CC BY
15
Системы управления,связи и безопасности №2. 2023
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
УДК 621.396
Методика определения зависимости среднеквадратического отклонения отношения сигнал-помеха в декаметровой радиолинии
от выбора частоты
Пашинцев В. П., Гринев Е. М., Скорик А. Д., Белоконь Д. А.
Постановка задачи: известно, что случайные изменения мощности принимаемых сигналов и помех в декаметровом диапазоне волн существенно влияют на надежность радиосвязи (вероятность связи с достоверностью не хуже допустимой). Для поддержания допустимой надежности связи требуется своевременная смена рабочих частот. Надежность связи определяется величиной среднего отношения сигнал-помеха на входе приемника относительно его допустимого значения, которые зависят от выбора рабочей частоты, и среднеквадратического отклонения входного отношения сигнал-помеха. Последнее при расчетах надежности декаметровой связи полагается неизменным и равным 14 дБ. Однако согласно экспериментальным данным среднеквадратическое отклонение отношения мощности сигнала к мощности помех на входе приемника декаметровой связи зависит от частоты, что может повлиять на достоверность расчета надежности. Целью статьи является разработка методики определения зависимости среднеквадратического отклонения отношения сигнал-помеха на входе приемника от выбора рабочей частоты и оценки ее влияния на надежность связи в одномодовой декаметровой радиолинии. Новизна заключается в теоретическом обобщении методик расчета надежности связи в одномодовой декаметровой радиолинии через функцию Лапласа и через отклонения нижней и верхней децилей для определения частотной зависимости среднеквадратического отклонения отношения сигнал-помеха. Результат: получено аналитическое выражение для оценки среднеквадратического отклонения отношения средних мощностей сигнала и помех на входе приемника от выбора рабочей частоты в одномодовой декаметровой радиолинии. Практическая значимость: при расчете надежности связи в одномодовой декаметровой радиолинии необходимо учитывать зависимость среднеквадратического отклонения отношения сигнал-помеха от выбора рабочей частоты. Расхождение в расчетах надежности связи при отсутствии учета этой частотной зависимости в среднем составляет 5,6 %, а наибольшая разница достигает 8,1 %.
Ключевые слова: одномодовая декаметровая радиолиния, надежность связи, среднее отношение сигнал-помеха, среднеквадратическое отклонение, нижняя дециль отношения сигнал-помеха.
Введение
За последние десятилетия активность использования декаметрового (ДКМ) диапазона волн в системах радиосвязи непрерывно возрастает. Расширяется использование адаптивных систем ДКМ связи, внедряются программы защиты информации от шумов и преднамеренных помех, в радиовещании продолжаются опытные передачи с цифровой модуляцией. ДКМ системы опове-
Библиографическая ссылка на статью:
Пашинцев В. П., Гринев Е. М., Скорик А. Д., Белоконь Д. А. Методика определения зависимости среднеквадратического отклонения отношения сигнал-помеха в декаметровой радиолинии от выбора частоты // Системы управления, связи и безопасности. 2023. № 2. С. 63-80. DOI: 10.24412/2410-99162023-2-63-80
Reference for citation:
Pashintsev V. P., Grinev E. M., Skorik A. D., Belokon D. A. Method for determining the dependence of the standard deviation from the signal-interference in a decameter radio link on the choice of frequency. Systems of Control, Communication and Security, 2023, no. 2, pp. 63-80 (in Russian). DOI: 10.24412/2410-99162023-2-63-80
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-63-80
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
щения, предупреждения и помощи при бедствиях не имеют альтернативы. Все это многоплановое использование систем ДКМ диапазона требует достаточно точных методов энергетического расчета радиолиний, зон обслуживания и назначения рабочих частот [1].
Основные недостатки ДКМ диапазона заключаются в том, что его частотная емкость невелика (27 МГц), а изменчивость ионосферы и подверженность ее отражающего слоя F2 возмущениям приводят к необходимости смены рабочих частот. Кроме того, даже при однократном (одномодовом) отражении ДКМ волны от слоя F2 наблюдается ее диффузное рассеяние на неоднородно-стях ионосферы, что приводит к появлению глубоких интерференционных (быстрых) замираний принимаемых сигналов [2]. Вследствие медленных изменений состояния ионосферы и мощности внешних помех в различных участках
частот ДКМ диапазона отношение сигнал-помеха на входе приемника Z будет случайным. Поэтому основным показателем качества функционирования системы связи ДКМ диапазона является вероятность (или надежность) связи с достоверностью не хуже допустимой DCB = ^((Z -Zfl0n)/gz), которая зависит от
среднего Z отношения сигнал-помеха на входе приемника, его допустимого Z значения и среднеквадратического отклонения (СКО) cz входного отношения сигнал-помеха.
Известно [1-8], что в одномодовой ДКМ радиолинии среднее отношение сигнал-помеха на входе приемника Z возрастает по мере увеличения рабочей частоты f и ее приближения к максимально применимой частоте (МПЧ). Это позволяет при неизменных значениях Z = const и gz = const определить надежность ДКМ связи на любой рабочей частоте f согласно зависимости
D(f) = F((Z(f)-ZдоП)/az), где F(£) - функция Лапласа.
В [9] разработан метод определения зависимости Z^ = у (f) допустимого отношения сигнал-помеха на входе приемника от выбора рабочей частоты в одномодовой ДКМ радиолинии. В [10] разработана методика определения частотной зависимости DCB (f ) = F ((Z (f)- ZAon (f ))/gz) надежности связи в од-
номодовой ДКМ радиолинии от разности среднего и допустимого отношения сигнал-помеха при неизменном значении СКО отношения сигнал-помеха на входе приемника cz = const. Обосновано, что ночью (при слабом ионосферном поглощении) при уменьшении рабочей частоты f относительно максимально применимой частоты (МПЧ) может обеспечиваться максимальное значение надежности связи DCB (f ) = max в одномодовой ДКМ радиолинии. Поэтому имеется оптимальное значение рабочей частоты f = f по критерию обеспечения наибольшей надежности ДКМ связи DCB (f) = max. По мере увеличения
уровня диффузности ионосферы (т.е. интенсивности ее мелкомасштабных не-однородностей Ри) оптимальное значение рабочей частоты f = f относи-
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-63-80
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
тельно МПЧ уменьшается и может быть составлять / = / = 0,25 МПЧ, что
существенно меньше традиционно выбираемой оптимальной рабочей частоты (0,85 МПЧ).
Следует отметить, что согласно [5] величина СКО отношения сигнал-помеха на входе приемника ДКМ радиолинии может существенно изменяться: от аг = 6...11 дБ днем до сг = 10...16 дБ ночью. Учет столь значительного разброса значений с2 может существенно повлиять на точность расчетов надежности ДКМ связи Дв (/ ) = F (( 2 (/) - 2Д0П (/ ))/а2 ). Поэтому традиционно для
расчетов надежности ДКМ связи используют усредненные значения с2, полученные по результатам статистических данных. Так, в методике расчета ДКМ радиолиний [6] рекомендуется одинаковое значение с2 = 14 дБ при любых значениях рабочих частот. В методике [5] значение с2 существенно зависит от времени суток, сезона и выбора рабочей частоты. Так, в летний сезон ночью при выборе рабочей частоты / = 7 МГц значение с2 = 16,2 дБ, а днем при выборе частоты / = 7,5 МГц значение с2 = 10,8 дБ. Однако зависимость СКО отношения сигнал-помеха на входе приемника от выбора рабочей частоты = V (/) в [6] не устанавливается. Поэтому отсутствует возможность установления более точной зависимости Дв (/) = F((2(/)- 2Д0П (/))у/с2 (/)) надежности связи в одномодовой ДКМ радиолинии от выбора рабочей частоты.
Целью статьи является разработка методики определения зависимости среднеквадратического отклонения отношения сигнал-помеха на входе приемника от выбора рабочей частоты с2 (/) и оценки ее влияния на надежность связи Дв (/) в одномодовой декаметровой радиолинии.
Обоснование зависимости среднеквадратического отклонения отношения сигнал-помеха в декаметровой радиолинии
от выбора частоты
Известно [3-5], что для систем радиосвязи основным показателем качества функционирования является помехоустойчивость (достоверность) приема,
которая характеризуется зависимостью Рош = у (к2) вероятности ошибки от отношения к2 = Р/Р средних (медианных) значений мощности сигнала Рс и помех Р на входе приемника. При быстрых (интерференционных) замираниях допустимое значение вероятности ошибки Рош = Рошдоп достигается при допустимом отношении сигнал-помеха по мощности к2 = к2оп, которое может на порядки превышать допустимое отношение сигнал-помеха в отсутствие быстрых замираний.
Поскольку в ДКМ радиолиниях одновременно с быстрыми замирания сигналов имеют место и медленные замирания сигналов и помех на входе при-
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-63-80
Системы управления,связи и безопасности №2. 2023
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
емника, то показателем качества их функционирования является вероятность Р связи с достоверностью не хуже допустимой (т.е. Рош < Рошдоп) [1, 3-6]:
( 7 —7 Л
Б = р(Р < Р ) = Р{7 > г ) = Р -^ = Р(£). (1)
св I ош ош доп / V доп I V /
\ / ф
V 2 У
Здесь 7 = 10к2 = 10 ^ (Р/Р) - отношение сигнал-помеха по мощности на входе приемника, выраженное в децибелах (дБ); 7 = 101§ к2 = 101§ (Р/Р) -
среднее (медианное) отношение сигнал-помеха на входе приемника (дБ) при быстрых замираниях, равное отношению сигнал-помеха при отсутствии замираний (7 = 7); 7доп = 101§ к2оп - допустимое отношение сигнал-помеха (дБ); о2 -СКО отношения сигнал-помеха на входе приемника при медленных замираниях
сигналов и помех (дБ); = (7 — 7доп)/сг; Р(^) = (л/2Л) | ехр(—0,5?2)& -
—ад
функция Лапласа.
Следует отметить, что зависимость от частоты среднего отношения сигнал-помеха на входе приемника 7 (/) в методиках [10, 11] определялась на основе расчета частотных зависимостей медианных значений напряженности поля сигнала Ес (/) и помех Еп (/). Однако более наглядным представляется
определение частотной зависимости отношения 7 (/) = 10 ^ (Р (/)/Р (/)) средней мощности сигнала к средней мощности помех на входе приемника в полосе его пропускания Ь (Гц), выраженного в дБ: 7(/) = Р (/) — Р (/) .
Для определения зависимости СКО отношения сигнал-помеха на входе приемника от выбора рабочей частоты с2 = у (/) можно воспользоваться методикой, состоящей из 2 этапов: 1) установления зависимости СКО отношения сигнал-помеха на входе приемника от величины отклонения нижней Бг7 и верхней Б 7 децили среднего отношения сигнал-помеха сг = у(Б1и 7); 2) установления зависимости отклонения нижней Бг7 и верхней Би7 децили от выбора рабочей частоты Б1и7 = у(/). Для решения этой задачи следует
учесть, что для инженерных расчетов надежности ДКМ связи используют Рекомендацию МСЭ-Я Р.842-5 «Расчет надежности и совместимости ВЧ радиосистем» [12], согласно которой вместо СКО отношения сигнал-помеха на входе приемника о2 (дБ) для расчета Бсв используются отклонения нижней Б 7 (дБ) и верхней Ви 7 (дБ) децили среднего отношения сигнал-помеха.
В соответствии с рекомендациями [12] расчет Бсв осуществляется для двух случаев:
1) если среднее отношение сигнал-помеха больше допустимого значения (т.е. 7 > 7Д0П), то Бсв определяется величиной нижней децили среднего
отношения сигнал-помеха Б,7 как
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-63-80
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
DCB = 130 - 80
Г Z - Z
1 +. доп
V
DZ
(2)
2) если 2 < 2доп , то Дсв определяется величиной верхней децили среднего отношения сигнал-помеха Д 2 как
D = 80
/ —Л-1
Z - Z
1 ^ доп_
V
DZ
- 30 (%
(3)
у
Анализ выражений (2) и (3) показывает, что при равенстве 2 = 2 они приобретают значения Дсв = 50 %. Это соответствует результату расчета по выражению (1) Дв = Р ($ = 0) = 0,5 при $ = (2 - 2ДОП)/а2 = 0.
При условии 2 > 2доп и равенстве (2 - 2доп)/Д2 = 1, т.е. Д2 = 2 - 2д выражение (2) принимает значение
' 2 - 2„
доп :
D = 130 - 80
л-1
1 +
_доп
DZ у
= 130 - 80 • 2-1 = 90 %.
К такому же значению Дсв = 0,9 сводится выражение (1) при равенстве $ = (2-2доп)/аг = 1,28, т.е. при 1,28аг = 2-2ДОп, когда Дсв = Р($ = 1,28) = 0,9. Анализ равенств Д2 = 2 - 2 и 1,28а2 = 2 - 2доп показывает на взаимосвязь а2 = Д12/1,28. ^ _ _ _ _
При условии 2 < 2доп и равенстве (2доп - 2)/Ди 2 = 1 , т е. Ди 2 = 2доп - 2 ,
выражение (3) принимает значение
С — \"1
I 2 - 2 Д = 80 1 + доп-Д 2
- 30 = 80 • 2-1 - 30 = 10 %.
V и у
Это соответствует результату расчета по выражению (1) Дсв = Р ($ —1,28) = 1 - Р ($ = 1,28) = 1 - 0,9 = 0,1 при $ = ( 2 - 2ДОп )/аг =-1,28,
т.е. при 1,28сг = 2доп - 2, когда Дсв = Р($ = -1,28) = 0,1. Анализ равенств
Д{2 = 2доп - 2 и 1,28аг = 2доп -2 показывает, что а2 = Ди2/1,28.
Следовательно, при расчете надежности ДКМ связи Д параметр СКО отношения сигнал-помеха на входе приемника о2 определяется величиной отклонения нижней Д2 и верхней Ди2 децили среднего отношения сигнал-помеха согласно выражениям:
а, = Д 2/1,28, (4)
а2 = Ди 2/1,28. (5)
Достоверность зависимостей (4, 5) подтверждается их совпадением с известными выражениями [13].
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-63-80
1
Системы управления,связи и безопасности №2. 2023
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
5
Л"1
С учетом (4) и выражения £ = (2 - 2доп )/а2 формулу (2) для 2 > 7 можно записать в виде
( 2 - г V1 (
п = 130 - 80 1 +-^ = 130 - 80 1 +
[ 1,28аг J
а формулу (3) для 2 < 2доп как
— Л-1 2 - 2 I
П = 80 1 + - - 30 = 80 1 -■
v
1,28
доп
(6)
v
1,28о_
5
"1
у
1,28
" 30
(7)
В соответствии с формулами (1, 6, 7) на графиках рис. 1 представлены кривые зависимости надежности связи Псв от показателя £ = (2 - 2доп аг при
среднем отношении сигнал-помеха меньше допустимого значения (2 < 2 ) (рис. 1а) и при среднем отношении сигнал-помеха больше допустимого значения (2 > 2доП) (рис. 1б).
D f
0,45
0,4
0,34 0,305
0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0
-2 -1,6 -1,2 -0,8 -0,4
а)
D
св
0,95 0,9 0,85 0,8 0,75
0,69 0,655
0,6
0,55
0,5 0
0,4
0,8 1,2 б)
1,6
Рис. 1. Зависимость надежности связи DCB от показателя £ = (2 - 2доп gz
при: а) 2 <2доп; б) 2 >2
доп
На рис. 1 пунктирной линией показана зависимость надежности связи Псв от показателя £ по формуле (1), сплошной линией - по формулам (6, 7). Анализ представленных графиков показывает, что значения зависимости надежности связи Псв от показателя £ в области низких (рис. 1а) значений Псв = 0,02...0,15 и в области высоких (рис. 1б) значений Псв = 0,8...0,98 практически совпадают (погрешность менее 1 %). В области средних значений Псв = 0,15...0,8 максимальная разница составляет 3,5 % при £ = -0,4 и £ = 0,4. Следовательно, при традиционно высоких требованиях к надежности ДКМ связи
Псв доп Р ( Рош ~ Рош доп
)>0,8 и допустимой вероятности ошибки
5
5
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-63-80
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
Ршдоп =(3...5)-10 3 [5] погрешность расчетов надежности связи Дсв по формулам (1) и (2, 6) не превышает 1%. Поэтому далее будем производить расчеты по формуле (2), применимой при Дсв > 0,5.
Напомним, что согласно формулы (4) СКО отношения сигнал-помеха аг
на входе приемника определяется отклонением нижней децили Д2 среднего отношения сигнал-помеха а2 = Д2/1,28. Поскольку известно [5, 12, 13], что отклонение нижней децили Д2 среднего отношения сигнал-помеха зависит от рабочей частоты / , то СКО также будет зависеть от частоты:
а г (/ ) = Д2 (/ )/1,28.
Таким образом, методика определения зависимости СКО отношения сигнал-помеха а2 (/) и надежности связи Дсв (/) от выбора рабочей частоты /
должна включать следующие этапы:
1) определение частотной зависимости отношения
2 (/ ) = 101§ (р (/)/р (/)) средней мощности сигнала к средней мощности помех на входе приемника;
2) определение частотных зависимостей отклонения нижней децили
Д2(/) и среднеквадратического отклонения аг(/) = Д2(/)/1,28 отношения сигнал-помеха;
3) определение частотной зависимости надежности Дсв (/) декаметровой радиосвязи.
Определение частотной зависимости отношения средней мощности сигнала к средней мощности помех на входе приемника
Частотная зависимость отношения мощности сигнала к мощности помехи определяется как
_ 2 (/)дБ = РС (/)дБВт - Р (/)ДБВ, • (8)
где р - средняя мощность полезного сигнала на входе приемника, выраженная
в децибелах относительно ватта (дБВт), р - средняя мощность помех с выхода эквивалентной антенны без потерь (дБВт).
В соответствии с рекомендациями [7] средняя номинальная мощность полезного сигнала р на входе приемника в случае приема на антенну без потерь в диапазоне расстояний до 7000 км, рассчитывается по формуле
р(/) = Е(/) + Спр - 201в/ -107,2 (дБВт), (9)
где Ес - напряженность поля пространственной волны (дБ относительно 1 мкВ/м)), С - коэффициент усиления приемной антенны без потерь (относительно изотропного излучателя) в направлении прихода сигнала (дБ), / - рабочая частота (МГц).
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-63-80
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
Подробный расчет частотной зависимости напряженности поля пространственной волны Ес (/) представлен в методике [10].
В соответствии с исходными данными (табл. 1) и результатами, полученными в методике [10], при мощности передатчика р = 100 Вт на рис. 2а представлена кривая частотной зависимости средней мощности полезного сигнала р (/) на входе приемника, полученная по формуле (9).
Таблица 1 - Координаты и технические параметры для организации
ДКМ радиосвязи
Координаты приемника р 58,14° с.ш., 70,32° в.д.
Координаты точки отражения от ионосферы р 56,84° с.ш., 53,78° в.д.
Коэффициент усиления приемной антенны О , дБ 2
Дата проведения исследования *дт 08.08.2022
Время проведения исследования *вр 00 часов 00 минут
Категория окружающей среды Сельская местность
Наибольший размер мелкомасштабных ионосферных неодно-родностей г0, м 200
Критическая частота слоя ^2 /р2, МГц 3,3
Высота максимума ионизации , км 328,6
Дальность радиосвязи й , км 2000
Частотная зависимость средней мощности помех р с выхода эквивалентной антенны без потерь определяется в соответствии с рекомендациями [8] Р (/) = Р (/) +1018 Ь - 204 (дБВт), (10)
где р - коэффициент внешнего шума (дБ), Ь - ширина полосы пропускания приемника (Гц).
Расчет частотной зависимости коэффициента внешнего шума р представлен в методике [11]. Величина этого коэффициента определяется значениями медиан мощности атмосферных помех р , соответствующими уровнями
промышленных помех р и интенсивности галактического шума р , а также зависит от выбора рабочей частоты /, координат приемника р , даты *дт и времени суток *вр организации радиосвязи.
В соответствии с исходными данными (табл. 1) и результатами, полученными в методике [11], на рис. 2а представлена кривая частотной зависимости
Р (/) средней мощности помех с выхода эквивалентной антенны, полученная
по формуле (10), в полосе частот приемника Ь = 200 Гц, для летнего сезона в 00 часов 00 минут.
В соответствии с кривыми на рис. 2а для средней мощности полезного сигнала на входе приемника р (/) и средней мощности помех с выхода экви-
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-63-80
Системы управления,связи и безопасности №2. 2023
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
валентной антенны р (/) на рис. 2б представлена частотная зависимость среднего отношения сигнал-помеха, полученная по формуле (8), в полосе частот приемника Ь = 200 Гц, для летнего сезона в 00 часов 00 минут.
Pc J Рп
дБ -79
-90
-100
-110
-120 -127
-140
Pc
• « ^п
Z, дБ
48 40
30
20
10
1,5 2 3 4 5 6 7 f МГц
а)
0
1,5 2 3 4 5 6 7 f, МГц
б)
Рис. 2. Частотные зависимости: а) средних значений мощности сигнала р (/), помех р (/); б) среднего отношения сигнал-помеха 2 (/)
Анализ представленных графиков рис. 2 показывает, что при повышении рабочей частоты / средние значения мощности сигнала р и помех р
уменьшаются, а среднее отношение сигнал-помеха 2 возрастает. На частоте / = 5 МГц среднее отношение сигнал-помеха составляет 2 = р - р =-79 - (-127) = 48 дБ, что подтверждается расчетами, представленными в методике [10].
Определение частотных зависимостей отклонения нижней децили и среднеквадратического отклонения отношения сигнал-помеха
Согласно выражению (1, 2), при расчете надежности связи величина СКО отношения сигнал-помеха на входе приемника а2 из-за медленных замираний
сигналов и помех определяется величиной нижней децили Д2 этого отношения.
В соответствии с рекомендациями [12] отклонение нижней децили Д2 среднего отношения сигнал-помеха определяется по формуле:
1
DZ = (( DP d )2 + ( DP h )2 + ( DuFapg )2 )2 = (( DP d )2 + ( DP h )2 +
+
10 log
f F + D
aim a u a 10 10 +10
F +D
am p u p 10
+10
F +D
am g u g 10
F
F
F
10 10 +10 10 +10
10
l с d 1
2 M
/у
(ДБ),
(11)
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-63-80
Системы управления,связи и безопасности №2. 2023
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
где D¡Pcd - отклонение нижней децили сигнала день ото дня (дБ), DtPch - отклонение нижней децили сигнала в течение часа (дБ), DUF - отклонение
верхней децили суммарной мощности (комбинации) атмосферных (a), промышленных (p) и галактических (g) помех (дБ).
Ряд параметров, входящих в (11), зависит от рабочей частоты f следующим образом.
Известно [12], что для длительных замираний сигнала (день ото дня) отклонение нижней децили DlPod зависят от отношения рабочей частоты f к основной МПЧ трассы. Частотная зависимость DlPcd (f) приведена в таблице 2
рекомендации [12].
В соответствии с рекомендацией [7] краткосрочные отклонения (в течение часа) нижней децилей сигнала от сезона года, времени суток и от частоты не зависит и составляет D¡Pch = 8 дБ.
Определение частотных зависимостей входящих в (11) медианных значений мощности атмосферных Fama (f), промышленных помех F (f) и галактического шума F (f) детально описаны в методике [11], которая учитывает
данные реферативной модели IRI-2016 [14].
Частотные зависимости отклонения верхней децили Dua (f) атмосферных помех определяют с помощью данных об изменчивости и характере атмосферных помех в зависимости от частоты f и времени суток и года, представленных на рисунках 13с-36с рекомендации [8].
Согласно [8] отклонения верхней децили промышленных помех D и
галактического шума D не зависят от сезона года, времени суток и от частоты f и устанавливаются на одном уровне: D = D = 2 дБ.
С учетом частотных зависимостей DPd (f), Fama (f), Famp (f), Famg (f) и Da(f) формула (11) для определения отклонения нижней децили DtZ среднего отношения сигнал-помеха принимает следующий вид:
1
DZ ( f ) = ((DP d ( f ))2 + (DP h )2 + (DUFapg ( f ))2 f = ((DP d (f ))2 +
+(DP h )2 +
f ( Fama (f)+Du a ( f) p ( f)+Рц p Km g (f)+Рц g ^
10 10 +10 10 +10 10
10 log
F (f) F (f) F (f)
am a\J ) am p\J ) am g\J )
10 10 +10 10 +10 10 yy
1
(12)
Таким образом, в полученном выражении (12) помимо постоянных параметров (ОгРск = 8 дБ, Оир = ^ = 2 дБ) входит ряд частотных зависимостей,
которые определяются: Орсс1 (/) - согласно таблице 2 рекомендации [12];
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-63-80
Системы управления,связи и безопасности №2. 2023
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
Рата(/), Ратр(/), (/) согласно методике [11], Биа(/) - согласно рекомендации [8].
В соответствии с выражением (12) и исходными данными, используемыми в методиках [8, 10, 11], на графике рис. 3 а представлены результаты расчета
частотной зависимости отклонения нижней децили Б^ (/) среднего отношения сигнал-помеха в полосе частот приемника Ь = 200 Гц, для летнего сезона в 00 часов 00 минут.
В соответствии с приведенной на рис. 3а зависимостью (12) Б^ (/) на рис. 3б представлена частотная зависимость СКО с2 (/) отношения сигнал-помеха по мощности на входе приемника одномодовой ДКМ радиолинии:
■(■ / ) = Щ/ = °'78 (( ' (■ / ))2 + (* )2 +
О.
+
10 log
,28
( Fama ( f )+Dua ( f ) Km p ( f )+D p
10 10 +10 10
Fam g ( f )+Dug ^ 10 10
F (f)
1 am a \ J ) 10 10
F ( f )
am p 10 10
Fam g ( f) 10 10
1
A 2
У J
(13)
Пунктирной линией на рис. 3б показано неизменное значение СКО с2 = const=14 дБ, рекомендуемое в [6].
DZ,t дБ
14,6 14 13,3
12 11 10
9
дБ 15
14
13
12 11,4 11
10,4
1,5 2 3 4 5 6 7,2 f МГц
а)
1,5 2 3 4 5 6 7,2 f МГц б)
Рис. 3. Частотная зависимость: а) отклонения нижней децили Б^ (/) среднего отношения сигнал-помеха; б) СКО отношения сигнал-помеха с2 (/)
Анализ графика рис. 3б показывает, что рассчитанные согласно выражению (13) значения СКО отношения сигнал-помеха сг (/) = Б^(/)/1,28 существенно зависят от рабочей частоты: наибольшее значение СКО составляет аг = 11,4 дБ на частоте / = 1,5 МГц, а наименьшее - сг = 1°,4 дБ на частоте / = 7,2 МГц. Полученные значения соответствует экспериментальным дан-
9
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-63-80
Системы управления,связи и безопасности №2. 2023
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
ным [5], где в летний сезон ночью величина СКО на входе приемника ДКМ радиолинии может изменятся от gz = 10...16 дБ. Результаты расчета cz (f) ниже традиционно рекомендуемого значения СКО cz = 14 дБ на AGzmin = 14 -11,4 = 2,6 дБ при частоте f = 1,5 МГц и на Aazmax = 14 -10,4 = 3,6 дБ при частоте f = 7,2 МГц, что может существенно повлиять на достоверность расчета надежности ДКМ связи.
Определение частотной зависимости надежности декаметровой радиосвязи
Полученные результаты (рис. 3б) определения зависимости среднеквад-ратического отклонения отношения сигнал-помеха на входе приемника от выбора рабочей частоты (13) gz (f ) = DZ (f )/ 1,28 позволяют установить зависимость надежности связи (1) в одномодовой ДКМ радиолинии от выбора рабочей частоты согласно выражению:
D. (f) = F (( Z (f) - Z„ (f ))/„, (f)) = F ((AZ (f ))/g, (f)), (14)
и сравнить ее с аналогичной частотной зависимостью при традиционно используемом значении oz = const = 14 дБ:
D (f) = F (( Z ( f)- Zд0n (f ))/gz ) = F ((AZ (f ))/gz). (15)
Входящая в (14) частотная зависимость среднего отношения сигнал-помеха Z(f) для одинаковых с gz (f ) = DtZ(f )/1,28 условий (лето, ночь)
представлена на графике рис. 2б.
Для определения частотной зависимости допустимого отношения сигнал-помеха Z^ (f) воспользуемся результатами известной методики [10] и указанными исходными данными (табл. 1) при среднем уровне диффузности ионосферы Ри = 2,5 • 10-2 для летнего сезона в 00 часов 00 минут. Частотная зависимость допустимого отношения сигнал-помеха ZAon (f ) = Zaon (f, Ри) представлена на графике рис. 4а. Здесь же пунктиром показана частотная зависимость AZ (f ) = Z (f) - ZAon (f) превышения среднего значения отношения сигнал-помеха на входе приемника (рис. 2б) над допустимым значением.
На графике рис. 4б представлена зависимость надежности связи DCB (f)
от выбора рабочей частоты в одномодовой ДКМ радиолинии, построенная по формуле (14) на основе приведенных на графиках рис. 4а и рис. 3а частотных зависимостей AZ (f) и gz (f). Здесь же пунктирной линией представлена зависимость DCB (f), построенная по формуле (15) при oz = const=14 дБ
Анализ графиков рис. 4б показывает, что максимальные значения надежности связи DCB в одномодовой ДКМ радиолинии наблюдаются на частоте f = 2,1 МГц (которая при МПЧ=10 МГц составляет всего 0,21 МПЧ) и достигает DCB = 0,97 при учете частотной зависимости gz (f) СКО отношения сигнал-
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-63-80
Системы управления,связи и безопасности №2. 2023
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
помеха и Дсв = 0,94 - при неизменном традиционном СКО с2 = const=14 дБ. Минимальные значения Бсъ наблюдаются на частоте f = 5,3 МГц (которая составляет 0,53 МПЧ) и составляет Дсв = 0,86 при учете с2 (f) и Дсв = 0,79 при с2 = const=14 дБ.
Рис. 4. Частотная зависимость: а) допустимого отношения сигнал-помеха 2Доп (/) и превышения над ней среднего отношения сигнал-помеха ЛZ (f),
б) надежности связи DCB (f) в одномодовой ДКМ радиолинии
Следует отметить, что расчет надежности связи DCB (f) в соответствии с
рекомендацией [12] по формулам (2) и (12) дает близкие результаты со значениями на графике рис. 4б: отклонения составляют менее 1 % в области самых высоких и самых низких значений.
Сравнительный анализ полученных на графиках рис. 4б частотных зависимостей надежности связи DCB (f) в одномодовой ДКМ радиолинии при расчете по формуле (14) с учетом частотной зависимости СКО отношения сигнал-помеха oz (f) и результатов расчета согласно (15) при неизменном СКО cz = const = 14 дБ показывает, что они отличаются между собой: наименьшая разница составляет DCB = 0,97 - 0,94 = 0,03 (что составляет ((0,97 - 0,94)/0,97)-100% = 3,1 %) на частоте f = 2,1 МГц, наибольшая -DCB = 0,86 -0,79 = 0,07 (что составляет ((0,86-0,79)/0,86)-100% = 8,1 %) на частоте f = 5,3 МГц. В среднем это отличие составляет 5,6 %.
Заключение
1. Разработана методика определения зависимости среднеквадратическо-го отклонения отношения сигнал-помеха cz (f) и надежности связи DCB (f) от
выбора рабочей частоты f, которая включает 3 этапа:
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-63-80
Системы управления,связи и безопасности №2. 2023
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
а) определение частотной зависимости отношения Z ( f ) = 10 lg ( P ( f )/P ( f )) средней мощности сигнала к средней мощности помех на входе приемника (пример которой для летней ночи приведен на графике рис. 2б;
б) определение частотной зависимости (13) среднеквадратического отклонения gz ( f ) отношения сигнал-помеха на входе приемника (пример которых для летней ночи приведен на графике рис. 3б;
в) определение частотной зависимости надежности связи в одномодовой декаметровой радиолинии DCB ( f ) согласно (14) с учетом частотной зависимости (13) среднеквадратического отклонения отношения сигнал-помеха gz ( f ) на входе приемника (пример которой для летней
ночи приведен на графике рис. 4б.
2. Сравнительный анализ полученных на графиках рис. 4б частотных зависимостей надежности связи DCB ( f ) в одномодовой декаметровой радиолинии с учетом зависимости среднеквадратического отклонения отношения сигнал-помеха от частоты gz ( f ) и при неизменном традиционном значении
G = const=14 дБ показывает, что отличие между ними составляет от 3,1 % на частоте f = 2,1 МГц до 8,1 % на частоте f = 5,3 МГц.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда в рамках выполнения проекта № 22-21-00768 (https://rscf.ru/project/22-21-00768).
Литература
1. Чернов Ю. А. Специальные вопросы распространения радиоволн в сетях связи и радиовещания. - М.: Техносфера, 2018. - 688 с.
2. Долуханов М. П. Распространение радиоволн. - М.: Связь, 1972. -
336 с.
3. Комарович В. Ф., Сосунов В. Н. Случайные радиопомехи и надежность КВ связи. - М.: Связь, 1977. - 136 с.
4. Жуков В. А., Серков В. П., Филиппов В. В. Радиочастотная служба и антенные устройства. - Л.: ВАС, 1989. - 264 с.
5. Игнатов В. В., Килимник Ю. П., Никольский И. Н., Пивоваров В. Ф. Военные системы связи. Ч. 1. - Л.: ВАС, 1989. - 386 с.
6. Мешалкин В. А., Сосунов Б. В. Основы энергетического расчета радиоканалов. - Л.: ВАС, 1991. - 110 с.
7. Рекомендации МСЭ-R P.533-14. Метод для прогнозирования рабочих характеристик ВЧ-линий // Международный союз электросвязи. Серия Р. Распространение радиоволн [Электронный ресурс] URL: https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/p/R-REC-P.533-14-201908-I!!PDF-R.pdf (дата обращения: 13.01.2023).
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-63-80
Системы управления,связи и безопасности №2. 2023
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
8. Рекомендации МСЭ-R P.372-15 (09/2021). Радиошум // Международный союз электросвязи. Серия Р. Распространение радиоволн [Электронный ресурс] URL: https://www.itu.mt/rec/R-REC-P.372-15-202109-S11PDF-R.pdf (дата обращения: 24.01.2022).
9. Пашинцев В. П., Тишкин С. А., Иванников А. И., Солчатов М. Э. Определение оптимальной рабочей и наименьшей применимой частоты декаметровой радиолинии с учетом глубины быстрых замираний // Электросвязь. 2001. №12. С. 16-19.
10. Пашинцев В. П., Скорик А. Д., Коваль С. А., Киселев Д. П., Сенокосов М. А. Зависимость надежности связи в декаметровой радиолинии от выбора рабочей частоты с учетом сигнально-помеховой обстановки и диффузности ионосферы // Системы управления, связи и безопасности. 2019. № 4. С. 300-322. doi: 10.24411/2410-9916-2019-10412.
11. Пашинцев В. П., Гринев Е. М., Коваль С. А., Скорик А. Д. Методика определения частотной зависимости напряженности поля помех и надежности декаметровой связи в различные сезоны года // Системы управления, связи и безопасности. 2022. № 2. С. 61-79. doi: 10.24412/2410-9916-2022-2-61-79.
12. Рекомендации МСЭ-R P.842-5. Расчет надежности совместимости ВЧ радиосистем // Международный союз электросвязи. Серия Р. Распространение радиоволн [Электронный ресурс] URL: https://www.itu.mt/dms_pubrec/itu-r/rec/p/R-REC-P.842-5-201309-I! 1PDF-R.pdf (дата обращения: 02.02.2023).
13. Серков В. П. Распространение радиоволн и антенные устройства. - Л.: ВАС, 1981. - 468 с.
14. Bilitza D. D., Altadill V., Truhlik V., Shubin I., Galkin B., Huang X. International reference ionosphere 2016: From ionospheric climate to real-time weather predictions. Space Weather, 2017, vol. 15, pp. 418-429. doi: 10.1002/2016SW001593.
References
1. Chernov Yu. A. Spetsial'nyye voprosy rasprostraneniya radiovoln v setyakh svyazi i radioveshchaniya [Special issues of radio wave propagation in communication and radio broadcasting networks]. Moscow, Technosphere Publ., 2018. 688 p. (in Russian).
2. Dolukhanov M. P. Rasprostraneniye radiovoln [Propagation of radio waves]. Moscow, Svyaz' Publ., 1972. 336 p. (in Russian).
3. Komarovich V. F., Sosunov V. N. Sluchainye pomekhi i nadezhnost' KV svyazi [Random hindrances and reliability of HF communication]. Moscow, Svyaz' Publ., 1977. 136 p. (in Russian).
4. Zhukov V. A., Serkov V. P., Filippov V. V. Radiochastotnaya sluzhba i antennyye ustroystva [Radio frequency service and antenna devices]. Leningrad, Military academy of communication Publ., 1989. 264 p. (in Russian).
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-63-80
Системы управления,связи и безопасности №2. 2023
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
5. Ignatov V. V., Kilimnik Yu. P., Nikolsky I. N., Pivovarov V. F. Voyennyye sistemy svyazi. Chast' 1 [Military communication systems. Part I]. Leningrad, Military academy of communication Publ., 1989. 386 p. (in Russian).
6. Meshalkin V. A., Sosunov B. V. Osnovy energeticheskogo rascheta radiokanalov [Fundamentals of energy calculation of radio channels]. Leningrad, Military academy of communication Publ., 1991. 110 p. (in Russian).
7. Recommendation ITU-R P. 533-14 (08/2019). Method for the prediction of the performance of HF circuits. P Series. Radiowave propagation. Available at: https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/p/R-REC-P.533-14-201908-I!!PDF-R.pdf (accessed 13 January 2023).
8. Recommendation ITU-R P.372-15 (09/2021). Radio noise. P Series. Radiowave propagation. Available at: https://www.itu.int/rec/R-REC-P.372-15-202109-SHPDF-R.pdf (accessed 24 January 2023).
9. Pashintsev V. P., Tishkin S. A., Ivannikov A. I., Solchatov M. E. Determination of the optimal operating and lowest applicable decameter radio frequency taking into account the depth of fast fading. Electrosvyaz, 2001, no. 12, pp. 16-19 (in Russian).
10. Pashintsev V. P., Skorik A. D., Koval S. A., Kiselev D. P., Senokosov M. A. Decameter radio line communication reliability dependence of the operating frequency choice taking into account the signal-noise situation and ionosphere diffuseness. Systems of Control, Communication and Security, 2019, no. 4, pp. 300-322. doi: 10.24411/2410-9916-2019-10412 (in Russian).
11. Pashintsev V. P., Grinev E. M., Koval S. A., Skorik A. D. Method for determining the frequency dependence of the strength of the interference field and the reliability of decameter communication in different seasons of the year. Systems of Control, Communication and Security, 2022, no. 2, pp. 61-79. doi: 10.24412/24109916-2022-2-61-79 (in Russian).
12. Recommendation ITU-R P.842-5 (09/2013). Computation of reliability and compatibility of HF radio systems. P Series. Radiowave propagation. Available at: https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/p/R-REC-P. 842-5-201309-I! !PDF-R.pdf (accessed 2 February 2023).
13. Serkov V. P. Rasprostraneniye radiovoln i antennyye ustroystva [Radio wave propagation and antenna devices]. Leningrad, Military academy of communication Publ., 1981. 468 p. (in Russian).
14. BilitzaD. D., Altadill V., Truhlik V., Shubin I., Galkin B., Huang X. International reference ionosphere 2016: From ionospheric climate to real-time weather predictions. Space Weather, 2017, vol. 15, pp. 418-429. doi: 10.1002/2016SW001593.
Статья поступила 18 марта 2023 г.
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-63-80
Системы управления,связи и безопасности №2. 2023
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
Информация об авторах
Пашинцев Владимир Петрович - доктор технических наук, профессор. Профессор кафедры «Информационная безопасность автоматизированных систем». ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет». Область научных интересов: влияние возмущений ионосферы на показатели качества систем спутниковой связи и навигации. E-mail: pasintsevp@mail.ru Адрес: 355017, Россия, г. Ставрополь, ул. Пушкина, д. 1. Гринев Евгений Михайлович - аспирант кафедры «Информационная безопасность автоматизированных систем». ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет». Область научных интересов: повышение качества коротковолновой связи в условиях диффузности ионосферы. E-mail: saru3d@yandex.ru
Адрес: 355017, Россия, г. Ставрополь, ул. Пушкина, д. 1. Скорик Александр Дмитриевич - соискатель ученой степени кандидата технических наук. Заместитель технического директора. АО «Российский институт мощного радиостроения». Область научных интересов: влияние возмущений ионосферы на показатели качества систем декаметровой связи. E-mail: alexander_skorik@mail .ru
Адрес: 199178, Санкт-Петербург, В.О., 11-я линия, д. 66. Белоконь Дмитрий Александрович - аспирант кафедры «Информационная безопасность автоматизированных систем». ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет». Область научных интересов: повышение надежности декаметровой связи в условиях диффузной многолучевости. E-mail: ahoi8@yandex.ru
Адрес: 355017, Россия, г. Ставрополь, ул. Пушкина, д. 1.
Method for determining the dependence of the standard deviation from the signal-interference in a decameter radio link on the choice of frequency
V. P. Pashintsev, E. M. Grinev, A. D. Skorik, D. A. Belokon
Problem statement: it is known that random changes in the power of received signals and interference in the decameter wave range significantly affect the reliability of radio communications (the probability of communication with reliability is not worse than the permissible one). To maintain acceptable communication reliability, a timely change of operating frequencies is required. Communication reliability is determined by the value of the average signal-to-noise ratio at the receiver input relative to its allowable value, which depend on the choice of operating frequency, and the standard deviation of the input signal-to-noise ratio. The latter, when calculating the reliability of decameter communication, is assumed to be unchanged and equal to 14 dB. However, according to experimental data, the root-mean-square deviation of the ratio of signal power to noise power at the input of a decameter communication receiver depends on frequency, which can affect the reliability of the reliability calculation. The aim of the work is to develop a technique for determining the dependence of the standard deviation of the signal-to-noise ratio at the receiver input on the choice of the operating frequency and assessing its impact on the reliability of communication in a single-mode decameter radio link. The novelty lies in the theoretical generalization of methods for calculating the reliability of communication in a single-mode decameter radio link through the Laplace function and
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-63-80
Системы управления,связи и безопасности №2. 2023
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
through the deviations of the lower and upper deciles to determine the frequency dependence of the standard deviation of the signal-to-noise ratio. Result: an analytical expression is obtained for estimating the root-mean-square deviation of the ratio of the average signal powers and interference at the receiver input from the choice of the operating frequency in a single-mode decameter radio link. Practical significance: when calculating the reliability of communication in a single-mode decameter radio link, it is necessary to take into account the dependence of the standard deviation of the signal-to-noise ratio on the choice of operating frequency. The discrepancy in the calculations of communication reliability in the absence of this frequency dependence is on average 5,6%, and the largest difference reaches 8,1 %.
Keywords: single-mode decameter radio link, communication reliability, average signal-to-noise ratio, standard deviation, lower signal-to-noise ratio decile.
Information about Authors
Vladimir Petrovich Pashintsev - Dr. habil. of Engineering Sciences, Full Professor. Professor of at the Department of Information Security of Automated Systems. North Caucasus Federal University. Field of research: the influence of ionospheric disturbances on the quality indicators of satellite communication and navigation systems. E-mail: pasintsevp@mail.ru
Address: Russia, 355017, Stavropol, Pushkina street, 1.
Evgeny Mikhailovich Grinev - graduate student of at the Department of Information Security of Automated Systems. North Caucasus Federal University. Field of research: improving the quality of shortwave communication in diffuse ionospheric conditions. E-mail: saru3d@yandex.ru
Address: Russia, 355017, Stavropol, Pushkina street, 1.
Aleksandr Dmitrievich Skorik - Doctoral student. Deputy Technical Director. Joint-Stock Company «Russian Institute of Powerful Radio Engineering». Field of research: the influence of ionospheric disturbances on the quality indicators of HF communication systems. E-mail: alexander_skorik@mail.ru
Address: Russia, 199178, Saint Petersburg, 11th line V. O., h. 66.
Dmitry Aleksandrovich Belokon - graduate student of at the Department of Information Security of Automated Systems. North Caucasus Federal University. Field of research: improving the reliability of decameter communication in conditions of diffuse multipath. E-mail: ahoi8@yandex.ru
Address: Russia, 355017, Stavropol, Pushkina street, 1.
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-63-80
