CC BY
155
У
Методика оценки параметров частотной дисперсии ионосферного канала с помощью широкополосного фазоманипулированного сигнала
Ключевые слова: широкополосный сигнал, последовательность Голда, ионосфера, коротковолновый канал, дисперсия.
Несмотря на бурное развитие современных средств связи, таких как радиорелейная связь, спутниковая связь, широкополосная мобильная связь, радиосвязь в декаметровом диапазоне играет важную роль как средство внутренней и международной, зоновой, подвижной и производственно-диспетчерской связи. Применение широкополосных сигналов позволяет достичь высокой помехоустойчивости в условиях работы в одной полосе с узкополосными радиостанциями (вторичное использование спектра), возможность организации множественного доступа, разделение многолучевых компонент с последующим их совместным приемом (разнесенный прием). Однако, при передаче широкополосных сигналов (ШПС) на большие расстояния через ионосферный канал, необходимо учитывать частотную дисперсию, присутствующую в канале. Изложена методика, позволяющая оценивать параметры частотной дисперсии ионосферного канала, апробированная в рамках связных испытаний на односкачковой и двухскачковой широтных трассах. В эксперименте передавался широкополосный сигнал с прямым расширением спектра последовательностью Голда, длина которой составляла 512 и 2048 скорость манипуляции 150 кбод, ширина основного лепестка спектра сигнала — 300 кГц. По результатам эксперимента даны оценки значений наклона дисперсионных характеристик ионосферного канала для различных лучей на различных частотах (эквивалентный коэффициент дисперсности) и оценки энергетических потерь. Предлагаемая методика позволяет производить комплексную оценку параметров ионосферного канала для улучшения качества передачи широкополосных сигналов. Ионосфера Земли является нестационарной анизотропной средой распространения электромагнитных волн, поэтому к достоинству предлагаемой методики можно отнести то, что она производится для мгновенного состояния канала, в отличии от известных методов с применением ЛЧМ-сигналов.
Лобов Е.М.,
к.т.н., с.н.с. НИЧ МТУСИ, Москва, lobov@srd.mtuci.ru Косилов И.С.,
аспирант кафедры РТС МТУСИ, м.н.с. НИЧ МТУСИ, kosilovis@mail.iv Кандауров Н.А.,
аспирант кафедры РТС МТУСИ, м.н.с:. НИЧ МТУСИ, kandaurov@srd.mtuci.ru
Елсуков Б.А.,
аспирант МТУСИ
В настоящий момент передача данных в широкополосном ионосферном радиоканале является актуальной задачей. Для ионосферного канала связи характерны: нестационарность, сложная по меховая обстановка, многолучевое распространение и дисперсионные искажения сигналов. Частотная дисперсия оказывает существенное влияние на широкополосный сигнал и работу системы связи в целом [1].
Из-за частотной дисперсии ионосферного капала отдельные части спектра широкополосного сигнала имеют различные задержки распространения [ 1]. Указанное различие приводит к ошибке синхронизации опорных ПСП, что существенно сказывается на качестве приема информации [2, 3]. Для улучшения качества приема информации необходимо уметь достоверно оценивать частотную дисперсию. Оценки параметров частотной дисперсии трасс необходимы при обосновании технических характеристик приемо-передающего оборудования декаметрового диапазона [4].
Предлагается рассматривать передаваемый широкополосный сигнал, как совокупность сигналов с меньшей полосой, которые называть подполосами, таким образом, в рам-
ках одной подполосы влияние частотной дисперсии будет существенно слабее. Выбор ширины полосы рассмотрим далее по тексту.
Функциональная схема приемника с независимой синхронизацией для каждой из подполос изображена на рис. 1 |5]. Комплексные огибающие принимаемых подполос поступают на вход согласованных фильтров, с выхода которых снимаются ВКФ комплексных огибающих принимаемых подполос и опорных ПСП. ВКФ поступают на соответствующие синхронизаторы. Для синхронизации с каждой под-полосой используется отдельный СФ и синхронизатор.
Рис. 1. Функциональная схема демодулятора
У
Оценим разнос задержек подполос при распространении в канале с частотной дисперсией в рамках линейного приближения дисперсионной характеристики. Разница средних групповых задержек для 1-й и у'-й подполос ДЛ, может быть записана в форме:
а/:1 =*д/;у, (О
где Д^ - разнос подполос по частоте. Если ШПС разбить на приёмной стороне ¡[а дг подполос с разносом дд то максимальной задержкой д/ относительно центральной частоты спектра будут обладать крайние подполосы. Максимальная задержка д/ ц определится формулой:
Д(,„и =
(2)
Для ортогональных подполос с минимальным частотным разносом справедливо:
(3)
(и-IV Глг-й „
где ц = а/п11 = 1 Гт - скорость передачи символов ПСИ на
одной подполоее, г - длительность символа ПСП. Например, в канале с наклоном дисперсионной характеристики 5 ш 44.44мкс/МГц и величиной критической полосы = 170 кГц 1 Для сигнала с N^-5 ггод пол осам и, и скоростью передачи символов ПСП /;; =75кГц, крайние подполосы одна опережает, другая запаздывает относительно центральной частоты ШПС на половину длины символа ПСП Д/пт =т/2- Общая ширина спектра сигнала равна
+1).Л =450кГЦ) коэффициент дисперсности капала р = А// ДД = 3.21 >
На рис. 2 изображены модуль нормированной ВКФ комплексной огибающей ШПС, прошедшего капал с частотной дисперсией и модули ВКФ для комплексных огибающих отдельных подполос (г — индекс подполосы). Норми-
ровка ВКФ производится на максимальное значение модуля АКФ исходного ШПС - ,шх /I г(/,0)|) ■ ВКФ вычислялись по
формулам:
(4)
$лл - £ ^(л' - Ш £'■
(5)
(6)
огибающей сигнала (которая переносится на несущую частоту) определяется по формуле:
¿у: = [/-0.5(*, + ])]#_ = [/-0.5(*, +1)]^. (7)
где / - индекс подполосы.
Таким образом, сдвиг 1-ой подполосы равен дд = -¡50кГц, 3-ей - Д/; = 0кГц (центральная частота
ШПС), 5-ой - Д/"5 = ] 50кГц • Первая и пятая подполосы являются крайними. На рисунке 2 видно, что пики ВКФ с выходов СФ, согласованных с 1-йи 5-й подполосами, смешены в обе стороны относительно ВКФ для 3-ей подполосы (центральной частоты) на половину длительности символа ПСП т, что соответствует расчетам, проведенным выше. На рисунках по оси абсцисс отложена групповая задержка распространения исходного ШПС в целом или отдельных его подполос, измеренная в единицах длительности символа ПСП относительно групповой задержки соответствующей центральной частоте спек-|ра исходного ШПС. ВКФ принимаемого ШПС имеет не единственный ярко выраженный пик, а два, ни один из которых не совпадает по положению на оси времени с пиком ВКФ, соответствующей центральной (3-й) подполос. При увеличении наклона дисперсионной характеристики ВКФ принимаемого ШПС не будет иметь единственного ярко выраженного пика, а будет иметь форму «пьедестала», близкую к форме амплитуды импульсной реакции дисперсионного канала (рис. 3) для д = 88.88 мкс/МГц. Разность задержек между центральной и крайними под поло сами составляет одну длительность символа ПСП г.
-икф шпе
ВКФ два II полполосы
— - ВКФ лли '-ей подполосы
— - — ВКФ .И» 5-оП подполосы з - II 41 нкс МГЦ,
ДГ.' Я гг кГц. К. '5
Задержка п длима* импульса ПСИ т
-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8
Рис. 2. Нормированные ВКФ принимаемого ШПС, прошедшего канал с частотной дисперсией и ВКФ подполос ИЛ 1С; £ = 44.44 мкс/МГц
[1-0.^+1)]^+^
>',('-■'0 = I |4(Л| е^^ср-[1-0
где 5Д/) - комплексная огибающая исходного ШПС, 5Д/) - комплексная огибающая ;'-ой подполосы, 5Д/) -
спектр комплексной огибающей чипа ПСП (в данном случае рассматриваются прямоугольные импульсы), ал — к-й символ ПСП, используемый на /-Й подполоее, ¿у = (ЛГ! + ~~ ширина спектра сигнала, - сдвиг частоты /-ой подполоее относительно центральной частоты спектра комплексной
0,6-1
0,5-
0,4
0,3-
0,2 ■
А / \ Я
0,1- / V / Л л
оп- ^ -' -V V
-ВКФ шпе
-ВКФлля 1-оН полполосы
— — - ВКФ ."1ЛЯ .^ сн подполосы
---ВКФ/1ЛЯ 5-М11 подполосы
I ш В8.88 ни/МГц, дГ -я *75 кГц.
Задержка и 11|;и.|\ импульса ПСИ т
-4 -3 -2 -1 0 1 2345678
Рис. 3. Нормированные ВКФ принимаемого ШПС, прошедшего канал с частотной дисперсией и ВКФ подполос ШПС; л = 88.88 мкс/МГц
Рассмотрим вопрос эффективного использования энергии принимаемого многочастотного ШПС в условиях частотной дисперсии. ВКФ на выходе согласованного фильтра вычисляется по формуле (4). Квадратичный закон ФЧХ в (4) при наличии частотной дисперсии нарушает синфазность частотных компонент принимаемого сигнала и опорного сигнала СФ, что приводит к уменьшению уровня напряжения на выходе СФ во время согласованной фильтрации. Можно определить диапазон частот, в котором указанная синфазность не нарушается, в форме:
Введенный таким образом диапазон частот аналогичен критической полосе канала дf . Разница лишь в величине
набега фазы спектральных компонент па границе диапазонов Д/, и дf по отношению к набегу фазы для центральной спектральной компоненте (указанных диапазонов). Для дf максимальный набег составляет 1 рад, для — я 12.
Действительно, когда значение фазы квадратичной ФЧХ канала в (4) превышает я/2, то соответствующие интегрируемые спектральные компоненты в (4) оказываются в против« фазе с центральными спектральными компонентами, лежащими в диапазоне £/< 0.5Д/Ат/3, и вносят
отрицательный вклад в уровень ВКФ на выходе СФ. Введенная таким образом новая критическая полоса частот «по уровню я/2» Д\fkxti превышает полосу Д/Л:
(9)
Соответствующей ей коэффициент дисперсности канала РкП. Р£1ВСН:
= М»1.25- (Ю)
Дfk V 2
Разница групповых задержек распространения на границах диапазона Л/^л-/-? относительно центра диапазона равна:
0.5*4^ = (11)
Таким образом, ширина полосы частот дf - определяет максимальную ширину частотной характеристики согласованного фильтра, который может быть использован в канале с наклоном дисперсионной характеристики 5 ■
Можно сделать важный вывод. Для облегчения работы систем слежения за задержкой и обеспечения более надежной подстройки опорных ПСИ с ПСП подполос, потребуется, чтобы взаимные задержки в выделенных группах подполос были меньше, чем половина длительности символа ПСП, При этом стоит понимать, что для этого потребуется больше согласованных фильтров и как следствие больше аппаратных ресурсов для обеспечения синхронизации,
В рамках связных испытаний проведено исследование влияния частотной дисперсии на синхронизацию при приёме ШПС на односкачковой и двух с качко вой широтных трассах.
Передаваемый сигнал представлял собой фазоманипули-рованные широкополосные сигналы (ШПС) на основе последовательностей Голда длиной 512 (см. [6]) и 2048 символов, скорость манипуляции 150 кбод, ширина основного лепестка спектра сигнала - 300 кГц.
Приём производился на широполосное панорамный радиоприёмник прямого усиления «Морошка» разработанный в МТУСИ. Приёмник позволяет принимать сигналы с полосой до 30 М1 ц.
По результатам эксперимента производилась оценка дисперсионных искажений в ионосферном канале по следующей методике:
1. Среди всех записей отбираются до 10 записей сигналов, принятых на наибольших рабочих частотах (вблизи МПЧ, 0.9-1.05 от прогнозируемой, на которых дисперсионные искажения значительны);
2. Из отобранных записей выбираются записи с минимальным количеством станционных помех в полосе 200 кГц около рабочей частоты;
3. Принимаемый сигнал фильтруется в полосе 200 кГц (при необходимости вырезаются помехи в частной области);
4. Из указанного сигнала формируются 4 различных сигнала путем разделения полосы 200 кГц на примыкающие непересекающиеся полосы по 50 кГц (см. рис. 1 и рис. 4). Соответствие выделяемых 50 кГц подполос основному лепестку спектра широкополосного сигнала иллюстрируется рисунком 5.
5. Каждый из четырех сигналов независимо обрабатывается согласованным фильтром. Результаты свертки указанных выше сигналов с опорными сигналами снимаются с выходов согласованных фильтров и некогерентно накапливаются на длине ШПС и нормируются. Нормировка необходима для выравнивания по уровню отклика согласованных фильтров всех четырех сигналов между собой и с откликом согласованного фильтра, обрабатывающего сигнал во всей 200 кГц полосе (при отсутствии дисперсионных искажений). На рисунке 6 изображены нормированные отклики СФ для
200 кГц
Спектр ШПС, дБ
Частота, кГц
Рис. 5. Соответствие полос по 50 кГц основному лепестку спектра ШПС
различных полос по 50 кГц и СФ для всей полосы 200 кГц, полученные в результате моделирования. На рисунке 7 изображены те же отклики, полученные по экспериментальным данным в условиях слабых дисперсионных искажений и отсутствия помех;
Рис, 6. Накопленные свертки: моделирование
Рис. 7. Накопленные свертки: эксперимент, 16.03.2013, 19.518 МГц
6. С помощью виртуального осциллографа производится оценка сдвигов главных максимумов накопленных сигналов д г (для /-го и у-го сигналов);
7. Оценка наклона ДХ вычисляется по формуле: л- = Дг„ /Д/- > ГДе Д/,- ~ разнос центральных значений частот
сформированных ранее 50 кГц подполос (соответственно /ой и/-ой);
8. Коэффициент дисперсности ионосферного канала оценивается но формуле: р „ ду , Д/ - ширина полосы
частот канала 200 кГц;
К достоинствам предлагаемой методики измерения дисперсионных искажений простоту излучаемого сигнала, т.е. нет необходимости использовать ЛЧМ-сигналы. Так же при применении ЛЧМ-сигналов измерение происходит последовательно, предлагаемая методика позволяет производить измерения параллельно во всей полосе. Нет необходимости излучать на нескольких частотах одновременно для измерения дисперсии в широкой полосе частот (в перспективе до 500 кГц и выше), но возможно производить измерения в отдельных более узких подполосах.
На рисунке 8 приведены накопленные отклики СФ в условиях существенных дисперсионных искажений. Оценочное значение наклона ДХ 5 = 140 мкс/МГц, соответствующее значение коэффициента дисперсности ионосферного канала р = 2.
: )ткм: СФ а полоса. 30 кГц с puiii.MiM ::>>| гпи.гк: U lli: друга 150 кГц
Рис. 8. Накопленные отклики СФ: эксперимент, 16.03.2013. 20.665 МГц
На рисунке 9 приведены накопленные отклики СФ нри приеме на рабочей частоте 20.578. Групповой сигнал состоит из 2-х лучей с задержкой порядка 175 мкс.
Оценочные значения наклонов ДХ составили 5 = 156 мкс/МГц для первого луча и л = -100 мкс/МГц для второго луча.
5 м {С
КС II Р е полосах 50 кГц jpyf отиоситсл ыда друга u км l- ГИ
/
] / /
/
^гг- \
-1 75 мкс
Ошнх СФ в U ояосс 200 кГц 1
Рис. 9. Накопленные отклики СФ: эксперимент, 16.03.2013, 20.578 МГц
Оцененные значения в целом соответствуют ожидаемым в условиях существенных дисперсионных искажений рае-пространяющихся сигналов вблизи МПЧ.
Таким образом, предложенная методика произведения измерений дисперсионных искажений гю сравнению с известными методами, в том числе и ЛЧМ-сигналами, позволяет производить оценку в широкой полосе частот параллельно в более узких подканалах.
Литература
1. Иванов Д. В. Методы и математические модели исследования распространения сложных дека метровых сигналов и коррекции их дисперсионных искажений. - Йош-кар-Ола: МарГТУ, 2006. -266 с.
2. Воробьёв К.А., Лобов Е.М., Косила« И.С. Широкополосные многочастотные сигнально-кодовые конструкции с применением турбо-кодировання и частотно-временного перемежения для ионосферного радиоканала // Сборник докладов международного научно-технического семинара «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов в инфокоммуникациях» (Сннхро-Инфо-2012). Йошкар-Ола, Брис-М, 2012.-С. 46-48.
3. Косилов И.С., Лобов Е.М, Расчет помехоустойчивости широкополосных ионосферных радиолиний с применением шумолод обных сигналов на основе данных прогнозирования // Т-Сошш: Телекоммуникации и транспорт. - 2011, - №11, — С. 68-70.
4. Чирои Д.С. Методический подход к обоснованию технических характеристик комплексов радиомониторинга для решения задач распознавания источников радиоизлучения // Т-Сошш: Телекоммуникации и транспорт. -20! 1. — №1!. - С, 85-87,
5. А джемов С.С., Во/юбьев К.А.. Косилов И.С.. Кочетков Ю.А., Лобов Е.М. Аппаратно-программный макет модема для организации ионосферной связи с использованием многочастотных широкополосных сигналов // Т-Сотга: Телекоммуникации и транспорт, -2012, №9. -С. 4-8.
6. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985. - 384 с.
Method of estimating the parameters of the frequency dispersion of ionospheric channel via wideband BPSK
Lobov Evgeny, PhD, senior researcher at SRD MTUCI, obov@srd.mtuci.ru Kosilov Ilya, postgraduate student MTUCI, minor researcher at SRD MTUCI, kosilovis@mail.ru Kandaurov Nikolay, postgraduate student MTUCI, minor researcher at SRD MTUCI, kandaurov@srd.mtuci.ru Elsukov Boris, postgraduate student Moscow Technical University of Communications and Informatics (MTUCIj
Abstract
Despite the rapid development of modern means of communication such as radio relay, satellite communications, mobile broadband, radio decameter plays an important role as a means of domestic and international, zonal, and mobile production and dispatch communication. The use of wideband signals can achieve high immunity to interference in the work environment in a single band with narrowband radios (secondary spectrum), the organization of multiple access, multipath component separation, followed by their joint reception (diversity reception). However, when transmitting broadband signals (NLS) at large distances through the ionospheric channel, it is necessary to take into account the frequency dispersion present in the channel. The paper sets out the methodology for evaluating the parameters of the frequency dispersion of ionospheric channel connected conducted tests on single hop and dvuhskachkovoy latitudinal lines. In the experiment, transmitted broadband signal with a direct sequence spread spectrum Golda, the length of which was 512 in 2048 and 150 baud speed of manipulation, the width of the main lobe of the signal — 300 kHz. The experiment results are estimates of the values of inclination of the dispersion characteristics of ionospheric channel for different beams at different frequencies (equivalent coefficient of dispersion) and evaluating the energy loss. The proposed method allows for a comprehensive evaluation of the parameters of the ionospheric channel to improve the transmission of broadband signals. Earth's ionosphere is unsteady anisotropic medium of propagation of electromagnetic waves, so the dignity of the proposed method is the fact that it is made for instant channel state, in contrast to the known methods using chirp signals.
Keywords: wideband signal, phase shift keying, Gold sequence, the ionosphere, demodulation, frequency dispersion.
References
1. Ivanov D.V. Methods and mathematical model studies of the ionospheric decameter complex signals and their dispersion distortion correction, MarSTU, Yoshkar-Ola, 2006.
2. Vorobyov KA, Kosilov I.S. Lobov E.M. "Wideband multicarrier signal-code structures using turbo coding and time-frequency interleaving for ionospheric radio channel", Synchronization Systems, formation and processing of signals in the information communications (Sinhroinfo-2012), Yoshkar-Ola, 2012, pp. 105-107.
3. KosilovI.S., LobovE.M. Wideband ionosphere radiolink with use of noise-like signals performance calculation based on prognosis / T-comm, №11, 2011, Pp. 68-70.
4. Chirov D.S. The methodical approach for justification of the radiomonitoring systems technical characteristics for solving the problem of radio sources recognition / T-comm. Moscow, No11, 2011, Pp. 85-87.
5. Adjemov S.S., Vorobyov KA, Kosilov I.S. KochetkovJA, Lobov E.M. Hardware-software model modem for the organization of the ionospheric connection with the use of multi-frequency broadband signals / T-comm, No11, 2012, Pp. 4-8.
6. Varakin LE. Communication system with noise-like signals, Radio and Communications, Moscow, 1985.
T-Comm #9-2014 53
