Влияние стохастической и нелинейной частотной дисперсии на искажения широкополосных радиосигналов при их распространении в ионосфере

Михеева, Надежда Николаевна

Влияние стохастической и нелинейной частотной дисперсии на искажения широкополосных радиосигналов при их распространении в ионосфере тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Михеева, Надежда Николаевна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Йошкар-Ола МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Влияние стохастической и нелинейной частотной дисперсии на искажения широкополосных радиосигналов при их распространении в ионосфере»

Автореферат диссертации на тему "Влияние стохастической и нелинейной частотной дисперсии на искажения широкополосных радиосигналов при их распространении в ионосфере"

На правах рукописи

005539284

Михеева Надежда Николаевна

ВЛИЯНИЕ СТОХАСТИЧЕСКОЙ И НЕЛИНЕЙНОЙ

ЧАСТОТНОЙ ДИСПЕРСИИ НА ИСКАЖЕНИЯ ШИРОКОПОЛОСНЫХ РАДИОСИГНАЛОВ ПРИ ИХ РАСПРОСТРАНЕНИИ В ИОНОСФЕРЕ

01.04.03 - Радиофизика

ttOZ ВОН L Z

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

21 НОЯ 2013

Воронеж-2013

005539284

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет»

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, доцент Иванов Дмитрий Владимирович

Официальные оппоненты:

Моисеев Сергей Николаевич доктор физико-математических наук, ЗАО «Кодофон» (г. Воронеж), ведущий научный сотрудник

Авдеев Владимир Борисович доктор технических наук, профессор, Федеральное автономное учреждение «ГНИИИ ПТЗИ ФСТЭК России» (г. Воронеж), главный научный сотрудник управления

Ведущая организация:

ФГАОУ ВПО «Московский физико-технический институт (государственный университет)»

Защита состоится «12» декабря 2013 года в 15.20 на заседании диссертационного совета Д 212.038.10 в Воронежском государственном университете по адресу: 394006, Россия, г. Воронеж, Университетская площадь, 1, ауд. 430.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Воронежского государственного университета.

Автореферат разослан «11» ноября 2013 года.

Ученый секретарь

диссертационного Маршаков Владимир Кириллович

совета

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Последние технические достижения для радиотехнических систем высокочастотного (ВЧ) диапазона основаны на применении новых научных знаний и являются весьма ощутимыми. Вызывает интерес задача расширения полосы частот ВЧ радиосигналов, которая, однако, наталкивается на недостаточно изученную научную проблему их дисперсионных искажений в ионосфере Земли. В решении этого вопроса необходимо отметить фундаментальные работы А.П. Анютина, H.A. Арманда, В.Э. Герма, B.J1. Гинзбурга, J1.M. Ерухимова, H.H. Зернова, В.А. Иванова, Д.В. Иванова, A.C. Крюковского, В.Е. Куницына, В.И. Куркина, Д.С. Лукина, А.П. Потехина, Н.В. Рябовой, Ю.Н. Черкашина, J.A. Hoffmeyer, В. Lundborg, S. Salous, L.E. Vogler. Существующую научную задачу необходимо рассматривать в рамках развиваемого, особенно в последнее время, подхода, в котором процесс распространения в среде радиосигналов заменяется на прохождение ими эквивалентной многомерной линейной системы с одним (в случае узкополосных систем) или многими (в случае широкополосных систем) выходами. Такие системы описываются в частотной области частотной (ЧХ) и дисперсионной (ДХ) характеристиками, а во временной -импульсной характеристикой (ИХ). Основной задачей в этом случае является решение вопроса о влиянии частотной дисперсии, описываемой видом ДХ, на ЧХ и ИХ широкополосных радиоканалов, с различными средними частотами из полосы прозрачности радиолинии.

Проведенный анализ научно-технической литературы показал, что нерешенной является научная задача исследования факторов нелинейности и стохастичности ДХ и влияния этих факторов на искажения ИХ различных ионосферных радиоканалов и широкополосных сигналов с различными видами модуляции, способствующей существенному расширению их полосы частот с учетом их сжатия при обработке. Данная задача является актуальной, т.к. ее решение будет способствовать развитию теории распространения групп высокочастотных колебаний в средах с дисперсией и развитию радиофизических методов исследования диспергирующих сред.

Цель диссертационной работы: развитие методов и математических моделей для исследования характеристик широкополосных высокочастотных радиоканалов и влияния на их искажения стохастической и регулярной нелинейной частотной дисперсии.

Задачами данной работы являются:

1. Проведение классификации существующих методов и методик теоретических и натурных исследований распространения широкополосных радиосигналов в стохастических средах с частотной дисперсией.

2. Создание математических моделей частотной дисперсии для широкополосных ионосферных радиоканалов в случайно-неоднородной среде на основе экспериментальных данных.

3. Проведение теоретических исследований влияния многофакторной частотной дисперсии на импульсные характеристики широкополосных радиоканалов; установление особенности влияния на них нелинейной и стохастической составляющих частотной дисперсии.

4. Разработка методики выделения по экспериментальным данным составляющих дисперсии; экспериментальное и теоретическое исследование параметров стохастической и нелинейной регулярной дисперсии на радиотрассах протяженностью 1500-3500 км в зависимости от средней частоты канала и геофизических факторов (времени суток, сезона).

Методы исследований. Для решения поставленных задач и получения основных научно-практических результатов использованы методы математического анализа, вычислительной математики, вариационного исчисления, математической статистики. Кроме того, в рамках работы были использованы методы численного моделирования с использованием лицензионного пакета прикладной программы МаЛсаё. Моделирование проведено с использованием современного метода вычислительного эксперимента при задании характеристик ионосферы на основе международной модели 1111-2007. Результаты натурных экспериментов получены с использованием современного метода наклонного зондирования ионосферы сигналами с линейно-частотной модуляцией^ Эксперименты проведены для радиолиний: Иркутск - Йошкар-Ола; Кипр - Йошкар-Ола. При обработке экспериментальных данных использовались статистические методы анализа.

Объект исследования: стохастическая и нелинейная частотная дисперсия, импульсные характеристики ионосферных радиоканалов и широкополосные радиосигналы с учетом сжатия в приемнике.

Предмет исследования: математические модели системных характеристик широкополосных ионосферных радиоканалов и их параметры, а также искажения этих характеристик в зависимости от средней частоты канала, геофизических факторов и протяженности трассы.

Достоверность и обоснованность результатов и выводов диссертационной работы определяются использованием адекватного математического аппарата, статистически достаточным набором экспериментальных данных, полученных за период с 2005г. по 2012г., их репрезентативностью, хорошим согласием экспериментальных данных с результатами математического моделирования и повторяемостью результатов, а также проверкой на соответствие независимым выводам других авторов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методика определения составляющих дисперсионной характеристики широкополосных ВЧ радиоканалов по ионограммам натурных экспериментов в случае стохастической и регулярной частотной дисперсии; критерий учета нелинейных составляющих регулярной фазо-частотной характеристики радиоканала с частотной дисперсией.

2. Аналитические выражения для импульсной характеристики широкополосного ионосферного радиоканала в случае нелинейной частотной дисперсии; причины неопределенности связи производной т = с1(р/с1(0 с искаженной дисперсией огибающей широкополосного сигнала, полученной с учетом согласованной обработки при приеме.

3. Закономерности влияния стохастической и нелинейной регулярной частотной дисперсии на искажения импульсных характеристик радиоканалов с полосой 1МГц и различной средней относительной частотой.

4. Экспериментальные характеристики параметров стохастической и нелинейной регулярной частотной дисперсии, а также влияние на них протяженности трассы, средней частоты канала и геофизических факторов.

Научная новнзна работы

1. Разработана методика определения составляющих дисперсионной характеристики широкополосных ВЧ радиоканалов по ионограммам натурных экспериментов в случае стохастической и регулярной частотной дисперсии; предложен новый критерий учета нелинейных составляющих регулярной фазо-частотной характеристики радиоканала с частотной дисперсией.

2. Впервые получены аналитические выражения для импульсной характеристики широкополосного ионосферного радиоканала в случае нелинейной частотной дисперсии; установлены причины неопределенности связи производной г = с1(р1с1а) с искаженной дисперсией огибающей широкополосного сигнала, полученной с учетом согласованной обработки при приеме.

3. Впервые установлены закономерности влияния стохастической и нелинейной регулярной частотной дисперсии на искажения импульсных характеристик радиоканалов с полосой 1МГц и различной средней относительной частотой.

4. Впервые представлены экспериментальные характеристики параметров стохастической и нелинейной регулярной частотной дисперсии, а также влияние на них протяженности трассы, средней частоты канала и геофизических факторов.

Практическая ценность н реализация результатов работы

1. Полученные автором основные результаты являются новыми, они существенно расширяют возможности теоретических и экспериментальных исследований новых явлений и процессов, связанных с частотной дисперсией случайно-неоднородной среды распространения сложных радиосигналов.

2. Полученные экспериментальные результаты имеют важное значение для изучения неоднородной структуры ионосферы при разработке проблемы взаимодействия ионосферной плазмы с распространяющимися в ней радиосигналами, а также для развития физики верхней атмосферы Земли.

помехоустойчивости информационных коммуникаций для целей передачи, хранения и защиты информации, а также с вопросами организации беспроводных телекоммуникационных систем и оценки их эффективности.

4. Результаты, полученные автором, использованы при выполнении НИР в следующих организациях: Институт Солнечно-Земной физики СО РАН (г. Иркутск), ОАО Концерн ПВО «Алмаз-Антей», ОАО Концерн «Созвездие», ФГУП НЦП «Дельта», Поволжский государственный технологический университет. Кроме того, эти результаты внедрены в учебный процесс в Поволжском государственном технологическом университете и используются при подготовке бакалавров и магистров по направлениям: 210700 -«Инфокоммуникационные технологии и системы связи»; 210400 — «Телекоммуникации».

Личный творческий вклад автора. В работах [1, 2, 9, 11] автором проведены научное обоснование и разработка математической модели дисперсионной характеристики в случае стохастической и регулярной частотной дисперсии. В работах [4, 6, 8] автором проведено научное обоснование дисперсионных искажений импульсных характеристик в случае стохастической, линейной регулярной и нерегулярной частотной дисперсии и представлены результаты вычислительных экспериментов. В работах [5, 12, 16] автором проведено научное обоснование влияния нелинейной частотной дисперсии на искажения сложных радиосигналов и представлены результаты вычислительных и натурных экспериментов. В работах [10, 14, 15] автором представлены результаты вычислительных экспериментов влияния составляющих частотной дисперсии на искажения сигналов с различной модуляцией. В работах [3, 7, 13, 17] автором представлены научное обоснование, разработка методики выделения стохастической и регулярной составляющих частотной дисперсии по натурным ионограммам и результаты натурных экспериментов. Автором получены все выносимые на защиту положения, сформулированы научные выводы.

Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, были представлены на XII Международной Байкальской молодежной научной школе по фундаментальной физике (Иркутск, 2011), на XXIII Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн» (Йошкар-Ола, 2011), на Международных научных студенческих конференциях по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу - творчество молодых» (Йошкар-Ола, 2011, 2012, 2013), на XVIII международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь - ЯЬЫС» (Воронеж, 2012), на Всероссийской научной конференции «Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред» (Муром, 2012, 2013), на Международном научно-техническом семинаре «Синхроинфо» (Йошкар-Ола, 2012), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов, докторантов и сотрудников ПГТУ (Йошкар-Ола, 2012, 2013), на Молодежной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки в 21 веке» (Казань,

2012), на VI Международном молодежном форуме и IX Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в мире коммуникаций» (Москва, 2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 5 в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. Она содержит 158 страниц основного текста, 59 иллюстраций, 21 таблицу, список цитируемой литературы из 120 наименований и 4 приложения.

Основное содержание диссертации

Во введении обоснованы актуальность темы диссертации, ее научная новизна и практическая значимость; сформулированы цель и задачи исследования; приведены краткая характеристика и содержание работы; сформулированы положения, выносимые на защиту; обоснована степень достоверности выполненных исследований; указана апробация результатов работы.

В первой главе представлен анализ проблемы ионосферного распространения широкополосных радиосигналов в стохастических средах с частотной дисперсией на примере ионосферы Земли, проведенный на основе изучения научно-технической литературы. Показано, что в случайно-неоднородной среде дисперсионная характеристика радиоканала имеет стохастическую компоненту, влияние которой на частотную и импульсную характеристики радиоканала, а также на форму сложных сигналов ранее не исследовалось. Приведена классификация слоев ионосферы, моделей профиля электронной концентрации ионосферы и случайных неоднородностей.

Рассмотрена классификация сложных сигналов (сигналов с расширенным спектром - СРС) и эквивалентных СРС (ЭСРС). Показано, что задача распространения СРС в диспергирующей среде с учетом сжатия сводится к задаче распространения в среде (радиоканале) только ЭСРС с однородной спектральной плотностью мощности и синфазным фазовым спектром в каналах двух видов: один - с постоянной амплитудой частотной характеристики, а другой - с гауссовой. При этом ЭСРС на выходе приемника равен свертке ЭСРС и импульсной характеристики (ИХ) радиоканала. Таким образом, искажения формы всех СРС с учетом их сжатия определяются ИХ канала распространения с постоянной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). Поэтому основное внимание в работе уделяется искажениям ИХ.

Определены цели и задачи диссертационного исследования.

Вторая глава посвящена построению математических моделей частотной дисперсии для широкополосных ионосферных радиоканалов с полосой частот до 1МГц и более на основе экспериментальных данных. Рассмотрена и научно обоснована методика определения дисперсионной характеристики (ДХ) радиоканалов по ионограммам натурных экспериментов с учетом стохастической и регулярной частотной дисперсии.

Предложена модель ДХ, учитывающая стохастическую, регулярную и нерегулярную частотные дисперсии:

= + + (1) Регулярная составляющая ткр(/) ДХ задавалась в виде полинома второй степени, который описывает нелинейную частотную дисперсию с двумя параметрами — наклоном ^ (/) и вогнутостью/выпуклостью чк{/) дисперсионной кривой. Параметр ук (/) называется также параметром нелинейности. При этом $к=с1ткр/с1/ и чк=с12ткр/(1/2 . Предложены

аналитические модели нерегулярной составляющей ДХ в виде

тригонометрической и периодической кусочно-непрерывной функций. В качестве стохастической составляющей тк(/) ДХ на основе полученных в работе экспериментальных данных принят гауссов случайный процесс с параметрами (тк (/|) = 0 и егг2 .

Показано, что частотная характеристика (ЧХ) и фазо-частотная характеристика (ФЧХ) эквивалентного широкополосного радиоканала в случае ДХ вида (1) имеют три составляющие — регулярную, нерегулярную и стохастическую. Получены аналитические формулы для регулярной и нерегулярной составляющих ФЧХ. Установлено, что стохастическая составляющая ФЧХ является гауссовым случайным процессом с нулевым математически ожиданием.

Рассмотрены частотные области применимости моделей линейной и нелинейной частотной дисперсии в случае ФЧХ <рк(/) вида:

9>к (/)* <Рк (7) + (/)(/ - 7) + шк (7) • (/ - 7)2 + +^(/-7)3+^(/-7)4, (2)

где /е[7-в/г,7 + 5/2].

Для исследования вопроса о предельной малости составляющих фазы были введены следующие функции полосы канала:

^ = = = (3)

144 24 4

Было показано, что предельным критерием малости произвольной

функций (3) является выполнение нестрогого неравенства для профиля

задержки мощности (ПЗМ) ¡/¡(г)|2:

Ю18|Л(г)|7|й0(Г)|2|= 201Е|/|(Г)|/|Л0(Г)|]<0,4ДБ, (4)

где |/го(г)|2 - максимальное значение ПЗМ в среде без дисперсии.

Получены аналитические выражения для определения полосы когерентности В = Вч и В = В^ при заданных параметрах линейной и

нелинейной частотной дисперсии и их критических значений Лд7' и при заданной полосе радиоканала, которые имеют вид: 2

19.2

Определены значения критических параметров линейной и нелинейной дисперсии для каналов с полосой частот ЮОкГц, 500кГц и 1МГц. Так для каналов с полосой ЮОкГц критические значения соответственно равны 127мкс/МГц и бЮОмкс/МГц2; с полосой 500кГц - 5.1мкс/МГц и 48.9мкс/МГц2; а с полосой 1МГц - 1 .Змкс/МГц и 6.1мкс/МГц2.

В третьей главе рассмотрены результаты теоретических исследований влияния стохастической и нелинейной частотной дисперсии на импульсные характеристики (ИХ) широкополосных радиоканалов (эквивалентных СРС с однородной АЧХ). Предложена методика численного определения ИХ радиоканала по дискретной модели дисперсионной характеристики (ДХ), которая, по сравнению с методикой для случая регулярной частотной дисперсии, позволяет учитывать стохастическую и нерегулярную составляющие частотной дисперсии.

Рассмотрена ИХ радиоканала к-го тракта распространения с нелинейной частотной дисперсией:

/+В/2

Л*(0 = 1 Н0к(Лехр{-К^(/)+2*¥кр(/1г-/)+х1к(/1/-/)2

/-Д/2

+ (/)(/-/)3)}ехр{/2я/г}#

(6)

Показано, А1(и;1) = -—-^ехр

что,

„3

МФ

2 лН,

О к

3 (/)|

- + хи

используя неполную функцию Эйри ¿х, огибающую ИХ (6) можно представить в виде:

А1

-А1

Я7)

2 >Й1р{/)-х

т.

Ш"

2 кг

В 5к

(7)

Из формулы (7) следует, что зависимость ИХ радиоканала от параметров (/) и ук (/) является причиной ее дисперсионных искажений. Поскольку любой сигнал ивых (/) на выходе линейной системы (в том числе на выходе эквивалентного ионосферного радиоканала) можно представить сверткой

излученного uex(t) сигнала и ИХ канала: umx(t) = uex(t)<8)h{t) , то можно заключить, что и сам излученный сигнал будет испытывать аналогичные дисперсионные искажения огибающей.

Также исследованы частные случаи общей формулы (7). Показано, что при st(/)-»0 и vk (/)-> 0 , частотная дисперсия в радиоканале незначительна и огибающая ИХ описывается функцией sine. При vk —> О приходим к исследованному другими авторами случаю линейной частотной дисперсии, когда огибающая ИХ выражается через интегралы Френеля. При sk _> о огибающая ИХ описывается неполными функциями Эйри.

На рисунке 1 представлены результаты расчетов огибающей ИХ по формуле (7) в общем (третий с лева) и частных случаях. За начало отсчета

задержки принят момент г = гАр(/)= dip!da | .

«¿Ре* I

.-ii/i-o С?)« о ».уз-® ..

С?)-» *s!/}' о

г ' 1 Л t к : к

J : t / . J, .. t................■ _-¿¿i—-L..........

'■rfi........ .........'3 100 - J«r О tie - - J«i О iW Z

Рисунок 1 - Амплитуда ИХ в зависимости от параметров и При V/. >0 с ростом коэффициента нелинейности для переднего фронта

наблюдается асимптотика, приводящая к случаю без частотной дисперсии, а для заднего - к случаю линейной частотной дисперсии, т.е. пик переднего фронта ИХ растет по амплитуде, приближаясь к точке ¿(р/йа , а задний фронт удаляется от нее (см. рисунок 2).

Рисунок 2 - Искажения ИХ с ростом параметра нелинейности ДХ

Данные эффекты иллюстрируют тот факт, что величина производной ёср^со совпадает с групповым запаздыванием сигнала лишь в случае, когда дисперсия является незначительной. В присутствии дисперсии ситуация становится неопределенной: производная может быть равна времени запаздывания, отнесенного к середине ИХ, или запаздыванию переднего фронта ИХ.

Влияние других составляющих дисперсии (стохастической и нерегулярной) на ИХ радиоканала с полосой 1МГц исследовалось для линейного случая. Рассматривалась модель ДХ вида:

ч (/) = (?)+** (7)(/ - /)+ бт +ч (/) • (8)

Показано, что стохастическая составляющая ?*.(/) ДХ приводит к образованию шумового пьедестала на ИХ /гДг), причем его уровень зависит от величины СКО стт : чем больше <тг , тем выше уровень шумового пьедестала. На рисунке 3 приведены ИХ 1гк (г), построенные для ДХ (8) и ее частных случаев.

а) б) в)

Рисунок 3 - Зависимость уровня шумового пьедестала на импульсной характеристике радиоканала от СКО ат (гладкая линия - ИХ при <тг = 0 )

(а - ■?*.(/)= О и 5Г = 0 ;б - 0 и дт = 0 ; в-общий случай)

Установлено, что в случае линейной регулярной частотной и стохастической дисперсии пьедестал ИХ !гк (т) становится практически

неразличимым при ит>15 , т.е. стохастическая дисперсия с СКО, превышающим 75 мкс, разрушает радиоканал с полосой 1МГц. Показано, что учет нерегулярной составляющей ДХ в случае линейной частотной дисперсии приводит к образованию пиков на прямоугольном пьедестале ИХ, причем количество пиков совпадает с количеством стационарных областей на дисперсионной кривой в полосе радиоканала. Проведено исследование влияния стохастической дисперсии на пики пьедестала ИХ в зависимости от полосы радиоканала. Установлено, что с уменьшением полосы радиоканала увеличивается значение параметра <тт, при котором пики на пьедестале ИХ кк(г) различимы.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований параметров стохастической и нелинейной дисперсии на радиотрассах, протяженностью 1500-3500 км. Приведено краткое описание аппаратно-программного комплекса цифрового ЛЧМ ионозонда Поволжского государственного технологического университета, с помощью которого были проведены натурные эксперименты на двух

радиотрассах - долготной (Кипр-Йошкар-Ола, 2620 км) и широтной (Иркутск-Йошкар-Ола, 3500 км).

Важным и новым результатом является разработанная автором методика обработки натурных ионограмм для выделения регулярной и стохастической составляющих ДХ и определения их параметров. Методика реализована в программном виде, что и позволило на основе анализа большого объема ионограмм (более 12300) получить достоверные экспериментальные результаты. Этапы методики отображены в главном окне программы, представленном на рисунке 4.

Рисунок 4.

ъшди[1<11„ методика обработки натурных ионограмм, этапы которой показаны в главном окне программы

cjS.vx20.iG2 qbiv.t00.IG2 флхЮО.Юг дЬудСО.Юг ЧЫУП20.Н32 чьлчооюг фм00.102 qb.vjOO.IG2

Ии*о.

'К.К1Р (35И34Е) - Йошкар-Ола Шага 06.Q9.2CC1 Время: 21:20:00 ■Диапазон. 5.00 • 30.00 МГц ¡Скорость: 100.000 кГц/с 5Шир.с«екто« 100.000 кГц

С использованием этой методики при исследовании параметров стохастической дисперсии на основе критерия Пирсона было установлено, что стохастическая дисперсия может быть описана нормальным законом распределения с параметрами (?(/)) = 0 и ит. Получено, что среднемесячные

оценки параметра (?(/}) колеблются около нуля и их максимальные значения

уменьшаются при увеличении средней относительной частоты радиоканала. Установлено, что тренд, построенный для суточных ходов параметра (г(/)).

независимо от средней относительной частоты радиоканала, направления и протяженности радиотрассы, времени суток, сезона, а также геомагнитной возмущенности ионосферы, практически совпадает с осью абсцисс. Поэтому можно считать доказанным, что генеральное среднее значение (математическое ожидание) стохастической дисперсии равно нулю.

Сезонные вариации значений среднего квадратического отклонения (СКО) стохастической дисперсии приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Сезонные вариации СКО а т [мкс] стохастической дисперсии

Трасса Время проведения эксперимент а 7 = 0.5МПЧ / = 0.1 МПЧ f = 0.9 Ml Ч

Кипр-Иошкар-Ола апр. 2006г. 59 37 53

авг. 2008г. 68 55 63

сент. 2005г. 39 67 85

фев. 2012г. 70 73 38

Иркутск-Иошкар-Ола авг. 2006г. 68 33 36

сент. 2005г. 83 66 41

Исследовано влияние геомагнитной возмущенное™ и геометрии радиотрасс на СКО стохастической дисперсии. Показано, что СКО растут с увеличением возмущённое™. Для широтной трассы Иркутск-Йошкар-Ола, они больше чем для долготной трассы Кипр-Йошкар-Ола (см. рисунок 5).

а) б)

Рисунок 5 - Суточные ходы СКО ат стохастической дисперсии для радиотрасс различной направленности (а - слабо возмущенная ионосфера, б - сильно возмущенная ионосфера) (сентябрь 2005г.)

Экспериментальные и теоретические исследования значений параметра нелинейности частотной дисперсии в полосе частот 1 МГц показали, что расхождения не превышают 30%. Это позволяет сделать утверждение, что развитая в работе теория является адекватной. В таблице 2 представлены обобщенные по многим экспериментам результаты определения параметра нелинейности в полосе частот 1МГц.

Таблица 2. - Результаты экспериментальных исследований параметра нелинейности дисперсии в полосе частот 1 МГц_

протяженность D, км время суток / = 0.5МПЧ / = 0.7МПЧ 7 = 0 ШПЧ

2620 день 0,3 1.1 3,4

ночь 0,8 2,3 19,3

3500 день 0,2 0,7 4,6

ночь 0,7 1.9 15,9

Установлено, что параметр нелинейности увеличивается с ростом средней относительной частоты радиоканала. Его значения превышают критические значения (становятся существенными) для частот более 0.9МПЧ (МПЧ -максимально применимая частота). Параметр нелинейности уменьшается с увеличением протяженности радиотрассы и увеличивается от дня к ночи при любом уровне солнечной активности.

Таким образом, при наклонном распространении наибольшие искажения из-за нелинейной дисперсии испытывают импульсные характеристики (и сжатые в приемнике широкополосные сигналы) с полосой частот 1МГц в каналах со средней частотой, превышающей 0.9МПЧ.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

1. Теоретически обоснована и развита методика определения дисперсионной характеристики широкополосных ВЧ радиоканалов по ионограммам натурных экспериментов, отличающаяся учетом стохастической и регулярной составляющих. Получены аналитические выражения для фазо-частотной характеристики радиоканала в случае нелинейной регулярной, нерегулярной и стохастической частотной дисперсии. Теоретически обоснованы формулы для оценки малости линейной и нелинейной составляющих регулярной дисперсией.

2. Получено описываемое функциями Эйри общее решение задачи дисперсионных искажений широкополосных радиосигналов, обусловленных средой распространения. Впервые выявлены закономерности влияния нелинейной частотной дисперсии на искажения импульсных характеристик радиоканалов. Показаны причины неопределенности связи производной г = <1<р1<1(й с искаженной дисперсией огибающей широкополосного сигнала,

полученной с учетом согласованной обработки при приеме.

3. Впервые выявлены закономерности влияния стохастической дисперсии на искажения импульсных характеристик ионосферных ВЧ радиоканалов с полосой 1МГц. Экспериментально показано, что стохастическая дисперсия имеет нормальный закон распределения с математическим ожиданием, равным нулю. Установлена зависимость среднего квадратического отклонения стохастической дисперсии от средней частоты радиоканала, протяженности и направленности радиотрассы и геофизических факторов.

4. Теоретически и экспериментально определены параметры нелинейной частотной дисперсии для радиоканалов с полосой 1МГц. Установлена зависимость параметра нелинейности от средней частоты радиоканала, протяженности радиотрассы, времени суток. Показано, что при наклонном распространении наибольшие искажения из-за нелинейной дисперсии испытывают импульсные характеристики (и сжатые в приемнике широкополосные сигналы) в каналах со средней частотой, превышающей 0.9МПЧ.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

Работы, опубликованные в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертации

1. Иванов, В.А. Влияние стохастически нерегулярной дисперсии на характеристики широкополосного высокочастотного канала / В.А. Иванов, Д.В. Иванов, H.H. Мнхеева, А.Н. Эпаев // Вестник Марийского государственного технического университета. Серия «Радиотехнические и инфокоммуникационные системы». - 2011.-№1,- С. 31-37.

2. Иванов, В.А. Стохастические дисперсионные искажения характеристик широкополосных высокочастотных радиоканалов / В.А. Иванов, Д.В. Иванов, H.H. Михеева //Электромагнитные волны и электронные системы. - 2012. -№9. - С. 37-41.

3. Иванов, Д.В. Исследование регулярной и стохастической дисперсии в ионосферных широкополосных высокочастотных радиоканалах / Д.В. Иванов, В.А. Иванов, H.H. Мнхеева, М.И. Рябова // Нелинейный мир.-2012.-№10. - С.678-686.

4. Мнхеева, H.H. Особенности частотной дисперсии в широкополосных ионосферных высокочастотных радиоканалах / H.H. Михеева // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия «Радиотехнические и инфокоммуникационные системы». - 2012.-№2(16). - С. 83-93.

5. Иванов, Д.В. Искажения широкополосного радиосигнала в ионосфере, вызванные нелинейной частотной дисперсией / Д.В. Иванов, В.А. Иванов, М.И. Рябова, H.H. Михеева, Е.В. Катков // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия «Радиотехнические и инфокоммуникационные системы».-2013. -№2(18). - С. 5-15.

Работы, опубликованные в иных изданиях

6. Иванов, В.А. Модель широкополосного ВЧ-канала распространения с учетом стохастически нерегулярной дисперсии/ В.А. Иванов, Д.В. Иванов, H.H. Михеева, А.Н. Эпаев // Сб. докл. 23й Всеросс. научн. конф. «Распространение радиоволн». -Йошкар-Ола, 2011. - Т.З. - С.343-348.

7. Иванов, В.А. Выделение при обработке стохастически нерегулярной дисперсии для каналов широкополосной высокочастотной радиосвязи / В.А. Иванов, Д.В. Иванов, H.H. Михеева, О.В. Киселева // Сб. докл межд. н-тех сем. «Синхроинфо», ПГТУ. - Йошкар-Ола, 2012. - С. 112-115.

8. Иванов, В.А. Стохастические дисперсионные искажения импульсных характеристик широкополосных высокочастотных радиоканалов / В.А. Иванов, Д.В. Иванов, H.H. Михеева, А.Н. Эпаев // Сб. докладов Всеросс. научн. конф. «Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред». - Муром, 2012. - С. 422-426.

9. Иванов, В.А. Влияние стохастических дисперсионных искажений на импульсные характеристики широкополосных высокочастотных радиоканалов/ В.А. Иванов, Д.В. Иванов, H.H. Михеева, М.И. Рябова, А.Н. Эпаев // Сб. докладов XVIII межд. н-тех. конф. «Радиолокация, навигация, связь»,- Воронеж, 2012,- С. 161-169.

10. Иванов, Д.В. Искажение сложных фазоманипулированных сигналов в каналах с нерегулярной дисперсией/ Д.В. Иванов, H.H. Михеева, О.В. Киселева, А.Н. Эпаев // Сб. статей н.-тех. конф. ППС ПГТУ «Исследования, технологии, инновации». -Йошкар-Ола, 2012. - С. 43-46.

11. Иванов, В.А. Влияние на импульсную характеристику радиоканала линейной, периодической и стохастической составляющих дисперсии / В.А. Иванов, Д.В. Иванов,

H.H. Михеева // Сб. трудов конференции «Труды Поволжского государственного технологического университета». — Йошкар-Ола, 2013. — С.98-104.

12. Иванов, В.А. Разработка методов исследования дисперсии в многомерных высокочастотных радиоканалах / В.А. Иванов, Д.В. Иванов, H.H. Михеева, М.И. Рябова // П1 Всероссийские Армандовские чтения [Электронный ресурс]: Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике / Материалы IV Всероссийской научной конференции (Муром, 25-27 июня 2013 г.). - Муром, 2013. -С.55-60.

13. Иванов, Д.В. Влияние стохастически нерегулярной дисперсии на распространение широкополосного ЛЧМ-сигнала / Д.В. Иванов, H.H. Михеева // Сб. тезисов Межд. научн. школы. «БШФФ-2011». — Иркутск, 2011. — С.80.

14. Иванов, Д.В. Влияние мелкомасштабного ионосферного расслоения на дисперсионные характеристики КВ-радиоканалов / Д.В. Иванов, H.H. Михеева, А.Н. Эпаев // Научному прогрессу — творчество молодых: сб-к материалов Международной студенческой конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам: в 3 ч.-Ч.2.-Йошкар-Ола: МарГТУ. - Йошкар-Ола, 2011. - С. 137-139.

15. Иванов, Д.В. Моделирование корреляционных шумов, возникающих при сжатии JI4M сигнала / Д.В. Иванов, H.H. Михеева, О.В., Киселева // Сб. докл. Молодежной науч.-практ. конф. «Актуальные проблемы науки в 21 веке». - Йошкар-Ола: ЗФ КГУ, 2012. - С. 32-34.

16. Иванов, Д.В. Исследование дисперсионных искажений сложных КВ-радиосигналов / Д.В. Иванов, H.H. Михеева, О.В. Киселева И Международная молодежная научная конференция по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу — творчество молодых», 20-21 апр. 2012 г., 4.2. — Йошкар-Ола: ПГТУ. - Йошкар-Ола, 2012. - С.121-122.

17. Иванов, Д.В. Выделение при обработке стохастически нерегулярной дисперсии для каналов широкополосной высокочастотной радиосвязи / Д.В. Иванов, H.H. Михеева, О.В. Киселева // Сб. тезисов участников VI Международного молодежного форума и IX Международной науч.-тех. конф. «Информационные технологии в мире коммуникаций». — Москва: МАС, 2013. - С. 80-83.

Подписано в печать 08.11.2013. Формат 60><84 '/16 Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 5235.

Редакционно-издательский центр ПГТУ. 424006 Йошкар-Ола, ул. Панфилова, 17

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Михеева, Надежда Николаевна, Йошкар-Ола

поволжский

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

04201452133

на правах рукописи

МИХЕЕВА Надежда Николаевна

ВЛИЯНИЕ СТОХАСТИЧЕСКОЙ И НЕЛИНЕЙНОЙ ЧАСТОТНОЙ ДИСПЕРСИИ НА ИСКАЖЕНИЯ ШИРОКОПОЛОСНЫХ РАДИОСИГНАЛОВ ПРИ ИХ РАСПРОСТРАНЕНИИ В ИОНОСФЕРЕ

Специальность: 01.04.03 - Радиофизика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: Иванов Дмитрий Владимирович доктор физ.-мат. наук, профессор

Йошкар-Ола, 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................5

1. Задачи распространения широкополосных радиосигналов в стохастических средах с частотной дисперсией на примере ионосферы земли..........................................................................................................................17

1.1 Основные подходы к математическому описанию распространения радиоволн и сложных (широкополосных) радиосигналов в средах с частотной дисперсией.................................................................................................................17

1.2 Характеристики ионосферы как многомерного вч радиоканала с частотной дисперсией...............................................................................................24

1.3 Оригинальная методика исследования распространения в ионосфере сложных сигналов с учетом сжатия их в приемнике на основе эквивалентного сигнала........................................................................................................................32

1.4 Методики исследования дисперсионных характеристик вч радиоканалов на основе математического моделирования и натурного радиозондирования ..38

1.5 Актуальность и существующее противоречие, цель и задачи диссертационного исследования.............................................................................46

2. Построение математических моделей частотной дисперсии для широкополосных ионосферных радиоканалов на основе экспериментальных данных.................................................................................48

2.1 Методика определения дисперсионной характеристики широкополосных вч радиоканалов по ионограммам натурных экспериментов...............................48

2.2 Модели наблюдаемой в натурных экспериментах ионосферной частотной дисперсии...................................................................................................................55

2.3 Влияние частотной дисперсии на частотную характеристику широкополосного эквивалентного ионосферного радиоканала..........................62

2.4 Критерий учета нелинейных составляющих регулярной фазо-частотной характеристики широкополосного эквивалентного ионосферного радиоканала 68

2.5 Выводы..............................................................................................................75

3. Теоретические исследования влияния стохастической и нелинейной частотной дисперсии на импульсные характеристики широкополосных радиоканалов...........................................................................................................77

3.1 Методика численного определения импульсной характеристики ионосферного радиоканала по дискретной модели дисперсионной характеристики..........................................................................................................77

3.2 Импульсная характеристика широкополосного эквивалентного ионосферного радиоканала в случае нелинейной частотной дисперсии............83

3.3 Влияние значений параметров нелинейной частотной дисперсии на искажения импульсной характеристики широкополосного ионосферного радиоканала................................................................................................................91

3.4 Искажения импульсных характеристик широкополосных ионосферных радиоканалов при учете стохастической и нерегулярной частотной дисперсии99

3.5 Выводы............................................................................................................107

4. Экспериментальные и теоретические исследования параметров стохастической и нелинейной дисперсии на радиотрассах, протяженностью 1500-3500 км............................................................................................................109

4.1 Техника и условия проведения натурных экспериментов и объем полученных данных................................................................................................109

4.2 Методика обработки натурных ионограмм для исследования параметров стохастической и нелинейной частотной дисперсии..........................................115

4.3 Закон распределения стохастической дисперсии и вариации его параметров, обусловленные геофизическими эффектами..................................121

4.4 Влияние протяженности трассы, средней частоты канала и геофизических

факторов на параметры нелинейной частотной дисперсии................................128

4.5 Выводы............................................................................................................136

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................138

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.................................................................................139

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................140

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Суточные ходы геомагнитного кр индекса......................154

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Гистограммы частот для значений стохастической дисперсии.................................................................................................................155

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Суточные ходы среднего значения (т{/J) стохастической

дисперсии.................................................................................................................157

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Суточные ходы среднего квадратического отклонения (СКО) сгг стохастической дисперсии...................................................................158

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Последние технические достижения для радиотехнических систем высокочастотного (ВЧ) диапазона основаны на применении новых научных знаний и являются весьма ощутимыми. Вызывает интерес задача расширения полосы частот ВЧ радиосигналов, которая, однако, наталкивается на недостаточно изученную научную проблему их дисперсионных искажений в ионосфере Земли. В решении этого вопроса необходимо отметить фундаментальные работы А.П. Анютина, H.A. Арманда, В.Э. Герма, B.JI. Гинзбурга, JI.M. Ерухимова, H.H. Зернова, В.А. Иванова, Д.В. Иванова, A.C. Крюковского, В.Е. Куницына, В.И. Куркина, Д.С. Лукина, А.П. Потехина, Н.В. Рябовой, Ю.Н. Черкашина, J.A. Hoffmeyer, В. Lundborg, S. Salous, L.E. Vogler. Существующую научную задачу необходимо рассматривать в рамках развиваемого, особенно в последнее время, подхода, в котором процесс распространения в среде радиосигналов заменяется на прохождение ими эквивалентной многомерной линейной системы с одним (в случае узкополосных систем) или многими (в случае широкополосных систем) выходами. Такие системы описываются в частотной области частотной (ЧХ) и дисперсионной (ДХ) характеристиками, а во временной — импульсной характеристикой (ИХ). Основной задачей в этом случае является решение вопроса о влиянии частотной дисперсии, описываемой видом ДХ, на ЧХ и ИХ широкополосных радиоканалов, с различными средними частотами из полосы прозрачности радиолинии.

высокочастотных колебаний в средах с дисперсией и развитию радиофизических методов исследования диспергирующих сред.

Цель диссертационной работы: развитие методов и математических моделей для исследования характеристик широкополосных высокочастотных радиоканалов и влияния на них искажения стохастической и регулярной нелинейной частотной дисперсии.

Задачами данной работы являются:

эксперимента при задании характеристик ионосферы на основе международной модели 1111-2007. Результаты натурных экспериментов получены с использованием современного метода наклонного зондирования ионосферы сигналами с линейно-частотной модуляцией. Эксперименты проведены для радиолиний: Иркутск — Йошкар-Ола; Кипр - Йошкар-Ола. При обработке экспериментальных данных использовались статистические методы анализа.

Положения, выносимые на защиту:

искаженной дисперсией огибающей широкополосного сигнала, полученной с учетом согласованной обработки при приеме.

Научная новизна работы

1. Разработана методика определения составляющих дисперсионной характеристики широкополосных ВЧ радиоканалов по ионограммам натурных экспериментов в случае стохастической и регулярной частотной дисперсии. Предложен новый критерий учета нелинейных составляющих регулярной фазо-частотной характеристики радиоканала с частотной дисперсией.

2. Впервые получены аналитические выражения импульсной характеристики широкополосного ионосферного радиоканала в случае нелинейной частотной дисперсии. Установлены причины неопределенности связи производной т = с!(р1(1со с искаженной дисперсией огибающей широкополосного сигнала, полученной с учетом согласованной обработки при приеме.

Практическая ценность и реализация результатов работы

2. Полученные экспериментальные результаты имеют важное значение для изучения неоднородной структуры ионосферы при разработке проблемы взаимодействия ионосферной плазмы с распространяющимися в ней радиосигналами, а также развития физики верхней атмосферы Земли.

3. Полученные результаты могут быть использованы предприятиями, занимающимися разработкой перспективных систем связи и радиолокации. Результаты исследований внесут существенный вклад в развитие научных направлений, связанных с разработкой методов обеспечения помехоустойчивости информационных коммуникаций для целей передачи, хранения и защиты информации, а также вопросами организации беспроводных телекоммуникационных систем и оценки их эффективности.

4. Результаты, полученные автором, использованы при выполнении НИР в следующих организациях: Институт Солнечно-Земной физики СО РАН (г. Иркутск), ОАО Концерн ПВО «Алмаз-Антей», ОАО Концерн «Созвездие», Поволжский государственный технологический университет. Кроме того, эти результаты внедрены в учебный процесс в Поволжском государственном технологическом университете и используются при подготовке бакалавров и магистров по направлениям: 210700 — «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»; 210400 - «Телекоммуникации».

по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу -творчество молодых» (Йошкар-Ола, 2011, 2012, 2013), на XVIII международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь - RLNC» (Воронеж, 2012), на Всероссийской научной конференции «Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред» (Муром, 2012, 2013), на Международном научно-техническом семинаре «Синхроинфо» (Йошкар-Ола, 2012), на научно-технических конференциях «Труды Поволжского государственного технологического университета» (Йошкар-Ола, 2012, 2013), на Молодежной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки в 21 веке» (Казань, 2012), на VI Международном молодежном форуме и IX Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в мире коммуникаций» (Москва, 2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 5 в журналах, рекомендованных ВАК.

В первой главе рассмотрены задачи распространения широкополосных радиосигналов в стохастических средах с частотной дисперсией на примере ионосферы Земли.

Дано описание процесса распространения радиоволн в средах с частотной дисперсией. Кратко рассмотрен метод геометрической оптики и решение

волнового уравнения Гельмгольца для плавно неоднородной среды. Показано, что в случайно-неоднородной среде дисперсионная характеристика радиоканала имеет стохастическую компоненту, влияние которой на частотную и импульсную характеристики радиоканала, а также на форму сложных сигналов ранее не исследовалось. Рассмотрены характеристики ионосферы как многомерного ВЧ радиоканала с частотной дисперсией.

Дано описание методики исследования распространения в ионосфере сложных сигналов (с линейно-частотной модуляцией, с програ