 |
Основные положения, выносимые на защиту 15 глава
|
|
|
|
Рис. 5.4.4. Результаты компьютерного моделирования зависимости надежности передачи сообщений от динамического диапазона смесителя при отсутствии помех гетеродина
Приведенные на рисунке 5.4.4 графики показывают, что для заданной модели помеховой обстановки приемник, имеющий смеситель частоты с динамическим диапазоном 84 дБ, незначительно проигрывает по мощности приемнику с идеальным смесителем. Можно оценить зависимость энергетического проигрыша в зависимости от динамического диапазона смесителя частоты. Полученные зависимости говорят о том, что уменьшение динамического диапазона смесителя на 1 дБ при достаточно мощных станционных помехах может привести к энергетическим потерям в 3 дБ. Таким образом, энергетические потери более критичны к динамическому диапазону смесителя, нежели к динамическому диапазону преселектора приемного устройства.
На рисунке 5.4.5 приведены кривые надежности связи с учетом шумов гетеродина при динамическом диапазоне смесителя 84 дБ и 70 дБ.
Имитация паразитных комбинационных составляющих гетеродина с вышеуказанными параметрами смесителя частоты с динамическим диапазоном 70 дБ и отношением сигнал/шум гетеродина 74 дБ не привела к заметному снижению надежности связи.
Анализируя полученные результаты, можно видеть, что в случае, когда отношение сигнал/шум гетеродина превышает значение динамического диапазона смесителя, влияние шума гетеродина на надежность связи практически не ощущается.
Можно допускать наличие паразитных дискретных составляющих в спектре напряжения гетеродина в ограниченном количестве и ограниченного уровня без существенного ухудшения надежности связи.
|
|
|
Так как интенсивность станционных помех в КВ диапазоне с годами увеличивается, то актуально исследование зависимости надежности передачи сообщений от интенсивности станционных помех. С этой целью были проведены вычислительные эксперименты, результаты которых изложены в [6]. Испытания проводились с преселектором, имеющим динамический диапазон 72 дБ. Коэффициенту загрузки КВ канала связи помехами придавались значения 0,3; 0,45; 0,6 и 0,9. Аттенюатор имел два положения, которые соответствовали затуханиям 0 дБ и 20 дБ. Ослабление аттенюатором сигнала на 20 дБ соответствовало условию согласования уровней атмосферного шума с чувствительностью РПУ.
На рисунке 5.4.6 приведены зависимости надежности передачи сообщений от коэффициента загрузки КВ канала связи станционными помехами.
На рис. 5.4.7 приведены кривые зависимости от коэффициента загрузки станционными помехами энергетического проигрыша РПУ с динамическим диапазоном 72 дБ по отношению к идеальному.
| КИД% |
| 1 - динамический диапазон 84 дБ; сигнал/шум = ¥ дБ; 2 - динамический диапазон 84 дБ; сигнал/шум = 74 дБ; 3 - динамический диапазон 84 дБ; сигнал/шум = 64 дБ; 4 - динамический диапазон 84 дБ; сигнал/шум = 54 дБ; 5 - динамический диапазон 70 дБ; сигнал/шум = 74 дБ; 6 - динамический диапазон 70 дБ; сигнал/шум = 54 дБ. |
| -10 0 10 Р дБ |
Рис. 5.4.5. Результаты компьютерного моделирования зависимости надежности передачи сообщений от динамического диапазона смесителя и отношения сигнал/шум гетеродина
Из приведенных графиков следует, что при работе без входного аттенюатора в заданной помеховой обстановке проигрыш РПУ с динамическим диапазоном преселектора 72 дБ по отношению к идеальному существенно зависит от загрузки КВ диапазона (при Кз=0,3 энергетический проигрыш составляет порядка 11 дБ, при Кз=0,9 он соответственно равен 22 дБ). При работе с согласованным аттенюатором энергетический проигрыш относительно мало зависит от загрузки КВ диапазона помехами (при Кз=0,3 энергетический проигрыш составляет 1,2 дБ, а при Кз=0,9 он соответственно равен 3 дБ).
|
|
|
| КИД% |
| 1 - идеальное РПУ; 2 - динамический диапазон 72 дБ; аттенюатор - 20 дБ; 3 - динамический диапазон 72 дБ; аттенюатор - 0 дБ. |
| 0 0,3 0,6 0,9 Кз |
Рис. 5.4.6. Зависимость надежности связи от коэффициента загрузки Кз КВ диапазона станционными помехами
| N дБ |
| 1 - без АТ 2 - с АТ (-20 дБ) |
| 0 0,3 0,6 0,9 Кз |
Рисунок 5.4.7. Зависимость от коэффициента загрузки станционными помехами энергетического проигрыша РПУ с динамическим диапазоном 72 дБ по отношению к идеальному
5.5. Исследование эффективности адаптивной регулировки
чувствительности радиоприемных устройств
В предыдущем разделе была продемонстрирована возможность повышения надежности передачи сообщений за счет адаптивной регулировки чувствительности (АРЧ) РПУ. Однако использованный при этом метод автовыбора положения аттенюатора, являясь наиболее оптимальным, не может быть применен на практике, так как требует параллельного включения большого числа РПУ. С целью
определения наиболее оптимального алгоритма АРЧ, пригодного для реальных РПУ, были проведены вычислительные эксперименты, имитирующие сравнительные трассовые испытания РПУ с различными устройствами АРЧ [33]. Блок-схема обобщенной функциональной модели, с которой проводились испытания, приведена на рисунке 5.5.1.
Методика испытаний ничем не отличалась от методики, описанной в разделе 5.4. Сравнение эффективности различных схем АРЧ производилось по энергетическому проигрышу реального (нелинейного) приемника с АРЧ по отношению к идеальному (линейному) приемнику. На рисунке 5.5.2 приведены зависимости энергетических проигрышей от динамического диапазона РПУ.
|
|
|
На рисунке 5.5.2 кривые соответствуют следующим алгоритмам АРЧ:
1 - РПУ без АРЧ;
2 - регулирование по уровню суммы сигнала, атмосферных и собственных шумов, комбинационных помех в полосе ФОС;
3 - регулирование по уровню помех при оптимальных порогах;
4 - регулирование по уровню суммы атмосферных и собственных шумов, а также комбинационных помех в полосе ФОС;
5 - согласование уровня собственных шумов с уровнем атмосферного шума;
6 - регулирование по уровню комбинационных помех в полосе ФОС при оптимальных порогах;
7 - оптимальный автовыбор градаций УА по комбинационным помехам;
8 - оптимальный автовыбор градаций УА по отношению сигнал/шум в полосе ФОС.
Анализ приведенных зависимостей показывает, что в заданной помеховой обстановке применение АРЧ позволяет уменьшить средний энергетический проигрыш реального приемника с динамическим диапазоном 64 дБ по отношению к идеальному приемнику на 20 дБ.
Наибольший энергетический выигрыш дает применение схемы АРЧ с оптимальным автовыбором градаций аттенюатора по отношению сигнал/шум на выходе ФОС (кривая 8).
| Определитель уровня напряжения |
| Вычисли- тельное устройство |
| Управляющее устройство |
| Модель входных воздействий |
| Модель РПУ |
| УА ФПС НЭ ФОС РУ |
Рис. 5.5.1. Блок-схема обобщенной функциональной модели для исследования эффективности адаптивной регулировки чувствительности радиоприемных устройств
| DЕ дБ |
|
| 4,5 |
| 64 68 72 76 80 D дБ |
Рис. 5.5.2. Зависимости энергетических проигрышей DЕ от
динамического диапазона РПУ D
Менее 1,5 дБ проигрывает ей схема АРЧ с оптимальным автовыбором градаций УА по уровню комбинационных помех в полосе ФОС (кривая 7).
|
|
|
Близкие результаты обеспечивает АРЧ, осуществляющая регулирование уровней комбинационных помех в полосе ФОС (кривая 6).
Схемы АРЧ, не использующие информацию о сигнале, имеют преимущество, так как они обеспечивают оптимальное положение аттенюатора РПУ в дежурном режиме приема сигналов.
5.6. Исследование влияния на надежность связи квантования
сигналов по уровню
Развитие цифровых методов обработки сигналов и элементной базы для их реализации позволило внедрить эти методы в современные РПУ. В связи с этим актуально исследование влияния отдельных параметров АЦП на надежность приема сообщений. Используемое в АЦП квантование сигналов по сути своей есть нелинейное явление, которое приводит к взаимной модуляции сигналов и к возникновению интермодуляционных составляющих в спектре выходного сигнала. Это может снижать надежность связи в каналах, использующих РПУ с цифровой обработкой сигналов. В работе [92] приведены результаты исследования влияния квантования сигналов по уровню в приемном устройстве на надежность связи, проведенные под непосредственным руководством автора работы. Для аппроксимации нелинейной характеристики идеального квантователя по уровню было использовано выражение (3.2.3).
Результаты исследований подтвердили очевидный факт зависимости надежности связи от числа уровней квантования (шага квантования). Оказалось, что при полосе пропускания преселектора равном 100 кГц, достаточно иметь 8 уровней квантования для каждой полярности напряжения в заданном интервале уровней сигнала и помех даже для большой загрузки станционными помехами. Исследования проводились при использовании автоматической регулировки усиления (АРУ) на входе квантователя, с помощью которой величина линейной суммы всех сигналов, действующих на входе цифрового приемника, не превосходила предельно допустимого значения.
Зависимость надежности связи от относительной мощности передатчиков приведена на рисунке 5.6.1. Она показывает, что при числе уровней квантования равном 8 и использовании АРУ, энергетический проигрыш цифрового РПУ по сравнению с идеально линейным в заданных условиях не превышает 2 дБ.
Замена преселектора с полосой пропускания 100 кГц на преселектор с полосой пропускания 40 кГц лишает идеальное РПУ преимущества перед цифровым РПУ
(кривая 1 - для идеального РПУ и для цифрового РПУ с полосой пропускания преселектора 40 кГц).
|
| 1 - идеальное РПУ и с N=8; Df=40 кГц. 2 - N=8; Df=100 кГц. |
| -10 0 10 Р дБ |
| КИД % |
Рис. 5.6.1. Зависимость надежности приема сообщений цифровым РПУ от мощности сигнала и полосы пропускания преселектора
5.7. Основные результаты пятой главы
В пятой главе приведены и проанализированы результаты экспериментов, проведенных при участии автора и под его непосредственным руководством. Вычислительные эксперименты по имитации трассовых сравнительных испытаний передачи дискретных сообщений выполнены автором самостоятельно с использованием разработанных им лично программ, приведенных в соответствующих приложениях.
Первый параграф пятой главы посвящен сравнительным трассовым испытаниям в реальных условиях быстродействующей (ОФТ-500) и медленнодействующей (ЧТ-20) систем связи. Полученные в ходе испытаний результаты показали, что медленнодействующая система связи позволяет передавать сообщения при мощности в среднем на четыре порядка меньше с той же надежностью связи, что и быстродействующая система связи. Если при адекватных антенно-фидерных устройствах определенная надежность связи в системе с ОФТ-500 обеспечивается при мощности передатчика порядка 10 кВт, то при медленнодействии мощность передатчика может быть уменьшена до 1 Вт без
снижения этого уровня надежности. Такой выигрыш по мощности имеет место за счет увеличения чувствительности приемного устройства, использующего при медленнодействии узкополосные фильтры основной селекции с полосой пропускания 40 Гц, приема сообщений по всем присутствующим лучам (разность хода лучей много меньше длительности элемента сообщения), частотно-временного разнесения сообщений и избыточного кодирования.
Результаты испытаний позволяют утверждать, что при наличии адаптации, использования частотно-разнесенных сигналов и работе на специально выделенных и подготовленных заранее частотах медленнодействующий вид работы позволит обеспечить высоконадежный прием сообщений даже в том случае, когда передача будет вестись с подвижных объектов с использованием низкоэффективных антенн.
Два исследованных вида манипуляции предполагается использовать с некоторыми доработками в КВ системе мобильной автоматической радиосвязи, описанной в главе 6. Поэтому полученные в реальных условиях экспериментальные результаты для проектируемой системы связи чрезвычайно важны.
Во втором параграфе приведены результаты эксперимента, полученные с помощью метода “ЭКВИВАЛЕНТ”. Испытания систем связи проводились с использованием сигналов московской и иркутской станций точного времени. Этот эксперимент имеет прямое отношение к исследованиям, направленным на изучение проблем передачи сообщений через удаленные ретрансляторы, так как позволяет судить о возможности обеспечения круглосуточной связью корреспондентов, удаленных от ретрансляционного пункта на расстояние одного скачка отражения радиоволн от ионосферы. Полученные в проведенном эксперименте результаты показали, что автовыбор телеграмм обеспечивает надежность приема сообщений порядка 85%, а при соответствующей избыточности в телеграмме потери могут быть сведены до 10 и менее процентов. Важно отметить, что при работе на трех частотах не было случая полного непрохождения сигнала хотя бы на одной из трасс. Это дает основание утверждать, что при частотно-разнесенной передаче информации дополнительные меры повышения надежности связи, такие как использование каналов обратной связи для переспроса фрагментов сообщений,
принятых с низким качеством, пространственная селекция сигналов, пространственно-разнесенный и разнесенный по поляризации прием сигналов, позначное сложение телеграмм, принятых на разных частотах, и т. п., дадут возможность уменьшить относительное число не принятых при одноразовой передаче телеграмм до нескольких процентов. Например, однократная передача сообщения с двух направлений одновременно на 3-х частотах позволяет обеспечить КИД 90%. Двукратная передача этих сообщений с задержкой на один час позволяет поднять значение КИД до 95%. Разнесение во времени на 12 часов обеспечивает КИД близкий к 100%. Этого же результата можно достичь при однократной передаче, но при наличии канала обратной связи и переспросе принимающей стороной фрагментов телеграмм, принятых с неудовлетворительным качеством.
В третьем параграфе пятой главы исследовалась надежность передачи сообщений с использованием имитационных моделей дискретных каналов связи.
Анализ полученных результатов показывает, что, как и следовало ожидать, вид манипуляции ЧТ выигрывает у вида манипуляции АТ порядка 3 дБ на всех уровнях значений надежности связи. Автовыбор элементов выигрывает также порядка 3 дБ у сложения разнесенных сигналов АТ методом автовыбора телеграмм. Если передавать сообщение с помощью сигналов ЧТ с большой девиацией, то на каждой поднесущей частоте сигналы можно принимать индивидуально как два частотно-разнесенных АТ сигнала, что при автовыборе наиболее достоверных элементов дает наиболее высокую надежность приема сообщений. В этом случае можно получить существенный энергетический выигрыш. Так, например, на уровне значения надежности приема сообщений 0,5 энергетический выигрыш составляет порядка 7 дБ (более чем в 4 раза), а на уровне надежности приема сообщений 0,85 этот выигрыш равен порядка 26 дБ, что соответствует энергетическому выигрышу в 400 раз. Можно считать, что в среднем (на уровне надежности приема сообщений 0,75) энергетический выигрыш будет равен порядка 16 дБ, т. е. в 40 раз по мощности. Нужно иметь в виду, что столь большой энергетический выигрыш получен в случае независимых замираний сигнала и
независимых помех в разнесенных каналах. Естественно, что при нарушении этих условий выигрыш будет иметь меньшую величину.
Полученные результаты дают основания для модернизации медленнодействующей системы ЧТ-20 и ее замене на ЧТ-3000 или даже ЧТ-9000 с сохранением низкой скорости передачи сообщения.
В этом же параграфе описан вычислительный эксперимент для случая, идентичного случаю трассовых испытаний, описанному в первом параграфе. Из полученных результатов видно, что компьютерное моделирование дает возможность прогнозировать результаты сравнительных трассовых испытаний для уровня надежности передачи сообщений, превышающего 50%, с точностью оценки энергетического выигрыша (проигрыша) не хуже, чем 20%. При этом в дневных условиях связи точность оценки является еще более высокой (единицы процентов). Ухудшение точности относительной энергетической оценки в ночных условиях можно объяснить увеличением числа лучей в КВ канале связи в переходные периоды суток, которые по летнему суточному времени в основном были отнесены к ночи. Это предположение находит подтверждение в вычислительном эксперименте, в котором была повышена интенсивность многолучевости.
В четвертом параграфе приведены результаты исследования на надежность связи динамического диапазона преселектора, преобразователя частоты и степени загрузки КВ канала станционными помехами на надежность связи. Для аппроксимации нелинейных характеристик использованы аналитические модели, описанные во второй главе.
Полученные результаты показывают, что надежность связи без адаптации по чувствительности сильно зависит от динамического диапазона РПУ. Ухудшение динамического диапазона преселектора РПУ на 1 дБ приводит к энергетическим потерям в среднем порядка 1 дБ.
Наличие устройства адаптации по чувствительности позволяет в значительной степени избавиться от этой зависимости. Так, РПУ с динамическим диапазоном 64дБ и с адаптацией по чувствительности практически не уступает по надежности связи РПУ с динамическим диапазоном 82 дБ без аттенюатора. При отсутствии
адаптации РПУ с динамическим диапазоном 64 дБ проигрывает идеальному РПУ 20дБ, а при наличии адаптации это же РПУ проигрывает идеальному РПУ всего лишь 4 дБ.
Полученные при моделировании преобразователя частоты результаты говорят о том, что уменьшение динамического диапазона смесителя на 1 дБ при достаточно мощных станционных помехах может привести к энергетическим потерям в 3 дБ. Таким образом, энергетические потери более критичны к динамическому диапазону смесителя, нежели к динамическому диапазону преселектора приемного устройства.
Анализируя полученные результаты, можно видеть, что в случае, когда отношение сигнал/шум гетеродина превышает значение динамического диапазона смесителя, влияние шума гетеродина на надежность связи практически не ощущается.
Можно допускать наличие паразитных дискретных составляющих в спектре напряжения гетеродина в ограниченном количестве и ограниченного уровня без существенного ухудшения надежности связи.
Из полученных при варьировании интенсивности помех результатов следует, что при работе без входного аттенюатора в заданной помеховой обстановке проигрыш РПУ с динамическим диапазоном преселектора 72 дБ по отношению к идеальному существенно зависит от загрузки КВ диапазона (при Кз=0,3 энергетический проигрыш составляет порядка 11 дБ, при Кз=0,9 он соответственно равен 22 дБ). При работе с согласованным аттенюатором энергетический проигрыш относительно мало зависит от загрузки КВ диапазона помехами (при Кз=0,3 энергетический проигрыш составляет 1,2 дБ, а при Кз=0,9 он соответственно равен 3 дБ). Таким образом, была доказана необходимость оснащения магистральных РПУ, которые работают в тяжелой помеховой обстановке, например, на совмещенных приемно-передающих центрах, устройствами адаптации по чувствительности.
В пятом параграфе пятой главы приведены результаты исследования влияния на надежность передачи сообщений различных алгоритмов управления аттенюатором на входе РПУ.
Анализ приведенных зависимостей показывает, что в заданной помеховой обстановке применение АРЧ позволяет уменьшить средний энергетический проигрыш реального приемника с динамическим диапазоном 64 дБ по отношению к идеальному приемнику на 20 дБ.
Наибольший энергетический выигрыш дает применение схемы АРЧ с оптимальным автовыбором градаций аттенюатора по отношению сигнал/шум на выходе ФОС.
Менее 1,5 дБ проигрывает ей схема АРЧ с оптимальным автовыбором градаций УА по уровню комбинационных помех в полосе ФОС.
Близкие результаты обеспечивает применение АРЧ, которая осуществляет регулирование по уровню комбинационных помех в полосе ФОС.
Применение схем АРЧ, не использующих информацию о сигнале, имеет преимущество, так как они сохраняют работоспособность РПУ в дежурном режиме приема сигналов.
В шестом параграфе пятой главы изложены результаты исследования влияния квантования сигналов по уровню на надежность передачи сообщений. Эти результаты показывают, что, при полосе пропускания преселектора 100 кГц и числе уровней квантования каждой полярности сигнала равном 8 с использованием АРУ, энергетический проигрыш цифрового РПУ по сравнению с идеально линейным не превышает 2 дБ. Замена преселектора с полосой пропускания 100 кГц на преселектор с полосой пропускания 40 кГц лишает идеальное РПУ преимущества перед цифровым РПУ.
Важным моментом в вычислительных экспериментах с использованием имитационного моделирования является то, что они позволяют прогнозировать надежность связи в условиях, которые трудно и даже невозможно обеспечить каким-либо другим методом испытаний (например, при предельном увеличении коэффициента загрузки КВ КС станционными помехами, которое возможно в случае возникновения чрезвычайных ситуаций).
6. СИСТЕМА ВЫСОКОНАДЕЖНОЙ КВ
МОБИЛЬНОЙ АВТОМАТИЧЕСКОЙ РАДИОСВЯЗИ
6.1. Радиосвязь с подвижными объектами
Термин “подвижные объекты” (ПО) применяется к различного рода наземным транспортным средствам (в первую очередь, к автомобилям и железнодорожному транспорту), речным и морским судам, летательным аппаратам (самолетам, вертолетам, ракетам и др.) и, в общем случае, к спутникам Земли [99]. Кроме того, будем относить к этой же категории объектов и людей, которые передвигаются пешком и ведут радиосвязь с помощью носимых радиостанций.
При радиосвязи с различного рода ПО приходится встречаться с широким кругом проблем. Например, носимые радиостанции могут быть исключительно маломощными, так как в настоящее время еще невозможно создать малогабаритные и достаточно легкие источники питания для мощных радиопередающих устройств. Радиосвязь с летательными аппаратами сопровождается, как правило, эффектом Доплера. Железнодорожный транспорт находится в зоне повышенного уровня промышленных помех. Но общей проблемой всех без исключения ПО является то, что на этих объектах, как правило, используются низкоэффективные антенны. Особенно это относится к декаметровым радиоволнам, так как геометрические размеры КВ антенн значительно превосходят размеры самих подвижных объектов.
|
|
|
