CC BY
28
УДК 621.391.81
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КРАТКОВРЕМЕННОЙ СТАБИЛЬНОСТИ УРОВНЯ СИГНАЛА В ИОНОСФЕРНОМ РАДИОКАНАЛЕ
© 2013 г. Л.П. Радио, М.Б. Клепфиш, В.П. Фомичев, В.А. Дмитриев
Радио Любовь Петровна - кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра радиофизики, физический факультет, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 5, г. Ростов-на-Дону, 344090, e-mail: [email protected].
Клепфиш Михаил Борисович - студент, физический факультет, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 5, г. Ростов-на-Дону, 344090, e-mail: [email protected]. Фомичев Вячеслав Павлович - студент, физический факультет, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 5, г. Ростов-на-Дону, 344090, e-mail: [email protected]. Дмитриев Владислав Аркадьевич - студент, физический факультет, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 5, г. Ростов-на-Дону, 344090, e-mai: [email protected].
Radio Lyubov Petrovna - Candidate of Physical and Mathematical Science, Associate Professor, Department of Radio Physics, Faculty of Physics, Southern Federal University, Zorge St., 5, Rostov-on-Don, Russia, 344090, e-mail: [email protected]. Klepfish Mikhail Borisovich - Student, Physical Faculty, Southern Federal University, Zorge St., 5, Rostov-on-Don, Russia, 344090, e-mail: [email protected]. Fomichev Vyacheslav Pavlovich - Student, Physical Faculty, Southern Federal University, Zorge St., 5, Rostov-on-Don, Russia, 344090, e-mail:[email protected]. Dmitriev Vladislav Arkadiyevich - Student, Physical Faculty, Southern Federal University, Zorge St., 5, Rostov-on-Don, Russia, 344090, e-mai: [email protected].
Приводятся результаты экспериментальных исследований на калиброванной радиотрассе, позволившие получить количественную оценку инерционных свойств уровня сигнала в узкополосном ВЧ канале. Показано, что медленные (в течение часа) изменения средних значений уровня в большинстве случаев не превышают 3 дБ. Полученные результаты о кратковременной стабильности энергетических характеристик канала могут быть использованы для оптимизации работы адаптивных систем связи, средств текущей диагностики и запросно-ответных радиолиний, а также для определения ожидаемой глубины упреждения оперативного прогноза качества связи.
Ключевые слова: ионосферный ВЧ радиоканал, кратковременная стабильность характеристик канала.
The results of experimental research at calibrated radio path are presented which make it possible to obtain quantitative estimation of inertial properties of signal strength of a narrowband ionospheric HF channel. It is shown that slow (within an hour) variations of mean value of signal level do not exceed 3.0 dB for most observations. The data obtained on the short-term stability ofpower characteristics of an HF channel can be used for optimization of adaptive communication systems, means of current diagnostics, radio links of interrogation-response type, and also for real-time prediction of communication quality.
Keywords: HF radio channel, time stability of characteristics of HF communication channel.
Одной из актуальных задач практической ионосферной радиосвязи является оперативное прогнозирование в режиме реального времени качества передачи дискретных сообщений. Согласно рекомендации Международного союза электросвязи 889-2 [1], такой прогноз позволит обеспечить высококачественную ВЧ связь даже при неблагоприятных условиях распространения, делая ее достойной альтернативой спутниковой связи. При оперативном прогнозировании особенно важную составляющую представляет собой информация о кратковременной стабильности характеристик канала. Стабильность такого рода целесообразно оценивать интервалом времени, в пределах которого изменения параметров не превосходят заданных величин. Понятно, что наиболее достоверные сведения о ней могут быть получены только на основании
измерений на трассах. Однако следует констатировать, что в литературе их практически нет.
В работе приводятся результаты экспериментальных исследований на калиброванной радиотрассе, позволившие оценить стабильность наиболее важной энергетической характеристики узкополосного канала - среднего уровня сигнала за ограниченный период времени, дополняющие полученные ранее [2, 3].
Содержание и объем экспериментальных данных
Измерения проводились на среднеширотной меридиональной трассе протяженностью 1021 км. Сигнал вещательной радиостанции Voice of Turkey принимался в г. Ростове-на-Дону (таблица).
Характеристики базы экспериментальных данных
Протяженность трассы, км Азимут трассы, град. Частота, МГц Время, UT Мощность излучения, кВт Период наблюдения Обработанные данные, ч
1021 215 13,635 06.00-12.55 0,5 05.2013-06.2013 ~210
9,460 16.00-20.55 08.2013-09.2013 ~150
Для сбора данных применялся измерительный стенд, в состав которого входили активная штыревая антенна, расположенная на высоте 15 м; специализи-
рованный цифровой приемник с динамическим диапазоном 60 дБ, компьютер. Управляющая программа позволяла в автоматическом режиме вести наблюде-
ния непрерывно в течение суток. Принимался сигнал с амплитудной модуляцией. Из принятого сигнала выделялась несущая частота цифровым фильтром с полосой пропускания 20 Гц.
Вариации ото дня ко дню уровня сигнала
Последовательность обработки результатов измерений была следующая. Для каждого месяца на плоскость «время суток - уровень сигнала» наносились все измеренные значения. Далее для фиксированных моментов времени находились средние значения. По-
лученные таким образом точки соединялись кривой, которая рассматривалась как средний за месяц суточный ход уровня сигнала. Примеры таких зависимостей приведены на рис. 1 для дневных часов, на рис. 2 - для ночных. Далее рассчитывались среднеквадратичные отклонения от полученного среднего - а, дБ. Эти отклонения принимались в качестве меры вариаций ото дня ко дню в течение месяца. На рисунках среднеквадратичные отклонения нанесены вертикальными линиями.
Время LT, ч
Время LT, ч
б
Рис. 1. Зависимость уровня сигнала от времени в дневные часы на частоте 13,635 МГц: а - май; б - июнь 2013 г.
Время LT, ч
Время LT, ч б
Рис. 2. Зависимость уровня сигнала от времени в ночные часы на частоте 9,460 МГц: а - август; б - сентябрь 2013 г.
Затем отдельно для дневных и ночных часов (соответственно с 11.00 до 14.00 ч и с 22.00 до 01.00 местного времени в пункте приема) находились среднеквадратичные отклонения, усредненные за месяц. Предполагалось, что в эти временные периоды условия распространения на исследуемых трассах менялись незначительно.
Следует заметить, что усреднение во всех случаях велось без исключения возмущенных условий распространения на трассах, что могло привести к некоторым искажениям конечных результатов.
За время наблюдений средние за месяц значения вариаций ото дня ко дню в дневные часы на частоте
а
а
13,635 МГц составили в мае 8,4 дБ, в июне - 6,4. В ночные часы на частоте 9,460 МГц в августе и сентябре а = 7,3 дБ.
Кратковременная стабильность уровня сигнала
Для оценки кратковременной стабильности сигнала была принята следующая последовательность обработки. Временной ряд мгновенных значений сглаживался скользящим средним со временем усреднения 20 мин. Как отмечалось выше, при выбранном времени усреднения ошибка оценки среднего не превосходит 1 дБ [3]. Затем делался сдвиг на время / и процедура вычисления среднего повторялась. Потом рассчитывалась А( как абсолютная разница между средними значениями. Время / менялось дискретно в интервале от 2 до 60 мин с шагом 2 мин. Далее для
каждого сдвига вычислялось среднее значение I А{ .1
Последний шаг - полученные таким образом I Аг I усреднялись за месяц. На рис. 3 приведены зависимости абсолютного изменения уровня сигнала I А1 ялд I дневных часов на частоте 13,635 МГц, на рис. 4 - аналогичные зависимости для ночных часов на частоте 9,460 МГц, на которых по горизонтальной оси отложено время, мин, по вертикальной - изменение уровня, дБ; сплошные кривые - результат усреднения за месяц, вертикальные - среднеквадратичные отклонения от среднемесячных значений.
Среднее за месяц значение кратковременной стабильности уровня сигнала в дневные часы на частоте 13,635 МГц в мае составило 1,9 дБ, в июне - 2,1.
Среднее значение кратковременной стабильности уровня сигнала в ночные часы в августе на частоте 9,460 МГц составило 3,4 дБ, в сентябре - 4,8.
Время, мин Время, мин
а б
Рис. 3. Изменения уровня сигнала в течение часа на частоте 13,635 МГц в дневные часы: а - май; б - июнь 2013 г.
Время, мин а
Время, мин
б
Рис.
4. Изменения уровня сигнала в течение часа на частоте 9,460 МГц в ночные часы: а - август; б - сентябрь 2013 г. Выводы
Результаты измерений в дневные и ночные часы на среднеширотной односкачковой трассе позволяют сделать два вывода.
Во-первых, вариации ото дня ко дню значений уровня принятого сигнала составили в среднем по всему периоду наблюдения 7,5 дБ. Следовательно, полный размах (2с) может достигать 15 дБ.
Во-вторых, подтвердился вывод работ [2, 3], согласно которому процессы, ответственные за энергетику поля ВЧ волн, обладают инерционными свойствами. На протяжении всего времени наблюдений (более 300 ч) медленные (в течение часа) абсолютные изменения средних значений уровня сигнала за час в дневные часы не превышали в среднем 2,1 дБ, т.е. были ниже инструментальной погрешности измерений. В ночные время отклонения средних значений уровня сигнала за час были несколько больше и составили в среднем в августе 3,4 дБ, в сентябре - 4,8.
Поступила в редакцию
Полученные результаты о кратковременной стабильности энергетических характеристик канала могут быть использованы для оптимизации работы адаптивных систем связи, средств текущей диагностики и за-просно-ответных радиолиний, а также для определения ожидаемой глубины упреждения оперативного прогноза качества связи.
Литература
1. ITU-R. Real-time channel evaluation of HF ionospheric
radio circuits, ITU-R Rec. Rep. 1990. 889-2.
2. Барабашов Б.Г., Огарь А.С., Радио Л.П. Оценка кратковре-
менной стабильности энергетических характеристик ионосферного ВЧ радиоканала // Электромагнитные волны и электронные системы. 2011. Т. 16, № 5. С. 41-45.
3. Барабашов Б.Г., Огарь А.С., Радио Л.П. Исследование
кратковременной стабильности характеристик ионосферного радиоканала (результаты измерений на трассах) // Тр. НИИР. 2012. № 3. С. 56-66.
_25 сентября 2013 г.
