CC BY
103
УДК 621.391.2«: 519.233.8
И. И. СЕМЕНОВ Л.И.ТИХОНОВ М. В. БЛБИКОВ
Омский НИИ приборостроения
Омский государственный технический университет
ПУТИ ПОСТРОЕНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ СВЕРХНИЗКИХ ЧАСТОТ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИНАРНЫХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ_
На основе анализа известных вариантов построения систем радиосвязи сверхнизких частот и результатов эксперимента предлагается практический вариант помехозащи-щенной системы радиосвязи с использованием бинарных широкополосных сигналов.
Особенности радиосвязи в диапазоне крайне низких и сверхнизких частот
В соответствии с регламентом радиосвязи самыми низкочастотными диапазонами радиоволн являются декамегаметровый диапазон крайне низких частот (КНЧ) отЗ до 30 Гц (длиной волн 10е— 107м) и мегаметровый — свернизких частот (СНЧ) от 30 до 300 Гц (длиной волн 107 - 106 м).
Радиоволны указанных диапазонов распространяются как бы в своеобразном сферическом волноводе, внутренняя стенка которого представляет собой поверхность Земли, а внешняя — нижнюю границу слоя Д в дневные часы или нижнюю границу слоя Е в ночные часы.
Основным преимуществом данного диапазона частот для связи с подводными аппаратами является малый коэффициент затухания в морской воде и в волноводе «Земля — ионосфера».
Ослабление электромагнитной волны [дБ/м] в морской воде определяется выражением
а(0 = 0,034577. (1)
где ^ выражается в герцах.
Для глубины подводного приема 300 м (требуемая глубина связи с подводными лодками) частоты, превышающие несколько десятков герц, использовать уже нельзя.
Например, для частоты Г = 100 Гц затухание на глубине 300 м согласно (1) составит 90 дБ. При таком резком ограничении наибольшей рабочей частоты абсолютная полоса частот сигналов будет составлять доли герца, и скорость передачи информации будет мала.
Тем не менее сигналы с рабочей частотой ниже 100 Гц проникают в морскую воду настолько глубоко (при излучении мощной передающей радиостанцией), что для их приема на подводном объекте его приемной антенне нет необходимости находиться
на малой глубине. Во-вторых, скорость затухания сигналов в волноводе «Земля — ионосфера» по удалении от передатчика настолько низка, что сигналы данных диапазонов часто могут распространяться по всему земному шару. В-третьих, распространение сигналов этих частот в волноводе «Земля — ионосфера» носят высокостабильный характер, что особенно важно ввиду возникновения искусственных помех в ионосфере. В-четвертых, можно построить передающий комплекс, работающий в упомянутых диапазонах частот, который сможет функционировать после ядерного нападения.
Однако для генерирования таких волн требуется, чтобы передающие радиостанции обладали высокой выходной мощностью.
Учитывая уникальные качества систем радиосвязи этих диапазонов частот, специалисты США и СССР проводили в 1960-80 гг. широкий круг исследований в целях лучшего понимания природных свойств данной области частот и создания конкретных проектов систем связи между стационарными передающими станциями, находящимися на территории США и СССР, и подводными лодками, погруженными в любой точке мирового океана. Комплекс связи США называется «Сангвин», а радиолиния комплекса СССР называлась «Вариация» с передающей станцией под названием «Зевс».
В то же время в диапазоне низких частот 300 — 3400 Гц в Японии и СССР начали разрабатываться малогабаритные устройства речевой радиосвязи с использованием токов проводимости. Работы велись в четырех направлениях. Первые два направления связаны с разработкой устройств речевой связи между аквалангистами и обеспечивающим судном, а также аквалангистами между собой. Основные принципы речевой радиосвязи на токах проводимости для работы в морской воде очень просты. Поскольку рост частоты в данных условиях приводит только к увеличению затухания сигнала, то при этом не требуется устройств переноса спектра речевого
±5Ш(2Я-ДЙ)51П(2Л/СУ) = к'с(/)$т(2л/с1)
± со^2гггуг)со5(2л/сг) -»И/) С05(2Г^С/) + - +
Знак определяется с помощью разряда проверки на четность
Огибающая следующего канального символа
Рис. 1. График одного канального символа
сигнала вверх (амплитудной или частотной модуляции). Поэтому используются сигналы, излучаемые непосредственно с микрофона, усиленные и согласованные с передающей антенной. Технические характеристики радиосвязной аппаратуры этого типа в основном определяются габаритами антенны и мощностью передатчика, которые, в свою очередь, зависят от роста человека и технических параметров батарей (вес, емкость и т.д.), питающих связную автономную аппаратуру аквалангиста.
Третьим направлением разработки аппаратуры подводной электромагнитной связи на токах проводимости является создание радиоканалов аварийной связи между аквалангистами и обеспечивающим судном, атакже между аварийным судном и службами спасения (корабль спасения и аквалангисты-спасатели) .
Четвертое направление — это создание аппаратуры подводной электромагнитной связи для обеспечения буровых работ на морском шельфе, в том числе и подводного бурения.
Особенности и принципы построения систем радиосвязи СНЧ диапазона
Исследования в области практического использования СНЧ диапазона как в нашей стране, так и за рубежом в основном были обусловлены стратегической целью изыскания путей построения эффективной системы радиосвязи с глубоко погруженными подводными лодками (ГППЛ), находящимися в любой акватории Мирового океана.
Работы охватывали широкий круг исследований: измерения условий распространения радиоволн; проектирование передающей системы (сверхмощный передатчики передающая антенна), способной противостоять ядерному нападению; сбор данных о распределении длительности сигналов станции организованных помех.
Уникальные качества систем радиосвязи С.НЧ диапазона частот, способных проникать через толщу морской воды и имеющих малое затухание сигнала при распространении в волноводе «Земля — ионосфера» (» 1 дБ на 1000 км), позволяют скрыть приемную аппаратуру (в том числе приемную антенну) глубоко под водой и стабильно осуществить глобальную связь с помощью одного передатчика.
Ввиду того, что основная доля стоимости всей системы радиосвязи падает на постройку излучающей системы (радиостанции — передатчик и антенна), то в первую очередь необходимо было выбрать оптимальную структуру сигнала, эффективный способ кодирования, позволяющий получить требуемую помехоустойчивость приема сообщения при минимальном отношении сигнал/шум, что при заданных значениях скорости и достоверности в значительной степени определяет стоимость всей системы радиосвязи.
Известно [1], что при выборе способа кодирования сравнение систем радиосвязи производится по пороговому отношению сигнал/шум, который определяется
,2 _1„о (2)
отт
:1п2«0,7
Следует отметить, что блочное кодирование реализуется в широкой полосе, равной
Рг=К-2'
П-1/11
[Гц],
(3)
где Я — скорость передачи информации, бит/с, п — длина блока.
Исследования [1,2,3) показали, что сверточное бинарное кодирование и последовательное декодирование позволяют минимизировать отношение сигнал/шум при ограниченной полосе информационного сигнала и относительно малой сложности декодера.
При выборе структуры сигнала следует учитывать ряд ограничений, основными из которых являются следующие:
а) ограничение сигнала шириной полосы пропускания передающей антенны;
б) для высокомощных передатчиков с большими реактивными нагрузками передаваемый сигнал не должен иметь разрывов непрерывности (фазы).
С точки зрения защиты от преднамеренных (структурных) помех желательно менять параметры сигнала от бита к биту, чтобы станция организованных помех не смогла создать сигнал, аналогичный переданному, что лишает возможности организовать мощность Рп помехи более эффективную, нежели гауссов шум с равномерным спектром в полосе частот Р, занимаемых передаваемым сообщением. Если это будет достигнуто, то станция организованных помех
будет добавлять Рп /V к спектральной плотности шума Ы0.
В этом случае связь осуществляется при заданной скорости передачи информации до тех пор, пока выполняется условие
RP„
N0 + Pn/F N0 + Pn/F \N0 j
треб
(4)
Отношение организованная помеха/сигнал для замедления передачи можно выразить в следующем виде
Рс R(PB/N0).
о /треб
(PB/Nj
о/треб
P./N„
(5)
Выражение (5) показывает, что требуемая мощность станции организованных помех обратно пропорциональна скорости передачи информации. Это означает, что при одной и той же ширине полосы Рс с уменьшением скорости передачи информации необходима большая мощность станции помех.
Требуемая мощность Рп обратно пропорциональна (Рв / N0 )трсб , откуда следует, что эффективно кодируемые системы трудно забить.
Второй член в квадратных скобках выражения (5) — это величина обратная отношению сигнал/шум в отсутствии глушения.
С запасом требуемое отношение помеха/сигнал растет до величины
Р, UJ N„
треб
(6)
^ (п) — сдвиг часто ты на интервале пТс < I < (п +1) • Тс; 1/Тс — скорость переключения частоты.
Излучаемый сигнал на интервале Тс называется дискретом, или «чипом».
Если в выражении (7) выбрать параметры сигнала следующим образом:
1
4ТС 1.
и'ц].
(8)
где 1 — целое число, ДГ = —Тс [Гц), то при правильно 4
выбранном знаке S(t) сигнал не будет иметь разрывов непрерывности (частота всегда изменяется в максимуме или нуле). При этом достигаются максимальная равномерность спектра шумоподобной несущей и максимальная экономия полосы частот.
Несущая частота, девиация частоты и частота псевдослучайной частотной модуляции (количество чипов в единицу времени) жестко связаны между собой. Такая связь этих параметров обеспечивает непрерывность фазы и постоянство амплитуды каждого канального символа.
При этом достигаются максимальная равномерность спектра игумоподобного сигнала и максимальная экономия полосы частот (полоса равна 0,6 от частоты модуляции).
Например, реальные испытания системы радиосвязи проводились на частоте fc =76 Гц с девиацией частоты fA = ±4 Гц, частота псевдослучайной частотной модуляции в 4 раза больше девиации частоты ^псп = fA • 4 = 16 Гц.
На рисунке 1 показана структура описанного сигнала (8 дискретов на каждый канальный символ при 1=4), выраженного формулой (9)
Из выражения (6) видно, что при полосе частот 15 — 20 Гц, занимаемой системой, и скорости передачи информации Я < 1 бит/с требуемая мощность глушения больше чем в 10 раз превышает сигнал.
Вышеперечисленным требованиям, как показано в [1], удовлетворяют сигналы двоичной частотной манипуляции с минимальным сдвигом частоты (ММе). который в общем виде можно записать
S(t) = ±cos 2rt[fc ± Гд(п)]-1, где fc — несущая частота;
(7)
5(1) = ±1со8(2ПДГ)-СО8(211У)]±[51П(271Д()-81П(271Ц)]=
= ±К(1)-соз(2яГг-0]±^г(0-5т(2Ч-1)], (9)
где wc(t) и лу,,^) — серии импульсов с синусоидальными и косинусоидальными составляющими соз(2яДГ • 0 и 51п(2лДГ • I).
Используя помехозащищенную псевдослучайную последовательность для перемены знаков (модулирующих сигналов), получаем псевдослучайную частотную модуляцию.
Сообщен»
Бгаариж емртмюе юднроаито
Бшхпер«'
jttlum&ifHji лврюн
ПОСПЕЩШ.
ФВ ФВ
180* 180*
Дмчкк огоршх часют
Кокнута- Перегас»
тор —9 atmen*
Псеню-епучлшд
тсгаютъ2
Псмдо-спучлшал тюсвдри-таанэстъ 1
Усюипвпь
Сумматор MDigtocm
- 1
Актеннг
Коммута- Переию-
тор зоггеяъ
Скссромкшде СЕВ
(Протр. ус*-*©)
Рис. 2. Передающая часть радиолинии
127
Рис. 3. Приемная часть радиолинии
Поскольку знак сдвига частоты Гд(п) псевдослучаен и известен лишь на передаче и приеме, сигнал Б(0трудно имитировать и, как следствие, трудно организовать имитационную помеху.
Расчеты показывают, что подавление приема узкополосной гармонической помехой, сформированной на несущей частоте, малоэффективно. Ввиду того, что длительность дискрета незначительна — 30—60 мс, то глушение с ретрансляцией ненадежно, ибо времени на обнаружение сигнала и организацию структурной помехи мало даже в том случае, если станция обнаружения находится вблизи передатчика.
Таким образом, ЧТ манипуляция без разрыва фазы (манипуляция минимальным частотным сдвигом) в наибольшей степени противостоит забитию и обеспечивает высокую эффективность использования мощности передатчика.
Следовательно, выбор оптимальной структуры сигнала эффективного метода формирования, а также когерентного приема позволил спроектировать реальную систему радиосвязи с параметрами, близкими к расчетным. В частности, такая система реализована ранее в упомянутом комплексе, выполненном в рамках проекта «Сангвин».
Система радиосвязи «Сангвин» и ее технические средства
На рисунках 2 и 3 показаны функциональные схемы передающих и приемных частей радиолинии.
Из рисунка 2 видно, что информация от источника сообщения поступает в устройство бинарного свер-точного кодирования, где осуществляется избыточное помехоустойчивое кодирование.
Закодированное сообщение поступаете блок образования первичной последовательности. Назна-
чение блока образования (перемешивания) первичной последовательности заключается в следующем.
Во-первых, путем псевдослучайной перестановки обеспечивается устранение групповых ошибок, обусловленных, например, наличием импульсного компонента шума;
Во-вторых, псевдослучайная перестановка осуществляется не в пределах всего сообщения, а в пределах группы элементов закодированного сообщения, то есть блок образования первичной последовательности выбирает первые посылки кодовых групп и производит их перемешивание, затем — вторые и так же производит их перемешивание, и т. д.
Это позволяет декодировать принятое сообщение после приема только части переданного сообщения в зависимости от соотношения сигнал/шум, не дожидаясь окончания сеанса связи.
Важно, чтобы подводные лодки, находящиеся в лучших условиях связи (ближе, на меньшей глубине), произвели прием сообщения как можно быстрее.
После образования первичной последовательности сообщение поступает в модулятор. Каждый канальный символ передается дискретами на частотах нажатия ^ и отжатия 10, чередующихся по псевдослучайному закону. Причем посылкам «0» и «1» соответствует своя псевдослучайная последовательность, заданная программным устройством, синхронизированным по системе единого времени СЕВ.
С целью получения непрерывных колебаний частотная манипуляция получается путем сложения колебаний несущей частоты (синусных и косинусных составляющих или противофазных им), помноженных на синусные или косинусные составляющие частоты манипуляции.
Выбор той или иной временной функции определяется псевдослучайной последовательностью, что обеспечивает имитостойкость сигнала. Сформули-
рованный таким образом сигнал поступает на усилитель мощности и далее излучается передающей антенной.
На приемном конце радиолинии (рисунок 3) принятый сигнал усиливается и подвергается предварительной фильтрации в аналоговой части приемника, которая состоит из малошумящего предуси-лителя, фильтров нижних частот, фильтров верхних частот, режекторных фильтров сети и её гармоник и усилителя с цифровым управлением коэффициентом усиления. Регулировка осуществляется в соответствии с уровнем атмосферных помех, скоростью и глубиной погружения подводной лодки.
Полосовые фильтры выбираются из компромиссных соображений, а именно:
— достаточно широкой полосы для обеспечения максимальной эффективности нелинейной обработки шумов;
— и узкой полосы, необходимой для минимизации частоты выборки, а также уменьшения шумов квантования при АЦП-преобразовании.
Экспериментально выбранная полоса пропускания переселектора составляет 20 — 200 Гц. Расширение полосы пропускания не дает существенного улучшения характеристик приемника.
С выхода аналоговой части приемника сигнал преобразуется в цифровую форму аналогово-циф-ровым преобразователем (АЦП). АЦП имеет 12 разрядов плюс один знаковый разряд, частота выборки равняется 512 Гц.
Кроме АЦП в цифровую часть приемника входят следующие элементы: фильтр нижних частот, обратный океанический фильтр, следящие режектор-ные фильтры, фильтр предыскажений, компенсатор задержки, ограничитель шумов, квадратурные согласованные фильтры, устройство оценки фазы, фазовращатель, устройство восстановления первичной последовательности, устройство последовательного декодирования.
После преобразования в цифровую форму сигнал подвергается нелинейной цифровой обработке с целью устранения импульсного компонента СНЧ шума. Затем сигнал подается на квадратурные согласованные фильтры, где производится оптимальная демодуляция принимаемых канальных символов на фоне нормализованного шума, для чего в качестве опорного сигнала производится оценка фазы канальных символов, с тем чтобы символы проходили с весом, обратно пропорциональным косинусу угла отклонения фазы. Данная операция осуществляется устройством оценки фазы и управляемым фазовращателем.
Взвешенная последовательность канальных символов преобразуется в первоначальную последовательность. Данная операция реализуется устройством восстановления первичной последовательности, осуществляющим операцию, обратную перестановке на передаче.
Устройство последовательного декодирования осуществляет свертку сложения с весом нескольких символов, что позволяет достигнуть высокой надежности при малом отношении сигнал/шум. После осуществления свертки принимается решение по правилу максимума правдоподобия о том, что принятый символ имеет знак «ноль» или «единица». Кроме того, декодер осуществляет ряд вспомогательных операций: реализует заданную методику оценки фазы, осуществляет синхронизацию сообщений (реализуется 3- уровневая синхронизация дискрета, синхронизация проверочных символов и син-
хронизация всего сообщения), обеспечивает оценку достоверности всего сообщения! принимая решение о том, что максимальная вероятность ошибки меньше заданной.
Эксперименты по связи в реальных условиях
С целью проверки возможности функционирования системы радиосвязи в целом была проведена серия экспериментов в реальных условиях.
Прием осуществлялся в реальном масштабе времени надва береговых приемника, атретий был установлен на борту атомной подводной лодки «Tinosa» во время перехода из Неаполя в Нью-Лондон в декабре 1972 г.
В ходе эксперимента сигналы излучались на частоте 76 ± 4 Гц. Передавалось сообщение «От знания к морскому могуществу». Каждый из 20 символов этого сообщения передавался пятиэлементным кодом (код МТК-2). Текст сообщения короткими блоками передавался системой «Сангвин» со скоростью 0,03 бит/с.
База системы составляла В = F • Т = 9,6 ■ 0,03 = 320. На подводной лодке использовалась антенна в виде пары буксируемых электродов. Спиральные электроды имели разнесение 300 м; в развернутом состоянии от точки ввода до средней точки расстояние между электродами составляло 330 м.
Аналоговая часть приемника имела полосу пропускания 20 — 180 Гц. Уровень ограничения устанавливался таким образом, чтобы можно было получить 60%-ное ограничение выборок, что дает наилучшее отношение сигнал/шум в пункте приема.
Частота среза обратного океанического фильтра изменялась от 175 Гц при малых скоростях и глубинах до 100 Гц при увеличении скорости и глубины.
Цифровая часть приемника построена на основе ЭВМ с временем обращения 0,95 мкс. Вся обработка сигнала составляла 30% машинного времени, и 70% машинного времени тратилось на осуществление операции последовательного декодирования.
Регистрация информации производилась телетайпом со скоростью 30 знаков в секунду.
В процессе испытаний передающий комплекс и приемники работали надежно.
Испытания на подводной лодке показали, что передающая и приемная система в целом может успешно работать в реальных условиях при различных скоростях, глубинах и значительных удалениях от передатчика. Расстояние от передатчика составляло свыше 6000 км, скорость движения — от 6 до 16 узлов и глубина погружения — от 85 до 102 м. Излученная мощность передатчика составляла меньше 1 ватта при подводимой к антенне полной мощности около 1МВт.
По материалам зарубежной печати [2,3], при исследованиях и экспериментальных разработках было проанализировано несколько вариантов построения передающих комплексов системы «Сангвин».
Основной вариант передающего комплекса состоит их 100 передатчиков мощностью по 100 кВт каждый, размещенных на антенном поле площадью 75x150= 11250км2, Полная мощность, подаваемая в антенную систему, — 10 МВт.
Передающая антенная система представляет собой ряд ортогональных антенных решеток, состоящих из длинных отрезков горизонтально расположенного изолированного кабеля, концы которых заземлены. Для кабеля используются жилы из алюми-ниево-магниевого сплава сечением 25 мм2. Передат-
чики размещены в узлах пересечения перпендикулярных элементов антенны на глубине 10 м в упрочненных капсулах и соединены антенным кабелем на глубине 1,8 метра с четырьмя соседними станциями.
Каждая капсула содержит два усилителя мощности: один для линии север-юг, другой — для линии восток-запад. Такая система размещения антенны и подключения передатчиков обладает избыточностью, а автоматическая система коммутации восстанавливает антенную решетку, минимизируя полный момент тока, если капсулы или антенные линии будут повреждены (даже ядерным взрывом).
Антенна радиоцентра состоит из длинных отрезков горизонтально расположенного изолированного кабеля, концы которых заземлены.
Известно [ 4 ], что наиболее эффективно излучение электромагнитных волн происходит тогда, когда размеры антенны соизмеримы с длиной волны. Исходя из этого, для излучения, например, на Г = 75 Гц потребовалась бы антенна Ь = 4000 км, что практически нереально, и поэтому кпд таких антенн очень низок пснч »МО"4.
Антенна радиостанции в штате Висконсин представляет собой Х-образную конструкцию, в которой каждое плечо содержит два отрезка кабеля общей длиной 22 км, подвешенных на столбах и заземленных на концах. При подводимой мощности 1 МВт излученная в эфир мощность составляет около 2 Вт.
Антенна в штате Мичиган имеет конструкцию, по форме напоминающую латинскую букву Р, а общая длина ее жесткого кабеля в защищенной оплетке составляет 90 км.
Центр связи с подводными лодками находится в штате Вирджиния, откуда на передающие станции по телетайпным или ЗАС телефонным каналам поступают кодированные команды.
В настоящее время реально действует передающий центр в штате Висконсин, в операторском помещении которого установлены 7 телевизионных индикаторов системы внешней охраны станции, а также цифровые индикаторы, контролирующие различные параметры радиопередающего центра, в том числе силу тока 1А, напряжение иА и рабочую частоту. Для проверки работоспособности передающего устройства производится передача буквенной комбинации. Для однократной передачи 3-знач-ного кодированного сообщения требуется 5 минут.
Расположенная на Кольском полуострове [5] радиостанция СНЧ диапазона «Зевс» имеет антенную систему, представляющую собой две параллельные линии электропередачи длиной 60 км каждая, которые питаются от двух свич-генераторов синусоидального напряжения, установленных у ближних заземлений. Передатчик обеспечивает ток в антеннах до 200 — 300 А в диапазоне частот от 20 до 200 Гц. Коэффициент преобразования (кпд) радиостанции «Зевс» относительно низок 10 й, а это значит, что на каждый ватт излучаемой мощности необходимо затрачивать до 100 кВт мощности передающих генераторов.
Поэтому в [6, 7] предлагаются новые направления в развитии СНЧ радиосвязи. Кроме работы мощных радиостанций для обеспечения односторонней радиосвязи с подводными объектами осуществляется решение задач фундаментальной и прикладной геофизики (изучение глубинного строения земной коры, поиск рудных и нефтяных месторождений, прогноз землетрясений и цунами).
Приемный комплекс подводных аппаратов радиолиний СНЧ диапазона состоит из приемных ан-
тенн и специализированных радиоприемных устройств. Наилучшую эффективность при этом дают буксируемые приемные антенны положительной плавучести. Разработанная антенна по проекту «Сангвин» представляет собой горизонтально буксируемый кабель положительной плавучести общей длиной 500-600 м, в который вмонтированы два электрода. Расстояние между электродами подбирается таким образом, чтобы в наибольшей степени снизить «электрические» помехи, возникающие из-за изменения электрохимической активности (турбулентности) вблизи электродов при движении подводного объекта. Для гашения колебаний последнего электрода антенна заканчивается демпфером, благодаря которому «уменьшаются» «скоростные» помехи, появляющиеся из-за вибрации в магнитном поле движущегося подводного объекта. Так как длина антенны намного меньше длины волны, то диаграмма направленности имеет вид восьмерки. Типичным представителем специализированного радиоприемника СНЧ диапазона является экспериментальный приемник, разработанный в рамках проекта «Сангвин». Блок-схема приемника показана на рисунке 3.
Отличительная особенность приемника состоит в том, что он по своей структуре является приемником прямого усиления. Экспериментальная схема включает в себя большинство функций, которые будут выполняться реальным приемником. Приемник состоит из двух частей: аналоговая часть, предназначенная для первоначального усиления и фильтрации, и цифровая часть приемника, предназначенная для дальнейшей фильтрации, обработки шума, демодуляции и декодирования. Вся цифровая часть выполнена на небольшом компьютере специального назначения. Низкая скорость передачи информации, узкая полоса пропускания позволили достичь желаемых результатов при обработке сигнала, искаженного шумами.
Аналоговая часть состоит из малошумящего пред-усилителя; фильтра нижних частот; фильтров верхних частот; режекторных фильтров, работающих на частоте энерголинии и ее гармоник; дополнительно установленных усилителей и усилителя с цифровым управлением. Полосовые фильтры выбираются из компромиссных соображений между широкой полосой, максимизирующей коэффициент обработки нелинейного шума, и узкой полосой, минимизирующей требуемую скорость взятия выборок и воздействие нежелательных компонентов шумов округления, в котором работает приемник.
Универсальная система фильтров аналогового блока обеспечивает нормальную работу при наличии различных помех. Предварительные усилители защищены экранами от электромагнитных помех силовой сети и механически изолированы от шасси, что исключает вибрацию на частотах, соответствующих его полосе пропускания. Аналоговый входной тракт обеспечивает постоянный коэффициент усиления (не менее 160 дБ) в соответствии с уровнем атмосферных помех, скоростью и глубиной погружения подводного объекта (его приемной антенны).
Сигнал с выхода аналогового блока выбирается и преобразуется в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем ЭВМ, которая и является основой приемника, время выборки определяется по точным часам (по системе единого времени). Такая обработка сигнала при низких скоростях передачи (1 бит информации за 100 секунд) наиболее экономична. ЭВМ имеет память 16 кбит и время обращения 0,95 мкс. Входной сигнал обрабатывается ЭВМ с
учетом скорости, глубины и удельной проводимости подводного объекта, времени суток. Выходная информация регистрируется (обрабатывается) телетайпом со скоростью 303 м/с.
Фильтр низких частот исключает прохождение составляющих шума антенны, фильтр компенсации влияния океана восстанавливает характеристику сигнала и помех, которые искажаются с изменением глубины приемной антенны. Следящие режектор-ные фильтры понижают уровень помех от электродвигателей подводного объекта (подавляют частоту 60 Гц и ее гармоники). Фильтр предыскажений сглаживает спектр атмосферных помех, а ограничитель шумов адекватно понижает уровень шумов. Квадратурные согласованные фильтры восстанавливают как можно больше информации о принимаемом сигнале. Благодаря перечисленным мерам последовательной фильтрации в приемнике получена оптимальная полоса пропускания (около 4-Ю-3 Гц). Устройство оценки фазы (ошибка должна быть минимальной, так как она уменьшает энергию входного сигнала в число раз, соответствующее cos2 фазовой ошибки) оценивает ее из самого информационного сигнала на каждом интервале путем интерполяции. Причиной флюктуации фазы могут быть внезапное изменение глубины подводного аппарата и ионосферные возмущения.
Последовательное кодирование и сверточное декодирование обеспечивают наиболее высокую надежность приема сообщений при низком отношении сигнал/шум.
Синхронизация приемника достигается на трех уровнях: синхронизация дискрета, синхронизация проверочных символов и синхронизация сообщений.
Синхронизация дискрета происходит в пределах части длительности дискрета путем синхронизирования генератора помехозащищенного потока (ПСП) в реальном времени на передаче и приеме (в системе СЕВ). Затем, зная расстояние между приемником и передатчиком, можно компенсировать задержку при распространении.
Синхронизация проверочных символов достигается тогда, когда они начинаются на заранее обусловленных границах дискрета (чипа).
Синхронизация сообщений осуществляется тем, что сообщения начинаются в точно установленное время, известное на передаче и приеме (работа в СЕВ).
Принципиальным элементом СНЧ приема на подводном объекте является антенна с Е-полем, размещенная в длинном плавучем кабеле, расположенном сзади ПЛ. Антенна состоит из пары спиральных электродов, изготовленных из титанового провода и находящихся в контакте с водой. Соединительная линия передачи, скрученная из пары проводов, соединяет электроды с приемником. Типичная плавучесть кабеля равна 0,85. Расстояние между электродами равно 300 м, между передним электродом и точкой развертывания на ПЛ.— приблизительно 625 фут. В качестве стабилизатора используется кабель длиной 250 фут, находящийся за кормовым электродом.
Для наземных приемных станций используется вертикальная антенная решетка, принимающая горизонтальное Н-поле.
Испытания приемника
Аналитическим путем оказалось трудно определить рабочие характеристики, поэтому они, кроме расчетов, определялись экспериментальным методом.
Наличие большого количества параметров приемника и широкого диапазона условий его применения сделало невозможным проведение полной оптимизации всех параметров и условий; инженерная мысль была направлена на выбор правильной методики проведения опытов и на оптимальное применение их результатов при разработке схемы приемника.
Главная цель всех испытаний — подтвердить, что экспериментальный приемник может функционировать в оперативной обстановке и при любом положении подводного аппарата.
Для более полного представления всей схемы приемника некоторые испытания, проведенные на отдельных элементах, необходимо проверить несколько раз. После того как оптимизированы все блоки отдельно, они были собраны в более крупные узлы для дальнейшей оптимизации. Сначала были проведены испытания более крупных узлов. Затем рабочие характеристики были проверены в различных смоделированных условиях и при различных положениях платформы.
Испытания приемника были разделены на две части:
1) испытания по обработке сигнала;
2) испытания элементов, стоящих после согласованного фильтра.
Испытания по обработке сигнала (использовалась сумма записанного атмосферного шума с сигналами ЧТ-манипуляции без разрыва фазы) были проведены на тех программах, которые минимизируют отношение сигнал/шум на выходе согласованного фильтра. Моделировались также эффекты распространения сигнала в толще морской воды, выходы согласованного фильтра и шумы антенны.
Испытания второй группы выполнялись на остальных программах управления: усилением канального символа, устройства оценки фазы, фазовращателя, разделения и последовательного декодера (дешифратора); здесь критерием для определения характеристик является вероятность отказа цикла декодирования.
В испытаниях по обработке сигналов были получены хорошие статистические результаты по отношениям сигнал/шум (данные, соответствующие длительности нескольких сообщений). В испытаниях элементов, стоящих после согласованного фильтра, удовлетворительные оценки вероятности непринятия решения декодером обусловливают необходимость обработки большого количества сообщений.
Заключительная часть конструкции целого приемника была проверена с помощью ряда полевых испытаний, в которых модулированные сигналы передавались с помощью испытательной станции штата Висконсин и принимались в трех местах.
Экспериментальный передатчик ДЛИТ был специально построен ВМФ для изучения эффективности устройств, понижающих (уменьшающих) интерференцию (помехи) в области нахождения передатчика.
\\TTF состоит из двух пересекающихся 14-мильных дипольных антенн, заземленных на каждом конце. Ток антенны достигает 300 А (Рвх « 300 кВт), и хотя измеренная излученная мощность составляла менее 1 Вт, она обеспечивала уровень сигнала приемника на достаточно большом расстоянии от передатчика.
Хотя лабораторные испытания были всесторонними, заключительная демонстрация конструкции целого приёмника была произведена с помощью ряда
Таблица 1
Частота среза, Гц (а) Относительное отношение сигнал/шум, дБ
— (нет нч) -1,9
175 -0,3
150 -0,3
125 0
100 + 0,1
Эксперимент (в) Относительное отношение сигнал/шум, дБ
Режекторный 60 и 120 Гц 0
Ограничитель шума 60%
Глубина 94 м
Ограничитель шума 75% -0,1
Глубина 99 м + 0,2
Глубина 104 м -0,2
(а) - эффект модифицирования частоты среза ФНЧ; (в) - результаты изменений других параметров при частоте среза ФНЧ — 125 Гц
полевых испытаний, в которых модулированные сигналы передавались испытательной станцией штата Висконсин и принимались в трёх местах. Первая серия испытаний проводилась в начале августа 1972 года на о. Плюм (США, Массачусетс), вторая — также в наземных условиях в сентябре 1972 года около Тромсё (Норвегия), третья и наиболее важная — в начале декабря 1972 года на борту действующей ядерной ПЛ США «Тиноса» (SSN-606) при переходе из Неаполя в Нью-Лондон (Коннектикут).
В процессе экспериментов, как ранее упоминалось, испытательная станция штата Висконсин передавала сообщение «От знаний к морскому могуществу» (девиз Военно-морской академии США), используя модулированные сигналы ЧТ манипуляции без разрыва фазы на частоте76±4 Гц. Использовался 5-разрядный код, чтобы преобразовать текст сообщения объёмом 100 бит в типичные короткие блоки, обрабатываемые системой «Сангвин». Ввиду ограниченной мощности передатчика использовалась малая скорость передачи данных — приблизительно 0,03 бита информации в секунду, чтобы получить достаточное отношение сигнал/шум на большом расстоянии от передатчика. В передающих антеннах на направлениях север-юг и запад-восток создавался ток 300 А, и при каждом испытании величина фазы была выбрана таким образом, чтобы максимум диаграммы направленности был ориентирован на приёмник.
Приёмные антенны представляли собой вертикальные с воздушным сердечником рамочные антенны (предназначенные для наземных испытаний), свободно подвешенные с парой электродов с разнесением 300 м для испытаний на ПЛ. Хотя фактические функциональные схемы приёмников были несколько различными в разных пунктах, тем не менее аналоговые НЧ и ВЧ фильтры были аналогичными и имели полосу пропускания между 20 и 180 Гц, заграждающие фильтры, как аналоговые так и цифровые, работали на 60 Гц и её гармониках. В Тромсё присутствие побочных помех на частотах 50 и 17 Гц продиктовало использование более узкой полосы пропускания и дополнительных режекторных фильтров. В большинстве испытаний ограничитель устанавливался так, чтобы ограничивать 60% выборок,
так как обнаружено, что при этом можно получить наилучшее отношение сигнал/шум в приёмнике. При наземных испытаниях нет необходимости в цифровых НЧ фильтрах, но в испытаниях на ПЛ цифровые НЧ фильтры улучшают отношение сигнал/шум. Частота среза такого фильтра изменялась от 175 Гц при малых скоростях и небольшой глубине до 100 Гц при больших скоростях и глубине.
Отличные результаты получены во время испытаний с успешным декодированием посылок на всех приёмных пунктах. Передатчик и приёмник были надёжными в работе и с сигналами станции, излучающей сигналы точного времени. Синхронизация между обеими сторонами поддерживалась в течение длительного времени.
Три группы данных было получено в течение периода поздней ночи и раннего утра, каждая группа — на различной скорости и, следовательно, при разных, незначительно отличающихся глубинах погружения антенны. За исключением последней посылки, отношение сигнал/шум, имеющее величину на 3 дБ ниже номинальной, все сообщение удалось успешно декодировать; причём первые пять сообщений имели значительный запас по отношению сигнал/шум. При этом изменение скорости ПЛ от 6 до 10 узлов обусловливало уменьшение уровня шумов, отражая как увеличение глубины погружения антенны, так и уменьшение уровня атмосферного шума на данной глубине. Изменение скорости от 10 до 16 узлов обусловливало усиление входного шума, включая увеличенный шум антенны и тот факт, что данную составляющую шума можно было теперь сравнить с атмосферным шумом на данной глубине. В течение каждого изменения скорости уменьшалась разница между уровнями входного и эффективного шума, что указывало на возможность сокращения обработки по мере увеличения шума в антенне.
Во время этих испытаний сделаны аналоговые записи входного сигнала компьютера, сигнала на частоте 512 Гц, временного кода, скорости, глубины и коэффициента усиления усилителя с цифровым управлением. Имея такие записи, можно ещё раз обработать данные (при более высокой скорости, чем в реальном времени) в приемнике, причём можно менять параметры приёмника. В таблице 1 показаны некоторые результаты, полученные таким способом, при скорости лодки 13 узлов и глубине киля 400 фут.
В первой части таблицы показано, какой эффект оказывает частота среза ФНЧ на отношение сигнал/ шум. Так как данные соответствуют только одному сообщению, нельзя делать каких-либо общих выводов, но ясно, что именно для этого сообщения использование КНЧ даёт значительное улучшение сигнал/ шум и наилучшей частотой среза является частота в диапазоне от 100 до 125 Гц. Вероятно, это вызвано наличием шума антенны, который (после фильтра, компенсирующего влияние океана) начинает доминировать на входе ограничителя шума.
Вторая часть таблицы 1 показывает эффект модифицирования других параметров приёмника при фиксированной частоте среза 125 Гц.
В таблице 1 показаны результаты повторной обработки одного из сообщений, записанного при скорости 13 узлов и глубине киля 400 фут.
Как запланировано в расчёте, приёмник после запуска не требует ручного управления входными сигналами; соответствующая установка регуляторов усиления и ФНЧ с компенсацией влияния морской воды и заграждающих фильтров производилась без вмешательства оператора. Коэффициенты усиления,
полученные в приёмнике при обработке шума, соответствовали величинам, предсказанным в лабораторных условиях. Дневные изменения фазы, предположительно происходящие, когда на пути передачи происходила смена дня и ночи, постепенно и легко регулируются устройством оценки фазы. Также проводились наблюдения за дневными изменениями эффективного уровня шума; наиболее заметным было увеличение на 10 дБ в Тромсё в период между ранним утром и послеобеденными часами, насыщенными промышленным шумом.
Испытания на ПЛ [ 1 ] показали, что вся приёмная система может успешно работать в реальных условиях с различными скоростями, на различной глубине и большом расстоянии от передатчика. Действительно, несмотря на ограниченное число данных, можно сделать заключение, что результаты испытаний на ПЛ оказались несколько лучше тех, которые следовало ожидать на основании данных береговых испытаний. Вполне возможно, что это объясняется меньшим уровнем искусственных помех.
Таким образом, радиолиния СНЧ диапазона типа «Сангвин», использующая бинарные широкополосные сигналы, является достаточно помехозащищен-ной и эффективной для осуществления надежной радиосвязи с подводными объектами.
Заключение
Проведенные в нашей стране и за рубежом всесторонние исследования в области использования КНЧ и СНЧ диапазонов для осуществления помехоустойчивой радиосвязи с подводными объектами позволили сделать однозначный выводов эффективности применения бинарных широкополосных сигналов при их оптимально выбранных параметрах (сверточное бинарное кодирование, последовательное декодирование, непрерывность фазы сигнала и т.д.).
Серия экспериментов,1 проведенных в реальных
условиях радиосвязи с помощью приемо-переда-ющего комплекса системы «Сангвин», убедительно доказала правомерность этого вывода.
Библиографический список
1. Беристайн С., Барроуз М., Эванс Дж. и др. Дальная связь на крайне низких частотах // ТИИЭР. - 1974. т. 62, №3. С. 5-30.
2. О системе Sanguine дальней СНЧ связи // Судостроение за рубежом,- 1973, №8 (ВО). С. 20-32
3. О системах Sanguine и Seafarer дальней связи командования ВМС США с РАПЛ // Судостроение за рубежом. - 1976, №6 (628). С. 8-11.
. -4, Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. Антенно-фидер-ные устройства. - М.: Сов. радио, 1974. - 536 с.
5. Кононов Ю.М., Жамалетдинов A.A. Системы радиосвязи и мониторинга среды // Радиоэлектроника и телекоммуникации - 21. - М.: ИНФОРМОСТ. -2002. С. 3-5.
6. Семенов И.И. Широкополосные системы радиосвязи: Учеб. пособие. - Омск: Изд-во ОмГГУ, 2002 - 92 с.
7. Семенов И.И., Тихонов А.И. Приемник последовательных многопоэиционных широкополосных сигналов // Омский научный вестник. - 2006, №1 (34). С. 126- 131.
СЕМЕНОВ Иван Иванович, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ОНИИП. ТИХОНОВ Анатолий Иванович, кандидат технических наук, доцент кафедры ЭсПП, секция ПЭ, Омского государственного технического университета.
БАБИКОВ Михаил Васильевич, студент группы ПЭ-522 Омского государственного технического университета.
Статья поступила в редакцию 09.11.06 г. © Семенов И. И., Тихонов А. И., Бабиков М. В.
Информация
Когда заказчик - государство
Высокую оценку качеству исполнения текущего государственного заказа и перспективных направлений новых научных разработок ОАО ОмПО «Радиозавод им. A.C. Попова» дала группа специалистов Министерства обороны РФ и Военной академии связи.
«Реализуемая на предприятии комплексная научно-исследовательская деятельность, современное высокотехнологичное, наукоемкое производство позволяет Омскому радиозаводу решать масштабные отраслевые задачи и реализовывать долгосрочные проекты», - подчеркнул начальник научно-исследовательского центра Военной академии связи Валентин Гель.
Более 90 % объема производства предприятия приходится на государственный оборонный заказ. По итогам 2006 года совет директоров ОАО «Омское производственное объединение «Радиозавод им. A.C. Попова» рекомендовал собранию акционеров утвердить дивиденды по итогам деятельности акционерного общества за 2006 год в размере 200 % по всем видам акций.
