CC BY
15УДК 621.396.98-197
В. Г. Корниенко, В. Ю. Лебедев, М. В. Крутиков
Томский государственный университет систем управления
и радиоэлектроники
Синхронизация пространственно-разнесенных пунктов радиотехнической системы с использованием многоточечного измерения взаимной корреляционной функции запросных и ответных сигналов
Исследуется точность запросного метода синхронизации пространственно-разнесенных пунктов радиотехнических систем, использующего М-последовательность. Обсуждаются преимущества многоточечного метода формирования временной дискриминационной характеристики по сравнению с двухточечным методом. Приведены характеристики взаимной корреляционной функции запросных и ответных сигналов на наземной трассе.
Синхронизация, псевдослучайная последовательность, двухточечный и многоточечный сдвиг ПСП, метка времени, квадратуры, точность
Предлагается метод синхронизации шкал времени (ШВ) в разнесенных в пространстве пунктах радиотехнической системы (РТС) с использованием многоточечного вычисления взаимной корреляционной функции (ВКФ) опорного и принимаемого шумоподоб-ных сигналов в окрестности максимума ВКФ [1]. Цель настоящей статьи - выявить искажения ВКФ, возникающие под влиянием процессов, происходящих на трассе распространения радиоволн, и оценить соответствующие погрешности синхронизации.
Экспериментальная аппаратура состояла из двух идентичных приемопередающих комплектов, отличающихся частотами приема/передачи. Прямой канал передачи "центр -периферия" работает на центральной частоте 1065 МГц, обратный - "периферия - центр" -на центральной частоте 625 МГц. Использование частотного разнесения каналов центрального пункта (ЦП) и периферийного пункта (ПП) позволяет осуществлять непрерывную синхронизацию ПП с контролем качества синхронизации и определением временной задержки при распространении сигнала синхронизации от центра к периферии и обратно. Применялась двоичная фазовая манипуляция несущей частоты псевдослучайной М-по-следовательностью длиной 1023 бита; тактовая частота псевдослучайной последовательности (ПСП) - 10.08 МГц. Антенная система ЦП на каждом из двух диапазонов состояла из восьмиэлементной антенны типа "мальтийский крест" с шириной диаграммы направленности (ДН) в вертикальной плоскости около 10° и круговой ДН в горизонтальной плоскости. Антенная система ПП на каждом из двух диапазонов состояла из восьмиэлементной антенны типа "волновой канал" с шириной ДН в вертикальной плоскости 40° и в горизонтальной плоскости 44°.
44
© Корниенко В. Г., Лебедев В. Ю., Крутиков М. В., 2006
Рис. 1
Структурная схема приемопередатчика системы синхронизации представлена на рис. 1. ПСП1 модулировал несущую частоту передатчика по фазе. Модулированный широкополосный сигнал излучался антенной. Принимаемый сигнал умножался на ПСП2, сдвигаемую относительно ПСП1. Далее сигнал разлагался на квадратуры и поступал на цифровой интегратор. С выхода цифрового интегратора снимались отсчеты ВКФ.
Временной сдвиг ПСП2 относительно ПСП1, при котором ВКФ достигала максимума, равен задержке принимаемого сигнала относительно излученного. Если на ПП временной сдвиг между ПСП1 и ПСП2 зафиксировать, то измеренная задержка будет пропорциональна времени распространения радиосигнала от центра к периферии и обратно. Максимум ВКФ определялся в два этапа, соответствующих режимам "Поиск" и "Слежение".
В режиме "Поиск" производились периодический сдвиг опорной последовательности относительно принимаемого сигнала на 1/3 длительности битового интервала ПСП и вычисление ВКФ. После совокупного сдвига на всю длину опорной последовательности определялось приблизительное положение максимума ВКФ. После этого система переходила в режим "Слежение", в котором положение максимума ВКФ уточнялось.
В режиме "Слежение" ВКФ вычислялась по 27 точкам в интервале ± 12 длительности битового интервала относительно максимума ВКФ. Определение ВКФ в области максимума по 27 точкам вместо обычно применяемого двухточечного измерения [1], [2] позволило уменьшить ошибку определения задержки, возникающую вследствие искажения формы ВКФ. По полученной реализации ВКФ вычислялось рассогласование входной и опорной последовательностей. Для уменьшения влияния шума полученная величина усреднялась за время около 50 мс1. Полученное значение рассогласования использовалось для уточнения временного положения максимума ВКФ и последующей коррекции времени задержки опорной ПСП.
Лабораторные испытания показали, что при отношении сигнал/шум 30 дБ среднеквадра-тическая погрешность измерения задержки распространения радиосигнала составила 0.8 нс.
Экспериментальная аппаратура позволяла регистрировать не только задержку, но и форму ВКФ на интервале ±4 бита ПСП относительно ее максимума. Последнее было сделано для выяснения причин погрешностей синхронизации.
На рис. 2 приведен пример реализации ВКФ, полученной в лабораторных условиях . На рисунке видны искажения формы ВКФ вследствие влияния шумов. Кроме того, правая часть ВКФ искажена наложением задержанных сигналов - отражениями в кабелях.
1 Время усреднения выбиралось с учетом стабильности частоты примененного кварцевого генератора.
2 ВКФ представлена как зависимость цифрового эквивалента на выходе АЦП N от временного рассогласования т.
Рис. 2 Рис. 3
На рис. 3 изображена усредненная ВКФ по всему ансамблю ее реализаций, полученных в лабораторных условиях. Как видно из рис. 3, форма ВКФ отличается от теоретической треугольной. Причины этого - ограниченность полосы пропускания и шумы аппаратуры. Боковые лепестки ВКФ правее главного лепестка свидетельствуют о наличии обратных отражений волн в кабелях, соединяющих аппаратуру ЦП и ПП, задержанных относительно основного сигнала приблизительно на 125 и 170 нс. Ширина ВКФ между ее нулями приблизительно равна 200 нс при длительности элементарного импульса ПСП 100 нс, что соответствует теории.
Полевые испытания заключались в долгосрочном (в течение месяца) измерении задержки сигналов между ЦП и ПП. Дистанция между пунктами на полуоткрытой трассе [3] составляла 8 157 м (по измерениям с помощью спутниковой навигационной аппаратуры). На рис. 4 приведен пример диаграммы, полученной в ходе эксперимента, а на рис. 5 - усредненная по всему ансамблю реализаций ВКФ, полученная при полевых испытаниях.
При регистрации времени задержки в течение одних суток (общее количество зарегистрированных задержек 8 640) ее среднее значение составило 54 876 нс, среднеквадратическое отклонение - 3 нс. Флуктуации задержки большую часть времени не превосходили 15 нс, причем наиболее вероятными были флуктуации, не выходящие за пределы 11 нс. Увеличение флуктуаций задержки по сравнению с лабораторными условиями объяснялось более низким отношением сигнал/шум (15 дБ против 30 дБ).
Сравнение ВКФ, полученных в лабораторных условиях и на реальной трассе, показывает, что ВКФ на трассе распространения заметно искажалась, в частности, расширялся ее главный лепесток. В то же время правильная форма усредненной ВКФ (рис. 5) и отсутствие в ней значительных побочных максимумов свидетельствовали об отсутствии на трассе существенных стабильных отражений.
Для выявления преимуществ применения многоточечного вычисления ВКФ перед двухточечным, обычно применяемым в следящих системах, были обработаны реализации ВКФ,
Рис. 4 Рис. 5
======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2006. Вып. 6
зарегистрированные как в лабораторных, так и в полевых условиях. Вычислялась ошибка слежения при 27-точечном и при двухточечном измерении ВКФ. Применение предлагаемого метода многоточечного слежения вместо двухточечного позволило уменьшить среднеквадрати-ческое отклонение синхронизации в три раза при отношении сигнал/шум 29 дБ (в лабораторных условиях) и в 3.5 раза при отношении сигнал/шум 15 дБ (в полевых условиях).
Библиографический список
1. Радиосистемы передачи информации / В. А. Васин, В. В. Калмыков, Ю. Н. Себекин и др. М.: Горячая линия - ТЕЛЕКОМ, 2005. 472 с.
2. Система синхронизации наземного радиофизического комплекса // В. П. Денисов, М. В. Крутиков, В. Ю. Лебедев и др. // Мат-лы IX междунар. науч.-технич. конф., 22-24 апреля, 2003 г., Воронеж: Воронеж: Изд-во ООО НПФ "САКВОЕЕ", 2003. С. 1515-1526.
3. Справочник по радиорелейной связи / Н. Н. Каменский, А. М. Модель, Б. С. Надененко и др. М.: Радио и связь, 1981. 416 с.
V. G. Kornienko, V. Yu. Lebedev, M. V. Krutikov
Tomsk state university of control systems and radioelectronic
Synchronization of spatially carried items of radio engineering system with use of multipoint measurement of mutual correlation function of request and backward signals
Accuracy of request method of synchronization of the spatially-carried items of radio engineering systems with use ofM-sequence is search. Advantages of a multipoint method offormation of the time discrimination characteristic in comparison with double-point are discussed. Characteristics of mutual correlation function requesting and backward signals on a ground line are resulted.
Synchronization, pseudorandom sequence, two points and multi points shifting of PRS, time marker, quadrature, accuracy
Статья поступила в редакцию 14 ноября 2006 г.
УДК 621.371.242:551.5
О. Н. Киселев
Томский государственный университет систем управления
и радиоэлектроники
Мезомасштабные неоднородности коэффициента преломления приземного слоя атмосферы
Показано, что среднеквадратическая величина мезомасштабных флуктуаций коэффициента преломления в приземном слое атмосферы может быть вычислена, если известны свойства участков земной поверхности (радиационный баланс, скорость испарения) и метеорологические условия на трассе.
Точность радиолокационных измерений, коэффициент преломления, мезомасштабные флуктуации, подстилающая поверхность, метеорологические условия, радиационный баланс, скорость испарения
Радиолокационные системы с высокой измерительной точностью могут не дать ожидаемых результатов из-за ограничений, накладываемых свойствами среды, в которой про-
© Киселев О. Н., 2006
47
