CC BY
21УДК 621.396.93
Статистический выбор рабочих частот в декаметровом диапазоне волн для различных видов радиосигналов
Солозобов С.А., Шевченко ВВ., Щукин АН.
Аннотация. Цель статьи - показать, как в условиях сложной помеховой обстановки найти частоты для конкретного вида радиосигнала, на которых условия распространения радиоволн и помеховая обстановка обеспечат требуемое качество связи. Приведен порядок выбора частоты, позволяющий определить её пригодность для передачи информации заданным видом радиосигнала в декаметровом радиоканале при связи пространственной волной. Проведено имитационное моделирование нормально-распределенных случайных процессов, характеризующих закон изменения уровней сигнала с учетом статистических данных о среднеквадратическом отклонении от среднего (медианного) значения радиосигнала и помех, действующих в канале радиосвязи декаметрового диапазона волн. Определена вероятность связи с требуемой достоверностью на частотах для сигналов с частотной и относительной фазовой манипуляцией для различных скоростей передачи информации. В качестве критерия пригодности частот, для заданного вида радиосигнала выбрана вероятность связи с требуемой достоверностью передачи сообщения, превышающая на них значение 0,9. Представлены результаты имитационного моделирования процесса поиска пригодных для связи с требуемой достоверностью частот при передаче информации различными видами радиосигналов. Результаты работы могут быть реализованы при создании адаптивных радиолиний, основу которых будут составлять SDR-радиоприемники, быстро перестраиваемые радиопередатчики декаметрового диапазона волн и аппаратура управления ею, имеющая информацию о виде радиосигнала и помехах, на предполагаемых для использования частотах. Они также могут быть использованы в аппаратных частотно-диспетчерской службы узлов связи, с целью выбора частот для радиолиний, используемых на различных направлениях связи.
Ключевые слова: декаметровый диапазон; условия распространения радиоволн; помеховая обстановка; вероятность связи с требуемой достоверностью; SDR-радиоприемник.
Введение
Сложная помеховая обстановка и условия распространения радиоволн в декаметровом диапазоне волн требует более качественного подхода к выбору частот для радиосвязи в различных направлениях связи. Радиосигналы, используемые для связи в радиолиниях декаметрового диапазона волн, имеют разную структуру распределения мощности в спектре сигнала и помехоустойчивость. Различие по помехоустойчивости радиосигналов и неравномерность загрузки декаметрового диапазона волн позволяет с большой вероятностью выбрать полосу частот, соизмеримую с шириной спектра радиосигнала, в пределах которой имеется низкий уровень помех и приемлемый для качественного приема уровень сигнала.
Качество приема информации, передаваемой различными видами радиосигналов, определяется соотношением уровней сигнала и помех в точке приема. Вероятность связи с требуемой достоверностью приема сообщения в радиолинии определяет процент времени, в течение которого качество приема информации будет удовлетворять требуемому ее значению.
Выбирая конкретный вид радиосигнала и вычисляя вероятность связи с требуемой достоверностью приема сообщения в радиолинии, определяется та частота, на которой эта вероятность будет максимальна. Эта частота будет выдана радиолинии для передачи информации на заданную протяженность трассы.
Современные радиоприемные устройства, построенные по SDR технологии [1], обеспечивают быструю его перестройку по диапазону частот и измерение уровней помех в полосе, учитывающей вид радиосигнала и ширину его спектра. Это позволяет использовать SDR-радиоприемники не только для приема радиосигналов, но и для измерения уровней помех в полосе частот, в которой обеспечивается линейность его динамических характеристик.
1. Выбор рабочей частоты для различных видов радиосигналов при связи пространственной волной в декаметровом диапазоне волн
Радиосвязи в декаметровом диапазоне волн характерны глубокие замирания сигнала и высокий уровень помех от радиопередатчиков посторонних радиостанций. При этом уровни как сигналов, так и помех на входе радиоприемника изменяются по случайному закону. Вероятность связи в радиолинии декаметрового диапазона волн зависит от параметров радиопередающих, радиоприемных и антенных устройств, сигнально-помеховой обстановки в точке приема, видом радиосигнала, используемого для передачи информации и способом его обработки. Вероятность связи на разных частотах будет случайной величиной, так как по случайному закону изменяются параметры сигнала и помех в точке приема.
Выбор рабочей частоты для различных видов радиосигналов осуществим в следующем порядке.
1) Определяем вероятность связи в радиолинии на /-частоте.
Рсв1 = / (уг,Чгдоп) (1)
где: уг - уровень сигнала в точке приема на /-частоте с среднеквадратическим отклонением Суг (берется из статистических данных); Хг - уровень помех в точке приема на /-частоте с среднеквадратическим отклонением Схг (определяется по результатам измерения); ¿доп -допустимое превышение уровня сигнала над уровнем помех при котором обеспечивается требуемое качество приема информации.
2) Определяем уровень сигнала в точке приема на /-частоте.
В соответствии с методом [2] определяем медианное значение уровня сигнала в точке приема на /-частоте, расположенной в диапазоне частот от наименьшей применимой частоты (НПЧ) до максимальной применимой частоты (МПЧ), в соответствии с методами, изложенными в [3, 4].
Медианное значение уровня сигнала на входе приемника корреспондента, осуществляющего выбор частоты, имеет вид:
у/ = 29,4 + Ри + Ои, + Ог - ЬЪг, (2)
где: Ри/ - мощность передатчика корреспондента, с которым предполагается установление радиосвязи на /-частоте, дБкВт; - коэффициент усиления передающей антенны на /-й частоте для требуемого азимута и угла места (А) по отношению к изотропной антенне, дБ; Ог/ - коэффициент усиления приемной антенны на /-й частоте для требуемого азимута и угла места (А) по отношению к изотропной антенне, дБ; ЬЪг - затухание радиосигнала на трассе распространения на /-й частоте, определяемое как:
ЬЪг = 32,45 + 201§ / + 201§ рг + Ь + Ьшг + Ьg1 + Ькг + Ы, (3)
где: /г - частота передачи, МГц; рг - виртуальная наклонная дальность, км; Ь/ - затухание за счет поглощения в слое предыдущее слою отражения, дБ; Ьтг - затухание выше основной МПЧ; ^г - суммарное затухание при отражении от земли в промежуточных точках отражения при многоскачковой распространении волн; ЬИ/ - коэффициент, учитывающий геомагнитную широту (к северу или югу от экватора), местное время и другие потери сигнала; Ьг/ - член уравнения, учитывающий эффекты распространения пространственной волны, не включенные в этот метод каким-либо другим образом. В настоящем документе рекомендуется значение 8,72 дБ.
Полученное медианное значение уровня сигнала используется как среднее значение для моделирования случайного процесса распределенного по нормальному закону, имитирующего сигнал на входе радиоприемника. Значение среднеквадратического отклонения этого случайного процесса определяется статистическими данными, полученными по результатам исследований радиоканала декаметровой связи.
3) Определяем уровень помех в точке приема.
Для определения уровня помех необходимо учитывать ширину спектра радиосигнала, используемого для передачи информации.
Полоса пропускания приемника, измеряющего уровень помех на /-частоте должна быть
№ > Л^рС +2А/прмг , (4)
где: АРрс/ - ширина спектра радиосигнала на /-й частоте; А/прмг - абсолютная нестабильность радиоприемника на /-й частоте.
Измеренный уровень помех Ж^-радиоприемником на /-й частоте будет равен
X/ — Хизм/. (5)
4) Качество связи в радиолинии декаметровой связи определяется вероятностью ошибки двоичного элемента (рош), которая зависит от отношения сигнал/шум (С/Ш) на входе демодулятора приемника. В декаметровом диапазоне волн при связи пространственной волной вероятность ошибки зависит от отношения сигнал/шум+помеха на входе демодулятора радиоприемника (С/Ш+П).
г доп —101ё (Идоп)= Лрош доп), (6)
где: рош доп - допустимая вероятность ошибки, при которой обеспечивается требуемое качество приема информации в точке приема.
При невозможности получения аналитического выражения для Идоп из формулы для вероятности ошибки для заданного вида радиосигнала, эта величина определяется по графикам зависимости рош — / (И). При использовании кодирования рош доп определяется, исходя из требуемой вероятности ошибки кодового слова. При поиске частот для связи с использованием аналоговых радиосигналов Идоп определяется требованиями оконечной аппаратуры к отношению сигнал/шум на своем входе, при котором обеспечивается требуемое качество принимаемого сообщения.
5) Используя выражение (1) определяем вероятность связи.
Вычисленная вероятность связи, при нормальном законе распределения уровней сигнала и помех, для требуемого вида радиосигнала на каждой частоте принадлежит множеству случайных величин.
Рсв/ С { Р/ (г, > г доп), ..., Рд(гд > 2 доп)} (7)
где: Р/ (г/ > гдоп) - вероятность связи с требуемой достоверностью на /-й частоте; г/ -отношение С/Ш+П на /-частоте, дБ; гд - отношение С/Ш+П на Q-й частоте, дБ; Q -количество частот выделенных для радиолинии.
Параметры нормального закона распределения определяются для:
- уровня сигнала среднее значение - медианным значением, рассчитанным по выражению (2), а среднеквадратическое отклонение статистическими данными;
- уровня помех среднее значение и среднеквадратическое отклонение -измеренными на заданной частоте помехами.
Среднеквадратическое отклонение превышения уровня сигнала над уровнем помех определяется с учетом параметров реальной помеховой обстановки и смоделированного процесса изменения уровня сигнала на анализируемой частоте, так как медианное значение уровня сигнала и его статистические данные среднеквадратического отклонения определяются на длительном интервале времени, а поиск частот осуществляется на короткие интервалы времени, соизмеримые с длительностью передачи сообщения.
Задавшись величиной вероятности связи с требуемой достоверностью для конкретной радиолинии, из выражения (7) выбираем частоту на которой вероятность связи для требуемого вида радиосигнала удовлетворяет требуемому значению для данной радиолинии.
Таким образом, в качестве критерия определения пригодности частоты для заданного вида радиосигнала выбрана вероятность связи с требуемой достостоверностью [5].
2. Имитационное моделирование процесса поиска частот для различных
видов радиосигналов
Проведем имитационное моделирование процесса поиска частот для двух видов радиосигналов с частотной (ЧМ) и относительно-фазовой манипуляцией (ОФМ).
Используя выражение (4), находим полосу частот, в пределах которой определяются уровни сигнала и помех, для радиосигналов ЧМ и ОФМ [5].
Для радиосигнала ЧМ А¥рс = А/сдв +2 V.
Для радиосигнала ОФМ А¥рс = 3 V.
Абсолютная нестабильность частоты радиоприемника А/прмг = / *5. где: А/сдв - частотный сдвиг радиосигнала ЧМ; V - скорость передачи информации радиосигналами ЧМ и ОФМ; 5 - относительная нестабильность частоты радиоприемника на анализируемой частоте.
Для примера выберем трассу протяженностью 2000 км, в которой для связи используются эти виды радиосигналов.
Согласно [2], для трассы протяженностью до 2000 км радиоволна придет в точку приема отразившись один раз от слоя ¥2 ионосферы. Уровень сигнала в точке приема на разных частотах будет изменятся по случайному закону.
Согласно статистическим данным [6], распределение уровней сигналов и помех в декаметровом диапазоне волн подчиняется нормальному закону распределения. Сумма нормальных законов распределения также подчиняется нормальному закону распределения. В этом случае, аналитическое выражение для расчета вероятности связи с требуемой достоверностью имеет вид [5]:
1 £ г
Рсвг = Рг (рошг <Рош доп) = Р ^ > ¿доп) = ¥ (£) = еХр {- —} бХ , (8)
где: = (г^ - гдоп)/с2/ - некоторый расчетный параметр; ^ = (у[ - ~{) - среднее значение превышения уровня сигнала над уровнем помех, дБ; ¿доп - допустимое превышение уровня сигнала над помехой в точке приема, дБ; Сгг - среднеквадратическое отклонение превышения уровня сигнала над уровнем помех от её среднего значения, дБ; рош доп - допустимая вероятность ошибки, зависящая от типа оконечной аппаратуры и задаваемая нормативными документами.
Качество приёма радиосигналов любого вида определяется вероятностью ошибки.
Для радиосигнала ЧМ вероятность ошибки при связи пространственной волной определяется выражением
Рош ЧМ= (9)
Для радиосигнала ОФМ вероятность ошибки при связи пространственной волной определяется выражением
1
Рош ОФМ = (10)
где: И - отношения сигнал/шум+помеха на входе демодулятора радиоприемника.
Для оценки состояния загрузки декаметрового диапазона волн, с целью выбора частоты для требуемого вида радиосигнала формировался случайный процесс характеризующий помеху, изменяемую по нормальному закону.
Медианный (средний) уровень сигнала определялся в соответствии с выражением (1) и используется для моделирования нормального случайного процесса, отражающего закон изменения уровня сигнала в точке приема.
Из выражений (9) и (10) определяем ¿доп:
для ЧМ радиосигнала
г доп = 101ё ((1 -2рош доп)/ Рош доп), (11)
для ОФМ радиосигнала:
г доп = 101ё ((1 -2рош доп)/ 2рош доп). (12)
По формуле (8) определяется вероятность связи на каждой из частот, на которых предполагается использовать сигналы ЧМ и ОФМ для заданного значения рош доп
=10-3. Затем
строится гистограмма и подсчитывалось количество превышений порогового значения (при моделировании Рг (¥[> гдоп) > 0.9) вероятности связи.
Результаты моделирования, выполненные в среде МайаЪ, показаны на рисунках 1^4. На рис. 1, 2 представлены результаты моделирования, показывающие процесс поиска частот пригодных для связи радиосигналами ЧМ и ОФМ днем.
¡лслолвзу-еаяьм. ч
Рис. 1. Зависимость вероятности связи на возможном количестве используемых частот при использовании радиосигналов ЧМ и ОФМ днем со скоростью передачи V = 50 бит/с
Рис. 2. Зависимость вероятности связи на возможном количестве используемых частот при использовании радиосигналов ЧМ и ОФМ днем со скоростью передачи V = 500 бит/с
На рис. 3, 4 представлены результаты моделирования, показывающие результаты процесса поиска частот пригодных для связи радиосигналами ЧМ и ОФМ - ночью.
Из результатов имитационного моделирования, представленных на рис. 1 видно, что для связи днем при использовании радиосигналов ЧМ и ОФМ и скорости передачи 50 бит/с, количество частот, на которых вероятность связи с требуемой достоверностью превышает пороговое значение 0,9, будет равно, соответственно, 166 и 261 частотам из 2500. Это свидетельствует о том, что при использовании радиосигнала ОФМ, для передачи информации со скоростью 50 бит/с, степень свободы в выборе частот значительно выше чем при использовании для передачи информации радиосигнала ЧМ.
Из результатов имитационного моделирования, представленных на рис. 2 видно, что для связи днем при использовании радиосигнала ОФМ и скорости передачи 500 бит/с, количество частот, на которых вероятность связи с требуемой достоверностью превышает пороговое значение 0,9, будет равно, соответственно, 21 и 31 частотам из 250. Уменьшение количества частот обусловлено увеличением спектра радиосигналов и изменением уровня помех в полосе приема.
Рис. 3. Зависимость вероятности связи на возможном количестве используемых частот при использовании радиосигналов ЧМ и ОФМ ночью со скоростью передачи V = 50 бит/с
Рис. 4. Зависимость вероятности связи на возможном количестве используемых частот при использовании радиосигналов ЧМ и ОФМ ночью со скоростью передачи V = 500 бит/с
Из результатов имитационного моделирования, прведенных на рис. 3, видно, что для связи ночью при использовании радиосигнала ОФМ и скорости передачи 50 бит/с, количество частот, на которых вероятность связи с требуемой достоверностью превышает пороговое значение 0,9, будет равно, соответственно, 35 и 160 частотам из 2500. Уменьшение количества частот ночью обусловлено ростом дисперсии уровней радиосигнала и помех в полосе приема.
Из результатов имитационного моделирования, приведенных на рис. 4 видно, что для связи ночью при использовании радиосигнала ОФМ и скорости передачи 500 бит/с, количество частот, на которых вероятность связи с требуемой достоверностью превышает пороговое значение 0,9, будет равно, соответственно, 5 и 14 частотам из 250. Уменьшение количества частот обусловлено ростом спектра радиосигналов и изменением уровня помех в полосе приема.
Из рисунков также видно, что вероятность связи с требуемой достоверностью на выделенных частотах является случайной величиной изменяющейся в пределах от 0 (белые просветы на гистограмме) до 1, что обусловлено случайным характером изменения уровней радиосигнала и помех в декаметровом диапазоне волн.
Результаты моделирования показывают, что, чем выше помехоустойчивость радиосигнала тем больше свободы в выборе частоты для установления связи с требуемым видом радиосигнала. Ночью увеличиваются дисперсия сигнала и помех, поэтому количество частот с вероятностью связи более 0,9 уменьшается.
Увеличения разности дисперсий сигнала и помех ночью приводит также к тому, что соотношение частот, пригодных для передачи информации радиосигналами ОФМ и ЧМ ночью увеличивается и составляет больше 3. В то время как днем это соотношение уменьшается и составляет меньше 2. Это свидетельствует о том, что вероятность поиска частоты, пригодной для связи с требуемой достоверностью радиосигналами ЧМ и ОФМ днем выше, чем ночью.
Выводы
1) Представленный порядок выбора частот позволяет осуществлять поиск частот для передачи информации радиосигналами, реализованными в радиопередающих и радиоприемных устройствах декаметрового диапазона волн, при связи пространственной волной.
2) С увеличением скорости передачи информации количество частот, пригодных для связи с требуемым видом радиосигнала в декаметровом диапазоне пространственной волной, при одинаковой сигнально-помеховой обстановке в точке приема, уменьшается.
3) Ночью, когда полоса частот, пригодная для радиосвязи на заданной протяженности трассы, сужается, увеличивается уровень помех. Поэтому, количество частот, пригодных для радиосвязи с требуемой достоверность, уменьшается.
4) Реализация представленного порядка выбора в аппаратуре управления адаптивной радиолинией и аппаратной частотно-диспетчерской службы обеспечит целенаправленный поиск частот, пригодных для использования на трассах заданной протяженности, для передачи информации радиосигналом, обеспечивающим требуемое качество приема сообщения.
Литература
1. Николашин Ю.Л., Кулешов И.А., Будко П.А., Жуков Г.А. SDR радиоустройства и когнитивная радиосвязь в декаметровом диапазоне волн // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2015. № 1. С. 20-30.
2. Метод для прогнозирования рабочих характеристик ВЧ-линий, разработанные МСЭ-R, Рекомендация МСЭ-R P.533-13, 2015. 28 с.
3. Методы прогнозирования основной МПЧ, рабочей МПЧ и траектории луча, разработанные МСЭ-R, Рекомендация МСЭ-R Р.1240-2, 2015. 7 с.
4. Эталонные характеристики ионосферы, разработанные МСЭ-R, Рекомендация МСЭ-R P. 1239-3, 2012. 30 с.
5. Прохоров В.К., Шаров А.Н. Расчет показателей эффективности радиосвязи. Л.: ВАС, 1982. 132 с.
6. Игнатов В.В., Бабков В.Ю. Обоснование основных технических параметров техники радиосвязи. Л.: ВАС, 1990. 112 с.
References
1. Nikolashin Yu. L., Kuleshov I. A., Budko P. A., Zhukov G. A. SDR radio devices and cognitive radio communication in the decameter wave range. Science-Intensive technologies in space research of the Earth, no. 1, 2015. P. 20-30 (in Russian).
2. A method for predicting the performance of RF lines developed by ITU-R, recommendation ITU-R P. 533-13, 2015. 28 p. (in Russian).
3. Methods for predicting the main MPH, working MPH, and beam path developed by ITU-R, recommendation ITU-R P. 1240-2, 2015 (in Russian).
4. Reference characteristics of the ionosphere developed by ITU-R, ITU-R recommendation P. 1239-3, 2012. 30 p. (in Russian).
5. Prokhorov V.K., Sharov A.N. Calculation of radio communication efficiency indicators. L.: VAS, 1982. 132 p. (in Russian).
6. Ignatov V.V., Babkov V.Yu. Justification of the main technical parameters of radio communication technology. L.: VAS, 1990. 112 p. (in Russian).
Статья поступила 20 марта 2020 г.
Информация об авторах
Солозобов Сергей Анатольевич - Начальник НИО ПАО «Интелтех», кандидат технических наук, доцент. Тел. (812)295-40-54. E-mail: [email protected].
Шевченко Василий Васильевич - Начальник лаборатории ПАО «Интелтех», кандидат военных наук, доцент. Тел. (812)448-95-94. E-mail: [email protected].
Щукин Анатолий Николаевич - Главный специалист ПАО «Интелтех», кандидат технических наук. Тел. (812)448-95-94. E-mail: [email protected].
Адрес: 197342, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Кантемировская, д. 8.
Statistical selection of operating frequencies in decameter mode wave range for various types of radio signals
S.A. Solozobov, V.V. Shevchenko, A.N. Shchukin
Annotation. The purpose of the article is to show how to find frequencies for a specific type of radio signal in a complex interference environment, at which the conditions of radio wave propagation and the interference environment will provide the required communication quality. The order of frequency selection is given, which makes it possible to determine the suitability of the frequency for transmitting information by a given type of radio signal in a decameter radio channel when communicating with a spatial wave. Simulation of normally distributed random processes characterizing the law of signal level change is carried out, taking into account statistical data on the mean square deviation from the average (median) value of the radio signal calculated by the method and interference in the radio communication channel of the decameter wave range. The probability of communication with the required confidence at frequencies for signals with frequency and relative phase manipulation for different information transfer rates is determined. As a criterion of suitability for radio communication of frequencies, for a given type of radio signal, the probability of communication with the required reliability of message transmission, exceeding the value of 0.9, was selected. The results of simulation modeling of the process of searching for frequencies suitable for communication with the required reliability for transmitting information by various types of radio signals are presented. The results can be implemented to create adaptive radio links, the core of which will be SDR-radios, fast tunable transmitters decameter range of waves and instrument management with information about the signal and interference, on assumed to use the frequencies. They can also be used in the hardware frequency-dispatching service of the communication node in order to select frequencies for radio lines used in various communication directions.
Keywords: method; selection; radio signals; decameter range; radio wave propagation conditions; interference situation; probability of communication with the required reliability; SDR radio receiver.
Information about Authors
Sergey Anatolyevich Solozobov - The postgraduate shef of the Department of PJSC "IntelTech", Doctoral. Tel.: +78122954054. E-mail: [email protected].
Vasiliy Vasilievich Shevchenko - The postgraduate shef of the Department of PJSC "IntelTech", Doctoral. Tel.: +78124489594. E-mail: [email protected].
Anatoliy Anatolievich Shchukin - The postgraduate engenier of the Department of PJSC "IntelTech", Doctoral. Tel.: +78124489594. E-mail: ShchukinAN @inteltech.ru.
Address: 197342, Russia, Saint-Petersburg, Kantemirovskaya str., 8.
Для цитирования: Солозобов С.А., Шевченко В.В., Щукин А.Н. Статистический выбор рабочих частот в декаметровом диапазоне волн для различных видов радиосигналов // Техника средств связи. 2020. № 2 (150). С. 55-62.
For citation: Solozobov S.A., Shevchenko V.V., Shchukin A.N. Statistical selection of operating frequencies in decameter mode wave range for various types of radio signals. Means of communication equipment. 2020. No 2 (150). P. 55-62 (in Russian).
