Экспериментальное исследование свойств тропосферного канала связи на основе различных зондирующих сигналов

Размещено на http://www.allbest.ru/

АО «Концерн «Созвездие», Воронеж, Россия

Экспериментальное исследование свойств тропосферного канала связи на основе различных зондирующих сигналов

Л. И. Аверина, А. С. Малев, Д. Ю. Чаркин, Е. В. Аверина

Аннотация

зондирующий сигнал тропосферный связь

Предложены зондирующие сигналы для получения характеристик тропосферного канала связи, а также методы их обработки при малой энергетике зондирующей системы. Проведены экспериментальные измерения с целью исследования свойств тропосферного канала связи на различных трассах и в разные временные интервалы. На основе компьютерной обработки экспериментальных результатов получены импульсные и амплитудно-частотные характеристики тропосферного канала.

Ключевые слова: загоризонтная тропосферная связь, зондирующие сигналы, импульсная характеристика, амплитудно-частотная характеристика.

Abstract

Probe signals are proposed to obtain the characteristics of the tropospheric communication channel, as well as methods for their processing with a small energy of the probing system. Experimental measurements have been carried out in order to study the properties of the tropospheric communication channel on various paths and at different time intervals. On the basis of computer processing of the obtained results, pulse and amplitude-frequency characteristics of the tropospheric channel are obtained.

Keywords: tropospheric communication channel, probe signals, pulse characteristic, amplitude-frequency characteristic.

Несмотря на широкое применение спутниковых средств в сетях и системах связи во многих странах широкое распространение получила радиосвязь, основанная на дальнем тропосферном распространении волн [1]. В основе построения тропосферных линий связи (ТЛС) лежит два механизма распространения радиоволн: режим дифракционного распространения радиоволн на коротких расстояниях; режим рассеяния радиоволн на неоднородностях тропосферы на расстояниях более 70 км. К основным достоинствам ТЛС следует отнести: неподверженность влиянию электромагнитным импульсам; возможность организации связи в труднодоступных районах севера, горных местностях и где использование спутниковых систем не представляется возможным; малые габаритные размеры, позволяющие создавать мобильные станции с малым временем развертывания, не требующие высокого подъема антенн и наличия открытого горизонта в направлении трансляции. В сетях специального назначения преимуществом ТЛС перед спутниковыми является более высокая живучесть в условиях вооруженных конфликтов и/или антитеррористических мероприятий, когда средствами радиоэлектронной борьбы будет подавлены другие виды радиосвязи.

При тропосферном распространении в точку приема приходит большое число отраженных радиоволн (многолучевое распространение), в результате чего создаются специфические искажения сигнала. Чтобы их избежать или хотя бы нивелировать, при проектировании тропосферной системы связи необходимо знать такие параметры канала, как интервалы временной и частотной корреляции. Поэтому в данной работе рассматриваются подходы к выбору зондирующих сигналов и методы их обработки для исследования свойств тропосферного канала связи, а также приводятся результаты, полученные на основе обработки экспериментально измеренных данных.

Физические процессы, происходящие при дальнем тропосферном распространении

Дальнее тропосферное распространение радиоволн обусловлено электрической неоднородностью атмосферы, которая проявляется различным образом: в виде монотонного убывания средних значений коэффициента преломления с высотой, в виде слоистых неоднородностей коэффициента преломления и, наконец, в виде локальных неоднородностей турбулентного происхождения. Приближённо тропосферу можно представить в виде среды, в которой находятся непрерывно изменяющие свою форму и перемещающиеся в пространстве тела различных размеров, коэффициент преломления которых незначительно отличается от коэффициента преломления окружающего воздуха. Каждое такое тело вызывает либо рассеяние, либо отражение распространяющихся в этой среде радиоволн. Переизлучённая энергия радиоволн достигает тех точек на земной поверхности, из которых указанные тела будут «видны». Результирующее поле в месте приёма определяется сложением энергии радиоволн, переизлучённой всеми «видимыми» из передающего и приёмного пунктов телами. Таким образом, в переизлучении радиоволн участвует некоторый определённый объём тропосферы [2].

Замирания, то есть непрерывные колебания уровня принимаемого сигнала, являются одной из основных закономерностей дальнего тропосферного распространения. Быстрые замирания, наблюдающиеся в течение сравнительно коротких периодов, вызываются многолучёвостью. Они проявляются вследствие сложения в месте приёма множества лучей, приходящих от различных рассеивающих или отражающих неоднородностей тропосферы. Переизлучённые компоненты сигнала распространяются в тропосфере по различным путям и, следовательно, имеют различное запаздывание. При изменении частоты передатчика изменяются фазы всех переизлучённых компонент сигнала, соответственно изменится амплитуда и фаза суммарного сигнала на входе приёмника. Таким образом, вследствие многолучевого распространения радиоволн в тропосфере сигнал на входе приёмника имеет различные амплитуду и фазу на разных частотах. Кроме того, изменение фазы в общем случае не пропорционально изменению частоты. Следовательно, участок распространения радиоволн в тропосфере можно рассматривать как некоторый линейный четырёхполюсник с неравномерной амплитудно-частотной и нелинейной фазо-частотной характеристиками [3]. Интенсивность и расположение неоднородностей в тропосфере непрерывно изменяются во времени случайным образом, соответственно, изменяются амплитуды и время запаздывания отдельных компонент многолучевого сигнала. Поэтому форма амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик (АЧХ) участка тропосферной линии также непрерывно и случайно изменяются.

При передаче по тропосферным линиям модулированных сигналов неравномерность амплитудно-частотной и нелинейность фазовой характеристик вызывают искажения сигналов. Поскольку форма частотных характеристик участка непрерывно изменяется, то величина и характер этих искажений также изменяется случайным образом [4]. При неправильно спроектированной тропосферной системе связи искажения сигналов из-за многолучёвости распространения могут быть значительными. Поэтому анализ частотных характеристик участка тропосферной линии имеет большое практическое значение.

Условия проведения натурного эксперимента и типы зондирующих сигналов

Натурный эксперимент по оценке характеристик тропосферного канала проводился в два различных дня на различных трассах в декабре месяце - наихудшем по условиям распространения. Две машины релейной связи были расположены на расстоянии 73-75 км. Рабочая несущая частота была выбрана 5,6 ГГц. Затухания на трассах составляли 205-215 дБ. Ширина луча - около 3 градусов.

В качестве зондирующих были выбраны сигналы с полосой 28 МГц, частотой дискретизации 56 МГц следующих типов:

1) QPSK-сигнал длиной 0,725 мс, сгенерированный на случайной последовательности, который предназначался как для проведения начальной синхронизации пакета, так и для оценки импульсной характеристики канала;

2) последовательность 20 одинаковых сигналов разделённых 500 нулями, представляющих собой многочастотный сигнал (количество поднесущих гармонических сигналов - 32, сдвиг по частоте - 0,875 МГц) длиной 0,128 мс. В частотной области сигнал модулировался последовательностью Задова-Чу, которая позволяет значительно уменьшить его пик-фактор (1,2 дБ). Данный сигнал предназначался для оценки частотной характеристики канала;

3) OFDM-символ (512 ортогональных поднесущих с элементами последовательности Задова-Чу, сдвиг по частоте - 0,05479..МГц) длиной 2,39 мс, который предназначался для оценки частотной характеристики канала.

Все сигналы разделены 500 нулями, длина всего зондирующего пакета составила 5,89 мс. Выбор зондирующих сигналов с большой базой был обусловлен наличием малой энергетики у зондирующей системы. Так при первом измерении отношение сигнал/шум принимаемого пакета составляло -15 дБ, а при втором от -10 дБ до -20 дБ.

Результаты измерений были записаны в 10 файлов, длиной 100 мс, с интервалом 5 с. В каждом файле поместилось 16 зондирующих пакетов.

Результаты обработки экспериментальных измерений

Сначала по многочастотному сигналу (анализ фазы каждой частотной составляющей) определялась разница несущих частот передатчика и приёмника. Для первого эксперимента она составила 910 Гц, для второго - 1035 Гц. Далее вся цифровая обработка осуществлялась с учётом частотного рассогласования.

Рис. 1. Спектральная плотность мощности многочастотного отфильтрованного сигнала

Рис. 2. Двумерная спектральная плотность мощности многочастотного отфильтрованного сигнала

Первым обрабатывался многочастотный сигнал с 32 поднесущими. Для увеличения отношения сигнал/шум каждая поднесущая сигнала фильтровалась цифровым КИХ фильтром с полосой 2кГц. Причём помимо поднесущих сигнала, содержащих полезную составляющую, фильтровались поднесущие, содержащие только шумовую составляющую, чтобы оценить уровень шума (8 шумовых между двумя полезными). Длина накопления для получения оценки частотной характеристики канала выбиралась из условия: максимальный уровень шумовой поднесущей должен быть не больше минимального уровня полезной поднесущей. В результате исследований было установлено, что усреднение необходимо производить по всей длине многочастотного сигнала, сшив отдельные разделённые символы. Причём, как было в дальнейшем установлено, за этот промежуток времени (2,775мс) канал не изменялся. Усреднение полезных и шумовых поднесущих производилось с учётом их фазы. На рис.1 приведён пример полученного спектра отфильтрованного многочастотного сигнала из одного зондирующего пакета. На рис.2 показан двумерный спектр сигнала полученный для каждого зондирующего пакета (их оказалось 16) из одного записанного файла, длиной 100мс. Видно, что информационные составляющие сигнала изменяются незначительно, поэтому канал на этом промежутке времени можно считать стационарным.

Рис. 3. Спектральная плотность мощности отфильтрованного OFDM-сигнала

Рис. 4. Двумерная спектральная плотность мощности отфильтрованного OFDM-сигнала

Затем обрабатывался OFDM-символ с 512 значимыми поднесущими с элементами последовательности Задова-Чу длиной 2,39мс. Сначала обработка сигнала проводилась аналогичной выше фильтрацией. При этом было установлено, что максимальный уровень шумов превышают лишь некоторые частотные компоненты сигнала. Поэтому далее проводилась фильтрация и усреднение сигнала без учёта фазы частотных компонент (рис.3), а также было проведено сглаживание амплитудно-частотной характеристики канала с помощью алгоритма «следящего среднего» с длиной окна 8 (рис.3 толстая кривая). Аналогичной обработке подверглись остальные 15 OFDM-символов из записанного файла и построены двумерные спектры с применением сглаживания (рис.4). Здесь также прослеживается тенденция к сохранению амплитудно-частотной характеристики, что подтверждает стационарность канала на промежутке времени записи.

На основе проведённых выше исследований был сделан вывод о возможности усреднения сигналов на промежутке записи файла (100мс). Для этого все 16 сигналов одного типа из одного файла были сшиты с учётом фазы и найдены их спектры, а многочастотный сигнал также был отфильтрован. На рис.5 приведены амплитудно-частотные характеристики канала, полученные на основе обработки различных сшитых сигналов: серая кривая - на основе многочастотного сигнала с 32 поднесущими, светло-серая - на основе OFDM-символов, чёрная - на основе OFDM-сигнала сглаженная и ограниченная. Во-первых, видно, что характеристики, полученные на основе обработки различных зондирующих сигналов совпадают. Во-вторых, характеристика канала обладает довольно частыми узкими частотными замираниями различной глубины (от 7 до 25дБ).

Рис. 5. Амплитудно-частотная характеристика канала, полученная на основе различных сигналов

Рис. 6. Корреляционная характеристика, полученная для QPSK-сигнала

И, наконец, проводился анализ характеристики канала на основе QPSK-сигнала. Для уменьшения шумов корреляционной функции и основываясь на стационарности канала на интервале записи были сшиты все QPSK-сигналы, записанные в одном файле. На рис.6 приведена полученная корреляционная характеристика для такого сигнала. Видно, что в импульсной характеристике присутствует один главный луч и много лучей, с интервалом задержки до 4мкс. Это говорит, что канал можно считать райсовским. И, наконец, из усреднённой корреляционной характеристики была найдена амплитудно-частотная характеристика канала (преобразование Фурье). На рис.7 приведены АЧХ канала, найденные из OFDM-сигнала (чёрная кривая) и QPSK-сигнала (серая кривая). Видно достаточно хорошее сходство характеристик, что подтверждает достоверность результатов, полученных при обработке различных зондирующих сигналов. Следует отметить, что сходство характеристик было получено при использовании непрерывной корреляционной характеристики канала, а не представление её в виде суммы отдельно задержанных лучей. То есть считалось, что присутствуют лучи на каждом отсчёте задержки, длиной 0,1786 нс. Это подтверждает теорию о непрерывности импульсной характеристики тропосферного канала распространения.

Рис. 7. Амплитудно-частотная характеристика канала, полученная на основе различных сигналов

Аналогичным способом обрабатывались данные из других файлов, записанных с интервалом 5с. Здесь также наблюдалась стационарность канала на протяжении времени записи, однако временной корреляции с предыдущими файлами практически не существовало. АЧХ канала также обладали частыми узкими частотными замираниями различной глубины. При расчёте интервала частотной корреляции было получено значение порядка 300 КГц.

Представленные выше результаты соответствуют измерениям, полученным на одной трассе. Аналогичное зондирование тропосферного канала было проведено при выезде на другую трассу в другой временной промежуток (через неделю). Здесь была проведена аналогичная обработка принятых зондирующих сигналов. В данном случае АЧХ канала также оставалась стационарной в пределах интервала записи одного файла (100 мс). При этом она испытывала редкие, но широкие по частоте замирания глубиной от 2 до 15 дБ. От файла к файлу вид характеристики также значительно изменялся. На рис.8 представлено изменение АЧХ канала в пределах 15 с. При этом интервал частотной корреляции изменялся от 1,5 МГц до 6 МГц.

Заключение

В работе предложены зондирующие сигналы для получения характеристик тропосферного канала связи, а также методы их обработки при малой энергетике зондирующей системы. Проведены экспериментальные измерения с целью исследования свойств тропосферного канала связи на различных трассах и в разные временные интервалы. На основе компьютерной обработки полученных результатов для исследуемой системы установлено следующее. Во-первых, импульсная характеристика

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 8. Амплитудно-частотные характеристики канала, полученная на основе различных сигналов в различные моменты времени

тропосферного канала связи имеет непрерывный характер, причём её длина может составлять более 4 мкс. Во-вторых, интервал временной корреляции канала составляет более 100 мс. (Возможно это обусловлено незначительной длиной трассы.) В-третьих, поведение амплитудно-частотной характеристики канала значительно зависит как от типа трассы, так и от времени измерения. При этом она может испытывать как частые узкие глубокие частотные замирания, так и менее глубокие замирания в широком частотном диапазоне. Все эти свойства канала необходимо учитывать при построении загоризонтных систем тропосферной связи.

Литература

1. Мацков А. А., Серов В. В., Чернобельский Л. И. Перспективы использования линий загоризонтной связи. // Электросвязь, 2006, №8. - С. 33-37.

2. Гусятинский И. А. Дальняя тропосферная радиосвязь. М.: Связь, 1968. - 524с.

3. Давыденко Ю. И. Дальняя тропосферная связь. М.: Военное издательство, 1968. - 212с.

4. Аверина Л. И., Аверина Е. В., Шапошников А. В. Применение сигналов с частотным мультиплексированием для загоризонтной тропосферной системы связи. // Сборник трудов X Всероссийской научно-технической конференции «Радиолокация и радиосвязь», г. Москва, 2016. - С.142-146.

Размещено на Allbest.ru