2
*
СОДЕРЖАНИЕ
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ_____________________________6
ВВЕДЕНИЕ ______________________________________________________________9
1 .МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ В КАНАЛАХ РАДИОСВЯЗИ___________________23
1.1 Каналы радиосвязи; понятия и определения__________________________23
1.2 Критерии оценки качества цифровой радиосвязи______________________27
1.3 Связь между величинами Рош и Н и ошибки их измерения______________31
1.4 Факторы,влияющие на качество канала связи_________________________34
1.5 Методы и средства измерений в каналах радиосвязи__________________39
1.5.1 Общий подход к проектированию приборов для автоматизированных систем измерений в каналах связи________________________________37
1.5.2 Приборы для измерений в каналах связи___________________________37
1.5.3 Измерения качества радиосвязи в телефонных каналах связи________52
1.5.4 Измерения качества радиосвязи в дискретных каналах связи 53
1.5.5 Разработка автоматизированной измерительной системы на базе анализатора каналов связи АКС-1_______________________________________56
1.6 Смешанное моделирование каналов радиосвязи_________________I______60
1.6.1 Основные тенденции развития средств смешанного моделирования
каналов радиосвязи______________________________________________60
1.6.2 Разработка стенда смешанного моделирования и его основные характеристики_______________________________________________________62
1.6.3 Методика моделирования работы радиолинии в условиях многолучевости______________________________________________________ 69
1.6.4 Результаты моделирования радиоканала ДКМВ диапазона____________69
1.7 Основные результаты и выводы______________________________________75
2.0С0БЕНН0СТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН МВ-ДМВ
ДИАПАЗОНОВ ПРИ СВЯЗИ С ЛЕТАЮЩИМИ ОБЪЕКТАМИ____________________________77
2.1 Модели каналов радиосвязи МВ-ДМВ диапазона при связи с
летающими объектами________________________________________________77
2.1.1 Модель канала связи с отражением плоской поверхностью Земли_____11
2.1.2 Статистическая модель канала с отражением от шероховатой
3
поверхности Земли___________________________________________________86
2.2 Экспериментальные исследования многолучевых замираний при связи воздух-земля и имитация условий связи в канале воздух-воздух__________91
2.2.1 Методика и техника измерений^_____________________________________91
2.2.2 Обработка и основные результаты измерений_________________________95
2.2.3 Обсуждение результатов и выводы_________________________________103
2.3 Особенности УКВ связи в высоких широтах, возможность
заторизонтного канала радиосвязи______________________________________106
2.3.1 Заторизонтная УКВ радиосвязь_______________________________________106
2.3.2 Эксперимент по загоризонтной УКВ радиосвязи________________________109
2.3.2.1 Обоснование методики эксперимента______________________________109
2.3.2.2 Организация и проведение эксперимента__________________________113
2.3.2.3 Результаты эксперимента________________________________________114
2.3.3 Обсуждение результатов_____________________________________________118
2.4 Основные результаты и выводы_________________________________________119
3.ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН ДКМВ ДИАПАЗОНА ПРИ СВЯЗИ С ЛЕТАЮЩИМИ ОБЪЕКТАМИ_________________________________________.120
3.1 Модель многолучевого распространения при связи воздух-Земля в
ДКМВ диапазоне________________________________________________________120
3.1.1 Статистические характеристики радиосигналов на линиях
радиосвязи и их влияние на качество связи 120
3.1.2 Качество связи для различных моделей распространения_______________131
3.1.3 Распространение радиоволн при связи с летающим объектом. Интерфереционные замирания________________________________________133
3.2 Математическое моделирование двухлучевой интерференции при
связи с летающим объектом__________________________________________ .139
3.3 Экспериментальное исследование статистических характеристик радиосигнала на радиотрассе "воздух-земля"_________________________ -152
3.3.1 Цели и организация эксперимента____________________________________152
3.3.2. Методика проведения измерений и использовавшееся оборудование 154
3.3.3. Обработка экспериментальных данных и ее результаты________________159
4
3.4. Основные результаты и выводы 171
4.ОСОБЕННОСТИ ДАЛЬНЕГО И СВЕРХДАЛЬНЕГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН__________________________________________________________173
4.1 Маршруты экспедиций и исследовавшиеся радиотрассы________________173
4.2 Методика и техника измерений_____________________________________183
4.2.1 Приемо-измерительный комплекс "Невод-200”______________________183
4.2.2 Ошибки измерений с помощью комплекса "Невод-200"_______________189
4.3 Классификация и свойства сигналов на трассах большой протяженности____________________________________________________193
4.3.1 Стандартная многолучевость_____________________________________197
4.3.2 Сигналы обратного эхо и кругосветные сигналы___________________198
4.3.3 Экваториальные боковые сигналы на дальних и сверхдальних радиотрассах _________________________________________________ 210
4.4 Основные результаты и выводы_____________________________________219
5.ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИГНАЛОВ СТАНЦИЙ РАДИОСЛУЖБ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ КАНАЛОВ РАДИОСВЯЗИ_____________________________________222
5.1 Радиостанции радиослужб, использующиеся для диагностики радиоканалов
и ионосферы_______________________________________________________222
5.2 Оценка интегральных потерь и максимально-применимых частот по сигналам СЕВ_____________________________________________________227
5.3 Оценка многолучевости по сигналам СЕВ____________________________241
5.4 Основные результаты и выводы_____________________________________247
6.ИСПЫТАНИЯ СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ В КОНТРОЛИРУЕМЫХ УСЛОВИЯХ____________________________________________________________.248
6.1 Общий подход к испытаниям систем радиосвязи ДКМВ диапазона_______248
6.2 Ионосферный мониторинг в интересах обеспечения испытаний_________253
6.2.1 Методы диагностики состояния ионосферы________________________254
6.2.2 Существующая сеть и организация системы ионосферного мониторинга
в России. Ее эффективность_____________________________________.259
6.3 Наклонное зондирование ионосферы как основа сети ионосферного
мониторинга для обеспечения испытаний____________________________262
5
6.3.1 Сигналы, используемые для наклонного зондирования________________262
6.3.1.1 Радиоимпульсные сигналы зондирования___________________________263
6.3.1.2 Сигналы, образованные на основе ПСП____________________________264
6.3.1.3 Многочастотные параллельные зондирующие сигналы________________267
6.3.1.4 Сигналы с линейной частотной модуляцией с одним наклоном частотно-временной характеристики 269
6.3.2 Средства наклонного зондирования ионосферы_______________________271
6.3.2.1 Станции радиоимпульсного зондирования__________________________271
6.3.2.2 Комплекс наклонного зондирования ’’КАДР"_______________________275
6.3.2.3 Ионозонд с непрерывным излучением линейно-частотно-модулированных сигналов________________________________________________277
6.4 Система экспериментально-технологических радиотрасс для
проведения испытаний в контролируемых условиях_____________________.280
6.4.1 Экспериментальные исследования на короткой радиотрассе___________280
6.4.2 Общая схема построения СЭТР ДКМВ диапазона______________________.291
6.4.3 Тестирование программ расчета каналов радиосвязи с целью разработки
требований к специализированному пакету прикладных программ управления испытаниями____________________________________________294
6.4.3.1 .Методы расчета основных характеристик ДКМВ радиоволн__________294
6.4.3.2 Экспериментальная проверка методов расчетов каналов связи • 297
6.4.3.3 Тестирование пакетов прикладных программ расчета радиоканалов ДКМВ диапазона в СЭТР 300
6.4. .4 Экспериментальные исследования эффективности ионосферного
мониторинга средствами НЗ с использованием ЛЧМ - сигналов для уточнения результатов расчетов ' 310
6.4.5 Исследование свойств радиоканалов и их влияния на работу средств
и фрагментов систем связи в СЭТР__________________________________319
6.4.6 Перспективы развития СЭТР_______________________________________ 324
6.5 Основные результаты и выводы_________________________________________325
ЗАКЛЮЧЕНИЕ______________________________________________________________327
ЛИТЕРАТУРА______________________________________________________________330
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ.
ISIS
А - коэффициент ассиметрии
Аэфф.-эффективная площадь антенны
Г - поглощение (потери) на трассе распространения
Н - надежность радиосвязи
а - радиус Земли (расстояние от центра Земли)
с - скорость света
Еп. - напряженность поля помех
f0E - критическая частота Е-слоя
f0F2 - критическая частота Р2-слоя
h - отношение сигнал/шум
Ьдоп.- допустимое отношение сигнал/шум
f - частота
G(A) - коэффициент усиления антенны
L,l - расстояние между приемником и передатчиком
ш - параметр распределения Накагами
Ne - электронная концентрация.
п - показатель преломления
Ризл.- излучаемая мощность
Рош. * вероятность ошибки на бит
Рдоп.- допустимая вероятность ошибки
R - коэффициент отражения от Земли
SNR - соотношение сигнал/шум
V - коэффициент вариации
Ув. - вертикальная составляющая скорости движения Л А
U,А - амплитуда сигнала
W(Pool)- плотность распределения вероятности ошибки
W(U) - дифференциальное распределение амплитуды сигнала а- азимут излучения (приема)
У - отношение моментов
^эфф.- эффективная частота электронных соударений а - стандартное отклонение со - циклическая частота
ATN - Aeronautical Telecommunications Network - авиационная сеть связи. ITA - международное общество авиационной электросвязи.
АСПД - автоматизированная система передачи данных ЛИС автоматизированная измерительная система АФУ антенно-фидерное устройство ВЗ - вертикальное зондирование ионосферы BOJIC - волоконно-оптическая линия связи ВС- воздушное судно.
ВЧ - высокая частота
ДН - диаграмма направленности антенны
ДКМВ - декаметровые радиоволны (КВ)
ДМВ - дециметровые радиоволны
имк- испытательно-моделирующий комплекс
ип- испытательный полигон
ипм- исходный пункт маршрута
кип- контрольно-измерительный прибор
ктм- контрольная (конечная) точка маршрута
ктс- комплекс технических средств
коп- канал общего пользования
ЛА- ‘летательный аппарат
лл- летающая лаборатория
лчм- линейно-частотная модуляция
МВ- метровые радиоволны
мпч- максимальная применимая частота
мнч- максимальная наблюдаемая частота
нч- низкая частота
8
НЗ(И) - наклонное зондирование (ионосферы)
ННЧ - наинизшая наблюдаемая частота
НЛП - наземный приемный пункт
ОРЧ - оптимальная рабочая частота
ППРЧ - псевдо-случайная перестройка частоты
РПУ - радиоприемное устройство
РЭА - радиоэлектронная аппаратура
РЭБ - радиоэлектронная борьба
СВ - редкие радиоволны
СВЧ - сверхвысокая частота
СДВ - сверхдлинные радиоволны
СММ - стенд масштабного моделирования
СМРК - стенд смешанного моделирования радиоканала
СЭТР - Система Экспериментально - Технологических Радиотрасс
ЭМС - электромагнитная совместимость
ЭМП - электромагнитное поле
%
%
ВВЕДЕНИЕ
Диссертация посвящена исследованиям свойств радиоканалов связи с подвижными объектами (самолетами, вертолетами, судами) МВ-ДМВ и ДКМВ диапазонов, разработке и практической реализации методов и средств их исследований и испытаний при диагностике среды распространения радиоволн радиофизическими методами.
Актуальность проблемы. Каналы радиосвязи являются основой построения всех современных систем связи с подвижными объектами и исследованию их свойств уделяется большое внимание в мире. Знание свойств каналов связи необходимо для разработки аппаратуры связи, поскольку позволяет, с одной стороны, синтезировать оптимальные алгоритмы ее работы, адаптировать их к меняющимся условиям, а с другой - оптимально планировать работу систем связи. На сегодняшний день каналы связи с подвижными объектами являются одними из самых массовых, но и наиболее сложных каналов связи, что связано, как с движением и маневрированием объектов, так и с изменениями условий распространения радиоволн. Перемещение объектов связи в пространстве, их маневрирование и постоянное изменение среды распространения радиоволн, связанное с природными процессами, приводят к нестационарности этих каналов уже на интервалах времени порядка десятков- сотен секунд. Поэтому измерение характеристик этих каналов является сложной задачей, требующей одновременного контроля многих параметров, как среды распространения радиоволн, так и характеристик движения объектов связи. Эти измерения имеют высокую стоимость, поскольку в нее включаются расходы на эксплуатацию объектов связи (самолетов, вертолетов, судов). Поэтому всякое усовершенствование методов исследований и испытаний, позволяющее сократить их сроки, стоимость и повысить информативность чрезвычайно важно с практической точки зрения, так как непосредственно влияет на качество, сроки и стоимость разработок. С этой точки зрения разработка методов исследований и ис-
10
пытаний с одновременным контролем среды распространения радиоволн радиофизическими методами, позволяющих сократить необходимый объем испытаний и создавать банки данных для последующего многократного использования при моделировании работы систем связи и прогнозирования экстремальных ситуаций важно как с научной, так и с практической точек зрения. В 1991г. Ф диссертантом совместно с соавторами была экспериментально доказана воз-
можность существенного (более чем в 10 раз) сокращения сроков и объема испытаний каналов радиосвязи ДКМВ диапазона при контроле ионосферы методами вертикального и наклонного зондирования. Работы в этом направлении были продолжены в дальнейшем (глава 6) и шли как по пути совершенствования методов диагностики и исследований, так и по пути создания системы экспериментально-технологических радиотрасс (СЭТР), предназначенной для этих целей и разработки специальных измерительных, диагностических и модели-• рующих аппаратно-програмных комплексов (главы 1, 4, 5). В ней так же изло-
жены результаты исследований распространения радиоволн и свойств каналов радиосвязи с подвижными объектами на трассах различной протяженности, проведенных автором в период с 1975 по 2000г. (главы 2,3,4,б).
На сегодняшний день для связи с подвижными объектами используется практически весь освоенный диапазон электромагнитных волн и было бы бессмысленно пытаться описать все возможные каналы связи. Автор ограничился % диапазонами МВ, ДМВ и ДКМВ - наиболее часто использующимися в систе-
мах авиационной, сухопутной и морской связи, где им был проведен ряд экспериментальных работ. Поэтому же автор не стал приводить во введении общего обзора состояния проблемы, перенеся его в соответствующие главы. Так, в главе 1 приведен анализ рынка современных измерительных приборов, предназначенных для измерений в каналах связи, во вторую и третью главы вклю-^ чены обзоры исследований авиационных каналов связи МВ, ДМВ и ДКМВ
диапазонов, в четвертой главе приведен обзор работ по сверхдальнему распространению ДКМВ, в пятой - обзор работ по использованию для диагностики ионосферных каналов связи сигналов станций различных радиослужб, в шее-
той главе -обзоры по развитию методов испытаний, диагностики ионосферы и методам расчетов каналов радиосвязи.
Основное внимание в диссертации уделено ДКМВ каналу связи, что связано с тем, что в последние годы вновь заметно вырос интерес к его использованию для связи с подвижными объектами. Это обусловлено как экономическими причинами, так и возросшими возможностями ДКМВ радиосвязи, обусловленные последними исследованиями, в результате которых [1,2]:
- разработаны методы автоматического ведения адаптивной связи на основе прогнозирования качества канала с учетом условий распространения радиоволн и воздействия нестационарных помех;
- определены технические решения по созданию адаптивных ДКМВ модемов, обеспечивающих передачу информации со скоростью до 4800 бит/С.
Разработчики систем военной и коммерческой связи признают в настоящее время ДКМВ радиоканал эффективным средством дальней связи. Это обусловлено его низкой стоимостью и высокой живучестью в условиях конфликтных ситуаций в сравнении со спутниковыми. Это подтверждают оценки затрат на связь с армейским контингентом США в Боснии в 1994 г., сделанные техническим центром командования SHAPE, [3] показавшие, что стоимость одного сообщения, переданного по ДКМВ каналу, на один - два порядка ниже, чем по спутниковому каналу при равной интенсивности обмена информацией.
В интересах авиационной радиосвязи Корпорацией ARINC разработан проект "Протокола ВЧ линии данных", направленный на развитие и широкое внедрение систем обмена данными в ДКМВ автоматических линиях "воздух-земля". Он содержит концепцию построения авиационных сетей-телекоммуникации ATN и описывает функции компонентов авиационной ДКМВ линии пакетной связи. В настоящее время начаты работы по развертыванию глобальной сети ДКМВ передачи данных, ведущиеся под эгидой ИКАО [4].
Нельзя рассматривать спутниковую и ДКМВ связь, как конкурирующие виды связи. Они должны рассматриваться как взаимодополняющие, обеспечивающие максимальную готовность системы связи в регионах, не имеющих ин-
12
фраструктуры, труднодоступных районах, особенно при связи с самолетами на Севере. Оптимальное сочетание спутниковой и ДКМВ связи обеспечит экономическую эффективность дальней связи. Поэтому многие разработчики систем дальней связи планируют основной объем информации передавать по ДКМВ каналу, используя спутниковые каналы связи только во время пропадания ус-
щ ловий ионосферной связи по причине аномальных явлений.
Важность ДКМВ радиосвязи на сегодняшний день признают и разработчики систем связи, предназначенных для работы в условиях чрезвычайных ситуаций (стихийные бедствия, войны). Фирмой HARRIS, (США), были опубликованы сравнительные характеристики некоторых систем связи для оценки их эффективности в таких условиях. Результаты сравнения показывают важные преимущества ДКМВ канала связи [5].
Целью диссертационной работы является исследование распростране-
* ния радиоволн в каналах радиосвязи с подвижными объектами, влияния их физических свойств на возможность и качество связи, а так же разработка средств и методов измерений и диагностики среды распространения радиоволн в интересах исследований и испытаний каналов связи с подвижными объектами.
Методы исследования.
При решении поставленных задач использовались методы натурных экспериментов, математического и смешанного моделирования. Большинство при-
• веденных в диссертации результатов получено при использовании метода наклонного зондирования ионосферы, для чего под руководством автора были разработаны и изготовлены несколько автоматизированных измерительных комплексов, предназначенных как для исследования усредненных параметров принимаемых сигналов, их статистических характеристик, так и для измерений качества радиосвязи (коэффициент ошибки на бит передаваемой информации,
^ надежность радиосвязи, параметры группирования ошибок). При проведении
экспериментов использовались методы частотного, временного и пространственного разнесения, что позволило увеличить объем получаемой информации, сократить сроки и повысить достоверность проводившихся исследований. Ма-
тематическое моделирование проводилось, как правило, на этапах подготовки экспериментов с целыо оптимизации его проведения, обработки и интерпретации его результатов. Кроме того, математическое моделирование использовалось для получения исходных данных при проведении исследований методом смешанного моделирования, когда одна часть реального радиоканала представляется в виде математической модели, а другая - реальной радиоаппаратурой. При этом использовались математические модели ионосферы (ПГИ, НИРФИ. КЖСАР) ионосферного распространения радиоволн (ПГИ, НИРФИ, ИЗМИР АН, РгорМап, РгорУ1г), модели отражения и рассеяния радиоволн земной поверхностью и ионосферой. Метод смешанного моделирования в сочетании с методом математического моделирования и использованием банков экспериментальных данных применялся для испытаний аппаратуры радиосвязи. Научная новизна работы заключается в том, что проведенные исследования дали возможность:
- получить экспериментальные данные по особенностям распространения радиоволн в каналах радиосвязи земля-самолет и самолет-самолет МВ-ДМВ диапазонов, обнаружить ряд неизвестных эффектов (искажение диаграмм направленности антенн в азимутальной плоскости, модуляцию сигнала винтами самолета) и провести аппробацию существующих алгоритмов расчетов;
- смоделировать, теоретически объяснить и экспериментально исследовать амплитудные распределения и спектры сигналов ДКМВ диапазона в канале связи самолет - земля и предложить ряд моделей авиационных каналов радиосвязи;
- классифицировать сигналы и выявить роль основных механизмов распространения и на сверхдальних радиотрассах ДКМВ диапазона;
- обнаружить и провести регулярные измерения характеристик экваториальных боковых сигналов, предложить и обосновать модель их формирования за счет рассеяния на неоднородностях экваториальной зоны;
- предложить и обосновать алгоритмы диагностики каналов радиосвязи по сигналам станций единого времени (СЭВ);
- аппробировать ряд моделей ионосферного распространения радиоволн, использующихся при планировании и управлении связью;
Практическая ценность работы состоит в том, что:
- Обоснована и практически опробована методика проведения испытаний средств связи при контроле состояния ионосферы;
- Создана и введена в эксплуатацию система экспериментальнотехнологических радиотрасс для испытаний средств, комплексов и фрагментов систем радиосвязи в контролируемых условиях (СЭТР);
- СЭТР использована в испытаниях средств связи, алгоритмов и средств поме-хозащиты, тестировании программ планирования и управления радиосвязью;
- Созданы и применены в измерениях и исследованиях комплексы:
-наклонного зондирования ("Невод-200>200М”, "КАДР");
-измерения качества каналов связи ("АКС-1", "Камея", АИС)
-смешанного моделирования каналов радиосвязи (СМРК);
- Создан банк экспериментальных данных по сигналам в авиационных и наземных каналах связи МВ, ДМВ и ДКМВ диапазонов и на сверхдальних радиотрассах ДКМВ диапазона, используемый для:
-аппробации методов расчетов каналов радиосвязи.
-разработки требований к аппаратуре связи.
-испытаний аппаратуры связи методом смешанного моделирования, -аппробации методов планирования и управления связью.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты исследований:
1.Теоретическое и экспериментальное обоснование нового метода проведения испытаний средств и фрагментов систем связи при контроле среды распространения радиоволн радиофизическими методами, позволяющего сократить сроки, обьем испытаний и повысить их информативность.
2.Практическая реализация метода проведения испытаний в контролируемых ионосферных условиях, включающая:
• организацию системы экспериментально-технологических радиотрасс для проведения испытаний в контролируемых условиях (СЭТР).
• разработку специализированных измерительных и диагностических комплексов, оснащение ими узлов связи СЭТР
• организацию и проведение экспериментальных исследований в СЭТР.
3.Экспериментальный цикл измерений, разработку и экспериментальную проверку моделей каналов радиосвязи:
• земля-воздух ДКМВ диапазона;
• земля-воздух и воздух-воздух МВ и ДМВ диапазонов.
4.Экспериментальный цикл исследований сверхдальнего распространения радиоволн ДКМВ диапазона, позволивший:
• обнаружить и исследовать характеристики экваториальных боковых сигналов, характеризующихся суточными изменениями времени распространения, и разработать модель их возникновения за счет рассеяния сигналов анизотропными неоднородностями области Р экваториальной ионосферы.
• получить сведения о механизмах сверхдальнего распространения на прямых и обратных радиотрассах в зависимости от угла между плоскостями трассы и экватора, характеризующего степень их захода в высокие широты;
• получить сведения о механизмах распространения на сверхдальних радиотрассах в зависимости от освещенности радиотрассы и приближенности ее к линии терминатора.
• провести измерения абсолютного времени распространения сигналов ДКМВ диапазона на сверхдальних радиотрассах и оценить возможности ДКМВ диапазона для синхронизации шкал времени.
5.Разработанные методы оценки характеристик радиоканалов (максимальные и оптимальные рабочие частоты, потери на трассе распространения, характеристики многолучевости) с использованием для этого сигналов постоянно работающих радиостанций радиослужб, позволяющие расширить сеть станций, используемых для диагностики ионосферы и радиоканалов.
16
Предмет зашиты - решена важная народно-хозяйственная задача по ' внедрению современных радиофизических методов диагностики ионосферной плазмы в практику исследований и испытаний каналов радиосвязи с подвижными объектами, доказана эффективность их использования, создана методическая, организационная и аппаратурная база для этого, проведены эксперимен-^ тальные исследования, разработаны и экспериментально аппробированы ряд
моделей каналов радиосвязи с подвижными объектами
Личный вклад» Экспериментальные работы, включенные в диссертацию, выполнены в больших авторских коллективах. В диссертации подробно излагаются только те результаты, вклад автора в которые был существенным на всех этапах работы, включая постановку задачи, разработку техники и методики измерений, проведение экспериментов, анализ и интерпретацию полученных данных, подготовку публикаций. Во всех других случаях используемые в дис-% сертации экспериментальные результаты приводятся с соответствующими
ссылками на их авторство и приоритетные публикации.
Апробация результатов.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийских научно-технических конференциях, семинарах и совещаниях:
• Всесоюзное совещание “Некоторые вопросы распространения радиоволн в ионосфере и космосе.” (Горький, 1976г.)
• ♦ 12 Всесоюзная конференция по распространению радиоволн. (Томск, 1978г.)
• Межведомственный семинар по распространению коротких радиоволн в средних и высоких широтах (Звенигород, 1982г.).
• Всесоюзная конференция "Средства связи в авиации.“ (Горький, 1989г.)
• Межведомственный семинар “Распространение радиоволн и проблемы радиосвязи ДКМВ диапазона.“ (Н.Новгород, 1991г.)
^ • Научно-практическая конференция ВВС “Проблемы создания и испытаний
авиационной техники, пути совершенствования подготовки кадров." (Москва 1995г.)
• 18 Всероссийская конференция по распространению радиоволн. (Санкт-Петербург, 1996г.)
• Всероссийская конференция "Направления развития систем и средств радиосвязи." (Воронеж, 1996г.)
• Конференция Высшей Военно-Инженерной академии им.Жуковского, "Пути создания стендово-иммитационной среды для создания, отработки, испытаний бортовых интегрированных комплексов." (Москва, 1998г.)
• X научно-техническая конференция "Проблемы радиосвязи." (Н.Новгород, 1999г.)
А так же на международных научно-технических конференциях:
• Third Volga Summer School on Space Plasma Physics.- June 1-11,1997.
• 4-я международная научно-техническая конференция "Радиолокация, навигация и связь." (Воронеж, 1998г.)
Публикации.
По основным результатам работы опубликовано 48 печатных работ, они вошли в 45 научно - технических отчетов. Ее результаты и выводы вошли в курс лекций "Системы связи с подвижными объектами", читающийся автором на радиофизическом факультете НГУ.
Структура и flfihmjffl&acMit Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Она содержит 355 страниц текста, 105 рисунков и 24 таблицы. Список литературы содержит 301 наименование.
Содержание работы.
Во введении дана общая характеристика работы и кратко изложено ее содержание.
В первой главе рассматриваются каналы радиосвязи, принципы их построения и критерии оценки качества связи. Рассмотрены принципы построения и конкретные образцы аппаратуры (отечественной и зарубежной) для измерений в каналах радиосвязи. Особое внимание уделено анализаторам каналов радиосвязи (АКС-1, Камея) а так же автоматизированной измерительной
системе (АИС) разработанной на их основе. Эти приборы широко использовались в измерениях, исследованиях и испытаниях, описанных в последующих главах и рекомендованы для испытаний каналообразующей аппаратуры.
Во второй гладе рассматриваются каналы связи прямой видимости МВ -ДМВ диапазонов при связи самолет-самолет. Приводятся их теоретическое рассмотрение, описание и результаты экспериментов по измерению уровня сигнала при связи самолет - высокоподнятая наземная антенна связи (имитирующая второй самолет) при полетах: - по радиусу на удаление до 300 км; - по дуге окружности радиусом 10 и 25 км. -при выполнении виражей. Результаты измерений сравниваются с расчетами по известным математическим моделям.
Показано, что в используемых для авиационной радиосвязи в пределах прямой видимости МВ-ДМВ диапазонах, существующие методы расчета, учитывающие многолучевость из-за переотражения части энергии сигнала неоднородной земной поверхностью позволяют рассчитывать каналы авиационной радиосвязи только при учете реального рельефа, углов закрытия и электрических свойств земной поверхности вдоль трассы распространения, что говорит о необходимости организации эталонных радиотрасс для испытаний каналообразующей аппаратуры. В частности, было экспериментально исследовано влияние неоднородности электрических свойств земной поверхности на диаграмму направленности антенны наземного узла и показано, что ее искажения в азимутальной плоскости могут достигать 15-25дБ. по сравнению с антенной, расположенной над однородной поверхностью. Экспериментально обнаружена возможность дополнительной модуляции связного сигнала из-за его переотражения вращающимися винтами самолета с аА~ (0.1-0.2)<А>.
В этой же главе приводится результаты эксперимента, проведенного в ав-роральной зоне, по использованию для связи между наземным пунктом и самолетом аномального канала связи, образующегося при рассеянии радиоволн ав-роральными неоднородностями, которые контролировалось с помощью авро-ральных радиолокаторов. Показано, что этот канал малопригоден для речевой
19
связи из-за вспышкообразного характера принимаемого сигнала, но может использоваться для передачи цифровой информации короткими блоками.
В третьей главе рассматривается влияние замираний на работу систем связи ДКМВ диапазона. Приведены результаты моделирования, описывается постановка и результаты экспериментов по исследованию характера замира-
ф ний, связанных с специфической "авиационной" многолучевостью в канале
связи воздух - земля в зависимости от вертикальной и горизонтальной составляющих скорости полета. Для этого полеты проводились по специально выбранному маршруту, включавшему участки горизонтального полета, подъема и спуска при движении вдоль трассы распространения сигнала и участок полета поперек трассы распространения, на котором радиальная составляющая скорости отсутствовала. Во время полетов проводилась диагностика ионосферы методом ВЗ, данные которой использовались как для управления экспери-
• ментом (оперативная смена рабочих частот) так и при анализе его результатов. По данным измерений анализировались спектры принимаемых сигналов и их амплитудные распределения с целью оценки влияния параметров полета на качество связи и необходимости их учета при расчете авиационных каналов связи. Исследования показали, что характер замираний сильно зависит от режима полета, состояния ионосферы и характера подстилающей поверхности, однако можно ввести ряд типовых моделей распространения радиоволн при
♦ авиационной радиосвязи, характерной особенностью которых является удвоение числа лучей по сравнению со связью земля-земля. Амплитудные распределения замираний сигнала в канале воздух-воздух лучше всего описывает распределение Вейбула. Моделирование показало, что особенно глубокие замирания сигнала (и снижение качества радиосвязи) возможны при полетах над морем вследствие двухлучевой интерференции прямого сигнала и сигнала, от-
^ раженного проводящей поверхностью воды. В этом случае замирания имеют
квазипериодический характер, а их амплитудные распределения описываются законом арксинуса или арккосинуса.
20
В четвертой главе рассматриваются вопросы сверхдальнего распространения радиоволн ДКМВ диапазона на трассах протяженностью (6 - 35) тыс.кМ и кругосветных радиотрассах. Описывается аппаратура и методика измерений, оценивается их точность. Приводятся результаты измерений характеристик прямых сигналов (ПС), сигналов обратного эхо (СОЭ), экваториальных
^ боковых сигналов (ЭБС) и иЗлМерений в антиподной области, проведенных в
экспедиционных рейсах на борту научно - исследовательских судов АН СССР. Анализируются возможные механизмы сверхдальнего распространения радиоволн на дневном и ночном полушариях земли, а так же вдоль сумеречной зоны. Показано, что вдоль сумеречной зоны наиболее вероятно скачковое распространение, а под углом к ней на дневной стороне обычно распространение происходит скачковыми модами, а на ночной, особенно на высоких частотах, распространение происходит по рикошетирующим траекториям. По результа-
• там измерений на радиотрассе переменной ориентации сопоставляются условия распространения радиоволн на среднеширотных и полярных радиотрассах. Результаты измерений на прямой и обратной радиотрассах сопоставляются с расчетами. Подробно анализируются результаты измерений амплитудновременных и амплитудно-частотных зависимостей экваториальных боковых сигналов (ЭБС) и на основании этого анализа предлагается модель их формирования за счет рассеяния неоднородностями экваториальной ионосферы. В
• подтверждение сделанного предположения проводится сопоставление результатов измерений с расчетом, учитывающим ракурсный характер рассеяния и ионосферное поглощение. Результаты показывают, что предложенная модель хорошо объясняет основные характеристики ЭБС - суточные изменения времени распространения в пределах от времени распространения прямого сигнала до времени распространения СОЭ, амплитудно-частотные зависимости
^ ЭБС. Эксперимент в антиподной области позволил доказать, что ЭБС распро-
страняются со значительными отклонениями от дуги большого круга, связывающей передатчик и приемник.
В пятой главе рассматриваются методы ионосферного мониторинга, основанные на приеме сигналов постоянно работающих станций различных радиослужб, что позволяет в сочетании с традиционными методами расширить области контроля ионосферных параметров. Рассматриваются методы измерений параметров ионосферы по сигналам навигационных спутников системы GPS - ГЛОНАСС и по сигналам станций единого времени. Указывается, что перспективным методом является использование сигналов станций глобальной автоматизированной сети ДКМВ авиационной радиосвязи, развертываемой в настоящее время под эгидой ИКАО. Большое число постоянно работающих наземных станций этой сети, в составе сигналов которых присутствуют стандартные последовательности для оценки качества связи, позволяют разработать метод ионосферного мониторинга с их использованием.
Основное внимание в главе уделено использованию для целей диагностики радиоканалов сигналов станций единого времени, постоянно работающих по всему миру на нескольких фиксированных частотах. Предлагаются методы оценки параметров каналов связи по сигналам Российских станций Единого Времени, расположенных в Москве и Иркутске и работающих на частотах 5, 10 и 15МГц. Показывается, что по результатам приема их сигналов, несмотря на малое число рабочих частот и работу импульсами длительностью ЮмС, возможна оценка частотного диапазона прохождения, максимально -применимой и оптимальной частот, потерь на радиотрассе, времени распространения и многолучевости. С помощью предложенных методов анализируются записи сигналов СЕВ при приеме в Тихом и Атлантическом океанах.
В шестой главе описывается организация Системы Экспериментально -Технологических Радиотрасс (СЭТР), предназначенной для испытаний аппаратуры, комплексов и фрагментов систем радиосвязи в контролируемых условиях. Создание ее связано с тем, что необходимость повышения конкурентоспособности техники авиационной радиосвязи поставила задачу совершенствования технологий проведения исследований и испытаний. Основной идеей новой технологии является переход от констатации результатов исследований и испы-
таний к эффективной всесторонней диагностике создаваемых образцов и прогнозированию возможности реализации требований задания на разработку на всех этапах создания продукции, начиная с поиска и выбора технических решений. СЭТР представляет собой базовую действующую модель системы связи ДКМВ диапазона с территориальным разносом узлов связи, включающую подсистему ионосферного мониторинга и контрольно - измерительный комплекс. Приводятся результаты экспериментов, показавших, что контроль состояния ионосферы в период проведения испытаний позволяет примерно в 10 раз сократить их продолжительность, повысить достоверность и информативность. Приводится анализ испытаний в СЭТР нескольких моделей ионосферного распространения радиоволн, предназначенных для планирования и управления связью, модема без зашиты от многолучевости при работе на короткой трассе и трассе средней протяженности, эффективности территориального разноса при построении систем связи, испытаниях алгоритмов и средств помехозащиты.
Использование СЭТР позволило проводить и поисковые работы. В главе описаны исследования группирования ошибок в каналах ДКМВ связи и влияния индустриальных помех большого города, распространяющихся ионосферной волной, на работу систем связи, расположенных в сельской местности.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
Автор выражает искреннюю и глубокую благодарность своим учителям, коллегам и соавторам: Бахметьевой Н.В., Беликовичу В.В., Белоусову ЕЛ,, Бенедиктову Е.А., Букину Г.В.,, Валову В.А., Гетманцеву Г.Г., Зудилову A.A., Ежову А.И., Ерухимову Л.М., Игнатьеву Ю.А., Ковалеву В.А., Мальцеву Г.А., Матюгину С.Н., Метелеву С.А., Митякову H.A., Па-лочкину Ю.П., Писареву О.В., Подгорскому С.Г., Полянскому А.Е., Раппопорту В.О., Тихонову Ю.Г., Тухсанову М.Х., Урядову В.П., Шавину П.Б., Ярунину A.B., Яшину Ю.Я. за помощь в работе и обсуждение результатов.
1. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ В КАНАЛАХ РАДИО
СВЯЗИ.
Первая глава посвящена методам и средствам измерений в каналах радиосвязи. В ней вводятся необходимые в последующем понятия и определения и анализируется рынок современной измерительной техники, предназначенной для этой цели. Особое внимание уделено приборам, созданным под руководством или при участии автора (АКС, Камея, АИС, СМРК), опыту их практического применения и точности измерний. Поскольку эти приборы нашли широкое применение, в том числе в экспериментах, описанных в последующих главах, автор счел необходимым привести их описание в первой главе.
1.1 Каналы радиосвязи; понятия и определения.
Бурное развитие за последние годы вычислительной техники и ее широкое внедрение в системы связи фактически произвело революцию в организации связи. В рекламном сообщении, опубликованном в ведущих американских журналах, компания АТ&Т Соттитсабопэ писала: "Раньше телефон был телефоном, а компьютер компьютером, и любой человек мог объяснить разницу между ними. Однако сегодня стало обычным использование в телефонах компьютерной памяти, компьютерного интеллекта и даже компьютерных экранов, а в вычислительной технике поняли важность построения сетей, давно преме-нявшихся для телефонной связи. Конечная цель всех этих нововведений - доставка информации любому человеку по требуемому адресу и в надлежащее время. Поскольку такие возможности стали легко осуществимы, это делает наш труд более Продуктивным, а нашу жизнь более комфортной."
Важнейшей составляющей любой сети связи являются каналы связи. Поэтому измерениям их характеристик, тестированию, диагностике, испытаниям во всем мире придается большое значение. Поскольку в настоящее время в литературе используется разнообразная терминология, относящаяся к работе систем и сетей связи, пришедшая как из теории радио и электросвязи так и из вы-
числительной техники, введем ряд определений, которые будем использовать в дальнейшем [6-8].
Электросвязь - это связь, при которой передача сообщений любого рода осуществляется электрическими сигналами. Неоднородность передаваемых сообщений привела к необходимости создания нескольких видов электросвязи. В зависимости от характера передаваемых сообщений различают сети: телефонной связи, телеграфной связи, передачи данных, звукового вещания, телевизионного вещания, видеотелефонной связи, факсимильной связи, передачи газет. Их можно разделить на сети передачи индивидуальных сообщений и на сети передачи массовых сообщений, которые рассчитаны на одновременный прием информации множеством корреспондентов. Обмен информацией между пользователями (абонентами) сети осуществляется с помощью оконечного абонентского оборудования и каналов электросвязи. Передача информации от одного объекта к другому осуществляется по каналу радиосвязи. В него входят: передающая аппаратура, антенно-фидерные устройства, среда распространения радиоволн и приемная аппаратура.
Канал электросвязи - это совокупность технических средств и среды распространения сигналов, обеспечивающая при подключении оконечных абонентских устройств передачу сообщений от источника к получателю.
ИбПрбрЫВНЬЭ!
риал
—Камм постоянного гока —
--------Дискретный канал----------------
-------------------------Канал передачи данных----------------------------------------------------
Рис. 1.1
Структура канала злехтросвязи.
ИИ- источник ивформации; УК - устройство управления каналом, К-кодек канала, М-модулятор; ДМ - демодулятор; РС -решающая схема; ПИ - приемник информации
ИИ
УК
М
дм
РС
к
УК
пи
Нередко среду распространения называют каналом электросвязи в узком смысле этого слова. В этом случае они подразделяются:
- кабельные каналы связи (телефонные, радиочастотные, оптиковолоконные)
- радиоканалы (каналы прямой видимости, ионосферные, волноводные, метеорные, тропосферного и ионосферного рассеяния, каналы спутниковой связи)
- оптические каналы связи.
Как правило, именно эта часть канала радиосвязи наиболее подвержена влиянию различного вида помех, имеющих как искусственное, так и естественное происхождение. Помехи принято разделять на непреднамеренные и преднамеренные. В дальнейшем преднамеренные помехи и методы борьбы с ними не рассматриваются, поскольку это большая и специфическая область радиотехники, которой посвящено большое количество исследований [9-13]. Частично вопросы борьбы с преднамеренными помехами затронуты в главе 6 при описании испытаний компенсатора помех, использующего принципы пространственно- временной обработки сигналов (ПВОС). Представление об источниках непреднамеренных помех дает Рис. 1.2, где приведена их классификация.
Важнейшим источником непреднамеренных помех, что в первую очередь относится к ДКМВ диапазону, являются станционные помехи. До последних лет число радиостанций, работавших в ДКМВ диапазоне и создающих взаимные помехи непрерывно росло, а мощности их увеличивались. На Рис. 1.3 приведена гистограмма, характеризующая распределение работающих радиостанций по мощностям. Следует отметить, что сюда не включены данные по передатчикам очень большой мощности (100 кВт-5 МВт), таких, как мощные вещательные передатчики (например, использующиеся радиостанциями "Голос Америки") или загоризонтные радиолокаторы. Хотя таких передатчиков по миру и немного, они способны создавать помехи в любой точке земного шара в широком диапазоне частот. Вместе с тем, в последние годы наметилась тенденции ухода многих служб из ДКМВ диапазона из-за развития спутниковых и кабельных систем связи, где возможно обеспечение более высоких скоростей пе-
26
редачи и качества связи и снижения мощности радиопередатчиков ДКМВ диапазона.
источники
НЕПРЕДНАМЕРЕННЫХ ПОМЕХ
-Л. I ________
Активные
I
Пасивные
Естественные
j Искуст венные
Земные
Внеземные
1
Атмосферные " (ірозЦі Космически« (небо)
Разряды в осадках Солнце
Тепловой шум -атмосферы -земли Радиозвезды
Станционные
Индустриальные
" РдаИ0С8;оь | | Э/транспорг |
Радиовещание ]
РЛС
Навигация
Радиорелейная
связь
Э/аппаратура I
Источники электропитания
Машины и о & орудовали е
Системы
зажигания
Метеорологические образования
Атмосферные
неоднородности
Ионосферные
неоднородности
Многолучевая
интерференция
Неоднородности
отражающих
поверхностей
Рио 1.2
Классификация источников непреднамеренных помех.
#
0,01 01 1 ю 100 Р,кВт.
Рис. 1.3
£ Число радиостанций, работающих в ДКМВ диапазоне.
Последнее связано с успехами в создании средств обработки сигналов, позволяющих обеспечить требуемое качество связи при пониженном энергопо-
отн.ед.
тенциале радиолинии. Поэтому исследования загруженности диапазона (измерения спектра помех) представляются важными, как для планирования связи, так и для оценки перспективности новых разработок. Вторым по значению источником помех (а в индустриальных районах - первым) являются индустриальные помехи [14], связанные с побочным излучением различных промышленных устройств, не предназначенных ддя связи. Этот помеховый фон постоянно существует и возрастает от года к году. Измерения, проведенные в Системе Экспериментально - Технологических Радиотрасс (СЭТР) показали, что помеховый фон от большого города оказывает влияние на качество связи на больших удалениях (десятки - сотни кМ) от него (глава 6.) Поэтому существующие стандартные методы расчета уровня помех [15] нуждаются в постоянном уточнении.
1.2 Критерии оценки качества цифровой радиосвязи.
Любая система связи характеризуется рядом показателей, которые можно разделить на информационно-технические (достоверность, помехоустойчивость, скорость передачи информации, задержка, диапазон частот и т.д) и конструктивно-эксплуатационные (объем и масса аппаратуры, энергетический КПД, мобильность, гибкость, эксплуатационная надежность, стоимость).
Достоверность передачи информации характеризует степень соответствия принятых сообщений переданным. Она зависит от параметров системы, степени ее технического совершенства, и условий работы. Последние определяются типом и состоянием линий связи, видом и интенсивностью помех, а так же организационными мероприятиями по соблюдению правил обмена и эксплуатации аппаратуры. Достоверность может характеризоваться вероятностью ошибки на бит переданной информации, надежностью связи, вероятностью доведения сообщений, вероятностью потери и искажения сообщений.
Пол помехоустойчивостью понимают способность системы противостоять вредному действию помех на передачу сообщений. Она зависит от способов кодирования, модуляции, метода приема и пр. Количественно помехоустойчи-
28
вость можно характеризовать вероятностью ошибки при заданном отношении средних мощностей сигнала и помехи в полосе частот, занятых сигналом.
Помехозашишенностыр обычно называют помеомехоустойчивость системы к воздействию преднамеренных помех.
Задержка характеризует промежуток времени между подачей сообщения от источника и получением его получателем. Она зависит от протяженности и состояния линий связи, времени обработки и ожидания в узлах коммутации, загруженности сети. Задержка может характеризоваться средним временем доставки сообщения, вероятностью своевременной доставки и задержки сообщений.
Прием сигнала в канале связи всегда происходит совместно с шумом, поэтому принимаемое колебание может быть записано: ио) - Х(0 + ад где: ХДО - полезный сигнал;
8(1) - помеха.
Очевидно, что качество канала зависит от соотношения мощностей принятого сигнала и помехи р2.
р!=£- (1.1)
П
Это соотношение характеризует соотношение сигнала и помехи на входе приемного устройства и не всегда удобно для оценки качества канала, поэтому практически более удобным является выражение, характеризующее соотношение сигнальной и шумовой составляющих на выходе приемного устройства (после усилителя ПЧ)
Ь2 = 2Вр2 (1.2)
где:
В = ВТ - база сигнала, Р - ширина спектра сигнала, Т - длительность сигнала, очевидно, что при В = 1 Ь2 = 2р2 - (узкополосный сигнал)
К2 = 2ЕЯЧ
где: Е - энергия сигнала, N - спектральная плотность помехи.
Как видно из (1.2) прием сигнала согласованным фильтром или коррелятором сопровождается усилением сигнала или подавлением помехи в 2В раз. Именно поэтому величину
называют усилением обработки. Очевидно, что для узкополосного сигнала К=1. Величина Н2 или р2 может служить показателем качества связи, однако ее аппаратурное измерение при наличии информационного сигнала весьма сложно и обычно используют другие критерии. Для оценки аналоговых каналов связи вводят понятие разборчивости приема И. связанную с величиной Ь2. Опытный оператор при слуховом контроле может достаточно точно оценить величину К. Вместе с тем очевидно, что разборчивость, оцененная методом слухового контроля, характеризует не только величину Н2, но и как спектральные искажения, так и индивидуальные особенности оператора.
Современные способы передачи данных базируются на дискретной форме представления информации. Одним из критериев оценки качества передачи дискретной информации может являться величина Ь2, однако ее использование неудобно в условиях нестационарных каналов, т.к. приходится вводить дополнительные критерии, характеризующие статистику сигналов и помех. Наиболее универсальным показателем качества дискретного канала связи следует считать вероятность правильной доставки сообщений. Сообщение формируется на выходе декодера, использующего коды с исправлением ошибок, возникающих при поэлементном приеме. Так как разные коды способны в различной степени исправлять ошибки, то декодер характеризуется допустимой ошибкой на один элемент, при которой он с заданной степенью достоверности (обычно 0.99 и выше) формирует сообщение.
При передаче информации от одного объекта к другому через канал связи из-за воздействия различных факторов возможно искажение информации. Наиболее полная оценка качества канала связи должна включать две основные ха-
30
рактеристики - помехозащищенность и возможные варианты группирования ошибок.
Рассмотрим канал с аддитивными помехами, когда сигнал на входе приемника определяется суммой полезного сигнала и помехи. За счет воздействия помех в тракте распространения передаваемое сообщение искажается, что обуславливает ошибочность приема. Мерой ошибочности является вероятность ошибочного приема или вероятность ошибки Рт. которая при передаче дискретной последовательности определяется как Рош = М/N, где М - число ошибочно принятых посылок, N-общее число посылок. Очевидно, что величина Рош зависит от соотношения энергий сигнала и помехи в канале радиосвязи, скорости передачи информации, длины передаваемой последовательности. В каналах связи, характеризующихся локальной стационарностью величина Pülu постоянна и может полностью характеризовать помехозащищенность канала. Задавая меру
ной аппаратуры с учетом распределения помехи такими, чтобы Рош была мень-ше Роаьло„., можно было бы считать необходимое качество канала связи обеспеченным. Однако большое количество причин вызывает нестационарность сигнала и приводит к необходимости применения статистических методов анализа качества канала. Вероятность ошибочного приема Рови становится случайной величиной, закон распределения которой \У(Р0Ш) определяется законом распреде-
висимости Рош от Ь2. в этом случае качество, канала связи характеризуется ла! нежностью радиоприема Н. то есть вероятностью того, что вероятность ошибки Рош меньше некоторой априорно известной величины допустимой вероятности ошибки Ройбой. По определению
ошибок - допустимую вероятность ошибок Рош.дол> и выбрав параметры прием-
ления вероятностей отношения сигнал/помеха h2 и видом функциональной за-
(1.4)
о
или
31
Н = Р (г > г доп )= І \У (г >г (1.5)
где:
г - ^Ь2, w (Рош) - плотность распределения вероятности ошибки Рош,
нал/помеха.
Проведенный согласно (1.4) расчет надежности радиосвязи есть, по существу, расчет вероятности приема с заданной достоверностью, т.е. с нормой ошибок меньше допустимой. Очевидно, величина Н зависит от вида функциональной связи Рои1ЛОп.(^оП)- Необходимо отметить, что вид функциональной зависимости Рад от г = у - х, где у и х уровни полезного сигнала и помехи в дБ различен для различных видов радиосвязи. Задавая величину РОШЛОП>, определяемую характеристиками приемной аппаратуры, и используя функциональную связь Роилоп.(гдоП) по (1.4Д.5) можно определить надежность радиосвязи.
Естественно, что в реальных измерениях в каналах связи величины Рош и Н определяются приближенно, что связано с ограниченностью времени измерений. Поэтому обычно экспериментальную опенку Рад называют коэффициентом ошибок Кош. определяя его как:
где:
п - количество ошибочно принятых символов за сеанс измерений, ш - общее число переданных символов. Очевидно, что
*
*(*) = і* <*«) I ар^лЫ - плотность распределения отношения энергий сиг-
к
п
(1.6)
ош.
ш
1.3 Связь между величинами Рош и Н и ошибки их измерения.
Обычный подход к измерению надежности радиосвязи заключается в том, что весь сеанс измерений разбивается на блоки длиной 1/Р01П.д0П. В каждом
32
из них измеряется количество ошибок. Блок считается исправным, если в нем отсутствуют ошибки и неисправным, если в нем более I ошибки. Надежность определяется как число исправных блоков к общему числу блоков в сообщении. Н = К/М где:
К - число исправных блоков, М - общее число блоков в сообщении.
Связь между вероятностью ошибки и надежностью связи легко получить для случая редко встречающихся и статистически независимых ошибок. В этом случае вероятность появления К ошибок при проведении N измерений определяется на основании биноминальной формулы для последовательности независимых событий:
Р. (к )= СкРкяп"к = — ркяп к
пЧ ' " 4 к!(п - к)! Г 4
где
р - вероятность появления события при N испытаниях,
Ч - вероятность появления противоположного события.
р = —
N
Где X - наивероятнейшее число событий при N испытаниях (интенсивность потока)
Вероятность того, что событие при п испытаниях не появится вовсе; к * 0;
Р0(о)=(1-р)г = Г1-1ч‘
I п
логарифмируя:
/ -\ л
1п Р„(0)= п1п
1--
Ч Пу
= -х-
2п
если п»Я, то в разложении логарифма можно ограничится первым членом:: Р,(0) = ехр<->.),
33
Далее, из определения наивероятнейщего числа появления событий X при N независимых испытаниях следует, что при фиксированном к
р. (к ) (п - к + 1 )р X - (к - 1 )р Х_
Р0 (к - 1) kq кч к
Тогда при к~1:
Рп(1) = ^ехр(-Х)
Если рассматривать все значения К~1, 2, 3,... то получим ассимггготиче-скую формулу Пуассона:
Р п (к )= ^ТеХР (- Х )
Таким образом:
Н = Рп(0) + Рв(1) = ехр(-Х) + X ехр(-Х) = (1+Я) ехр(-Х)
Здесь N - общее количество испытаний, которое определяется скоростью передачи V и временем сеанса Т, т.е. общее количество символов, переданных за сеанс, X - количество ошибок (1,2,3,4...), тогда:
к„ш = X /УТ - коэффициент ошибок по элементам.
Так как сеанс измерений идет с заданной вероятностью допустимой ошибки, которая задается через длину блока Ь - 1/Р0вчД011, то коэффициент ошибок в блоке длиной Ь:
к -Ъ-
Таким образом, вероятность появления исправного блока (надежность) при Е испытаниях с учетом допустимой вероятности ошибки:
Н = (1+Х) ехр(Л) = (1+К0Ш Ь) ехр(-К0Ц| Ь) (1.7)
На основании изложенного легко получить оценки ошибок измерения качества радиосвязи. Дисперсия погрешности измерений вероятности ошибок:
ДР2 =* п/У2Т2