CC BY
14А. С. Ломакова С. В. Русин
кандидат технических наук
Ю. В. Савенкова
ПАО «Интелтех»
ПРИБЛИЖЕННАЯ ОЦЕНКА
СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В КВ РАДИОКАНАЛЕ С ОДНОЛУЧЕВЫМ РАСПРОСТРАНЕНИЕМ РАДИОВОЛН
АННОТАЦИЯ. В статье анализируются причины ограничивающие техническую скорость передачи в КВ радиоканале в наилучших для радиосвязи условиях — при малом уровне шума и однолучевом распространении радиоволн.
Сделан вывод о возможности и целесообразности применения RAKE-приема для повышения качества связи и скорости передачи информации.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: МПЧ, замирания, интерференция, вероятность.
Одной из причин невысокого качества КВ радиосвязи при однократном приеме является многолучевое распространение радиоволн. Каждый луч расщепляется в ионосфере на обыкновенную и необыкновенную волны [1]. Интерференция волн является причиной замираний сигнала и ухудшения качества радиосвязи. Если рабочая частота равна или близка МПЧ, то возникают условия однолучевого распространения, которые являются наилучшими для радиосвязи. В этом случае в пункте приема наблюдаются одна обыкновенная и одна необыкновенная волны, отличающиеся по поляризации и фазе. Авторам посчастливилось относительно долго наблюдать однолучевое распространение сигнала в условиях малых внешних шумов и записать его. Результаты исследования статистических характеристик сигнала позволяют обоснованно предлагать решения по компенсации потерь качества и повышению скорости передачи.
Наблюдение проводилось на радиолинии протяженностью 1072 км Санкт-Петербург — Воронеж на частоте 5 МГц 875 кГц близкой, а в некоторые моменты времени равной МПЧ. Излучение и запись сигнала в режиме «несущая» длилась 1 ч 16 мин (с 4 ч 05 мин до 5 ч 21 мин)
12 апреля 2013 г. Выходная мощность передатчика составляла 15 кВт, КБВ на выходе передатчика — 0.8, передающая антенна типа ЛПА.
Прием осуществлялся приемником SCR 3501 производства фирмы «Schaffner TEST SYSTEMS GmbH», Германия. В качестве приемной антенны использовалась экранированная рамка диаметром 60 см, установленная вертикально на плоской железобетонной крыше 4-этажного здания. Уровень шума в точке приема на протяжении измерений составлял минус 20 дБмкВ. Отчеты принимаемого сигнала записывались с периодом 0,619 с, из них 0,5 с — время интегрирования и 0,119 с — время записи сигнала на жесткий диск компьютера.
Суточный ход МПЧ изображен на рисунке 1 красной линией. Отрезок времени, на котором проводились измерения, выделен на горизонтальной оси. За время наблюдения рабочая частота (синяя прямая линия) близка, а в некоторые моменты времени совпадает с МПЧ трассы.
Лучевая структура трассы во время измерений представлена на рисунке 2. Белой и красной линиями показаны траектории обыкновенной и необыкновенной волн, соответственно.
МЕАА ОБ СОММИШСЛАОМ Iss. 3 (143). 2018
Рис. 1. Суточный ход МПЧ, ОРЧ, НПЧ
Рис.2. Лучевая структура сигнала на время измерений
Задержка необыкновенной волны относительно обыкновенной составляла 0,41 мс.
Зависимость уровня сигнала от времени на входе приемника представлена на рисунке 3 (синяя линия). На этом же рисунке показаны результаты усреднения за 5-ти, 10-ти и 20-ти минутные интервалы (красная, зеленая и черная линии, соответственно). Как видно, уровень сигнала изменяется хаотически на протяжении всех 76 минут наблюдения.
Гистограмма плотности распределения вероятности уровня сигнала представлена на рисунке 4. Для оценки статистических характеристик использовано обобщенное распределение экстремумов (generalized extreme value) или GEV распределение [2] (красная линия), которое наилучшим образом повторяет гистограмму во всем диапазоне значений.
Для исследования свойств стационарности, а также длительности и глубины замираний, время наблюдения разбито на одинаковые интервалы. Найден спектр гармонических составляющих за все время измерений и на каждом интервале.
На каждом интервале плотность распределения также близка к GEV распределению. Статистические параметры сигнала за все время наблюдения и в каждой четверти этого времени представлены в таблице 1.
Как видно из таблицы 1 сигнал характеризуется большим разбросом величин, а статистические свойства сигнала слабо зависят от начала и продолжительности времени наблюдения [3]. Разброс является результатом интерференции обыкновенной и необыкновенной волн.
Преобразование Фурье показало, что период медленных замираний равен примерно половине длительности интервала наблюдения.
Выполнена приближенная оценка скорости передачи информации в радиоканале с одно-лучевым распространением радиоволн. Предельная скорость С (бит/с) передачи информации по Шеннону зависит только от полосы сигнала B (Гц), отношения мощностей сигнал/ шум (S/N) и определяется выражением: С = B^log2 (1 + (S/N)).
Рис. 3. Зависимость уровня сигнала от времени на входе приемника
МЕАА ОБ СОММИШСАТЮМ ЕдШРМЕКТТ. Iss. 3 (143). 2018
Уровень. дБ
Рис. 4. Плотность распределения вероятности уровня сигнала
Таблица 1
Статистические параметры сигнала
д
о
и р
е Пе
е о
й
о Р5 ед
0 Ч н «
1 §
ан ре дн ао вл
ет н о
ед е р
и 5
« « §
е ил
3 я
^ й-е д и « ае
ц
и н
^
а Р
н
N
и
К ГП 8 Ч
е
И §
£2 о
ае д ^
а
I Ц
о ^ рр
П га
ец 8 К
н
а р
и
5
а
х
и
N
ж -
к
й
рс ао гс
н
^ ; ян
е р ос ао
За весь период
8.41
5.48
13,3
1,357*10-4 4,125*10-4
117.78 112.528
122.8 40.4
I четверть
7.02
4.97
12,4
5,158*10-4 1,547*10-3
122.428 117.527
32.3 10.7
II четверть
7.22
3.76
12,9
1,032*10-3
162.656
16.2
III четверть
10.01
3.15
12,5
1,032*10-3
187.532
16.2
IV четверть
9.38
2.76
12,8
1,629*10-3 3,258*10-3
55.424 48.948
10.2 5.1
Воспользовавшись величиной математического ожидания уровня сигнала за время наблюдения (8,41 дБ) находим, что при существовавшем за время наблюдения уровне шума (минус 20 дБ), предельная скорость передачи в стандартной полосе 1000 Гц составляет 9440
бод. Однако скорость передачи информации в радиоканале была ограничена интерференцией обыкновенной и необыкновенной волн. Задержка необыкновенной волны на величину т = 0,41 мс приводит к искажению краев посылок на глубину 0,41 мс. В процентном от-
ношении глубина искажений на краях зависит от скорости передачи. Например, при технической скорости передачи 100 бод искажения составят 4 % по фронту и столько же по спаду. Если потребовать, чтобы каждая посылка имела в середине неискаженную область 20 %, то максимальная скорость составит 1000 бод, т. е. в 9 раз меньше максимально возможной. Дальнейшее повышение скорости приводит к уменьшению неискаженной области и увеличению вероятности ошибки. Чтобы поддерживать неизменным качество приема, потребуется увеличивать мощность излучения.
Компенсировать ухудшение качества связи и повысить скорость передачи можно, если согласовать поляризацию приемной антенны (а в идеале — и передающей антенны тоже) с поляризацией обыкновенной волны. На подвижном объекте это не всегда возможно. В такой ситуации повысить качество КВ радиосвязи возможно на основе цифровых технологий, в частности, с использованием RAKE-приема, но при условии, что лучевая структура сигнала известна и за время передачи сообщения она не изменит-
ся. Проведенный анализ показал, что лучевая структура КВ канала изменяется относительно медленно и за время передачи сообщения ее можно считать постоянной. Лучевую структуру сигнала можно определить по синхронизирующей последовательности, а в дальнейшем ее изменение можно отслеживать в ходе сеанса.
Заключение
Проведенный анализ статистических и лучевых свойств КВ радиоканала показал, что в идеальных для радиосвязи условиях: малом уровне шума и однолучевом распространении радиоволн существуют объективные причины, существенно (в 9 раз) ограничивающие техническую скорость передачи информации. Вместе с тем, при кажущейся хаотичности уровня сигнала, его статистические и лучевые параметры предсказуемы, и могут быть определены в начале и в процессе сеанса связи. Это обстоятельство позволяет использовать цифровые методы обработки сигнала, в частности, RAKE-прием для улучшения качества связи и повышения скорости передачи информации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Долуханов М. П. Распространение радиоволн. Учебник для вузов. — М.: «Связь», 1972. — 336 с.
2. GEVраспределение — http: //www. mathworks. com/ help/stats/generalized-extreme-value-distribution. html
3. Венцель Е. С., Овчаров Л. А. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения. Учеб. пособие для втузов. — 2-е изд., стер. — М.: Высш. шк., 2000. — 383 с.
