Основные направления модернизации аппаратуры высокочастотной радиосвязи рыбопромысловых судов для противодействия взаимным и импульсным помехам Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.396.932:639.2.06

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ МОДЕРНИЗАЦИИ АППАРАТУРЫ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ РАДИОСВЯЗИ РЫБОПРОМЫСЛОВЫХ СУДОВ ДЛЯ ПРОТИВОДЕЙСТВИЯ ВЗАИМНЫМ И ИМПУЛЬСНЫМ ПОМЕХАМ

Анд. И. Кулинич

Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский,683003

e-mail: [email protected]

Показано, что взаимные и импульсные помехи оказывают значительное влияние на обеспечение радиосвязи в высокочастотном диапазоне. Рассматриваются основные методы противодействия взаимным и импульсным помехам.

Ключевые слова: атмосферные помехи, импульсные помехи, амплитуда, ионосфера, частота.

The main directions of modernization of equipment of high-frequency radio fishing vessels to counter

the mutual and pulse interference. And.I. Kulinich (Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003)

It is shown that the mutual and pulse interferences have a significant impact on radiocommunication in high-frequency range. The main methods of counteraction to mutual and pulse interferences are examined.

Key words: atmospheric noise, impulse noise, amplitude, ionosphere, frequency.

Высокочастотная радиосвязь является единственным средством дальней связи в морском районе А4, который включает в себя акваторию Арктики России: весь Северный морской путь. Морская радиосвязь в ВЧ диапазоне ведется на частотах 4...27,5 МГц. В этом диапазоне наблюдается в любое время суток и года высокий уровень внешних помех: импульсных и взаимных, поэтому в приемных устройствах должны использоваться специальные меры для борьбы с помехами.

Помехи радиоприему делятся на внутренние шумы приемника и внешние помехи. Внутренними шумами (флюктуационным шумом собственного приемника) на частотах ниже 30 МГц можно пренебречь. Флюктуационный шум имеет гладкую структуру.

К внешним помехам относятся атмосферные, индустриальные, контактные помехи и взаимные помехи от радиостанций, работающих на частотах, близких к принимаемой частоте и кратных ей, а также мультикативные помехи. Мультикативные помехи вызваны многолучевостью распространения радиоволн. Атмосферные индустриальные и контактные помехи имеют импульсный характер, помехи от радиостанций имеют структуру сигналов, передаваемых этими станциями. Структура мультикативных помех совпадает со структурой принимаемых полезных сигналов.

Атмосферные помехи возникают вследствие грозовых разрядов между облаками и землей, электрических процессов, проходящих в верхних слоях атмосферы вследствие взаимодействия корпускулярных потоков Солнца.

Уровень атмосферных помех в данном месте и в данное время зависит от гроз, происходящих во всех районах Земли.

Во время зимнего периода в северном полушарии уровень атмосферных помех зависит от гроз в тропиках и в южном полушарии. В это время в северном полушарии наблюдается сравнительно низкий уровень атмосферных помех, особенно в дневное время.

Летом в северном полушарии грозы проходят в его пределах, поэтому уровень атмосферных помех повышается. Во второй половине дня уровень помех выше, чем в первой половине. Наиболее высокий уровень наблюдается от 16 до 22 часов, а наиболее низкий уровень - в период восхода Солнца. Это объясняется большим количеством гроз во второй половине дня и более благоприятными условиями распространения пространственных радиоволн в вечерние часы, чем в утренние.

Во время местных гроз наблюдается резкое увеличение уровня атмосферных помех. Опубликованы карты зон с различной интенсивностью атмосферных помех. Зоны, в которых

интенсивность помех наибольшая, обозначена цифрами 4, 5, а области с наиболее слабыми помехами - цифрой 1. На рис. 1 приведены мировые карты зон для летнего и зимнего периодов.

б

а

Рис. 1. Мировые карты зон с различной интенсивностью атмосферных помех: а - летний период, б - зимний период

Индустриальные помехи обусловлены излучением промышленных, транспортных и других электрических установок в городах, промышленных центрах. Суда в открытом море находятся далеко от источников индустриальных помех. На судах источником индустриальных помех являются контактные помехи, которые возникают из-за наличия переменных (в общем случае нелинейных) контактных соединений между деталями конструкции судна, особенно при контактировании с большой проводящей поверхностью - палубой и элементами конструкции судна: мачтами, леерными ограждениями, сходнями, креплениями шлюпок, оттяжками антенн и др. Уровень контактных помех возрастает при движении судна и зависит от степени коррозии

металлических поверхностей. Частотный спектр контактных помех сосредоточен около частот излучения судовыми передатчиками.

Напряженность поля атмосферных и индустриальных помех в дБ мкВ/м на различных частотах ВЧ диапазона приведен на рис. 2.

Из графиков рис. 2 видно, что с увеличением частоты уровни атмосферных и индустриальных помех убывают. Однако в диапазоне частот от 2 до 18 МГц днем наблюдается аномальное изменение уровня атмосферных помех - уровень помех растет с частотой. Подобное изменение в ночное время отсутствует. Возрастание уровня атмосферных помех на частотах 2.. .18 МГц днем обусловлено особенностями распространения пространственных радиоволн в ионосфере. Поглощение в слоях ионосферы убывает с ростом частоты, поэтому уровень атмосферных помех днем, когда интенсивность слоев велика, возрастает с ростом частоты. В области частот выше 18 МГц отражение радиоволн от слоев ионосферы отсутствует: суммарный уровень помех с увеличением частоты уменьшается. Ночью, когда слой Б пропадает,

резкое убывание поля помех объясняется тем, что радиоволны преимущественно распространяются поверхностным лучом, испытывая сильное поглощение [1].

Характер уменьшения напряженности поля импульсных помех с ростом частоты объясняется формой импульсных помех.

Форма одиночной импульсной помехи на входе приемника может иметь разный вид. На рис. 3 приведена экспоненциальная форма огибающей помехи.

Модель частотного спектра импульсной помехи вида 1 = 10 е-а представляется выражением (1):

0,1 1 10 100 А, МГц

Рис. 2. Зависимость напряженности поля атмосферных и индустриальных помех от частоты

Л((й) =

п

2 2 а + ю2

(1)

Грозовая вспышка, состоящая из четырех основных разрядов

На частотах ю >> а спектральная функция помехи обратно пропорциональна частоте

А(ю)« А.. пю

Так как для импульсной помехи параметр а = 105 —, то приведенное выше соотношение

с

— 05

справедливо при а >> 105 . Отсюда / >>-= 0,15-105 = 15 кГц.

2%

Таким образом, на частотах ВЧ диапазона уровень импульсных помех обратно пропорционален рабочей частоте.

Наблюдение за грозами в экваториальных широтах показало, что число грозовых вспышек во время грозы может достигать до 40 за 1 мин. Грозовая вспышка состоит, как правило, из четырех основных разрядов с интервалами около 40 мс, длительность разряда около 1 мс. Длительность импульсной помехи не превышает 0,1 мс. Основной разряд состоит из последовательности коротких импульсов со средней частотой повторения 13,5 . кГц (рис. 4).

Распределение вероятности амплитуд импульсной помехи на выходе колебательной системы приемника аппроксимируется выражением (2):

Рис. 4. Грозовые вспышки во время грозы

W (y) =

У

(

3

22 аГ

exp

y

2 Л

2а2

(2)

где Г

Г1?

.У.

- гамма-функция; у = 0,5.. .2,0 в зависимости от частоты следования помехи; о - средняя

квадратическая величина амплитуды помехи.

При большой частоте следования импульсных помех на входе приемника у = 2 и распределение вероятности мгновенных значений помехи имеет вид нормального распределения

(3):

W (y) =

1

42ка

-exp -

y

2 Л

2а2

(3)

При мешающем действии флюктуационных шумов с равномерным и неравномерным энергетическим спектром, а также при наличии в тракте приемного устройства взаимных квазисинусоидальных помех радиостанций оптимальные схемы приема сводятся к линейным фильтрам. При мешающем действии импульсных помех в структуру оптимальных схем приема входят нелинейные устройства.

Если амплитуда импульсных помех значительно превышает амплитуду сигнала, то оптимальная схема включает в себя нелинейные устройства, которые осуществляют операцию, описываемую соотношением (4):

Ь | х |2и

х) = -

х

где Ь, и - постоянные коэффициенты; х - сигнал на входе приемника.

Если и = 1, то ¥(х) = Ьх, то есть нелинейная схема становится линейной. На входе нелинейного устройства ставится линейный фильтр, согласованный со спектром принимаемого сигнала.

Структура оптимальной схемы приема при

Нелинейная система

Согласованный линейный фильф

0

У

Рис. 5. Структурная схема оптимального приема

мешающем действии импульсных помех и флюктуационного шума приведена на рис. 5.

При мешающем действии импульсных помех, когда максимальный уровень принимаемого сигнала равен Ъ, нелинейная обработка сводится к двустороннему ограничению на входе приемника. Характер ограничителя:

Ч(х) = Ъ при х > 0

ВД = -Ъ при х. < 0.

Вид характеристики приведен на рис. 6. Для борьбы со всеми видами импульсных помех на практике широко применяется на входе приемника система ШОУ (широкая полоса -

ограничитель - узкая полоса). Структурная схема рж. 6. Характеристика двухстороннего

системы ШОУ приведена на рис. 7. ограничения на входе приемника

Вход

Широкополосный усилитель Ш

Двусторонний ограничитель О

Узкополосный

фильтр У

Выход

Рис. 7. Структурная схема системы ШОУ

Для эффективной работы системы ШОУ необходимо, чтобы широкополосный фильтр практически не изменял длительность импульсной помехи на его входе. При отсутствии импульсной помехи система ШОУ должна работать в линейном режиме, для чего порог ограничения иотр выбирается равным амплитуде сигнала [2].

Эпюры напряжений сигнала и помехи на выходе различных каскадов системы ШОУ приведены на рис. 8.

Рис. 8. Эпюры напряжений сигнала и помехи на выходе различных каскадов системы ШОУ

а

в

Узкополосный фильтр должен быть согласован со спектром принимаемого сигнала. Так как ширина спектра сигнала значительно уже ширины спектра импульсной помехи, то на выходе узкополосного фильтра амплитуда ограниченной импульсной помехи лежит ниже уровня полезного сигнала.

Оценим эффективность системы ШОУ.

Импульсные помехи на входе приемника могут быть как с высокочастотным заполнением, так и в виде видеоимпульсов разной длительности. В последнем случае на выходе преселектора приемника помеха имеет высокочастотное заполнение на резонансной частоте преселектора.

Рассмотрим случай, когда на вход поступают импульсная помеха прямоугольной формы с амплитудой Цп и длительностью хп и полезный сигнал с амплитудой Цс вх (см. рис. 8). Форма переднего фронта помехи на выходе широкополосного фильтра с полосой пропускания А/ш и коэффициентом усиления Кр определится выражением (5):

Ц вых (0 = Кр Ц [1 - ехр (1 - А/ш 0]. (5)

Амплитуда сигнала на выходе широкополосного фильтра - Цс вх Кр (см. рис. 8, а, нижняя эпюра).

Форма заднего фронта импульсной помехи (6):

U вых (t) = Un max exp [- А/ш (t - Гп)],

где Un max - амплитуда импульсной помехи на выходе широкополосного фильтра в момент гп. Очевидно ип max = К U [1 - exp (1 - А/шГп)].

Определим ширину импульсной помехи гп ш на выходе двухстороннего ограничителя с порогом ограничения иогр (см. рис. 8, б) с помощью выражения (7):

Кр Un [1-exp (1 - А/шГп)] exp [- А/ш (гш - Гп)] = иогр .

(7)

Порог ограничения выбирается равным амплитуде сигнала на выходе широкополосного фильтра £/огр = ис вх Кр .

Медианное значение длительности импульсной помехи тп = 0,01 мс. Ширина полосы пропускания широкополосного фильтра А/ш = 70 кГц. С учетом этих величин получим (8):

А/шТп = 0,7;

0,5 Кр и ехр - ( А/шТп ш- 0,7) = иогр ;

1 , Крип 0,7

гп ш =-ln—- -

п ш Af , А огр.

1 , ип 0,7 —ln-о— + ——

А/ш 2 иогр. А/ш А/ш 2 Uc вх А/ш

(8)

На выходе узкополосного фильтра с коэффициентом усиления Ку и полосой пропускания А/ (см. рис. 8, в) амплитуда импульсной помехи в момент времени тп ш определится в виде (9):

U = К U

U п вых К уи огр

1 - exp -

А/у

ln-

U

А/ >

п + 0,7 /у

А/ 2 U А/

с вх ^ш

Амплитуда сигнала на выходе системы ШОУ будет (10):

ис вых Кр Ку ис вх Ку иогр

Величина отношения сигнал-помеха на выходе системы ШОУ определится в виде (11):

1 - exp -

А/у

ln-

А/ш 2 U с вх

- + 0,7

А/у

А/ш

(9)

(10)

(11)

Если А/L = — •

А/ш 20 U,

U° = 100, то ^свых = 3 .

Un

Эффективность системы ШОУ возрастает с увеличением отношения —ш .

А/,

Существенным недостатком системы ШОУ, которая является нелинейной системой, является возможность попадания в полосу узкополосного фильтра радиопомех от других радиостанций даже в том случае, когда частоты взаимных помех находятся за пределами полосы пропускания узкополосного фильтра приемника.

Другим широко используемым на практике средством защиты от импульсных помех является бланкирование: во время действия импульсной помехи приемник запирается. Метод бланкирования входа приемного устройства обеспечивает такую же помехозащищенность, как и система ШОУ [3]. Бланкирование является разновидностью нелинейной системы. Управление каналом бланкирования осуществляется с помощью

дополнительного параллельного канала приема, измеряющего амплитуду

импульсной помехи или производную огибающей импульсной помехи. В

Рис. 9. Структурная схема бланкирования приемника

1

с вх

дополнительный приемный канал попадает лишь импульсная помеха ввиду ее широкополосного спектра (рис. 9).

Если импульсная помеха представляет собой периодическую последовательность импульсов с периодом следования Тп, то для борьбы с такими помехами применяются схемы селекции по периоду следования. Структурная схема такого способа защиты приведена на рис. 10.

На вход схемы совпадения импульсная помеха попадает только тогда, когда период Рис. 10. Структурная схема селекции по периоду следования повторения помехи равен или кратен Тп. мщулжм

Уровень взаимных помех от радиотехнических средств различного назначения велик, потому что из-за загруженности частотного диапазона многие радиостанции вынуждены работать на одинаковых или близких частотах. Взаимные помехи создаются не только близко расположенными станциями, но и в соответствии с условиями распространения в диапазоне ВЧ огромным числом станций, удаленных на многие тысячи километров от судовой ВЧ радиостанции

[4].

На рис. 11 приведены интегральные кривые распределения Р(и < Цсум) суммарных уровней принимаемого сигнала взаимных помех в полосе частот 1 кГц на трассах протяженностью 1500 км (кривая 1), 3000 км (кривая 2), 4000 км (кривая 3). Суммарные уровни Цсум приведены в децибелах относительно 1 мкВ.

По данным рис. 11 можно сделать вывод, что уровень взаимных помех мало зависит от протяженности трассы.

В ночное время, когда поглощение в ионосфере уменьшается, уровень взаимных помех значительно больше, чем в дневное время. Для борьбы с взаимными помехами используется режим излучения с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ). В режиме с ППРЧ передатчики и приемники синхронно меняют рабочую частоту несколько раз в секунду. Выбор нового канала связи происходит по псевдослучайному закону. Синхронизация работы производится с помощью приемников ГНСС подобно тому, как это выполняется в АИС (автоматической Рис. 11. Интегральные кривые распределения идентификационной системе).

Режим работы с ППРЧ применяется как при передаче телефонных сообщений, так и при передаче данных.

При работе в ВЧ диапазоне на фиксированной рабочей частоте канал может оказаться блокированным взаимными помехами от мощных радиовещательных станций. Этот факт в совокупности с замираниями сигнала в месте приема приводит к крайне тяжелым условиям работы.

Практика работы с режимом излучения сигналов с ППРЧ показала высокую эффективность этого режима.

Подводя итог, следует отметить, что действенным средством борьбы с атмосферными, индустриальными и контактными помехами при морской ВЧ радиосвязи являются нелинейные схемы, установленные на выходе приемников. Для борьбы с взаимными помехами необходим новый режим излучения с ППРЧ.

Литература

1. Палшков В.В. Радиоприемные устройства. - М: Связь, 1965. - 543 с.

2. Рубинштейн Я.М. Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства: Учеб. для вузов. - Л.: Морской транспорт, 1960. - 387 с.

3. Резников В.Ю., Устинов Ю.М., Дуров А.А. Судовая радиосвязь. Справочник по организации и радиооборудованию ГМССБ. - СПб.: Судостроение, 2002. - 480 с.

4. Черенкова Е.Л., Чернышов О.В. Распространение радиоволн: Учеб. для вузов связи. - М.: Радио и связь, 1984. - 272 с.