CC BY
9
УДК: 654.022
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-582-583
СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИГНАЛОВ И ПОМЕХ В СИСТЕМАХ СВЯЗИ
С ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ
М.М. Бычковский, Н.Н. Зайкин, А.В. Свидло, И.В. Наседкин, Д.А. Нестеров, Е.В. Фатьянова
В статье приведены характеристики сигналов и помех. Приведена модель полезного сигнала с подвижными. Рассмотрены характеристики теплового шума. Представлены предложения по уменьшению внеполосных помех.
Ключевые слова: замирания сигналов, тепловой шум, помехи.
Возможности по обеспечению радиосвязи в системах радиосвязи с подвижными объектами зависят не только от характеристик технических устройств, но и от условий ведения радиосвязи (уровней сигналов и помех). Последние, являясь случайными, имеют определенные статистические характеристики.
Описание этих статистических свойств принято производить с помощью законов распределения случайных процессов изменения параметров радиосигналов и помех, которые составляют математическую модель канала радиосвязи. Знание этих законов позволяет решать задачи синтеза оптимальных приемников радиосигналов, оценки помехоустойчивости систем связи и осуществлять оценку эффективности системы радиосвязи с подвижными объектами.
Радиоканал системы радиосвязи с подвижными объектами является каналом с переменными параметрами, которому присущи замирания сигналов различной природы:
быстрые, определяемые интерференцией копий сигнала, пришедших в точку приема по многим путям; медленные, вызванные затенением трассы распространения за счет рельефа и морфоструктуры местности (растительности и местных предметов);
очень медленные, соответствующие изменениям дальности связи и рефракционных свойств атмосферы. Первоначально рассмотрим характеристики сигналов в каналах системы радиосвязи с подвижными объектами. В радиоканале с быстрыми замираниями сигнал распространяется по нескольким лучам. Вследствие случайного изменения длин лучей напряжение на входе приемника представляет собой сумму отдельных колебании с произвольными амплитудами и случайными фазами. Интерференция этих колебаний и является основной причиной флюктуаций как амплитуды, так и фазы результирующего колебания.
При достаточно большом числе таких нерегулярных составляющих сигнала (больше четырех) их суммарное колебание согласно центральной предельной теореме представляет собой нормальный процесс, а огибающая этого процесса (амплитуда сигнала) ис является случайной функцией и, если рассматривать «локальную зону» крупного города описывается распределением Релея с плотностью вероятностей [1]
(1)
где а- параметр распределения, а ис > 0.
При этом локальное среднее значение амплитуды сигнала определяется по формуле:
(2)
а локальное среднее значение мощности сигнала:
Р = а2 (3)
Использование для описания быстрых флуктуаций амплитуды сигнала релеевского закона распределения означает признание факта отсутствия в сигнале регулярной составляющей, что справедливо в условиях большого города и подтверждается экспериментально.
В условиях пригорода, данное предположение в общем случае неверно, что отмечается в целом ряде работ, описывающих результаты натурных экспериментов. Здесь наблюдается наличие существенной амплитуды регулярной компоненты V сигнала и модель (1) становится неадекватной экспериментальным данным. В этом случае выражение для плотности распределения амплитуды сигнала будет соответствовать обобщенному закону Райса [2]
. ЦС2+У2 . „
(4)
где 1о - модифицированная функция Бесселя нулевого порядка.
Для случая V=0 (отсутствие регулярной составляющей) выражение (4) переходит в (1). Среднее значение случайной величины из (4) имеет вид:
(5)
где ¡1- модифицированная функция Бесселя первого порядка.
В дальнейшем будем использовать параметр а2 определяющий отношение локальных средних значений мощностей регулярной и случайной компонент сигнала. При этом:
, V2
а = а (61
Как показывают измерения, вне условий большого города параметр а2 может принимать значения от 0 до
С учетом (6) выражение (5) можно преобразовать к виду:
Uc = (7)
где
H/o(¥)a + a2)+/l(^]^ (8)
Релеевское распределение вероятностей амплитуды сигнала, характеризующее быстрые интерференционные замирания, является условным и справедливым лишь в пределах «локальной зоны» на небольших отрезках времени, в течение которых параметр распределения Релея а можно считать практически постоянным. Для длительных временных интервалов такая идеализация неправомерна, поскольку случайные изменения затухания радиоволн вследствие затенений от рельефа и местных строений вызывают флюктуации эффективного значения напряжения сигнала, а, следовательно, и его мощности.
Таким образом, при перемещении подвижного объекта на расстояния, превышающие размеры «локальной зоны», локальные средние значения быстрых флуктуаций медленно изменяются в соответствии с логнормаль-ным законом распределения, который при измерении случайной величины Uc в логарифмических единицах имеет вид:
~(У~Ут)2
2°у2 , (9)
где значение уровня сигналаy=10lg(p)=20lg(Uc) - измеренное в дБ; а среднеквадратическое отклонение (рассеяние) уровня сигнала от своего среднего значения; ym - медианное значение уровня сигнала при логнормальном распределении его значений, совпадающее с его средним значением (в дБ).
Зона при перемещении подвижного объекта в которой выполняется условие у = const, называется «глобальной». Размеры «глобальной зоны» составляют примерно 500х500 м.
Таким образом, в пределах «глобальной зоны» амплитуда сигнала флуктуирует по сложному закону:
W(UC) = W1(Uc/y)W2(y)dy, (10)
где W1 {U/y ) - условная плотность распределения вероятности вида (1) для условий большого города (4); распределение W2 (у) - соответствует (9).
Учитывая, что Uc>0, выражение (10) приобретает вид:
„ Uc2 1 -(¡п д-т)2
W(Uc) = f0 "ie—^e ^ ^ (П)
где он - стандартное отклонение флуктуаций величины ln а (в Нп), m -среднее значение ln а в «глобальной зоне» (в Нп).
Такое представление сигнала известно, как «модель Сузуки». В общем случае модель Сузуки является неполной, так как совершенно игнорирует наличие регулярной составляющей сигнала. В системах радиосвязи с подвижными объектами, фактом наличия существенной регулярной компоненты сигнала в точке приема пренебречь нельзя. Поэтому, развивая модель (1) для общего случая из (10), (4) и (7) получаем модель сигнала в каналах системы радиосвязи с подвижными объектами в виде:
,, ? пПис2 -(йсд-Усдт) . ,-.
=& es)^. (12)
Далее рассмотрим характеристики помех в каналах системы радиосвязи с подвижными объектами.
Одним из основных факторов, снижающих достоверность приема радиосигналов, являются помехи. Наличие помех в радиоканале обусловлено свободным доступом к среде распространения. Вследствие этого прием радиосигналов осуществляется как в присутствии собственных шумов аппаратуры, так и внешних помех. Помехи принято классифицировать по источнику их происхождения. В системах связи с подвижными объектами помимо станционных имеют место быть следующие помехи [3].
Атмосферные помехи, обусловленные грозовыми разрядами, возникающими как вблизи от пунктов приема, так и в удаленных районах. Каждый разряд создает излучение с непрерывным спектром частот. Спектральная плотность атмосферных помех убывает с ростом частоты. От удаленных грозовых разрядов уровень помех определяется, кроме того, условиями распространения радиоволн между источником помех и пунктом приема.
Космические помехи, которые создаются радиоизлучением внеземных источников (в основном галактических). Они создают общий шумовой фон, в наибольшей степени проявляющийся на ультракоротких волнах.
Промышленные помехи, которые возникают от различных электрических установок, линий электропередач, электрического транспорта, систем зажигания, медицинских приборов и т.п. Их уровень зависит от насыщенности района этими установками и, как правило, убывает с ростом частоты. Промышленные помехи наиболее ощутимы в крупных промышленных районах.
Искусственные шумы, которые классифицированы по двум категориям: средние значения и стандартные отклонения уровня искусственных шумов; усредненный уровень шума от систем автомобильного зажигания.
Рассмотрим характеристики теплового шума. Результат воздействия узкополосного теплового шума на принимаемый сигнал схож с эффектами замираний, обусловленных многолучевым распространением радиоволн. Тепловой шум характеризуется как белый шум, равномерно распределённый по всему диапазону используемых в подвижной связи частот. Белый шум пх имеет равномерную спектральную плотность мощности
^ (f) ) (13)
где г - односторонняя плотность мощности шума.
Спектры теплового и белого шумов эквивалентны приблизительно до 1013 Гц (инфракрасный диапазон). Выше этого диапазона происходит резкое экспоненциальное снижение уровня теплового шума. При этих условиях допущение, что тепловой шум имеет равномерную спектральную мощность до указанной частоты, вполне оправдано и справедливо. После прохождения теплового шума через полосовой фильтр, имеющий полосу пропускания Л/, много меньшую центральной частоты /о (т.е. /о ««Л/), на выходе получим узкополосный тепловой шум. Характеристики огибающей и фазы этого шума близки к характеристикам несущей после ее прохождения через канал подвижной связи с его многолучевым распространением и замираниями. Таким образом, амплитуда и фаза шума на выходе фильтра близки к тем же параметрам непрерывной радиоволны, распространяющейся в многолучевой среде.
Особое место среди помех занимают станционные или, иначе, взаимные помехи, обусловленные работой посторонних радиостанций. Взаимные, или станционные помехи являются случайными (в смысле случайности совпадения частот работающих радиостанций) и сосредоточенными по спектру. В диапазоне метровых и дециметровых волн они обусловлены, как правило, одним или несколькими сигналами посторонних радиостанций. Поэтому статистические свойства взаимных (станционных) помех и сигналов в значительной степени схожи. В частности, огибающая станционных помех ип, так же, как и сигнала, в большинстве случаев распределена по закону Релея с плотностью вероятностей
, (14)
где а = и > 0, и эф - эффективное значение напряжения помех.
Эффективное значение напряжения случайных помех на входе приемника, выраженное в децибелах по отношению к 1 мкВ, как и для сигналов, называют уровнем помех и обозначают через х где х=10^ и эф. Случайный процесс изменения во времени уровней помех согласно статистическим исследованиям так же, как и уровней сигналов в "глобальной зоне", описывается логнормальным законом распределения с плотностью вероятностей:
^ , (15)
где хт - среднее значение уровня помех (в дБ); ах - рассеяние уровней помех относительно среднего значения (в дБ).
Вероятность возникновения помех по основному каналу возрастает тогда, когда нескольким каналам связи назначена одна и та же частота, что широко используется в сотовых и «квазисотовых» системах подвижной связи. Помимо помех по основному каналу могут иметь место помехи по соседнему каналу. Их принято классифицировать на внутриполосные и внеполосные помехи. Первые близки к помехам по основному каналу и отфильтровать их на приеме практически невозможно. В случае воздействия внеполосных помех потенциальные потери в качестве приема будут определяться выражением:
-=* - {%= £*(/■) • <|6)
где /1, /2 - частота основного и соседнего канала, соответственно.
Очевидно возникновение внеполосных помех связано с пространственным и частотным разнесением корреспондентов и коэффициентом направленности антенн. Помехи по соседнему каналу можно уменьшить, применяя пространственное разнесение базовых станций, использующих одинаковые частоты. Другие способы уменьшения взаимных помех состоят в использовании направленных антенн, коэффициенты направленного действия которых имеют различные горизонтальные направления и разные углы возвышения.
Список литературы
1.Маковеева М.М., Шинаков Ю.С. Системы связи с подвижными объектами. М.: Радио и связь. 2002.
440 с.
2.Зюко А.Г., Кловский Д.Д., Назаров М.В., Финк Л.М. Теория передачи сигналов: Учебник для вузов. М.: Связь, 1980. 288 с.
З.Максимов М.А. Защита от радиопомех. М.: Сов. Радио, 1976. 496 с.
Бычковский Михаил Михайлович, преподаватель, ЫсЬкоузкгу.тт@,таИги, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи,
Зайкин Николай Николаевич, преподаватель, 2аукт53@тай.ги, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи,
Свидло Александр Владимирович, преподаватель, хугсНо_оу@уапс1ех.ги, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи,
Наседкин Игорь Вячеславович, преподаватель, пазеСкт [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи,
Нестеров Дмитрий Александрович, преподаватель, nesterov_da@mail. ги, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи,
Фатьянова Елена Валентиновна, преподаватель, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи
STATISTICAL CHARACTERISTICS OF SIGNALS AND INTERFERENCE IN COMMUNICATION SYSTEMS WITH
MOBILE OBJECTS
M.M. Bychkovsky, N.N. Zaikin, A.V. Svidlo, I. V. Nasedkin, D.A. Nesterov, E.V. Fatyanova
The article presents the characteristics of signals and interference. A model of a useful signal with movable ones is given. The characteristics of thermal noise are considered. Proposals to reduce out-of-band interference are presented.
Key words: signal fading, thermal noise, interference.
Bychkovsky Mikhail Mikhailovich, lecturer, [email protected], Russia, Saint Petersburg, Military Academy of Communications,
Zaikin Nikolay Nikolaevich, lecturer, zaykin53@mail. ru, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications,
Svidlo Alexander Vladimirovich, lecturer, [email protected], Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications,
Nasedkin Igor Vyacheslavovich, lecturer, [email protected], Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications,
Nesterov Dmitry Alexandrovich, lecturer, [email protected], Russia, Saint Petersburg, Military Academy of Communications,
Fatyanova Elena Valentinovna, lecturer, fatlen 77@mail. ru, Russia, Saint Petersburg, Military Academy of Communications
УДК 681.23: 681.787
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-585-586
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОСМЕТИЧЕСКИХ МАСЕЛ НИЗКОКОГЕРЕНТНЫМ
ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫМ РАДАРОМ
Е.Е. Майоров, А.В. Арефьев, В.В. Курлов, В.П. Пушкина, Ю.М. Бородянский, И.С. Таюрская
Работа посвящена экспериментальному исследованию косметических масел низкокогерентным интерференционным радаром. Получение информативной, достоверной и точной информации о параметрах томографических исследований всегда являлось важнейшей задачей для биологии и медицины, поэтому работа перспективна и актуальна. В работе приведена оптическая схема и даны технические характеристики экспериментальной установки. Определена цель, постановка задачи, объекты и метод исследования. Получены распределения отраженного сигнала в отсутствии и при наличии в подповерхностных слоях кожного покрова исследуемых образцов. Показана возможность применения радара для исследования оптических свойств кожного покрова в динамике под воздействием косметических масел. Экспериментальные результаты томографических измерений проведены через определенные промежутки времени (2 часа, 4 часа, 6 часов, 8 часов и 10 часов)..
Ключевые слова: кожный покров, косметическое масло, коэффициент отражения, диод белого света, волоконно-оптический ответвитель, пространственная когерентность, низкокогерентный интерференционный радар.
На сегодняшний день получение информативной, достоверной и точной информации о параметрах томографических исследований является важнейшей задачей для биологических и медицинских направлений [1, 2]. Для решения этой задачи существует широкий класс методов и технических средств [3, 4].
Оптико-электронные методы и средства томографических исследований основаны, как правило, на анализе светового излучения, отраженного от соответствующих агентов или биологических объектов, находящихся на разных глубинах [5, 6]. За последние пять лет в научно-технической литературе большое внимание уделяется оптико-электронным приборам, где в качестве источника излучения используются диоды белого света [7, 8]. Такие приборы принято называть низкокогерентными интерференционными радарами с источником изучения ограниченным длиной временной когерентности [9, 10]. В представленной работе не ставилась задача сравнительного характера таких приборов с современными томографическими установками.
