Особенности преобразования сосредоточенных помех в приемнике ЛЧМ-ионозонда Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гантмахер В. Е., Быстров Н. Е., Чеботарев Д. В. Шумоподобные сигналы. Анализ, синтез, обработка. СПб.: Наука и техника, 2005. 400 с.

2. Быстров Н. Е., Жукова И. Н. Модель оценки помехоустойчивости РЛС с квазинепрерывным режи-

I. N. Zhukova, A. A. Ogarkov Yaroslav-the-Wise Novgorod state university

мом излучения и приема сигналов с псевдослучайной структурой огибающей // Вестн. НовГУ. Сер. "Техн. науки". 2011. № 65. С. 50-55.

Efficiency of amplitude restriction mode of interference with reception of wide-band signals with a pseudorandom law amplitude keying

Interference immunity of radar systems with reception of signals with pseudorandom law amplitude-phase shift keying in restriction mode of powerful passive interference is researched.

Radar systems, wide band signals, passive interference, interference immunity, amplitude restriction mode

Статья поступила в редакцию 16 июля 2013 г.

УДК 621.371.25:550.388.2

А. А. Колчев, Д. В. Хобер, А. И. Санников Марийский государственный университет

Особенности преобразования сосредоточенных помех в приемнике ЛЧМ-ионозонда

Проанализированы особенности преобразования сосредоточенных по спектру помех в приемнике ЛЧМ-ионозонда. Показано, что при обработке в приемнике полоса частот, занимаемая сосредоточенной помехой, увеличивается, а ее спектральная плотность уменьшается. Установлено, что ЛЧМ-ионо-зонды имеют преимущества перед импульсными ионозондами при исследовании ионосферных эффектов, возникающих вблизи частот сосредоточенных помех.

ЛЧМ-ионозонд, сосредоточенные помехи, аналого-цифровой преобразователь, ионосфера

Одной из основных проблем при использовании ионосферных коротковолновых (КВ) радиолиний различными радиотехническими системами является нестабильность канала распространения радиоволн. Решение этой проблемы состоит в оперативной диагностике радиолинии.

Широкое применение в системах оценки параметров ионосферного радиоканала нашли ионо-зонды с линейно частотно-модулированным (ЛЧМ) сигналом [1], [2]. Примером такой системы служит Tactical frequency Management System AN/TRQ-35, принятая на вооружение в странах НАТО, в состав которой входят передатчик и приемник ЛЧМ-ионозонда.

В работах [1], [3] предложены методики оценки спектральной плотности шума в КВ-диа-пазоне по ионограммам зондирования ионосферы

сигналами с ЛЧМ. Такие ионограммы получаются после обработки принятого сигнала методом сжатия в частотной области, когда принятый сигнал умножается на ЛЧМ-сигнал гетеродина, после чего анализируется спектр сигнала разностной частоты, выделенный низкочастотной фильтрацией. Замена гармонического сигнала гетеродина на ЛЧМ-сигнал приводит (при неравномерной спектральной плотности) к изменению распределения спектральной плотности шума.

Спектральный анализ сигнала разностной частоты осуществляется в цифровой форме после аналого-цифрового преобразования (АЦП). АЦП имеет ограниченный входной динамический диапазон, что для мощных сосредоточенных помех может привести к ограничению их уровня и занижению оценки спектральной плотности шума.

© Колчев А. А., Хобер Д. В., Санников А. И., 2013

49

При использовании ЛЧМ-сигнала гетеродина энергия таких помех рассредоточивается по полосе частот этого сигнала, а входное напряжение АЦП, создаваемое помехами, уменьшается, снижая вероятность ограничения.

Цель настоящей статьи - анализ особенностей преобразования сосредоточенных помех при ЛЧМ-модуляции сигнала гетеродина приемника и ограничений уровня входного сигнала в АЦП, влияющих на точность оценки спектральной плотности шума по ионограммам наклонного зондирования ионосферы сигналами с ЛЧМ.

Обработка в приемнике. ЛЧМ-сигнал, излучаемый передатчиком ионозонда, можно представить в виде

a (t) = a0cos (2%/qí + %ft2), t e[0, T],

где ao, fo - амплитуда и начальная частота сигнала соответственно; f = df ¡dt - скорость изменения частоты; T - время излучения.

Текущая частота ЛЧМ-сигнала связана с текущим временем линейным соотношением

f = fo + ft.

Сигнал на входе приемника, полученный после распространения в многолучевом ионосферном радиоканале, описывается выражением

M г . 2

a2 (t) = Z ai cos L2^/0 (t "Ti) + %f (t" Ti) i=1

где ai - амплитуда сигнала i-го луча на входе приемника; ti - время группового запаздывания сигнала при распространении вдоль i-го луча; M -количество лучей.

Принимаемый сигнал умножается на сигнал гетеродина aг (t), являющийся копией излучаемого сигнала, в результате чего ликвидируется модуляция излученного сигнала. После низкочастотного фильтра остается сигнал разностной частоты A (t), который представляет собой сумму квазигармонических сигналов: M

A (t) = ^ a;ao cos (2%Fit + фг-), i=1

где фi, Fi - фаза и частота сигнала i-го луча на

разностной частоте соответственно.

Оценка измеряемых характеристик радиоканала ведется на основе анализа ионограмм, кото -рые получаются при поэлементной обработке

принятого сигнала в спектральной области с полосой элемента сигнала порядка сотни килогерц и длительностью порядка одной секунды, что обеспечивает выигрыш при обработке в отношении "сигнал/шум" 105. Большинство работающих в КВ-диапазоне радиотехнических устройств используют радиоканалы с полосой занимаемых частот порядка единиц килогерц. Сигналы этих радиотехнических устройств являются сосредоточенными помехами для ЛЧМ-ионозонда.

Рассмотрим преобразование сосредоточенных помех в приемнике ЛЧМ-ионозонда. Пусть сосредоточенная помеха представляет собой гармонический сигнал с амплитудой ai и частотой fi : ап (t) = ai cos (2%fit). После перемножения с сигналом гетеродина она примет вид

ап (t)ai (t) = 0.5aa {cos[2л ((0 - fi )t + nft2 ] +

+cos[27i(fo + fi)i + f2]}, t e[in, tn + Atn], (i)

где , Atn - время начала воздействия сосредоточенной помехи на вход приемника и длительность воздействия соответственно.

Таким образом, сосредоточенная помеха после ЛЧМ-гетеродинирования имеет вид суммы двух ЛЧМ-импульсов, в то время как сигнал разностной частоты для i-го луча за время T можно считать квазигармоническим [4].

Далее низкочастотная фильтрация вырезает некоторый диапазон частот. В зависимости от параметров сигналов и фильтра возможны различные ситуации. Описанная обработка сигнала графически представлена на рис. i в виде частотной зависимости спектральной плотности S (f). На

рисунке кривые 1 отображают спектральную плотность помехи, кривые 2 - спектральную плотность сигнала гетеродина, кривые 3 - спектральную плотность сигнала (i), полученного в результате гетеродинирования. Прилегающий к оси ординат прямоугольник 4 представляет полосу пропускания фильтра нижних частот (ФНЧ).

На рис. i, а представлена ситуация, когда гармоническая помеха расположена на центральной частоте сигнала ЛЧМ-гетеродина. После обработки сосредоточенная помеха приобретает ЛЧМ-модуляцию (рис. i, а, кривая 3). В случае, когда модулированная помеха распространяется в область отрицательных частот, в низкочастотной части наблюдается наложение спектров. В том случае, когда квазигармоническая помеха не попа-

дБ

20

10

дБ 20 10 0 -10

4

/ 1

— к А il( Ii Ä i

,■1 Ч \ 2

(Ц| ,1 i ! ; / П I il* /

1 1 * Y. \J \ 1 V 1

160

320 а

480

f кГц

100

200

300

400

f, кГц

5, дБ

* 1

У

20-

10-

5, дБ

20

10-

10

160

320 б

480

f, кГц Рис.

100

200

300

400

f, кГц

дает в полосу частот сигнала гетеродина (рис. 1, б), спектр полученного после гетеродинирования импульса помехи на разностной частоте частично попадает в полосу частот ФНЧ. Наконец, в более сложном случае, когда помеха имеет неравномерную спектральную плотность в ограниченной полосе и не совпадает с полосой частот ЛЧМ-гетеро-дина (рис. 1, в), сигнал после умножения имеет сложную структуру с расширенной полосой частот и его спектр частично попадает в полосу пропускания ФНЧ (рис. 1, г). Следует отметить, что рассмотренное усложнение спектра помехи характерно только для ЛЧМ-гетеродинирования и не наблюдается при гармоническом сигнале гетеродина.

Изменение спектров сигналов и шумов при умножении на сигнал ЛЧМ-гетеродина в экспериментальной аппаратуре демонстрирует рис. 2 (съемка с экрана цифрового панорамного приемника "Perseus"), на котором изображено изменение мгновенных спектров с течением времени в полосе частот 1 МГц. На рис. 2, а приведено исходное распределение мгновенных спектров, на рис. 2, б - распределение спектров после умножения на ЛЧМ-сигнал гетеродина. Как следует из рис. 2, принимаемый ЛЧМ-сигнал теряет модуляцию (становится квазигармоническим), а сосредоточенные по спектру помехи ее приобретают, причем спектры помех распадаются на спектры суммарной и разностной частот.

Таким образом, после обработки в приемнике ЛЧМ-ионозонда полоса частот, занятая сосредоточенной помехой, расширяется.

Влияние ограничений уровня сигнала в АЦП. Предположим, что на вход приемника ионозонда поступает также флуктуационный шум. Тогда математическую модель сигнала на выходе системы сжатия Авьк ) можно записать в виде суммы сигнала раз-

ЛЧМ-сигнал <

' Сосредоточенные помехи

б

Рис. 2

0

0

в

0

0

0

г

1

t

а

и

-и

АЦП 0 АЦП

Рис. 3

ностной частоты ^разн и), флуктуационного шума

(?) и суммы сосредоточенных помех ас п (t):

N

Авых (t) = Аразн (t)+! ас.п

(t) + аш ^ ),

п=1

где N - количество сосредоточенных помех в полосе частот сигнала.

Обычно работа ЛЧМ-ионозонда происходит в условиях, когда амплитуды сигналов Аразн ) и

аш (t) сравнимы между собой, поэтому сигнал на выходе ионозонда представляет собой смесь "дорожки", образованной суммой сигнала разностной частоты с флуктуационным шумом, и импульсов, порожденных сосредоточенными помехами (рис. 3). При этом концентрация энергии сигнала после ЛЧМ-обработки в малой полосе частот обеспечивает значительное превышение сигнала над шумом в спектральной области.

Аналого-цифровой преобразователь имеет ограничение по размаху входного напряжения. Для того чтобы можно было наблюдать вид сосредоточенной помехи, уровень усиления подбирается таким образом, чтобы амплитуда полезного сигнала была в 2-3 раза меньше динамического диапазона АЦП по входу. Ограничение амплитуд сигналов, выходящих за входной динамический диапазон АЦП, снижает спектральную плотность сосредоточенной помехи. При этом после ЛЧМ-

Тгр, мс

12.5

11.8

11.1 10.4

1

2

гетеродинирования она становится близкой по уровню к спектральной плотности флуктуацион-ного шума.

Таким образом, при обработке сигнала ЛЧМ-ионозонда в спектральной области невозможно правильно оценить спектральную плотность шума в полосе элемента сигнала (—100 кГц) при наличии в этой полосе сосредоточенных помех. Наряду с этим описанные изменения сосредоточенных помех при преобразованиях в приемнике ЛЧМ-ионозонда приводят к ослаблению их влияния на полезный сигнал, позволяя более точно оценить его параметры.

На рис. 4, а приведен фрагмент ионограммы вертикального зондирования ионосферы (частотная зависимость группового времени запаздывания Тр (/)), полученной 18.08.2011 в 18 ч 24 мин

при помощи ЛЧМ-ионозонда фирмы "Адасис" (г Йошкар-Ола) [5], [6], а на рис. 4, б - аналогичная ионограмма, полученная в это же время импульсным ионозондом "Циклон" разработки Казанского федерального университета [7] в виде частотной зависимости действующей высоты отражения Н (/).

Ионограммы получены в рамках работ по программам исследований на нагревном стенде "Сура" (полигон НИРФИ, г. Васильсурск). Основу стенда "Сура" составляют три коротковолновых радиовещательных радиопередатчика ПКВ-250 мощностью 250 кВт каждый (диапазон частот передатчиков 4...25 МГц) и 144-элементная фазированная антенная решетка размером 300*300 м с полосой рабочих частот 4.3.9.5 МГц. Коэффициент усиления антенной системы на средней частоте рабочего диапазона составляет 26 дБ.

С 18 ч 16 мин до 18 ч 26 мин стенд непрерывно излучал на частоте 4785 кГц. Мощность излучения ЛЧМ-ионозонда составляла 10 Вт, импульсного ионозонда - более 1 кВт.

На рис. 4 выделен диапазон частот 1 с центральной частотой, соответствующей частоте из-Н, км

450-

250-

50

/, МГц

Рис.

4.2 б

/, МГц

4

5

а

4

A, В 1 0 -1 -2

A, В

100

200

300

400

t, мс

5, дБ • мкВ 246 192 138 84 30

5, дБ • мкВ 246 192 138 84 30

400 600

800

1000

1200

f Гц

100

200

300

400

t, мс

400 600

800

1000

1200

f, Гц

Рис. 5

лучения нагревного стенда. При импульсном зондировании это излучение существенно выделялось, причем за счет нелинейных эффектов при приеме столь мощного сигнала происходило расширение его спектра в приемнике (рис. 4, б), а при ЛЧМ-зондировании этот сигнал не фиксировался (рис. 4, а) (передатчик с мощностью излучения в 250 кВт "не виден" в приемнике). В диапазоне частот с центральной частотой 6200 кГц, отмеченном на этих рисунках цифрой 2, работают несколько КВ-передатчиков. Их мощность меньше мощности импульсного ионозонда. Из рис. 4 следует, что их влияние на качество ионограмм, полученных с помощью ЛЧМ-ионозонда и импульсного ионозонда, приблизительно одинаково.

Непрерывность сигнала ЛЧМ-ионозонда и обработка его в частотной области дают возможность осуществлять режекцию, определяя каналы, пораженные сосредоточенными по спектру помехами [8]. В качестве примера на рис. 5, а приведена выборка отсчетов сигнала с центральной частотой 4785 кГц (частота работы нагревно-го стенда на рис. 4) и с полосой 50 кГц. На спектре этого сигнала (рис. 5, б) можно наблюдать ограничение спектральной плотности сосредото-

ченной помехи. Наряду с ограничением эта помеха искажает спектр полезного сигнала.

На рис. 5, в показана выборка сигнала после режекции помехи (эта операция происходит в автоматическом режиме в соответствии с методикой [9]), что приводит к улучшению спектра полезного сигнала (рис. 5, г). Таким образом, по данным существующих ЛЧМ-ионозондов нельзя определять спектральную плотность сосредоточенной помехи, однако можно определить частотные каналы, пораженные сосредоточенными помехами, и сформировать сетку "пораженных" частот.

В результате проведенных исследований выявлено, что при обработке в приемнике ЛЧМ-ионозонда полоса частот, занимаемая сосредоточенной помехой, увеличивается, а ее спектральная плотность уменьшается по сравнению с обработкой в импульсном ионозонде. В связи с этим ЛЧМ-ионозонд имеет преимущество перед импульсным ионозондом при исследовании ионосферных эффектов, возникающих вблизи частот работы мощных квазигармонических источников (что продемонстрировано в эксперименте с использованием нагревного стенда).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Прогнозирование и экстраполяция параметров КВ-радиоканала по данным наклонного зондирования

ионосферы / В. А. Иванов, Н. В. Рябова, В. П. Урядов, В. В. Шумаев // Радиотехника. 1997. № 7. С. 28-30.

0

б

а

1

0

1

2

0

в

г

2. ЛЧМ-ионозонд и его применение в ионосферных исследованиях / В. А. Иванов, В. И. Куркин, В. Е. Носов и др. //Изв. вузов. Радиофизика. 2003. Т. 46, № 11. С. 919952.

3. Пат. RU 2399062 C1 МПК G01S1/08, G01S3/46 (2006.01). Устройство для определения оптимальных рабочих частот ионосферного радиоканала / Г. Г. Вертоградов, В. П. Урядов, Е. Г. Вертоградова. Опубл. 10.09.2010. Бюл. № 25.

4. Современные методы исследования динамических процессов в ионосфере / Н. Д. Филипп, Н. Ш. Блаун-штейн, Л. М. Ерухимов и др. Кишинев: Штиинца, 1991. 286 с.

5. Колчев А. А., Шумаев В. В., Щирый А. О. Измерительный комплекс для исследования эффектов многолучевого ионосферного распространения коротких волн // Изв. вузов. Приборостроение. 2008. Т. 51, № 12. С. 73-78.

A. A. Kolchev, D. I. Hober, A. V. Sannikov Mari state university

6. Дополнительные функции ЛЧМ-ионозонда / А. А. Колчев, В. В. Шумаев, А. Г. Чернов и др. // Тр. XVI Междунар. науч.-техн. конф. "Радиолокация, навигация, связь" (RLNC'2010), Воронеж, 13-15 апр. 2010 г. / НПФ "САКВОЕЕ". Воронеж, 2010. Т. 2. C. 797-808.

7. The ionospheric complex "Cyclon" / A. D. Akchyurin, R. G. Minullin, V. I. Nazarenko et al. // Report UAG-104 "lonosonde networks and stations" / World data centre-A for solar-terrestrial physics. Boulder, 1995. P. 35-36.

8. Колчев А. А., Щирый А. О. Оценивание параметров сосредоточенных по спектру помех на выходе приемника ЛЧМ-ионозонда // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 2007. Т. 50, № 5. С. 54-61.

9. Колчев А. А., Щирый А. О. Режекция сосредоточенных по спектру помех при ЛЧМ-зондировании ионосферы // Изв. вузов. Радиофизика. 2006. Т. XLIX, № 9. С. 751-759.

Peculiarities of transformation of concentrated interference in the receiver chirp ionosonde

The features of conversion of the spectrum concentrated interferences in LFM-ionozond's receiver are analyzed. It is shown that the frequency band occupied by concentrated interference, increases and its spectral density decreases after processing in the receiver. It is set that LFM-ionozonds have advantages over pulse ionozonds in the study of ionosphere effects arising near frequency of operation of the concentrated interferences.

LFM- lonosonde concentrated interference, analog-to-digital converter, ionosphere

Статья поступила в редакцию 12 октября 2013 г.