CC BY
43
ЗАМИРАНИЯ СИГНАЛОВ В МЕСТЕ ПРИЕМА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ РАДИОСВЯЗИ РЫБОПРОМЫСЛОВЫМИ СУДАМИ
Анд. И. Кулинич
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский,683003
e-mail: [email protected]
Рассматриваются основные причины возникновения и методы борьбы с замираниями радиосигналов в северных широтах, наиболее эффективным из которых является выбор оптимальной модели распространения радиоволн путем варьирования рабочей частотой сигнала.
Ключевые слова: замирания сигналов, частотная селекция, терминал связи, ионосфера, рабочая частота.
Signal fading in the reception point in fishery ship high-frequency radio communication. And.I.Kulinich (Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003)
Principal causes and prevention methods of radio signal fading in northern latitudes are considered. The most effective method is optimal model selection of radio-wave propagation by the variation of signal working frequency.
Key words: signal fading, frequency selection, communication terminal, ionosphere, working frequency.
В морском районе A4 ГМССБ, то есть на широтах более 70°, система спутниковой связи ИНМАРСАТ не работает, поэтому ВЧ-радиосвязь является единственным средством связи между судами. Даже в случае отсутствия взаимных помех от других радиостанций ВЧ-радиосвязь работает неустойчиво из-за изменения уровня принимаемых в пространстве сигналов. Изменения уровня принято называть замираниями принимаемых сигналов.
Изменения уровня сигналов подразделяются на медленные (квазирегулярные) и быстрые (случайные) [1].
Квазирегулярные изменения обусловлены медленными изменениями электрических параметров ионосферы: суточными, сезонными, 11-летними. Этот вид возмущений следует учитывать при выборе оптимальных рабочих частот путем согласования энергетических параметров передающих устройств с прогнозируемыми ослаблениями квазирегулярного уровня принимаемых сигналов.
Быстрые замирания сигналов представляют собой случайный процесс с квазипериодом от долей секунды до десятков минут. При этом уровень принимаемых сигналов может уменьшаться в десятки раз. Причиной быстрых замираний пространственных сигналов являются:
- суперпозиция радиоволн в месте приема, распространяющихся по разным трассам;
- изменение условий распространения радиоволн на трассе из-за солнечных вспышек, влияющих на концентрацию электронов в слоях ионосферы;
- изменение направления поляризации принимаемых сигналов в ионосфере [1].
Характеристики замираний исследуются на основе типовых моделей распространения
пространственных волн,
отражающихся от
F-слоя ионосферы в зависимости от соотношения оптимальной рабочей частоты fP и максимальной применимой частоты (МПЧ).
На рис. 1 приведены шесть типовых моделей распространения радиоволн в ВЧ-диапазоне [2]:
В табл. 1 приведены экспериментально полученные
данные о проценте времени существования той или иной модели распространения радиоволн на трассах разной протяженности [3]:
<0.9
>0.9
<1
2 F F
' 1F экранируется
слоем Е
2 F 2 Е
U1W> 3U„
Е ' \ J \
— /XX—v\t~ @j/ \\ // \^! .:',;-
* /// / /////////////’/
Рис. 1. Типовые модели распространения радиоволн в ВЧ-диапазоне
Время существования однотипных моделей распространения радиоволн на трассах разной протяженности
Длина трассы, км Процент времени существования однотипных моделей распространения
I II III IV V VI
1500 7 0 0 5 64 24
3000 50 9 14 9 6 12
4000 38 18 0 7 29 8
Из табл. 1 следует, что на самой малой дальности длиной 1500 км наиболее вероятными являются двухскачковые модели V и VI (64 и 24%).
На трассе длиной 3000 км односкачковая модель путем отражения от ^-слоя наблюдается в 50% времени.
На трассе длиной 4000 км наиболее вероятными являются односкачковая модель I и двухскачковая модель V.
В модели I принимаемый сигнал имеет лишь одну компоненту - зеркально отразившуюся
/р
пространственную волну от ^-слоя. Для этой модели
■ < 0,9 , то есть оптимальная рабочая
МПЧ
частота/Р на 10 или более процентов ниже, чем максимальная применимая частота (МПЧ). При этом условии отраженная от ^-слоя волна имеет лишь одну компоненту [4].
Характер замираний сигнала существенно зависит от ширины частотного спектра сигнала. Процесс флюктуаций амплитуд разных частотных составляющих в пределах спектра не коррелирован, то есть замирания сигналов частотно-селективны. Вследствие этих замираний амплитудно-частотная характеристика сигнала непрерывно меняется: замирания возрастают с расширением полосы передаваемых частот.
Замирания спектральных составляющих будут протекать синхронно при выполнении условия (1):
Л/т
1
АС
(1)
где А/тах - ширина частотного спектра сигнала; А^тах - максимальное время запаздывания лучей сигнала при многолучевом распространении радиоволн [5].
При однополосной телефонии, когда ширина спектра передаваемого сигнала в два раза уже, замирания сигналов проявляются меньше по сравнению с телефонией с двумя боковыми полосами.
В модели III случайные изменения уровня принимаемого сигнала являются следствием
/
суперпозиции однократно и двукратно отраженных волн от /'-слоя. Для этой модели ^-
и2Р > 3и1Е . По сравнению с моделью II рабочая частота /р выбирается меньше, а амплитуда двукратно отраженной от Е-слоя волны более, чем в три раза превышает однократно отраженную от этого слоя волну.
Уровень замирания сигналов для модели III не превышает 30% от максимальной амплитуды. Модель IV характерна примерно одинаковыми уровнями однократно и двукратно отраженных от Е-слоя волн: и2Р ~ 3 и1Е. Уровень замираний сигнала в модели ГУвысок и достигает до 100%.
В летние дни при максимуме солнечной активности ионизация Е-слоя может достигать высоких значений и радиоволны могут отражаться от этого слоя.
В модели VI амплитуды двукратно отраженных сигналов от Е и ^-слоев несоизмеримы: и2
2Е
>
3и2Р . В этой модели уровень замираний сигнала не высок и не превышает 30%.
Из сравнения шести моделей следует, что наиболее неблагоприятными с точки зрения замирания сигналов является модели распространения радиоволн IV и V, когда в месте приема наблюдаются однократно и двукратно отраженные от слоя Е или от Е и Е слоев ионосферы волны с примерно одинаковыми амплитудами.
Эффективным методом борьбы с замираниями сигнала является выбор наилучшей модели распространения радиоволн. На данной длине трассы при разных значениях рабочих частот модели распространения меняются.
Если рабочая частота/р близка к МПЧ, то трасса является однолучевой, если/р близка к НПЧ, то трасса преимущественно многолучевая.
Модель распространения при выбранной рабочей частоте существенно зависит также от концентрации уровня электронов в слоях ионосферы, то есть от времени суток, сезона года, 11-летнего цикла солнечной активности.
Для расчета оптимальных рабочих частот для радиосвязи используется международная глобальная эмпирическая модель ионосферы IRI (International Reference of Ionosphere) [4], которая может быть применима и для долгосрочного прогнозирования. В данной модели учитываются возможные возмущения ионосферы с вариацией ее параметров в течение времени.
В модели ионосферы IRI в качестве критерия оптимальности рабочей частоты для данной трассы радиосвязи учитываются не только энергетическое поглощение мощности сигнала, но и уровень ожидаемых замираний сигналов.
Следует отметить, что полностью замирания сигналов как днем, так и ночью исключить невозможно, поэтому исследуются разные меры борьбы с замираниями.
К числу таких мер относятся:
- разнесение в пространстве пунктов приема сигналов;
- разнос по частоте спектров излучаемых сигналов;
- цифровые методы передачи сигналов.
Для получения эффекта от разнесенного приема необходимо, чтобы пункты приема были разнесены на расстояние не менее 10Х, разнос по частоте передаваемых сигналов должен быть не менее 10 кГц. При цифровой передаче применяются специальные коды с возможностью обнаружения и исправления неверно принятых бит информации. В частности, в системе ИНМАРСАТ для борьбы с замираниями применяется сверточный код и метод перемежения (interleaving) передаваемых кодовых последовательностей ASII.
Судовая телефонная и телеграфная связь в ВЧ-диапазоне разрешена в полосе частот 4,0...27,5 МГц в режимах однополосной телефонии (ОБП) и узкополосного буквопечатания (УБПЧ). Приемное устройство в режиме ОБП настраивается на присвоенную частоту, которая отстоит от несущей частоты вверх на 1,4 кГц. Частоты от 4 до 8 МГц используются для трасс длиной 200.250 миль, частоты более 8 МГц - для дальней связи [6].
Варьирование выделенными значениями рабочих частот позволяет выбрать модель распространения с наименьшими замираниями сигнала. Зимой в год максимума солнечной активности на трассе длиной 2000 км для радиосвязи днем должны использоваться частоты в диапазоне 5,3.25 МГц, а ночью - частоты 3,2.7 МГц. Для этой же трассы летом в дневное время должны применяться частоты 9.22 МГц, а в ночное время - частоты 5.12 МГц.
Наилучший метод экспериментального выбора - тестовая связь на нескольких частотах. Именно этот метод в автоматическом режиме работы используют судовые адаптивные ВЧ-радиостанции.
Подводя итог, следует отметить, что:
- квазирегулярные изменения уровня принимаемых сигналов при ВЧ-радиосвязи обусловлены суточными, сезонными и 11 -летними циклами изменениями электронной концентрации в слоях ионосферы;
- быстрые изменения уровня (замирания сигналов) определяются случайными изменениями вектора поляризации сигналов, изменениями уровня солнечной активности, суперпозицией отраженных от ионосферы лучей сигналов;
- борьба с квазирегулярными изменениями уровня сигналов производится путем увеличения излучаемой мощности передающих устройств;
- эффективным методом борьбы с быстрыми замираниями является выбор оптимальной модели распространения радиоволн путем варьирования рабочей частотой сигнала.
Литература
1. Вертуховский А.А. Судовая радиосвязь. - М.: Вест, 2005. - 271 с.
2. Судовая радионавигация. Радионавигационные устройства и системы: Учеб. для вузов / А.А. Дуров, В.С. Кан, И.Н Мищенко, Ю.И. Никитенко, Ю.М. Устинов. - М.: 1998. - 206 с.
3. Судовые радионавигационные приборы / А.А. Дуров, В.С. Кан, А.Н. Маринич, А.В. Припотнюк, Ю.М. Устинов. - Петропавловск-Камчатский: Камчат ГТУ, 2010. - 264 с.
4. Маринич А.Н., Припотнюк А.В., Устинов Ю.М. Современное судовое оборудование средств электронной навигации, ГМССБ и береговая единая система контроля и управления судоходством. - Петропавловск-Камчатский: Камчат ГТУ, 2007. - 261 с.
5. Резников В.Ю., Устинов Ю.М. Судовая радиосвязь. Справочник по организации и радиооборудованию ГМССБ. - СПб.: Судостроение, 2002. - 480 с.
6. Черенкова Е.Л., Чернышов О.В. Распространение радиоволн: Учеб. для вузов связи. - М.: Радио и связь, 1994. - 272 с.
