RU2394371C1 - Device for determining optimum working frequencies of ionospheric radio channel - Google Patents
Device for determining optimum working frequencies of ionospheric radio channel Download PDFInfo
- Publication number
- RU2394371C1 RU2394371C1 RU2009120635/09A RU2009120635A RU2394371C1 RU 2394371 C1 RU2394371 C1 RU 2394371C1 RU 2009120635/09 A RU2009120635/09 A RU 2009120635/09A RU 2009120635 A RU2009120635 A RU 2009120635A RU 2394371 C1 RU2394371 C1 RU 2394371C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- input
- intermediate frequency
- frequency
- signal
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Monitoring And Testing Of Transmission In General (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к радиотехнике, предназначено для оперативного определения оптимальных рабочих частот (ОРЧ) ионосферного радиоканала по данным наклонного зондирования ионосферы и может использоваться для обеспечения высоконадежной адаптивной KB радиосвязи посредством динамического управления частотным ресурсом радиолинии.The invention relates to radio engineering, is designed to quickly determine the optimal operating frequencies (ORC) of the ionospheric radio channel according to oblique sounding of the ionosphere and can be used to provide highly reliable adaptive KB radio communications by dynamically controlling the frequency resource of the radio link.
Несмотря на развитие спутниковых и волоконных линий связи, KB радиосвязь по-прежнему играет важную роль в решении различных прикладных задач. Ее преимущества заключаются в большой дальности действия, высокой мобильности, живучести и низкой стоимости по сравнению с другими видами связи. Основная проблема KB радиосвязи - это нестационарность ионосферного радиоканала, обусловленная в первую очередь воздействием различного рода возмущений естественного/искусственного происхождения и помехами, создаваемыми посторонними радиостанциями. Использование прогнозных моделей ионосферного KB канала не обеспечивает необходимого качества радиосвязи, особенно на радиолиниях в высоких широтах, где отсутствуют модели, адекватно описывающие состояние ионосферы, тем более в возмущенных условиях. Для управления частотным ресурсом радиолинии в условиях нестационарности канала необходимо постоянно осуществлять мониторинг текущей ионосферной обстановки и контроль загруженности канала уровнем помех. По результатам диагностики ионосферного канала можно определить оптимальные частотно-временные интервалы по уровню сигнал/помеха, замираниям (многолучевости), вероятности ошибки для обеспечения высокой надежности связи. Ключевыми характеристиками ионосферного радиоканала, оперативные данные о которых необходимы для согласования узкополосных и широкополосных систем связи с каналом передачи информации, являются: отношение сигнал/помеха, коэффициент мутности ионосферы (отношение мощностей регулярной и флуктуационной компонент сигнала), диапазон задержек по лучам (многолучевость канала), частотная дисперсия (dτ/df), характеризующая зависимость времени группового распространения радиосигнала (τ) на трассе от частоты (f). Использование указанных параметров позволяет осуществлять адаптацию систем KB радиосвязи по частоте, мощности передатчика, скорости передачи информации, виду радиосигнала и способу его обработки для обеспечения требуемой надежности радиосвязи.Despite the development of satellite and fiber communication lines, KB radio communication still plays an important role in solving various applied problems. Its advantages are its long range, high mobility, survivability and low cost compared to other types of communications. The main problem of KB radio communication is the unsteadiness of the ionospheric radio channel, caused primarily by the influence of various kinds of perturbations of natural / artificial origin and interference caused by extraneous radio stations. The use of predictive models of the ionospheric KB channel does not provide the necessary quality of radio communications, especially on radio links at high latitudes, where there are no models that adequately describe the state of the ionosphere, especially in perturbed conditions. To control the frequency resource of a radio link under conditions of non-stationary channel, it is necessary to constantly monitor the current ionospheric situation and control the channel load by the interference level. Based on the results of diagnostics of the ionosphere channel, it is possible to determine the optimal time-frequency intervals by signal / noise level, fading (multipath), error probability to ensure high reliability of communication. The key characteristics of the ionospheric radio channel, the operational data of which are necessary for matching narrow-band and wide-band communication systems with the information transmission channel, are: signal-to-noise ratio, ionospheric turbidity coefficient (power ratio of the regular and fluctuation signal components), beam delay range (channel multipath) , frequency dispersion (dτ / df), characterizing the dependence of the time of group propagation of the radio signal (τ) on the path from frequency (f). Using these parameters allows the adaptation of KB radio communication systems in frequency, transmitter power, information transfer rate, type of radio signal and its processing method to ensure the required reliability of radio communication.
Известны способы и устройства (RU 2010429, RU 1838880, RU 2001529), которые оценивают состояние радиоканалов посредством измерения и сравнения ограниченного числа параметров (уровень помех и прохождение тестового сигнала), что, однако, не обеспечивает комплексной адаптации системы связи к текущему состоянию ионосферы и, как следствие, не приводит к заметному повышению надежности связи, особенно в условиях повышенной магнитно-ионосферной возмущенности. Кроме этого, известные способы и устройства имеют существенный недостаток, а именно, они не осуществляют измерение дистанционно-частотной характеристики (ДЧХ) радиолиний. Это ограничивает их стратегические возможности при принятии решения об изменении параметров системы связи в условиях быстрого и значительного изменения ионосферной обстановки, например, во время магнитных бурь, когда возникают аномальные каналы распространения («боковое» распространение посредством рассеяния на интенсивных неоднородностях, волноводное распространение). При этом выбранная частота за короткое время может «перейти» либо в диапазон многолучевости, либо вообще «уйти» из диапазона прохождения, т.е. канал связи будет неустойчивым. Это будет приводить к ухудшению качества связи и необходимости повторного опроса путем перебора частот для определения наилучшей частоты связи, что в свою очередь приводит к необходимости вскрытия канала связи, облегчая тем самым перехват информации и подавление работы системы связи.Known methods and devices (RU 2010429, RU 1838880, RU 2001529) that evaluate the state of radio channels by measuring and comparing a limited number of parameters (noise level and passing a test signal), which, however, does not provide a comprehensive adaptation of the communication system to the current state of the ionosphere and As a result, it does not lead to a noticeable increase in the reliability of communication, especially in conditions of increased magnetic-ionospheric disturbance. In addition, the known methods and devices have a significant drawback, namely, they do not measure the distance-frequency characteristic (DFC) of the radio links. This limits their strategic possibilities when deciding to change the parameters of a communication system under conditions of a rapid and significant change in the ionospheric environment, for example, during magnetic storms, when anomalous propagation channels arise (“side” propagation through scattering by intense inhomogeneities, waveguide propagation). In this case, the selected frequency in a short time can "go" either into the multipath range, or even "leave" from the transmission range, i.e. the communication channel will be unstable. This will lead to a deterioration in the quality of communication and the need for repeated interrogation by selecting frequencies to determine the best communication frequency, which in turn leads to the need to open the communication channel, thereby facilitating the interception of information and the suppression of the communication system.
Наиболее близким аналогом является устройство (RU 2223601) для определения помехоустойчивых каналов KB связи. Однако известное устройство не позволяет определять ключевой параметр ионосферного канала - коэффициент мутности (отношение мощностей регулярной и флуктуационной компонент сигнала) без изменения состава аппаратно-программного комплекса, которое бы приводило к достижению максимально возможной надежности KB радиосвязи.The closest analogue is a device (RU 2223601) for determining noise-resistant channels of communication KB. However, the known device does not allow to determine the key parameter of the ionospheric channel - the turbidity coefficient (power ratio of the regular and fluctuation components of the signal) without changing the composition of the hardware-software complex, which would lead to the achievement of the maximum possible reliability of KB radio communication.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является обеспечение высоконадежной адаптивной KB радиосвязи.The problem to which the invention is directed, is to provide highly reliable adaptive KB radio communications.
Данная задача решается с помощью технического результата, заключающегося в увеличении достоверности определения оптимальных рабочих частот ионосферного радиоканала.This problem is solved using the technical result, which consists in increasing the reliability of determining the optimal operating frequencies of the ionospheric radio channel.
Предлагаемое устройство позволяет определять оптимальные рабочие частоты ионосферного радиоканала при помощи специально разработанного алгоритма спектральной обработки разностного сигнала наклонного ЛЧМ зондирования, выделяющего зеркальную и рассеянную компоненты сигнала, прошедшего ионосферный радиоканал, и расчета на этой основе вероятности ошибки и надежности связи во всем частотном диапазоне прохождения радиоволн на данной радиолинии и выбора участков частот с наименьшей вероятностью ошибки и наибольшей надежностью KB радиосвязи для различных видов сигнала.The proposed device allows you to determine the optimal operating frequency of the ionospheric radio channel using a specially developed spectral processing algorithm for the difference signal of an inclined LFM sounding, which selects the mirror and scattered components of the signal transmitted through the ionospheric radio channel, and calculates, on this basis, the probability of error and reliability of communication in the entire frequency range of the passage of radio waves on of a given radio link and selection of frequency sections with the least probability of error and the greatest reliability of KB radio communication for various types of signal.
Указанный результат достигается тем, что в устройстве, содержащем GPS приемник с антенной, блок временной синхронизации, первый вход которого подключен к выходу GPS приемника, радиоприемное устройства (РПУ) с приемной антенной, в качестве РПУ использовано приемное устройство, которое включает усилитель высокой частоты, первый смеситель, первый вход которого подключен к выходу усилителя высокой частоты, генератор линейно-частотно-модулированного (ЛЧМ) сигнала, выход которого подключен ко второму входу первого смесителя, а первый вход генератора ЛЧМ сигнала подключен к первому выходу блока временной синхронизации, фильтр первой промежуточной частоты и усилитель первой промежуточной частоты, последовательно включенные на выходе первого смесителя, второй смеситель, первый вход которого подключен к выходу усилителя первой промежуточной частоты, гетеродин, выход которого подключен ко второму входу второго смесителя, фильтр второй промежуточной частоты и усилитель второй промежуточной частоты, последовательно включенные на выходе второго смесителя, кроме этого в устройство дополнительно включены аналого-цифровой преобразователь второй промежуточной частоты и многопоточный вычислитель, предназначенный определять оптимальные рабочие частоты ионосферного радиоканала по данным наклонного зондирования путем обработки, расчета и выбора участков частот с наименьшей вероятностью ошибки и наибольшей надежностью KB радиосвязи, при этом выход усилителя второй промежуточной частоты подключен к первому входу аналого-цифрового преобразователя второй промежуточной частоты, второй вход которого подключен ко второму выходу блока временной синхронизации, а выход аналого-цифрового преобразователя второй промежуточной частоты подключен к входу многопоточного вычислителя, первый выход которого подключен ко второму входу блока временной синхронизации, а второй выход многопоточного вычислителя подключен ко второму входу генератора ЛЧМ сигнала.This result is achieved in that in a device containing a GPS receiver with an antenna, a time synchronization unit, the first input of which is connected to the output of the GPS receiver, a radio receiving device (RPU) with a receiving antenna, a receiving device that includes a high-frequency amplifier is used as the RPU, the first mixer, the first input of which is connected to the output of the high-frequency amplifier, a linear frequency-modulated (LFM) signal generator, the output of which is connected to the second input of the first mixer, and the first input of the generator a chirp of the LFM signal is connected to the first output of the time synchronization unit, a filter of the first intermediate frequency and an amplifier of the first intermediate frequency, connected in series at the output of the first mixer, a second mixer, the first input of which is connected to the output of the amplifier of the first intermediate frequency, a local oscillator, the output of which is connected to the second input the second mixer, the filter of the second intermediate frequency and the amplifier of the second intermediate frequency, sequentially connected at the output of the second mixer, in addition to the devices additionally included an analog-to-digital converter of the second intermediate frequency and a multi-threaded computer designed to determine the optimal operating frequencies of the ionospheric radio channel from the data of oblique sounding by processing, calculating and selecting frequency sections with the least error probability and the greatest reliability of radio communication KB, while the output of the second intermediate frequency amplifier is connected to the first input of the analog-to-digital converter of the second intermediate frequency, the second input of which is connected to the W the output of the time synchronization unit, and the output of the analog-to-digital converter of the second intermediate frequency is connected to the input of the multithreaded computer, the first output of which is connected to the second input of the time synchronization unit, and the second output of the multithreaded computer is connected to the second input of the chirp signal generator.
На фиг.1 приведена структурная схема устройства. Устройство включает антенну GPS 1, подключенную к GPS приемнику 2, блок временной синхронизации 3, первый вход которого подключен к выходу GPS приемника 2, приемную антенну 4, подключенную к приемному устройству 5 (обведено на фиг.1 пунктирной линией), которое включает усилитель высокой частоты 6, первый смеситель 7, первый вход которого подключен к выходу усилителя высокой частоты 6, генератор ЛЧМ сигнала 8, выход которого подключен ко второму входу первого смесителя 7, а первый вход генератора ЛЧМ сигналов 8 подключен к первому выходу блока временной синхронизации 3, фильтр первой промежуточной частоты (ФПЧ1) 9 и усилитель первой промежуточной частоты (УПЧ1) 10, последовательно включенные на выходе первого смесителя 7, второй смеситель 11, первый вход которого подключен к выходу усилителя первой промежуточной частоты 10, гетеродин 12, выход которого подключен ко второму входу второго смесителя 11, фильтр второй промежуточной частоты (ФПЧ2) 13 и усилитель второй промежуточной частоты (УПЧ2) 14, последовательно включенные на выходе второго смесителя 11. Кроме этого в устройство дополнительно включены аналого-цифровой преобразователь второй промежуточной частоты (АЦП) 15 и многопоточный вычислитель 16 (обведен на фиг.1 штрихпунктирной линией), предназначенный вычислять оптимальные рабочие частоты ионосферного радиоканала путем выбора участков частот с наименьшей вероятностью ошибки и наибольшей надежностью KB радиосвязи. Многопоточный вычислитель 16 содержит блок получения квадратурных компонент разностного сигнала 17, вход которого подключен к выходу АЦП 15, блок оценки спектральной плотности мощности (СПМ) сигнала и шума многооконным методом (МТМ-методом) в широкой и узкой полосах, обнаружения лучей, определения их числа n, амплитуд αj, задержек τj, коэффициента мутности β 18, вход которого соединен с выходом блока 17, блок очистки ионограмм, выделения частотных ветвей и формирования зависимостей αj(f), τj(f), σN(f), c/шN(f), βj(f), определения наименьших наблюдаемых частот (ННЧ), максимальных наблюдаемых частот (МНЧ), интервалов многолучевости, определения на контролируемых частотах количества лучей, интервалов временного рассеяния, полосы когерентности, среднеквадратичного отклонения отношения с/ш σ, оценки надежности связи 19, вход которого соединен с выходом блока 18, блок формирования и отображения выходной информации 20, первый вход которого соединен с выходом блока 19, пользовательский интерфейс 21, первый выход которого соединен со вторым входом блока формирования и отображения выходной информации 20, второй выход пользовательского интерфейса 21 подключен ко второму входу блока временной синхронизации 3, а третий выход пользовательского интерфейса 21 многопоточного вычислителя 16 подключен ко второму входу генератора ЛЧМ сигналов 8.Figure 1 shows the structural diagram of the device. The device includes a
Рассмотрим работу устройства и функциональное назначение отдельных блоков, обеспечивающих решение основной задачи изобретения - определение оптимальных рабочих частот KB радиосвязи по данным наклонного ЛЧМ зондирования ионосферы.Consider the operation of the device and the functional purpose of the individual units that provide a solution to the main task of the invention - the determination of the optimal operating frequencies KB radio communication according to the data of inclined chirp sounding of the ionosphere.
Сигнал ЛЧМ передатчика принимается антенной 4 и с выхода антенны поступает на вход УВЧ 6 приемника 5, предназначенного для селекции и усиления сигналов высокой частоты (УВЧ) в диапазоне от 3 до 30 МГц, с выхода УВЧ 6 сигнал поступает на первый вход первого смесителя 7, на второй вход которого поступает сигнал от генератора, функции которого выполняет синтезатор линейно-частотно-модулированного (ЛЧМ) сигнала 8. С выхода первого смесителя 7 разностный сигнал (fген-fприн) первой промежуточной частоты (ПЧ) поступает на вход фильтра 1-й ПЧ 9, с выхода которого сигнал поступает на вход усилителя 1-й ПЧ 10, с выхода которого сигнал поступает на первый вход 2-го смесителя 11, на второй вход которого поступает сигнал гетеродина 12. С выхода 2-го смесителя 11 сигнал 2-й промежуточной частоты поступает на вход фильтра 2-й ПЧ 13, с выхода которого сигнал поступает на вход усилителя 2-й ПЧ 14, с выхода которого разностный сигнал поступает на первый вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 15.The LFM signal of the transmitter is received by
Временная синхронизация генератора ЛЧМ сигнала 8 и АЦП 15 с работой удаленного ЛЧМ передатчика осуществляется с помощью блока временной синхронизации 3. Блок состоит из программируемых аппаратных часов, которые в нужный, запрограммированный с помощью пользовательского интерфейса 21, момент времени выдают стартовый импульс. По этому импульсу одновременно запускается генератор ЛЧМ сигнала 8 и одноканальный АЦП 15 на преобразования разностного сигнала.The time synchronization of the
Точная привязка аппаратных часов к мировому времени осуществляется с помощью стандартного GPS-приемника 2.The exact binding of the hardware clock to world time is carried out using a
GPS-приемник точной временной синхронизации подключен к собственной антенне 1.An accurate time synchronization GPS receiver is connected to its
Управление комплексом приема и обработки результатов ЛЧМ зондирования осуществляется с помощью пользовательского интерфейса 21 многопоточного вычислителя 16. Задачи этого блока состоят в программировании аппаратных часов точной временной синхронизации 3, программировании режима работы генератора ЛЧМ сигналов 8 и управлении блоком формирования и отображения выходной информации 20.The complex for receiving and processing the results of chirp sounding is controlled using the user interface 21 of the
Обработка оцифрованного разностного сигнала осуществляется многопоточным вычислителем 16. Принимаемый разностный сигнал, сформированный в приемнике по второй промежуточной частоте (ПЧ) на выходе УПЧ2 14 оцифровывается АЦП 15 с частотой дискретизации fd, которая выбирается в зависимости от номинала ПЧ. Обработка разностного сигнала по ПЧ имеет ряд преимуществ:The digitized difference signal is processed by a
- исключаются источники погрешностей измерений и помех, связанные с дополнительными аппаратными преобразованиями и процессом детектирования;- excluded sources of measurement errors and interference associated with additional hardware transformations and the detection process;
- появляется возможность получения квадратурных компонент разностного сигнала цифровыми методами без дополнительных аппаратных блоков (фазовращателей);- it becomes possible to obtain the quadrature components of the difference signal by digital methods without additional hardware units (phase shifters);
- исключается зависимость процедур оцифровки и обработки от параметров аппаратных НЧ фильтров РПУ.- eliminates the dependence of the digitization and processing procedures on the parameters of the hardware low-pass filters RPU.
Все дальнейшие преобразования оцифрованного разностного сигнала осуществляются в памяти многопоточного вычислительного устройства 16.All further conversions of the digitized difference signal are carried out in the memory of a
В блоке 17 цифровой сигнал подвергается операциям переноса на нулевую частоту с получением квадратурных компонент, низкочастотной фильтрации и децимации. Квадратурные компоненты низкочастотного комплексного сигнала получаются умножением на косинус (реальная квадратурная компонента Re(t)) и синус (мнимая квадратурная компонента Im(t)) модельного сигнала единичной амплитуды с частотой, равной подмененной ПЧ. После низкочастотной фильтрации цифровым фильтром с полосой пропускания, которая выбирается из соображений требуемого диапазона обзора временных задержек, выполняется процедура понижения частоты дискретизации (децимация). Процедуры оцифровки, фильтрации, выделения квадратур сигнала и децимации построены таким образом, что вся обработка осуществляется автоматически в реальном масштабе времени в отдельном потоке многопоточного вычислителя и позволяет получать непрерывный комплексный разностный сигнал неограниченной протяженности по времени. Как следствие, квадратурные компоненты оцифрованного разностного сигнала обрабатываются в реальном масштабе времени двумя потоками. Один поток предназначен для обработки цифрового комплексного разностного сигнала в широкой полосе с разделением на отдельные моды и лучи распространения, оценкой их информационных параметров. Второй поток обработки предназначен для получения информационных параметров в узкой полосе. Все три потока (один - получение комплексного разностного сигнала и два потока обработки в узкой и широкой полосах) работают синхронно и параллельно в памяти многопоточного вычислительного устройства. В результате выполнения процедур оцифровки, фильтрации, выделения квадратур сигнала и децимации разностного сигнала на выходе блока 17 получается дискретизированный по времени комплексный низкочастотный сигнал (дискретная комплексная огибающая разностного сигнала), который поступает на вход блока 18 для оценки спектральной плотности мощности (СПМ) разностного сигнала.In
Для оценки спектральной плотности мощности (СПМ) разностного сигнала в широкой полосе выбран многооконный метод спектрального анализа, осуществляемый в блоке 18. Основными преимуществами этого способа оценки СПМ являются: детерминированный выбор спектральных окон, способность работать с короткими временными выборками, дисперсионный анализ дискретных компонент, высокое спектральное разрешение. Многооконный метод спектрального анализа разностных сигналов, отраженных от ионосферы, позволяет достичь высокого спектрального разрешения по частоте; на основе формального статистического критерия обнаружить дискретные (зеркальные) составляющие сигнала; получить значения комплексных амплитуд зеркальных компонент сигнала; в отличие от прототипа выделить СПМ рассеянной (непрерывной) компоненты сигнала и оценить ее энергию; вычислить коэффициент мутности ионосферы (отношение энергии зеркальной компоненты к энергии рассеянной компоненты β2); определить задержку парциальных зеркальных компонент сигнала. Многооконный метод спектрального оценивания позволяет дополнительно в реальном масштабе времени вычислить СПМ шумов и отношение мощности сигнала к мощности шума в полосе, согласованной с сигналом. Последние две величины определяются гистограммным методом в предположении, что полоса частот спектрального анализа много больше полосы принимаемого сигнала. Это условие всегда реализуется при спектральной обработке разностного сигнала, так как полезный разностный сигнал априорно является узкополосным. Для этого численно по децибельной шкале строится гистограмма уровней СПМ в полосе пропускания ЛЧМ приемника, максимум которой соответствует вероятному значению спектральной плотности шумов 101 g () за время съема информации. Полоса сигнала Δf, которая определяет диапазон временного рассеяния Δτ, находится по уровню ε=95% от полной энергии сигнала в полосе ЛЧМ приемника. Значение энергии шумов в полосе, согласованной с сигналом, находится произведением вероятного уровня СПМ шумов на Δf. После этого определяется отношение мощности сигнала к мощности шума.To estimate the spectral power density (PSD) of a difference signal in a wide band, a multi-window spectral analysis method is chosen, which is carried out in
Для получения цифрового изображения ионограммы последовательность оценок СПМ для различных моментов времени (фактически для различных частот) отображается на двумерной плоскости в координатах частота-временная задержка. По оси абсцисс откладывается частота f=µ0t, где t - время от начала зондирования, µ0 - скорость перестройки частоты. По оси ординат откладывается абсолютная временная задержка , где Т - ширина временного окна спектрального анализа, n - дискретная частота, τshift - заданная временная задержка ЛЧМ синтезатора частоты. Как следствие, предложенный метод применительно к анализу разностного сигнала позволяет осуществлять автоматическое обнаружение гармонических составляющих в спектре разностного сигнала и оценивать их параметры, разделять дискретные и непрерывные части СПМ сигнала. Энергетические параметры отдельных лучей вычисляются в реальном масштабе времени и отображаются в координатах амплитуда-частота одновременно с бинарным изображением ионограммы.To obtain a digital image of an ionogram, a sequence of PSD estimates for different time instants (actually for different frequencies) is displayed on a two-dimensional plane in the coordinates of the frequency-time delay. The frequency f = µ 0 t is plotted along the abscissa, where t is the time from the start of sounding, µ 0 is the frequency tuning rate. The ordinate axis represents the absolute time delay. where T is the width of the time window of the spectral analysis, n is the discrete frequency, τ shift is the specified time delay of the LFM of the frequency synthesizer. As a result, the proposed method as applied to the analysis of the difference signal allows automatic detection of harmonic components in the spectrum of the difference signal and their parameters, separate discrete and continuous parts of the PSD signal. The energy parameters of individual beams are calculated in real time and displayed in amplitude-frequency coordinates simultaneously with the binary image of the ionogram.
На выходе блока 18 получаются цифровые ряды значений комплексных амплитуд зеркальных компонент сигнала, рассеянной (непрерывной) компоненты сигнала, коэффициента мутности ионосферы (отношение энергии зеркальной компоненты к энергии рассеянной β2), СПМ шумов и отношение мощности сигнала к мощности шума в полосе, согласованной с сигналом, задержки парциальных зеркальных компонент сигнала. Эти данные поступают на вход блока 19, где происходит очистка ионограмм и расчет параметров, необходимых для оценки вероятности ошибки и надежности связи для определения оптимальных рабочих частот ионосферного радиоканала.At the output of
На фиг.2 приведены дистанционно-частотная характеристика (а) и амплитудно-частотная характеристика отдельных мод сигнала (б).Figure 2 shows the distance-frequency characteristic (a) and the amplitude-frequency characteristic of the individual signal modes (b).
Очистка цифрового изображения ионограммы осуществляется в реальном масштабе времени в процессе ее построения в блоке 19. При этом используется адаптивный пороговый критерий по отношению сигнал-шум в полосе элементарного фильтра цифрового анализа (δf=1/Т). В процессе построения цифрового изображения берется выборка сигнала длительностью Т. Соответствующая полоса принимаемого за время Т ЛЧМ сигнала равна µ0T. По этой выборке оцениваются СПМ разностного сигнала и текущее значение спектральной плотности помех в широкой полосе гистограммным методом. В реальном масштабе времени одновременно с процессом получения параметров лучей по оценкам СПМ выполняется процедура формирования лучей и мод распространения. При этом осуществляется окончательная очистка частотных характеристик от шумов. Лучи и моды распространения формируются на основе сравнения точек в многомерном пространстве частота-задержка-амплитуда. При этом каждая точка, которая первоначально отождествлена с каким-то лучом распространения, характеризуется тремя координатами: fj - частота, τjl - задержка, ajl - амплитуда соответственно l-го луча на j-й частоте. Количество лучей - nj и их координаты в трехмерном пространстве определяются в процессе спектральной обработки разностного сигнала.The digital image of the ionogram is cleaned in real time during its construction in
На фиг.3 показана очищенная от помех ионограмма ЛЧМ зондирования, соответствующая экспериментальной ионограмме, приведенной на фиг.2; фиг.3а - дистанционно-частотная характеристика, фиг.3б - амплитудно-частотная характеристика отдельных мод сигнала.Figure 3 shows the interference-free chirp chondogram ionogram corresponding to the experimental ionogram shown in figure 2; figa - distance-frequency characteristic, figb - amplitude-frequency characteristic of the individual signal modes.
После формирования частотных ветвей осуществляется процедура вторичной обработки, в процессе которой находятся области существования, ограниченные наименьшей (ННЧ) и максимальной (МНЧ) наблюдаемыми частотами для каждой из ветвей. Совокупность этих областей для всех частотных ветвей позволяет определить интервалы многолучевости - частотные интервалы, на которых существует только один луч, два луча, три луча и т.д. Из МНЧ всех лучей определяется МНЧ трассы как максимальная частота из всех наблюдаемых. По наименьшим частотам всех частотных ветвей определяется ННЧ трассы как минимальная частота из всех наблюдаемых.After the formation of frequency branches, a secondary processing procedure is carried out, during which there are areas of existence limited by the lowest (LF) and maximum (MNP) observed frequencies for each of the branches. The totality of these areas for all frequency branches allows us to determine the multipath intervals - frequency intervals on which there is only one beam, two rays, three rays, etc. From the VLF of all the rays, the VLF path is determined as the maximum frequency of all observed. At the lowest frequencies of all frequency branches, the LF path is determined as the minimum frequency of all observed.
В процессе зондирования для решения задач диагностики ионосферного радиоканала предусмотрена возможность определения в реальном времени параметров радиоканала на фиксированных контролируемых частотах. На контролируемых частотах вычисляются следующие величины: количество лучей, формирующих суммарное поле в точке приема, интервалы временного рассеяния, отношения сигнал/шум в узкой и широкой полосах, полосы когерентности канала, амплитуды и задержки доминирующих лучей, вероятность ошибки связи, надежность связи. Интервал временного рассеяния при многолучевой ситуации находится как разница между максимальной и минимальной из задержек лучей, формирующих суммарное поле в точке приема. При этом используется значение защитного коэффициента, смысл которого состоит в том, что при определении интервала временного рассеяния используются только те лучи, амплитуды которых отличаются от амплитуды доминирующего луча не более чем на заданную величину (защитный коэффициент). Защитный коэффициент задается в децибелах. Для однолучевого канала интервал временного рассеяния полагается равным ширине спектральной линии, соответствующей данному лучу. Полученные в результате описанной выше процедуры отдельные частотные ветви используются для оценки полосы когерентности по формуле на любой контролируемой частоте f. При этом производная dτ/df для каждой частотной ветви определяется на основе аппроксимации функции τ1(f) по методу наименьших квадратов в окрестности контролируемой частоты f линейной зависимостью.In the process of sounding to solve the problems of diagnostics of the ionospheric radio channel, it is possible to determine in real time the parameters of the radio channel at fixed controlled frequencies. At controlled frequencies, the following quantities are calculated: the number of rays forming the total field at the receiving point, time scattering intervals, signal-to-noise ratios in the narrow and wide bands, channel coherence bands, amplitudes and delays of the dominant rays, the probability of communication error, and communication reliability. The time scattering interval in a multipath situation is found as the difference between the maximum and minimum of the ray delays forming the total field at the receiving point. In this case, the value of the protective coefficient is used, the meaning of which is that when determining the time scattering interval, only those rays are used whose amplitudes differ from the amplitude of the dominant beam by no more than a predetermined value (protective coefficient). The protection factor is set in decibels. For a single-beam channel, the time-scattering interval is assumed to be equal to the width of the spectral line corresponding to this beam. The individual frequency branches obtained as a result of the above procedure are used to estimate the coherence band according to the formula at any controlled frequency f. In this case, the derivative dτ / df for each frequency branch is determined based on the approximation of the function τ 1 (f) by the least squares method in the vicinity of the controlled frequency f by a linear dependence.
В данном устройстве критерий выбора ОРЧ основан на функциональной связи между вероятностью битовой ошибки, усредненной по случайным параметрам канала, и характеристиками канала передачи информации для различных видов сигналов. При этом под оптимальными рабочими частотами подразумеваются частоты канала связи, при передаче информации на которых вероятность битовой ошибки будет меньше допустимого уровня, а надежность связи выше требуемого значения.In this device, the CRF selection criterion is based on a functional relationship between the probability of a bit error averaged over random channel parameters and the characteristics of the information transmission channel for various types of signals. In this case, the optimal operating frequencies are the frequencies of the communication channel, during the transmission of information on which the probability of a bit error will be less than the acceptable level, and the reliability of communication is higher than the required value.
Расчет вероятности ошибки и надежности связи находится по следующим правилам. В отличии от прототипа, где априори принимается релеевский канал, предлагаемое устройство позволяет определять ОРЧ канала связи для сигналов с различной статистикой замираний, в том числе для наиболее распространенного в ионосфере квазирелеевского канала, когда присутствует и зеркальная, и рассеянная компоненты сигнала. Для квазирелеевского канала вероятность битовой ошибки рассчитывается по формуле:The calculation of the probability of error and the reliability of communication is according to the following rules. Unlike the prototype, where the Rayleigh channel is accepted a priori, the proposed device allows one to determine the ORC of the communication channel for signals with different fading statistics, including the most common quasi-Rayleigh channel in the ionosphere when both the mirror and scattered signal components are present. For a quasi-Rayleigh channel, the probability of a bit error is calculated by the formula:
где β2 - коэффициент мутности ионосферы (отношение мощностей регулярной и флуктуационной компонент сигнала), h2 - отношение мощностей сигнал/шум.where β 2 is the ionospheric turbidity coefficient (power ratio of the regular and fluctuation signal components), h 2 is the signal-to-noise power ratio.
Для широкополосных сигналов при некогерентном приеме с некогерентным сложением лучей вероятность ошибки рассчитывается по формуле:For broadband signals with incoherent reception with incoherent addition of rays, the probability of error is calculated by the formula:
, ,
где N - число лучей, pi - вероятность битовой ошибки для i-го луча.where N is the number of rays, p i is the probability of a bit error for the i-th ray.
Затем рассчитывается надежность связи, имеющая смысл вероятности того, что вероятность ошибки не превышает заданный порог рдоп. Эта величина выражается через интеграл вероятностиThen, the reliability of the connection is calculated, which has the meaning of the probability that the probability of an error does not exceed a given threshold p add . This quantity is expressed in terms of the probability integral.
, ,
гдеWhere
. .
Здесь zдоп=101gh2 доп - допустимое значение отношение мощности сигнала к мощности помехи, соответствующее допустимой вероятности ошибки рдоп, z=z(f)=101gh2(f) - измеренное значение отношение мощности сигнала к мощности помехи, zдoп и z выражаются в децибелах, - среднеквадратичное отклонение отношения сигнал/помеха, выраженное в децибелах. Последняя величина находится по экспериментальным данным в окрестности контролируемой частоты.Here z add = 101gh 2 add - the allowable value is the ratio of signal power to interference power corresponding to the allowable probability of error p add , z = z (f) = 101gh 2 (f) is the measured value is the ratio of signal power to interference power, z add and z expressed in decibels - the standard deviation of the signal-to-noise ratio, expressed in decibels. The latter value is found from experimental data in the vicinity of the controlled frequency.
С выхода блока 19 цифровые ряды значений, несущие информацию о всех характеристиках ионосферного радиоканала поступают на первый вход блока формирования и отображения данных 20, на второй вход которого поступает информация с третьего выхода пользовательского интерфейса 21. В блоке 20 происходит накопление и визуализация данных, построение графиков, таблиц по командам, поступаемым с блока 21.From the output of
Для проверки работоспособности предлагаемого устройства в качестве приемного устройства было применено радиоприемное устройство Р-399А, у которого разностный сигнал снимался с выхода второй промежуточной частоты, в котором первая промежуточная частота fпч1=34785 кГц, вторая промежуточная частота fпч2=215 кГц.To test the operability of the proposed device, a R-399A radio receiver was used as a receiving device, in which the difference signal was taken from the output of the second intermediate frequency, in which the first intermediate frequency f pc1 = 34785 kHz, the second intermediate frequency f pc2 = 215 kHz.
В качестве блока временной синхронизации применен модуль GPS приемника типа Lassen SKII.The GPS receiver module of the Lassen SKII type was used as a time synchronization block.
В качестве аналого-цифрового преобразователя промежуточной частоты применен внешний модуль четырнадцати разрядного АЦП типа Е-440.As an analog-to-digital converter of intermediate frequency, an external module of fourteen bit ADCs of the E-440 type is used.
На фиг.4 в виде Таблицы 1 приведены результаты работы устройства на трассе Кипр (мощность передатчика 100 Вт) - Ростов-на-Дону применительно к определению оптимальных рабочих частот для различных систем связи с отображением ключевых параметров ионосферной радиолинии, которыми являются:Figure 4 in the form of Table 1 shows the results of the operation of the device on the route Cyprus (transmitter power 100 W) - Rostov-on-Don as applied to determining the optimal operating frequencies for various communication systems with the display of key parameters of the ionospheric radio line, which are:
f - частота зондирования;f is the sounding frequency;
N - число дискретных лучей;N is the number of discrete rays;
Δτ - интервал временного рассеяния;Δτ is the time scattering interval;
- отношение мощности сигнала к мощности шума для узкополосных систем связи; - the ratio of signal power to noise power for narrowband communication systems;
- отношение мощности сигнала к мощности шума для широкополосных систем связи с учетом некогерентного сложения лучей; - the ratio of signal power to noise power for broadband communication systems, taking into account incoherent addition of rays;
σс/ш - дисперсия отношения мощности сигнала к мощности шума;σ s / w is the variance of the ratio of signal power to noise power;
- допустимое значение отношения мощности сигнала к мощности шума для допустимой вероятности ошибки рош.доп=3·10-3; - the permissible value of the ratio of signal power to noise power for an acceptable error probability p er.dop = 3 · 10 -3 ;
ПК - полоса когерентности KB радиоканала;PC - coherence band KB of the radio channel;
τ - задержка для доминирующего по мощности луча;τ is the delay for the beam dominating in power;
β2 - отношение мощностей регулярной и флуктуационной компонент сигнала (коэффициент мутности ионосферы);β 2 is the ratio of the power of the regular and fluctuation components of the signal (the coefficient of turbidity of the ionosphere);
р1 - вероятность ошибки для узкополосных систем связи для многолучевого канала;p 1 is the probability of error for narrow-band communication systems for a multipath channel;
F1 - надежность радиосвязи для узкополосного канала при вероятности допустимой ошибки рош.доп=3·10-3;F 1 - the reliability of radio communications for a narrow-band channel with a probability of an admissible error p er.dop = 3 · 10 -3 ;
р2 - вероятность ошибки для широкополосных систем связи для многолучевого канала;p 2 is the probability of error for broadband communication systems for a multipath channel;
F2 - надежность радиосвязи для узкополосного канала при вероятности допустимой ошибки рош.доп=3·10-3.F 2 - the reliability of radio communications for a narrow-band channel with a probability of an admissible error p er.dop = 3 · 10 -3 .
Из данных Таблицы 1 можно выбрать частоту, которая соответствует требуемой надежности связи на данной радиолинии для текущего момента времени как для узкополосных, так и для широкополосных систем связи. Эти данные формируются после каждого цикла зондирования в реальном времени, например каждые 5 минут, в зависимости от режима работы и могут использоваться для определения оптимальных рабочих частот связной радиолинии при изменении текущей ионосферной обстановки. Например, если для данного сеанса взять порог надежности Fпop=0.9, то, как следует из таблицы 1, оптимальными рабочими частотами для узкополосной системы связи будут частоты: 11.2, 12.4 и 14.4 МГц, а для широкополосной системы связи оптимальными рабочими частотами будут частоты: 8.0, 8.4, 8.8, 9.2, 9.6, 10.0, 10.8, 11.2, 11.6, 12.0, 12.4, 12.8, 13.2, 14.0, 14.4, 14.8, 15.2 МГц, для которых надежность связи F>Fпop=0.9.From the data in Table 1, you can select the frequency that corresponds to the required reliability of communication on a given radio link for the current time moment for both narrowband and broadband communication systems. These data are generated after each sensing cycle in real time, for example, every 5 minutes, depending on the operating mode, and can be used to determine the optimal operating frequencies of a connected radio line when the current ionospheric situation changes. For example, if for this session we take the reliability threshold F pop = 0.9, then, as follows from Table 1, the optimal operating frequencies for a narrow-band communication system will be frequencies: 11.2, 12.4, and 14.4 MHz, and for a broadband communication system, the optimal working frequencies will be: 8.0, 8.4, 8.8, 9.2, 9.6, 10.0, 10.8, 11.2, 11.6, 12.0, 12.4, 12.8, 13.2, 14.0, 14.4, 14.8, 15.2 MHz, for which the communication reliability F> F pop = 0.9.
На фиг.5а, 5б для 14.12.2006 г. показаны результаты работы устройства на трассе Кипр - Ростов-на-Дону в течение суток по оценке надежности связи F для узкополосного (фиг.5а) и широкополосного (фиг.5б) многолучевого канала для мощности связного передатчика 100 Вт и допустимой вероятности битовой ошибки рдоп=3·10-3, на основе которых определяются оптимальные рабочие частоты связной радиолинии с заданной надежностью для данного времени суток для различных видов связных сигналов.On figa, 5b for 12/14/2006 shows the results of the operation of the device on the route Cyprus - Rostov-on-Don during the day according to the reliability of communication F for narrowband (figa) and broadband (fig.5b) multipath channel power of a connected transmitter of 100 W and an admissible probability of a bit error p add = 3 · 10 -3 , based on which the optimal operating frequencies of a connected radio line with a given reliability for a given time of day are determined for various types of connected signals.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009120635/09A RU2394371C1 (en) | 2009-05-29 | 2009-05-29 | Device for determining optimum working frequencies of ionospheric radio channel |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009120635/09A RU2394371C1 (en) | 2009-05-29 | 2009-05-29 | Device for determining optimum working frequencies of ionospheric radio channel |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2394371C1 true RU2394371C1 (en) | 2010-07-10 |
Family
ID=42684791
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009120635/09A RU2394371C1 (en) | 2009-05-29 | 2009-05-29 | Device for determining optimum working frequencies of ionospheric radio channel |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2394371C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2518900C2 (en) * | 2012-04-10 | 2014-06-10 | федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский радиофизический институт" | Method of creating radio channel through artificial ionospheric transponder |
RU2552530C2 (en) * | 2013-08-01 | 2015-06-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской академии наук (ИЗМИРАН) | Method of obtaining ionogram |
CN114422051A (en) * | 2021-12-20 | 2022-04-29 | 西安烽火电子科技有限责任公司 | Short wave link establishment method based on Chirp frequency-selecting detection |
RU2789854C1 (en) * | 2022-05-15 | 2023-02-14 | Акционерное общество Научно-производственное предприятие (АО "НПП "Эргоцентр") | Method for regularized determination of the optimal operating frequency for ionospheric-spatial propagation of radio waves |
-
2009
- 2009-05-29 RU RU2009120635/09A patent/RU2394371C1/en active
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2518900C2 (en) * | 2012-04-10 | 2014-06-10 | федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский радиофизический институт" | Method of creating radio channel through artificial ionospheric transponder |
RU2552530C2 (en) * | 2013-08-01 | 2015-06-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской академии наук (ИЗМИРАН) | Method of obtaining ionogram |
CN114422051A (en) * | 2021-12-20 | 2022-04-29 | 西安烽火电子科技有限责任公司 | Short wave link establishment method based on Chirp frequency-selecting detection |
RU2789854C1 (en) * | 2022-05-15 | 2023-02-14 | Акционерное общество Научно-производственное предприятие (АО "НПП "Эргоцентр") | Method for regularized determination of the optimal operating frequency for ionospheric-spatial propagation of radio waves |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
WO2017193200A1 (en) | Detecting motion based on reference signal transmissions | |
CN109490624B (en) | Pulse signal frequency measurer | |
Harris et al. | The DST group ionospheric sounder replacement for JORN | |
CN104777375A (en) | Cross-correlation phase noise detecting device | |
US20100002777A1 (en) | Systems and methods for construction of time-frequency surfaces and detection of signals | |
CN112965037A (en) | Radar signal waveform uncertainty test system | |
CN104360234B (en) | A kind of abnormal independent positioning method of the passive intermodulation of linear frequency hopping noncoherent detection | |
CN107450068A (en) | Pulse radar and its transmission impulse correction method and reception impulse correction method | |
EP3586128B1 (en) | Probing a structure of concrete by means of electromagnetic waves | |
RU2394371C1 (en) | Device for determining optimum working frequencies of ionospheric radio channel | |
RU2399062C1 (en) | Ionospheric probe-direction finder | |
Angrisani et al. | Estimating ultrasonic time-of-flight through quadrature demodulation | |
RU2549207C2 (en) | Device for detecting hydroacoustic noise signals based on quadrature receiver | |
López‐Almansa et al. | Derivation of an analytical model for estimation of measurement error induced by an arbitrary disturbance on a coherent delay lock loop | |
RU2408037C2 (en) | System of active electromagnetic monitoring of earth crust seismically active zones | |
KR101328703B1 (en) | Apparatus and method for MEASURING DISTANCE USING FMCW TECHNIC | |
RU2548032C2 (en) | Method of estimating signal-to-noise ratio using phase-modulated signals | |
RU2388146C2 (en) | Method of measuring amplitude-frequency characteristics of radio communication ionospheric channels | |
RU2285937C2 (en) | Method for detecting and determining coordinates of radio radiation source | |
Колчев et al. | Method for determining characteristics of arbitrary frequency radio channels | |
CN118981000B (en) | Processing method for estimating wall penetrability based on radar echo | |
RU2814220C1 (en) | Method of detecting and evaluating characteristics of wideband signals and device for its implementation | |
RU2758342C1 (en) | Spectral method for measuring frequency deviation | |
Krolik et al. | Performance bounds on acoustic thermometry of ocean climate in the presence of mesoscale sound‐speed variability | |
Yukimatu et al. | A new method for monitoring and removing SuperDARN radar DC offsets |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20171005 |