CC BY
73
ОЦЕНКА ИМПУЛЬСНОМ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШИРОКОПОЛОСНОГО ИОНОСФЕРНОГО КАНАЛА С ПОМОЩЬЮ МЕТОДА ОБРАТНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ
Лобов Евгений Михайлович,
старший научный сотрудник, к.т.н., МТУСИ, Москва, Россия, [email protected]
Смердова Елизавета Олеговна,
студент, МТУСИ, Москва, Россия, [email protected]
Ключевые слова: ионосферный канал, частотная дисперсия, широкополосный сигнал, зондирование, дисперсионные искажения.
Известны преимущества применения широкополосных шумоподобных сигналов (ШПС) в системах связи: высокая помехоустойчивость (способность системы связи работать при отрицательном отношении сигнал/шум по мощности в полосе сигнала), электромагнитная совместимость с узкополосными системами связи, возможность разделения абонентов по форме сигнала, разделение многолучевых компонент с последующим суммированием их энергии [1, 2]. С другой стороны, частотная дисперсия, пожалуй, - наиболее существенное препятствие для работы широкополосных радиосистем передачи информации в декаметровом диапазоне. Ионосфера Земли является нестационарной средой распространения электромагнитных волн со свойством частотной дисперсией и сложной помеховой обстановкой, что делает невозможным предыскажение сигнала на передающем конце с целью его адаптации к условиям распространения. В открытой печати публикуется множество работ, посвященных исследованию дисперсионных свойств широкополосных ионосферных каналов, искажениям сигналов, прошедших через ионосферный канал и разработке имитаторов широкополосных ионосферных каналов. Одним из решений проблемы дисперсионных искажений является оценка импульсной характеристики широкополосного ионосферного канала с целью дальнейшей корректировки искажений сигналов или синтеза ансамбля сигналов, согласованных с характеристиками канала. Оценка импульсной характеристики канала может проводиться как с помощью специальных ионозондов, так и непосредственно по принимаемому информационному сигналу радиостанции.
Предлагается использовать метод обратной фильтрации для оценки импульсной характеристики широкополосного ионосферного канала. Для этого рассматривается математическая модель импульсной характеристики широкополосного ионосферного канала в приближении линейной зависимости групповой задержки распространения сигнала от центральной частоты. Качество оценки восстановления импульсной характеристики определяется посредством оценки среднеквадратичного отклонения восстановленной импульсной характеристики для заданных параметров модели и исходной. В качестве излучаемого сигнала используется шумоподобный фазома-нипулированный сигнал с шириной спектра не менее 1 00 кГц. Приведены кривые оценки среднеквадратического отклонения восстановленной импульсной характеристики от модельной и отдельные значения, полученные в ходе моделирования.
Для цитирования:
Лобов Е.М., Смердова Е.О. Оценка импульсной характеристики широкополосного ионосферного канала с помощью метода обратной фильтрации // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2017. Том 1 1. №3. С. 24-27.
For citation:
Lobov E.M., Smerdova E.O. (2017). Broadband ionospheric channel impulse response estimation using the method of reverse filtering. T-Comm, vol. 1 1, no.3, рр. 24-27. (in Russian)
T-Comm Том 1 1. #3-20 1 7
Расширение спектра используемых сигналов позволяет увеличивать Скорость передачи информации, снижать их спектральную плотность мощности, а также увеличивать разрешение но дальности для радиолокационных систем. Частотная дисперсия ионосферного канала является наиболее существенным препятствием для расширения спектра сигналов, используемых в системах радиотехнических системах декаметрового диапазона. Как правило, такие системы работают в полосе частот, не превышающей 50 кГц, в которой дисперсионные искажения используемых сигналов не оказывают существенного влияния на качество связи. В полосе свыше 100 кГц дисперсионные искажения приводят к ощутимым потерям.
Бороться е дисперсионными искажениями можно, например, компенсацией их на приемной стороне. Однако для этого необходимо обладать адекватной моделью ионосферного канала, учитывающей эти искажения, и актуальной информацией о реальном канале. Перечисленное следует использовать для разработки и настройки алгоритма компенсации дисперсионных искажений. В печати можно найти множество работ, посвященных исследованию дисперсионных свойств широкополосных ионосферных каналов, искажениям сигналов, прошедших через ионосферный канал, разработке имитаторов широкополосных ионосферных каналов и методов коррекции дисперсионных искажений [3-12].
В задаче оценки импульсной характеристики (ИХ) ионосферного канала в упомянутых работах не был принят во внимание метод обратной фильтрации. Полученная оценка импульсной характеристике канала может быть использована как для верификации предлагаемых моделей ионосферного канала, так и для получения актуальной априорной информации о состоянии канала вдоль определенной трассы. При этом, оценка может производиться как с использованием ион озон да, так и без него, - когда оценка ИХ осуществляется непосредственно но сигналам передачи информации (по известной части радиограммы, например, но синхронизирующим преамбулам).
Оценим возможность применения указанного метода При использовании широкополосных шумонободных фазомани-пулированных сигналов. В качестве модели канала с частотной дисперсией примем модель, изложенную в [3]. Импульсная характеристика канала с дисперсий для сигналов с финитным спектром может быть записана в форме
h(t)— Нп
4ъ>
-{[CXzifrCO,)] -/[SXz,) -Sfo)]}
(1)
¥J) ~ <PU),) + 2*'(/„)(/ - f„) + *s(f ~ f„ f • (2)
Из (2) можно линейную зависимость времени группового запаздывания от частоты — ДХ:
<W)
(3)
2/Т df
где T(f ) - групповая задержка распространения сигнала на
рабочей частоте на граесе. Модель ИХ в форме (1) применима в условиях однолучевого распространения сигнала. В условиях мнноголучевости, полная ИХ канала может быть представлена в форме:
где Nr: - количество многолучевых компонент, принимаемых в ipyiiiiOBOM сигнале, l\(t) - парциальная ИХ канала, определяющая отклик канала для одной многолучевой компоненты. Функции h (t) определяются по (1) с тем лишь отличием, чю для каждой компоненты дисперсионные искажения, определяемые s наклоном ДХ S- , и задержки распространения на рабочей частоте r,(fp) отличаются. Примем
далее для простоты однолучевый сценарий.
Оцифрованные отсчеты сигнала на выходе канала у(т) могут быть записаны в форме:
у(т) - .v(m) * h{rn) + п(т) , (5)
где т - дискретное нормированное время, I -тТ , Т - интервал дискретизации, * - операция дискретной свертки, h(m) - отсчеты ИХ канала определяемые по (I) в моменты времени t = mT, «{/«) - отсчеты аддитивного шума. Учитывая, что реальный сигнал обладает конечной длительностью, можно перейти от отсчетов во времени к коэффициентам Д11Ф в форме;
Y(k) = X(k)tl(k)+N(k), (6)
где к - дискретная нормированная частота. При переходе от (5) к (6) предполагается соблюдение всех правил вычисления линейной свертки через циклическую посредством
ДПФ (в приближении конечности во времени /?(m)). Откуда можно получить выражение для оценки ИХ канала методом обратной фильтрации:
,■ , . I v w
hM(ni)-— > --с
■ Nhm)
4
nu{ .m
В выражении (1) приняты обозначения 4 [мкс/МГц] -наклон дисперсионной характеристики (ДХ) канала, /') -ФЧХ канала, г(Г) 1мкс| - групповая задержка как функция частоты, ц - амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) канала, принятая постоянной в финитной полосе частот сигнала, ~ = -!-(/„))-> г, = л/ТП(/ - т(/р)}+-/ТЛ&г, А/ — ширина спектра сигнала, ( [МГц] - рабочая частота, £(-) - интегралы Френеля [13]. В модели предполагается, что фаз о-частотная характеристика (ФЧХ) канала <р(/) ограничена двумя членами ряда Тейлора относительно рабочей частоты у (что соответствует трассам средней протяжённости > 1000 км):
)tk j jv— | Zsmk
*-Уна)с v ' ми
(7)
где N - количество коэффициентов ДПФ.
Качество оценки ИХ количественно можно оценить через дисперсию оценки мгновенных значений отсчетов ДПФ:
1 tf'£¿4 (¿¿J
(8)
=ЛУ
N-b1
Х(к2)
Усредняя (8) по ансамблю реализаций шумовых отсчетов получаем:
1 £=! N
"" Л' 1 1
(9)
где - спектральная плотность мощности шума. Для удобства перейдем ОСШ оценки ИХ:
T-Comm Vol. 1 1. #3-201 7
5Л'Л,Г ----(Ю)
причем Е. не зависит от коэффициента наклона ДХ .V, так как он не является энергетическим.
В качестве примера примем следующие параметры для расчета:
• длина псевдослучайной последовательности фазо-манипулированного сигнала: 2047;
• ширина спектра сигнала А/' — 400 кГц;
• коэффициент наклона ДХ $ =120 мкс/МГц. Оценим ОСШ восстановления ИХ канала для заданных
параметров и различном отношении энергии сигнала к спек- Е тральной плотности мощности шума —
so- SNRh. дБ
о Теория Эксперт си: У /
3020 - X
/
100- У
/ дБ ■ ■
Л-'-1-'-1-'-1-'-1-'-г-
0 10 20 30 40 50
—i-1-1-I-1-■-1-■-1-■-г
-30 -20 -10 0 10 20
Р/Р„, дБ
Рис. 1.0СШ оценки ИХ
I, мкс
Рис. 2. Модель ИХ м восстановленная ИХ
На рисунке I приведена кривая SNRh, На нижней оси
абсцисс приведены значения отношения средних мощностей сигнала и шума в полосе 400 кГц. На рисунке 2 приведены
фрагменты ИХ, построенной по (1), и восстановленной но
(7) при ^ = 33дБ и ^- = 0дБ ■ N Р
'"о гп
Полученные выражения и проведенные рассчеты ло ним показывают, что качество оценки ИХ, численно измеряемое отношением сигнал/шум восстановления не зависит
от коэффициента наклона ДХ .ч , Качество оценки также линейно зависит от ОСШ на входе алгоритма. Представляет интерес использовать рассмотренный в настоящей работе алгоритм для оценки ИХ реальных каналов по записям оцифрованных сигналов из эфира.
1. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами -М.: Радио и связь, 1985. 384 с.
2. К'учумов А.А.. Припутан B.C., Николаев А.В. Реализация на ПЛИС алгоритма оптимального сложения для систем широкополосной связи // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт, 20)1, №11. С.58-59.
3. Иванов Д.В. Методы и математические модели исследования распространения а ионосфере сложных декаметровых сигналов и коррекции их дисперсионных искажений. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2006. 266 с.
4. Gherni V.E., Zernov N.N.. Strangeways li.J. HF Propagation in a Wideband Ionospheric Fluctuating Reflection Channel: Physically Based Software Simulator of the Channel // Radio Seicnec, 2005, Vol. 40, № 1, doi: 10.1029/2004RS003093.
5. Yang Cuo. Ke Wang. Л Real-Time Software Simulator of Wideband 111- Propagation Channel // International Conference on Communication Software and Networks. 2009. I'p. 304-308.
6. Vogler L.E.. Hoffmeyer J.А. A model for wideband I IF propagation channels// Radio Science. 1993. Vol. 28, №6. Pp. 1131-1142.
7. Lernmon, J.J.. Mastrangelo J.F.. Vogler L.E.. Hoffmeyer J.A.. Pratt L.E.. Behm C.J. A new wideband high frequency channel simulation system II IEEE Transactions on Communications. 1997. Vol. 45, № 1. Pp. 26-34.
8. Wideband HF Channel Simulator Considerations [Электронный ресурс] / Harris Corporation at High Frequency Industry Associations (HFIA) meeting. 2009. 12р. Режим доступа: http://www.hfindustry.com/ meelings_preseniaiions/presentalion_materials/2009_sept_h 11a/ Presen t a-tions/hfia_sept_2009_wbehsim.pdf. - Дата обращения: 16.09.2012.
9. Wideband I IF Channel Simulator Considerations and Validation Discussions [Электронный ресурс] / Harris Corporation at High Frequency Industry Associations (HFIA) meeting. 2009. 12р. Режим доступа: http://www.hfindustiy.com/meetingsjresentatiQiis/presentation_ri4ateri als/2010_feb_hfia/presentations/W BCHSIM.pdf. Дата обращения: 16.09.2012.
10. Oian Xiang. Can Liang-Cai. Jiang Sen. Design and implementation of a wideband HF channel simulator // Wuhan University Journal of Natural Sciences. 2004. Vol, 9, № 2. Pp. 220-224.
11. Yau, K.S. The Fading of signals Propagating in the Ionosphere for Wide Bandwidth High-Frequency Radio Systems: Ph.D. Thesis. Adelaide: University of Adelaide. 2008. 253 p.
12. Lan-lan Zhang. Yan Zliao-wen. Modeling of wideband HF ionosphere channel and research on its equivalent characteristics // 3rd IEEE International Symposium on Microwave, Antenna, Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications. 2009. Pp. 161-164.
13. Корн Г.А.. Корн T.M. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Определения, теоремы, формулы 6-е изд., стер, СПб.: Лань, 2003. 831 с. ISBN 5-8114-0485-9
Л нтература
T
COMMUNICATIONS
BROADBAND IONOSPHERIC CHANNEL IMPULSE RESPONSE ESTIMATION USING
THE METHOD OF REVERSE FILTERING
Evgeny M. Lobov, MTUCI, Moscow, Russia, [email protected] Elizaveta O. Smerdova, MTUCI, Moscow, Russia, [email protected]
Abstract
There are advantages of using broadband noise signal (NLS) in communication systems: high noise immunity (ability of a communication system to operate at a negative signal / noise power in the signal band), electromagnetic compatibility with narrowband communications systems, the possibility of separating the subscribers in the form of the signal, the separation of multipath component followed by summing their energy. On the other hand, the frequency dispersion, perhaps - the most significant obstacle to the operation of broadband radio transmission of information in the decameter range. The ionosphere of the Earth is a non-stationary environment of propagation of electromagnetic waves with a frequency dispersion property and hard noise environment that makes it impossible to pre-emphasis signal at the transmitting end for the purpose of its adaptation to the propagation conditions. In the open press published numerous works devoted to the study of ionospheric dispersion properties of the broadband channels, distortion of signals passing through an ionospheric channel simulators and development of broadband ionospheric channels.
One solution to the problem of dispersion distortions is to assess the impulse response of the ionospheric channel broadband to further correct the distortion of signals or signal synthesis band agreed with the channel characteristics. Estimation of the channel impulse response can be done either by means of special ionosondes and receives the information directly from the radio signal. We propose to use the inverse filtering method for estimating the impulse response of the ionospheric broadband channel. To do this, a mathematical model of the impulse response of the ionospheric broadband channel for the linear dependence of the group propagation delay of the center frequency of the signal. Quality assessment of the recovery of the impulse response is determined by estimating the standard deviation of the recovered impulse response for the given parameters of the model and the original. The radiated signal is used as a noise-like phase-shift keyed signal with a spectral width of at least 100 kHz. Curves estimation of the standard deviation of the recovered impulse response model and the individual values obtained in the simulation.
Keywords: ionospheric channel, frequency dispersion, broadband signal, sensing, dispersion distortion. References
1. Varakin L.E. (1985). Communication system with noise-like signals. Moscow: Radio and Communications, 384 p. (in Russian)
2. Kuchumov A.A., Priputin V.S., Nikolaev A.V. (201 1). The implementation on FPGA for the optimal summation algorithm broadband systems // T-Comm, no. 11, pp. 58-59. (in Russian)
3. Ivanov D.V. (2006). Methods and mathematical models of propagation in the ionosphere research complex HF signals and correction of dispersion distortions. Yoshkar-Ola: MarSTU, 2006. 266 p. (in Russian)
4. Gherm V.E., Zernov N.N., Strangeways H.J. (2005). HF Propagation in a Wideband Ionospheric Fluctuating Reflection Channel: Physically Based Software Simulator of the Channel. Radio Science, vol. 40, no. 1, doi:l0.l029/2004RS003093.
5. Yang Guo, Ke Wang. (2009). A Real-Time Software Simulator of Wideband HF Propagation Channel. International Conference on Communication Software and Networks, pp. 304-308.
6. Vogler L.E., Hoffmeyer J.A. (1 993). A model for wideband HF propagation channels. Radio Science, vol. 28, no. 6, pp. 1131-1142.
7. Lemmon J.J., Mastrangelo J.F., Vogler L.E., Hoffmeyer J.A., Pratt L.E., Behm C.J. (1 997). A new wideband high frequency channel simulation system. IEEE Transactions on Communications, vol. 45, no. 1. pp. 26-34.
8. Wideband HF Channel Simulator Considerations. (2009). Harris Corporation at High Frequency Industry Associations (HFIA) meeting. 12 p. http://www.hfindustry.com/meetings_presentations/presentation_materials/2009_sept_hfia/Presentations/hfia_sept_2009_wbchsim.pdf.
9. Wideband HF Channel Simulator Considerations and Validation Discussions. (2009). Harris Corporation at High Frequency Industry Associations (HFIA) meeting. 1 2 p. http://www.hfindustry.com/meetings_presentations/presentation_materials/2010_feb_hfia/presentations/WBCHSIM.pdf.
10. Qian Xiang, Gan Liang-Cai, Jiang Sen (2004). Design and implementation of a wideband HF channel simulator. Wuhan University Journal of Natural Sciences, vol. 9, no. 2, pp. 220-224.
1 1. Yau, K.S. (2008). The Fading of signals Propagating in the Ionosphere for Wide Bandwidth High-Frequency Radio Systems: Ph.D. Thesis. Adelaide: University of Adelaide. 253 p.
12. Lan-lan Zhang, Yan Zhao-wen (2009). Modeling of wideband HF ionosphere channel and research on its equivalent characteristics. 3rd IEEE International Symposium on Microwave, Antenna, Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications, pp. 161-164.
1 3. Korn G.A., Korn T.M. (2003). Mathematical Handbook for Scientists and Engineers. Definitions, theorems, formulas. 6th Edition, St.-Petersburg: Doe, 831 p. ISBN 5-81 14-0485-9 (in Russian)
Information about authors
Evgeny M. Lobov, Senior researcher, c.t.s., MTUCI, Moscow, Russia Elizaveta O. Smerdova, Student, MTUCI, Moscow, Russia
