CC BY
107
УДК 621.391.26: 519.233.8
И.И. СЕМЕНОВ А.И. ТИХОНОВ М.В. БАБИКОВ
Омский НИИ приборостроения
Омский государственный технический университет
РАДИОЛИНИИ СВЕРХНИЗКИХ ЧАСТОТ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МНОГОПОЗИЦИОННЫХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ РАЗВИТИЯ_
На основе расчета энергетических параметров, определяющих помехозащищенность и надежность известных систем радиосвязи сверхнизких частот, а также результатов эксперимента показана перспективность радиолиний с использованием многопозиционных широкополосных сигналов.
Энергетики сверхнизкочастотных радиолиний.
В соответствии с 111 надежное функционирование радиолинии сверхнизкочастотного (CH4J диапазона, осуществляющей радиосвязь с подводными объектами. в первую очередь зависит от мощности передающей станции, создающей приемлемую напряженность поля в пункте приема.
Для объекта, например, подводной лодки (ПЛ), погруженной на глубину h, величина напряженност и ноля в морской воде определяется формулой 111
^=Еи)|^е-в'"[мкВ/м|, (1)
где е0 — диэлектрическая проницаемость свободною пространства;
- коэффициент затухания в морской воде, дБ/м;
0 — электропроводность морской воды, Сим/м = 1/ Ом'м.
Напряженность электромагнитного поля Еинад поверхностью воды в формуле (]} определяется соответственно:
е., -1 j2^ ÎI L M к в
2 V с H,^ ^ja-sin^c l~l (2)
где йо =4s'10"7 - магнитная проницаемость воздуха, Гн/м;
с = 3' 108 - скорость света, м/с;
ст3 - эффективная электропроводность грунта, 1/
Ом'м;
f - частота колебаний электромагнитной волны, Гц;
1 - ток в антенне передатчика, А;
D - коэффициент усиления антенны; 6 Л — коэффициент атмосферного затухания, дБ/м; г - расстояние между передатчиком и приемником, м;
а = 6.37*105 - радиус Земли, м; О - угол поворота диаграммы направленности антенны передатчика относительно приемной антенны;
Н, - высота ионосферы, м; L - эффективная длина антенны передатчика, м;
В таблице I приведены расчетные данные, отражающие зависимость напряженности поля Е?1 в морской воде в функции от глубины погружения h объекта для радиопередатчика, аналогичного экспериментальному передатчику СНЧ диапазона типа «Сангвин» |2|, при следующих исходных параметрах:
- полная мощность, подаваемая в антенную с истому Р0 = 10 М Вт;
- КПД антенной системы t] >10 4;
- параметр излучения антенны j. l = 1,1 10"' Л/м;
- коэффициент усиления антенны D = 1.5:
- эффективная электропроводность грунта CS-J = 1.2 101/Ом'м;
- коэффициент атмосферного затухания 64(день) = 0,176-10"6 ДБ/м и 6а (ночь)=0.92-10"6 дБ/м (данные таблицы для ночи);
- высота ионосферы Н,(день) = 5,510* м и Н,(ночь) = 8 104 м (данные таблицы для ночи);
- частота излучения г = ?5Гц;
- электропроводность морской воды о = 3. Л. 5,6 1/Ом'м;
- расстояние между передатчиком и приемником г = 200 км .
Данные таблицы 1, а также дальнейшие расчеты показывают, что с увеличением элек тропроводности морской воды глубина уверенного приема уменьшается. При этом уверенный прием сообщений, характеризующийся коэффициентом защиты
Еп
достигается до глубины 150 м и дальности связи до
Таблица I
h. м с .мкВ/м
<7=3 1/Ом'м О = 4 2/Ом'м с = 5 о = б 1/Ом'м 1/Ом'м
50 0.0577 0.033 0.03 0.027
100 0.0069 О.СОб 0.0053 0.005
150 0.0003 0.0011 0.00097 0.0000
200 O.OÛÛ29 0.0002 0.00018 0.00005
10 гыс. км при нормированном указанном соотноше-сигнал
НИИ
= ЗдБ.
помеха
Расчеты также показываютсущественную зависимость дальности связи от величины рабочей частоты, которая должна быть выбрана оптимальной. Это объясняется тем. что ослабление уровня напряженности ноля уменьшается с понижением частоты, что оправдывает переход на более низкие частоты, однако при этом возрастает уровень атмосферных помех и к тому же излучаемая мощность пропорциональна самой частоте.
Наличие таких противоречивых факторов требует выбора такой оптимальной частоты, при которой достигается поддержание постоянства упомянутого сигнал
соотношения -. Исследования показали, что
помеха
для дальности связи от 5000 км и выше оптимальными являются рабочие частоты 150, 75 и 50 Гц соответственно.
Крометого для обеспечения надежной подводной связи проведены экспериментальные исследования зависимости глубины погружения(Z2 -Z,)M -&ZM (в метрах) приемной антенны (т.н. «глубины радиосвязи") от величины излучаемой мощности передатчика, которая определяется формулой 13]г
(7 7 ) - 20 г
— (дБ},
(3)
11а основании (3) вычислены глубины погружения Л2И в морскую воду приемной антенны для различных частот от соотношения увеличения мощности ЛР
р ~ аг передающего устройства. Результаты расчета приведены в таблице 2.
Эти расчеты показывают, что на частотах от 100 до 200 Гц увеличение мощности передатчика в 2 раза увеличивает «глубину радиосвязи» примерно на 5 м. Б настоящее время, когда мощности передающих радиостанций достигли десятков МВт и приближаются к предельно допустимым, дальнейшее их увеличение становится невозможным, то есть увеличение «глубины радиосвязи» за счет увеличения мощности передающих станций является тупиковым путем. Поэтому необходимо искать другие пути увеличения «глубины радиосвязи».
Анализ показывает, что другой путь повышения эффективности радиолиний СЫЧ диапазона заключается в выборе оптимальных сигнально- кодовых конструкций, совершенствование их методов формирования и обработки.
Таблица 2
Частота (.Гц Зависимость, отраженная формулой |3] Д2М " ([ЛР)- Аб
32.6 4ДР
93.3 ЗДР
135 2.5ДР
210 2,ОДР
Предпосылки и обоснование перехода от бинарных к многопозиционным ШПС.
В (21 описана система радиосвязи СНЧ диапазона типа «Сангвин», использующая бинарные ШПС. Однако наряду с отмеченными положительными качествами данной системе свойственны ряд недостатков, основными из которых являются:
1)относительно низкая помехоустойчивость к преднамеренным помехам, свойственная бинарным сигналам;
2)ухудшение эффективности сверточнош кодирования при передаче коротких сообщений;
3)ненолная автоматизация процесса передачи и приема информации.
Известно П|, что при выборе способа кодирования сравнение систем радиосвязи производится по
величине порогового отношения шум , которая определяется
,2
>0МИ1I
= !п2
г<тг
N..
(4)
гдеРс иТг - средняя мощность сигнала и длительность его посылки; N0 - спектральная плотность шума.
С другой стороны, скорость передачи сообщения равна
L> 1o92 М
к = -^г— [бит/с],
'с
(5)
где М - основание кода.
Из выражения {5) видно, что переходе основания кода М = 2 к основанию кода М>2 увеличивает Ьо.
Например, переход отМ = 2 к М = 256 увеличивает длительность посылки сигнала в 8 раз, во столько же раз увеличивается отношение )>£, что эквивалентно увеличению «глубины радиосвязи» (глубины приемной антенны) на -10 м на частоте сигнала ( = 50 — 100 Гц.
В период освоения С.ПЧ радиоканала в 60-80 гг., когда возможность передачи и приема СНЧ сигналов оставалась проблематичной, теоретические и экспериментальные исследования были направлены на изучение простых {узкополосных) сигналов.
В настоящее время в связи с освоением новых цифровых технологий и серьезных исследований (3,41 появилась возможность перехода от простых сигналов к широкополосным последовательным многочастотным (ПМЧ) сигналам путем сравнительно несложной модификации отдельных блоков и программ в приемнике и возбудителе переда тчика при использовании машинных методов формирования и обработки. При этом предполагается работа как в узкополосном, так и широкополосном режимах, причем простые (узкополосные) М-позицион-ные сигналы, называемые также МЧТ (многочастотной телеграфией) рассматриваются как частный случай сложных (широкополосных) ПМЧ сигналов, когда сигналы за их длительность излучаются на одной и той же у й (] = 1,2,3...) частоте, соответствующей к- ому информационному символу.
Автоматизированная СНЧ радиолиния с ШПС ПМЧ сигналами.
Особенностью этой радиолинии является наличие цифрового блока защиты от импульсных помех с плавающим порогом, эффективно ограничивающем
уровень импульсных помех, превышающих огибающую смеси сигнала и импульсной помехи п определенное количество раз.
На рис. 1 и 2 изображены передающий и приемный концы одного из перспективных вариантов такой радиолинии, предложенной в [3|. Радиолиния функционирует по следующему алгоритму.
Из рисунка 1 видно, что передающее устройство связывается с оперативным командным пунтом (ОКП) обычными проводными каналами «низовой связи». От источника информации сообщение поступает в наборно-печатающее устройство (НПЧУ), п котором по заполнению его памяти формируется команда «готовность», поступающая далее через устройство сопряжения и канал низовой связи на программное устройство (Г1У) передающего центра. По этой команде включаются возбудитель и все узлы передающего устройс тва, которые настраиваются на заданную рабочую частоту.
После готовности передатчика к работе ПУ выдает сигнал «Запуск», который через устройство сопряжения передающею центра по каналу низовой связи поступает в устройство сопряжения и программное устройство (ПУ} пункта управления {ОКП}. По одной из меток времени системы единого времени (СЕВ) ПУ ОКП включает сигнал «Запуск НПЧУ». По этой команде начинает вырабатываться текст телеграммы с заданной скоростью, после чего готовая информация через датчик перестановки (перемешивания)
символов по определенному правилу {ПСП-2) поступает на блок образования первичной последовательности с той скоростью, с которой сообщение будет передаваться по радиоканалу. Перемешивание в пределах одной телеграммы осуществляется с целью устранения групповых ошибок, обусловленных импульсными компонентами помех и одновременно для засекречивания сообщения. Данный процесс в ПСП-2 производится по псевдослучайному закону в строгом соответствии с текущем временем СЕВ. Преобразованная и засекреченная последовательность импульсов посредством канала низовой связи через устройства сопряжения поступает на преобразователь кода передающего центра, который поступившее сообщение преобразует из бинарного кода М = 2 в многопозиционный код М>2, что позволяет существенно увеличить помехоустойчивость радиолинии. С выхода преобразователя кода сообщение поступает на модулятор {манипулятор), в котором производится выбор сигнала для передачи каждого очередного символа по псевдослучайному закону, известному только на передаче и приеме. Этот закон задается датчиком ШПС блока ПСП-1 передатчика на основе констант текущего времени СЕВ, подаваемых от программного устройства, и принципов линейного программирования. В зависимости от значения М-позиционного кода на выходе модулятора происходит выбор того или иного символа. С выхода модулятора сигналы поступают на возбуди-
Рис. I. Блок-схема перелающей части помехозащшценной автоматизированной системы связи
Приемная антенна
РПУ —
АЦП
СО
Решаемая Прес£р.
схема 4 4 года и/2 ->
Устройство песстаное. переичмси последов
СПОК
задающей последов ат.
I
Рис. 2. Блок-схема приемной части помехозащищснной автоматизированной системы связи
91
тель и через усилитель мощности — и антенную излучающую систему передатчика.
Приемная часть радиолинии.
На приемном конце радиолинии (рис.2) прием осуществляется с помощью радиоприемного устройства (РПУ), настроенного на рабочую частоту радиопередатчика с помощью программного устройства в соответствии с текущем временем СЕВ и имеющего полосу пропускания, равную ширине спектра передаваемого широкополосного сигнала (ШПС).
С выхода усилителя промежуточной частоты РПУ сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), имеющий 13 разрядов плюс разряд знака. АЦП является составной частью линейного цифрового устройс тва обработки сигналов, осуществляющего процесс демодуляции и свертку этих сигналов в виде гармонического колебания. Свертка достигается благодаря тому, что принятый сигнал перемножается с М-копиями переданных символов. Выбор М-копий из большого набора (256 копий) алфавита осуществляется в блоке ПСП-1 псевдослучайной последовательностью, аналогичной последовательности передатчика. Выбор принятого сообщения производится решающей схемой, с выхода когорой принятый М-позиционный код преобразуется в бинарную последовательность с помощью преобразователя кода М/2. Далее бинарная последовательность рассекречивается и восстанавливается в первоначальном виде посредством ПСП-2 и устройства восстановления первичной последовательности. Восстановленная последовательность поступает на устройство логическою (или когеретного) сложения, в котором производится оценка достоверности принятого сообщения и сравнение ее с заданной достоверностью, величина которой устанавливается в блоке задания пороговой достоверности (блок задающей последовательности). При повышении пороговой достоверности сообщение поступает в датчик 1 дешифратор) адреса, в котором сравнивае тся поступившая адресная часть телеграммы с адресом абонента, хранящегося в задатчике адреса (блок «Адрес»). При совпадении адресов формируется команда выхода текста на печать в наборно -печатающее устройство (НПЧУ). Введение устройства сложения алгоритма повторения сообщения позволяет уменьшить среднее время доставки сообщения для объектов с большим отношением Рс/Рп (сигнал/помеха) в пункте приема, что имеет место при малой близости передатчика, малой глубине погружения объекта, максимальной направленности приемной антенны на излучатель и т.д., тем самым существенно повышается помехоустойчивость повторяющихся (разнесенных почастоте или по времени) сообщений.
Таким образом, предлагаемая модернизированная радиолиния с ШПС ПМЧ сигналами отличается от таковой с бинарными ШПС относительно несложной модификацией за счет разработки дополнительного оборудования с требуемыми характеристиками.
Так. на ОПК и передающем центре вводятся соответствующие устройства сопряжения с каналами низовой связи, а непосредственно в передатчике-два преобразователя: бинарного кода в многопозиционный (из М = 2 в М>2) и наоборот - многопозиционного кода в бинарный (из М>2 в М = 2), а также устройство сложения повторяющихся копий сообщений. блок задания адреса и дешифратор адресов.
Основные требования к радиолинии СНЧ диапазона и перспективы их развития.
Анализ радиолиний СНЧ диапазона «Сангвин» (США) и «Вариация» (Россия) позволяет сформулировать к ним требования и определить пути их дальнейшего совершенствования. Основной целью совершенствования при этом является повышение эффективности функционирования радиолинии, то есть повышение пропускной способности и помехозащищенности. В перспективе намечаются два пути такого совершенствования: модернизация существующих радиолиний и построение новых радиолиний с использованием современных эффективных алгоритмов, элементной базы и высокопроизводительной технологии. При этом основные требования к радиолиниям СНЧ диапазона сводятся к следующему.
1. Высокая помехозащищенностьпри воздействии как естественных помех, так и искусственных (преднамеренных) помех при малых энергетических и удельных затратах полосы на передачу одного бита информации.
2. Высокая надежность радиосвязи, определяемая вероятностью достижения заданного качества связи в течение определенного интервала времени. При этом в соответствии с (3) мерой качества (надежностью связи) радиолинии является вероятность приема целого переданного сообщения О. определяемая формулой
0 = (1-Р,Г. (5)
где Р, — вероятность искажения одной посылки; п — число информационных символов в передаваемом сообщении.
Для примера, при передаче короткого сообщения с п = 100 с надежностью О - 0,999требуется обеспечить вероятнос ть ошибки информационного символа Р, = 105.
3. Минимальное время доведения сообщения до адресата.
4. Полная автоматизация радиолинии от отправителя до получателя.
Как было отмечено, при существующих предельно допустимых мощностях СНЧ передающих комплексов (десятки МВ т), основным методом повышения эффективности радиолиний, не исчерпавшим свои возможности, остается поиск эффективных сигналь-но-кодовых конструкций, совершенствование их методов формирования и обработки.
В (5) проведены исследования различных видов и методов формирования широкополосных и узкополосных сигналов.
Эти исследования показали, что в обозримом будущем системы связи и управления С114, СДВ, СВ и К В диапазонов будут системами с последовательными многочастотными (ПМЧ) сигналами.
Опыт работы действующей в настоящее время отечественной радиолинии «Вариация» с передающим комплексом «Зевс» (4), расположенным на Кольском полуострове, показал достаточную эффективность радиосвязи с подводными лодками (ПА) на глубинах порядка 100 м и на расстоянии свыше 6 тыс. км при излученной полезной мощности порядка 1 Вт. Передатчик при этом обеспечивает ток до 300 А в антенне, представляющей две параллельные линии электропередачи длиной 60 км каждая, в диапазоне частот 20-200 Гц.
Несмотря на значительные экономические затраты, связанные с разработкой таких комплексов
а также с особенностями связи с ПЛ. дальнейшее освоение радиосвязи в СНЧ диапазоне является весьма перспективным. Благодаря значительной длине СНЧ радиоволны, достигающей 3000 км в воздушном пространстве, электромагнитное иоле (ЗМП) глубоко проникает в стенку волновода «Земля-ионосфера». В морскую воду ноле может проникать до глубины 60 - 70 м на частотах 50 - 100 Гц. Для сравнения: мощные СДВ радиостанции могут обеспечить проникновение ЭМП в морскую воду лишь до глубины 2 - 3 м.
Естественно, при разработке должны быть учтены специфические особенности связи с ПЛ: многочисленность абонентов и их пространственное размещение, дальность связи вплоть до глобальной, зависимость качества связи от состояния ионосферы, атмосферы, трассы распространения. атмосферных, промышленных и преднамеренных помех каналам связи, скрытность передаваемой информации, дополнительные трудности с подвижными объектами, находящимися в различных средах.
До настоящего времени в природе отсутствует единое универсальное физическое поле, обеспечивающее решение всех перечисленных задач, порою противоречивых требований. Поэтому связь с ПЛ достигается с использованием принципов комплексного использования каналов различной физической природы и должна обладать технической надежностью всех средств и устройств, а также двухсторонним обменом информации.
Заключение
1. Анализ известных радиолиний С114 диапазона, осуществляющих связь с подводным объектом 11,3,4,6), и расчет их энергетических параметров показал, что на частотах от 100 до 200 Гц увеличение мощности передатчика в 2 раза увеличивают «глубину радиосвязи» па 5 м, т.е. незначительно. Это убедительно доказывает нерациональность дальнейшего увеличения эффек тивнос ти подводной связи за счет повышения мощности передающих устройств. Это является вполне оправданным в условиях, когда мощности передающих устройств достигли предельно возможных значений - до 10 МВт при низких значениях КПД антенных систем и в результате, малой излучаемой полезной мощности (до 1 Вт).
2. Расчет и экспериментальные исследования показали, что в СНЧ диапазоне при наличии ряда противоречивых факторов требуется выбор оптимальной частоты для заданной дальности связи, такими оптимальными частотами являются 50, 75 и 150 Гц, обеспечивающие дальность связи более 5 тыс. км.
3. Наиболее рациональным путем повышения эффективности радиолиний СНЧ диапазона является
выбор эффективных сигнально-кодовых конструкций, а также совершенствование их методов формирования и обработки.
4. Система радиосвязи типа «Сангвин», использующая бинарные ШПС, при всех своих положительных качествах, однако, имеет ряд недостатков, связанных с ухудшением ее эффективности в условиях преднамеренных помех и передач коротких сообщений.
5. Предложенная автоматизированная система СНЧ радиосвязи, предусматривающая переход от бинарного кода с основанием М=2 к многопозиционному — с основанием М>2, в частности, к оптимальному коду М = 256увеличивает «глубину радиосвязи» ( погружение приемной антенны) на 40 м на частотах 50- 100 Гц, т.е. весьма существенно.
6. Исследования показали, что в перспективе системы профессиональной радиосвязи и управления СНЧ, СДВ, СВ и KB диапазонов будут системами с последовательными многочастотными (ПМЧ) сигналами.
Библиографический список
1 Беристайн С . Берроуз М. Эванс Дж. И ЛР- Дальняя связь на крайни низких частотах//ТИИЭР. - 1974.т. 62. N«3. С. 5 - 30
2 ü системе Sanguine дальней СНЧ связи //Судостроение за рубежом - 1973. (80). С. 20 - 32.
3 Семенов И.И. Широкополосные системы сияли: Учеб. пособие- Омск: Изд-во ОмГТУ. 2002 - 92 С
4. Кононов Ю.М.. Жамалетдинов A.A. Системы радиосвязи и мониторинга среды // Радиоэлектроника и телекоммуникации -21.-М.: ИНФОРМОСТ.- 2002. С. 3 - 5.
Ъ Пусь Б.IJ. Теории и методы обработки последовательных многочастотных Сигналов в системах связи сверхнизких и очень низких частот. Докторская десертация .- Санкт- Петербург 2001.
6 С) системах Sanguine и Seafarer дальней связи командования ВМС США с PAi ]Д// Судостроение за рубежом -1976, NvG (628).С.8- II.
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.
БЛБИКОВ Михаил Васильевич, студент группы ПЭ-522 Омского государственного технического университета.
Статья поступила в редакцию 20.12.06 т. © Семенов И.И., Тихонов А.И., Бабиков М.В.
