, 1972. - 563 с.

4. Афраймович, Э. Л. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли / Э. Л. Афраймович, Н. П. Перевалова, Рос. акад. наук. Сиб. отд-ние. Ин-т солнечно-земной физики . Иркутск : ГУ НЦ PBX ВСНЦ СО РАМН, 2006 . - 480 с.

5. Баскаков, С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: учебник для ВУЗов по спец. «Радиотехника» / С.И. Баскаков. М.: Высшая школа, 2003. - 462 с.

6. Борисов, В.А. Радиотехнические системы передачи информации / В.А. Борисов, В.В. Калмыков, Я.М. Ковальчук и др. М.: Радио и связь, 1990. -302 с.

7. Брюнелли, Б.Е. Физика ионосферы / Б.Е. Брюнелли, A.A. Намгаладзе. -М.: Наука, 1988.- 368 с.

8. Васин, В.А. Информационные технологии в радиотехнических системах: учеб. пособие для вузов по специальностям «Радиотехника» / В.А. Васин, И.Б. Власов, Ю.М. Егоров и др.; под ред. И. Б. Федорова. Изд. 2-е. - М.: МГТУ, 2004. - 764 с.

9. Гершман, Б.Н. Волновые явления в ионосфере и космической плазме / Б.Н. Гершман, Л.М. Ерухимов, Н.Я. Яшин. М.: Наука, 1984. - 392 с.

10. Гершман, Б.Н. Механизмы образования ионосферного спорадического слоя Es на различных широтах / Б.Н. Гершман, Г.Х. Каменецкая, Ю.А. Игнатьев. М.: Наука, 1976. - 108 с.

11. Головин, О.В. Декаметровая радиосвязь / О.В. Головин. М.: Радио и связь, 1990.-240 с.

12. Головин, O.B. Радиосвязь / O.B. Головин, H.H. Чистяков, В. Шварц, И. Хардон Агиляр; под. ред. О.В. Головина. М.: Горячая линия-Телеком, 2001.-288 с.

13. Головин, О.В. Системы и устройства коротковолновой радиосвязи / О.В: Головин; С.П: Простой; под ред/профессора О.В. Головина. М.: Горячая линия-Телеком, 2006. - 598 с.

14. Долуханов, М.П. Распространение радиоволн / МП. Долуханов. -М.: Связь, 1972.-336 с.

15. Воскресенский, Д.И. Устройства СВЧ и антенны /Д.И. Воскресенский, B.JI. Гостюхин, В.М. Максимов, Л.И. Пономарёв. Под ред. Д.И. Воскресенского. Издательство «Радиотехника». М., 2006. -376 с.

16. Дэвис, К. Радиоволны в ионосфере / К. Дэвис. -М.:Мир, 1973 502с.

17. Жулина, Е.М. Основы долгосрочного прогнозирования / Е.М. Жу-лина, Т.С. Керблай, Е.М. Ковалевская и др. М.: Наука, 1969. - 68 с.

18. Зюко, А.Г. Теория электрической связи / А.Г. Зюко, Д.Д. Кловский, В.И. Коржик, М.В. Назаров. М.: Радио и связь, 1999. - 432 с.

19. Иванов, В.А. Многочастотное наклонное зондирование ионосферы для загоризонтного позиционирования: монография / В.А. Иванов, Е.В. Катков. Йошкар-Ола: МарГГУ, 2009. - 218 с.

20. Иванов, В.А. Основы радиотехнических систем ДКМ диапазона / В.А. Иванов, Н.В. Рябов, В.В. Шумаев. Йошкар-Ола: МарГТУ, 1998. - 204 с.

21. Иванов, Д.В. Информационно-аналитическая система для исследования ионосферы и каналов декаметровой радиосвязи: монография / Д.В. Иванов, А.Б. Егошин, В.А. Иванов, Н.В. Рябова; под ред. В.А. Иванова. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2006. - 256 с.

22. Иванов, Д.В. Методы и математические модели исследования распространения в ионосфере сложных декаметровых сигналов и коррекции / Д.В. Иванов. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2006. - 268 с.

23. Иванов-Холодный, Г.С. Прогнозирование состояния ионосферы / Г.С. Иванов-Холодный, A.B. Михайлов. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. - 190 с.

24. Ильин, A.A. Автоматизированная радиосвязь с судами / A.A. Ильин, Б.И. Кузьмин, В.А. Мерное; под ред. К.А. Семенова Л.: Судостроение, 1989. -336 с.

25. Калашников, Н.И. Системы радиосвязи / Н.И. Калашников, Э.И. Крупицкий, И.Л. Дороднов, В.И."Носов; под ред. "Н.И. Калашникова. М: Радио и связь, 1988. - 353 с.

26. Калинин, А.И. Распространение радиоволн и работа радиолиний /

27. A.И. Калинин, Е.Г. Черепкова. М.: Связь, 1971. - 439 с.

28. Керблай, Т.С. О траекториях коротких радиоволн в ионосфере / Т.С. Керблай, Е.М. Ковалевская. М.: Наука, 1974. - 160 с.

29. Ковалевская, Е.М. Расчет расстояния скачка, максимально применимой частоты, углов прихода радиоволны с учетом горизонтальной неоднородности ионосферы / Е.М. Ковалевская, Т.С. Керблай. М.:Наука, 1971. -116с.

30. Комарович, В.Ф. Случайные радиопомехи и надежность КВ-связи /

31. B.Ф. Комарович, В.Н. Сосунов. М.: Связь, 1977. - 134 с.

32. Корпоративные системы спутниковой и KB радиосвязи; под ред. A.A. Смирнова. М.: Эко Трендз, 1997. - 132 с.

33. Корсунский, Л.Н. Распространение радиоволн при самолетной радиосвязи / Л.Н. Корсунский. М.: Сов. Радио, 1965. - 408 с.

34. Кошелев, В.В. Аэрономия мезосферы и нижней тсрмосферы / В.В. Кошелев, H.H. Климов, H.A. Сутырин. М.: Наука, 1983. - 184 с.

35. Лучевое приближение и вопросы распространения радиоволн: сб. статей, пер. с англ. под ред. М.П. Кияновского. М.: Наука ФМ, 1971. - 312 с.

36. Марюхненко, B.C. Радиоприемные устройства: Учебное пособие. 4.1 / B.C. Марюхненко. Иркутск: ИВВАИИ, 2001.-310 с.

37. Марюхненко, B.C. Системный анализ навигационного обеспечения подвижных транспортных объектов: монография / B.C. Марюхненко; под. ред. профессора Ю.Ф. Мухопада. Иркутск: изд-во ИрГТУ, 2008. - 80 с.

38. Нефедов, Е.И. Устройства СВЧ и антенны / Е.И. Нефёдов М: Академия, 2009. - 384 с.

39. Рябова, Н.В. Диагностика и имитационное моделирование помехоустойчивых декаметровых радиоканалов: монография / Н.В. Рябова. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2003. - 292 с.

40. Системы радиосвязи. Проектирование систем КВ радиосвязи с вынесенным ретранслятором: метод, указания к выполнению курсового проекта и расчетных работ / Составители А.И. Агарышев, К.И. Труднев. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2008. - 32 с.

41. Филипп, Н.Д. Современные методы исследования динамических процессов в ионосфере / Н.Д. Филипп, H.III. Блаунштейн, Л.М. Ерухимов, В.А. Иванов, В.П. Урядов. Кишинев: Штинница, 1991. - 288 с.

42. Уайндер, Стив. Справочник по технологиям и средствам связи / С. Уайндер; Пер. с англ. О. М. Субина, Н. И. Баяндина . М.: Мир, 2000. - 429 с. :

43. Хмельницкий, Е.А. Оценка реальной помехозащищенности приема сигналов в КВ диапазоне / Е.А. Хмельницкий М.: Связь, 1975. - 232 с.

44. Чернышов, О.В. Прогноз максимальных применимых частот (W=10) / O.B. Чернышов, Т.Н. Васильева. М.: Наука, 1973. - 386 с.

45. Щепкин, И.А. Термосфера Земли. Экспериментальные сведения / И.А. Щепкин, H.H. Климов. М.: Наука, 1980. - 220 с.

46. Яковлев, О.И. Распространение радиоволн / О.И. Яковлев, В.Г1. Якубов, В.П. Урядов, А.Г. Павельев. Издательство: Ленанд,- 496 с.

47. Яковлев, О.И. Спутниковый мониторинг Земли. Радиозагменный мониторинг атмосферы и ионосферы / О.И. Яковлев, А.Г. Павельев А.Г., С.С. Матюгов.- Издательство: Либроком, 2010. 208 С.2. Статьи

48. Агарышев, А.И. Анализ результатов измерений и расчётов МГ1Ч для субполярных трасс / А.И. Агарышев, Н.Н. Дашёев, В.М. Лукашкин и др. //Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. Новосибирск: Наука, - 1994.-Вып. 102.-С. 73-80.

49. Агарышев, А.И. Влияние неоднородностей ионосферы на распространение верхних лучей и радиоволн с частотами выше классической МГ1Ч / А.И. Агарышев // Геомагнетизм и аэрономия. 1994. - Т.34. - № 6. - С. 112-1 19.

50. Агарышев, А.И. Влияние случайных неоднородностей ионосферы на средние углы излучения и приема односкачковых нижних лучей / А.И. Агарышев//Геомагнетизм и аэрономия. 1997. - Т. 37.-№ 4. - С. 17-25.

51. Агарышев, А.И. Возможности совершенствования прогнозов МПЧ при учете влияния регулярной и случайной неоднородности ионосферы / А.И. Агарышев // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. -Новосибирск: Наука. 1995. - Вып. 103.-С. 186-193.

52. Агарышев, А.И. Диапазоны изменений углов места для различных способов распространения декаметровых радиоволн / А.И. Агарышев, В.Е.

53. Унучков // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1987.-С. 60-65.

54. Агарышев, А.И. Метод расчета критического угла в горизонтально-неоднородной ионосфере / А.И. Агарышев, М.В. Тинин // Геомагнетизм и аэрономия. 1-979. - Т. 19. - № 4. - С. 748-751.

55. Агарышев, А.И. Метод расчета максимальных наблюдаемых частот при двухскачковом распространении декаметровых радиоволн / А.И. Агарышев // Радиотехника. 1985. - № 4. - С.67-70.

56. Агарышев, А.И. Методы решения обратных задач наклонного зондирования в условиях горизонтально-неоднородной ионосферы / А.И. Агарышев, H.H. Дашеев // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца.-М.: Наука. 1989. - Вып.88. - С. 158-165.

57. Агарышев, А.И. Новые возможности оперативного прогнозирования рабочих частот радиосвязи по характеристикам квазикритических траекторий / А.И. Агарышев // Техника средств связи. Серия "Системы связи". 1990. -Вып. З.-С. 8-15.

58. Агарышев, А.И. Оперативное прогнозирование оптимальных рабочих частот КВ-диапазона для авиационных бортовых комплексов радиосвязи / А.И. Агарышев, С.М. Михеев // Научные труды Иркутского ВАИИ. Иркутск: ИВАИИ. 2001. - Вып. III. - С. 6-16.

59. Агарышев, А.И. Оперативный расчет максимально применимых частот с учетом горизонтальной неоднородности ионосферы / А.И. Агарышев, М.А. Королева//Радиотехника. 1987. -№ 12.-С.74-76.

60. Агарышев, А.И. Оценка влияния крупномасштабных неоднородно-стей ионосферы на максимально применимые частоты распространения радиоволн /А.И. Агарышев // Радиотехника. 1993. - № 4. - С. 74-76.

61. Агарышев, А.И. Разнесённый приём и помехоустойчивое кодирование в системе радиосвязи с ретранслятором / А.И Агарышев, К.И Труднев //

62. Современные проблемы радиоэлектроники: Сборник научн. тр. / Под ред. А.И. Громыко, A.B. Сарафанова. Красноярск: ИПЦ КГТУ. - 2005. - С. 66-68.

63. Агарышев, А.И. Регулярные изменения частотных характеристик радиоволн при рассеянии на случайных неоднородностях ионосферы / А.И. Агарышев // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. -Новосибирск: Наука. 1995. - Вып. 103.-С. 176-186.

64. Агарышев, А.И. Угловые характеристики при распространении декаметровых радиоволн верхним лучом / А.И. Агарышев // Геомагнетизм и аэрономия. 1985. - Т. 25, - № 4. - С. 679-681.

65. Агарышев, А.И. Характеристики двухскачковых траекторий на частотах вблизи максимальной наблюдаемой / А.И. Агарышев, H.H. Дашеев, С.М. Михеев // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука. - 1988. - Вып. 80. - С. 98-105.

66. Березин, Ю.В. Декаметровые ионосферные линии радиосвязи с высокой пропускной способностью / Ю.В. Березин, И.С. Вылегжанин // Радиотехника. 2005. - № 1.-С. 6-12.

67. Вертоградов, Г.Г. Диагностика искусственно-возмущенной ионосферы с помощью современной техники зондирования / Г.Г. Вертоградов, В.П. Урядов и др. // Электромагнитные волны и электронные системы. 2010. - Т. 15. - № 5.-С. 22-29.

68. Иванов, В.А. Диагностика функции рассеяния декаметровых узкополосных стохастических радиоканалов / В.А. Иванов, Н.В. Рябова, И.Е. Царев.- (Электродинамика и распространение радиоволн) // Радиотехника и электроника .-2010. Т. 55. - № 3. - С. 285-291.

69. Иванов, В.А. Использование ЛЧМ ионозонда в адаптивной системе KB радиосвязи / В.А. Иванов, Н.М. Богута, С.А. Терехов и др. // Радиотехника.- 1993,-№4.-С. 77-79.

70. Иванов, В.А. ЛЧМ ионозонд и его применение в ионосферных исследованиях / В.А. Иванов, В.И. Куркин, В.Е. Носов и др. //Изв. вузов. Радиофизика. 2003. - Т. 47. -№ 1 1.-С. 919-952.

71. Иванов, В.А. Оценка надежности декаметровых систем передачи информации по экспериментальным данным панорамного зондирования ионосферы широкополосным сигналом / В.А. Иванов, И.В. Рябова, М.И. Бастракова // Телекоммуникации. 2010. - № 2. - С. 20-26.

72. Иванов, В.А. Численные и полунатурные исследования функции рассеяния узкополосных декаметровых радиоканалов / В.А. Иванов, Н.В. Рябова, Д.В. Иванов, И.Е. Царев //Электромагнитные волны и электронные системы. 2009. - Т. 14. - № 8. - С.46-54.

73. Иванов, Д.В. Искажения в ионосфере декаметровых сигналов с псевдослучайной рабочей частотой / Д.В. Иванов // Радиотехника и электрони-ка.-2006. Т. 51. - № 7. - С.807-815.

74. Иванов, Д.В. Оптимальные полосы частот сложных сигналов для декаметровых радиолиний / Д.В. Иванов // Радиотехника и электроника. 2006. -Т. 51. -№ 4. - С. 389-396.

75. Керблай, Т.С. О точности определения характеристик радиосвязи с помощью кривых передачи / Т.С. Керблай, Е.М. Ковалевская // Геомагнетизм и аэрономия. 1971. - Т. 1 1. - № 2. - С. 297-302.

76. Комарович, В.Ф. КВ радиосвязь. Состояние и перспективы развития / В.Ф. Комарович, В.Г. Романенко // Зарубежная радиоэлектроника. 1990. - № 12. - С. 3-16.

77. Копка, Г. Расчеты МПЧ с учетом влияния магнитного поля Земли / Г. Копка, Г.Г. Меллер // Лучевое приближение и вопросы распространения радиоволн; пер. с англ. под ред. М.П. Кияновского.-М.:Наука.-1971-С. 167-173.

78. Крюковский, A.C. Исследование особенностей распространения коротких радиоволн в неоднородной анизотропной ионосфере / A.C. Крюковский, Д.С. Лукин, Д.В. Растягаев // Электромагнитные волны и электронные системы. -2009. Т. 14. - № 8. - С. 17-26.

79. Куркин, В.И. Космическая погода и распространение декаметровых радиоволн на средних и субавроральных широтах / В.И. Куркин, В.А. Иванов,

80. B.П. Урядов и др. // Распространение радиоволн: сборник докладов XXI Всероссийской научной конференции. В 2-х т. Йошкар-Ола, 25-27 мая 2005 г. -Йошкар-Ола: МарГТУ. 2005. - Т. 1. - С. 60-65.

81. Куцый, H.H. Векторная оптимизация автоматических систем с ши-ротно-импульсной модуляцией / H.H. Куцый, М.В. Устал ков // Вестник ИрГТУ. -2006.-№3 (27). -С. 71-75.

82. Куцый, H.H. Применение эталонных моделей при параметрической оптимизации автоматических систем с широтно-импульсной модуляцией / H.H. Куцый, М.В. Усталков // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2007. - № 1. - С. 44-47.

83. C. Лукин и др.. Йошкар-Ола: МарГТУ. - 2011. - Т. 1. - С. 71 -75.

84. Павельев, А. Г. Спутниковый глобальный мониторинг атмосферы и ионосферы / А.Г. Павельев, С.С. Матюгов, О.И. Яковлев. (Электродинамика и распространение радиоволн) // Радиотехника и электроника. - 2008. - Т. 53. -№9.-С. 1081-1093.

85. Смирнов, В.Б. Аппаратура наклонного зондирования ионосферы / В.Б. Смирнов, P.A. Балакин, A.B. Кондрашов и др. // Наклонное зондирование ионосферы. Л.: Гидрометеоиздат. - 1972. - С. 57-85.

86. Труднев, К.И. Оптимизированная система коротковолновой радиосвязи с ретранслятором, вынесенным за зону обслуживания абонентов / К.И. Труднев // Вестник ИрГТУ. 2007. - № 2. - Т. 2. - С. 86-88.

87. Труднев, К.И. Оценка эффективности разнесённого приёма и помехоустойчивого кодирования для системы радиосвязи с вынесенным КВ-ретранслятором / К.И. Труднев // Вестник ИрГТУ. 2006. - № 2. - С. 12.

88. Урядов, В.П. Зондирование искусственно возмущенной ионосферы с помощью ионозонда/пеленгатора с линейной частотной модуляцией сигнала / В.П. Урядов, Г.Г. Вертоградов и др. // Известия вузов. Радиофизика. 2009. -Т. 52,-№4.-С. 267-278.

89. A simple HF propagation method for MUF and field strength: Document CCIR 6/288. CCIR XVI-th Plenary Assembly. - Dubrovnik, 1986. - P. 34.

90. Barabashov, B.G., Anishin, M.M. and Pelevin, O.Y. (2009). High-frequency field strength prediction for ionospheric propagation at short- and mediumrange radio paths, Radio Sci.,44, RS0A18, doi: 10.1029/2008RS004038.

91. Bradley, P. A. A simple model of the vertical distribution of electron concentration in the ionosphere/ P.A. Bradley, J.R. Dudeney // J. Atmos. Terr. Phys. -1973. V. 35. - № 12.-P. 2131-2146.

92. Decker, R.P. Profile synthesis from propagation parameters.-II The role of standard 3000 km transmission curve / R.P. Decker // J. Atmos. Terr. Phys. 1976. -V. 38,-№4.-P. 431-437.

93. Erukhimov, L.M. Pedersen mode ducting in randomly stratified ionosphere / L. M. Erukhimov, V.P. Uruadov, Yu.N. Cherkashin et. al. // Waves in random media. 1997.-V.7.-N. 4.-P. 531-544.

94. Fenwick R.B. Oblique chirp sounders: The HF Communications test set/ R.B. Fenwick // Communications News. February. - 1974. - P. 32-33.3. Патенты

95. Патент №2399062 Российской Федерации МПК SOIS 1/08, 3/46. Ионосферный зонд-радиопеленгатор / Вертоградов Г.Г., Урядов В.П., Вертоградов В.Г., Кубатко C.B. Заявл. 15.07.2009. Опубл. 10.09.2010. Бюл.№25. -16 с.

96. Сетевой электронный ресурс

97. Каталог Российского вооружения (техника связи). Режим доступа: http://www.radioscanner.ru/files/booksother/(06 июн. 2009).

Похожие работы

Радиотехника и связь
05.12.00