Разработка принципов использования радиопередающих устройств СДВ диапазона для организации дополнительных каналов передачи цифровой информации

Сверхдлинноволновый диапазон (диапазон ОНЧ) — 10−30 кГц в настоящее время используется для специальной радиосвязи, прежде всего для связи с подвижными объектами, а также для дальней радионавигации и передачи сигналов единого времени. Это объясняется большими дальностями и высокой стабильностью распространения сверхдлинных волн.

Для передачи информации различного назначения в этом диапазоне используются СДВ передающие радиостанции мощностью от сотен до тысяч киловатт. На территории бывшего Советского Союза расположено шесть мощных СДВ радиостанций, осуществляющих передачу информации в радиолиниях дальней магистральной связи и передачу сигналов единого времени. Четыре из них находятся на территории России — радиостанция УТР — 3 (г. Нижний Новгород), УШЦ — 3 (г. Хабаровск), УПД — 8 (г. Архангельск), и радиостанция в районе г. Краснодара. Радиостанция УНЦ — 3 находится в районе г. Моло-дечно (Белоруссия), радиостанция УСБ — 2 — в районе города Бишкек. Излучаемая мощность всех радиостанций при передаче сигналов единого времени установлена 300 кВт.

Кроме связных радиостанций в СДВ диапазоне непрерывно работают и опорные станции фазовых радионавигационных систем. На территории СНГ расположены пять таких радиостанций, расположенных вблизи городов Мурманск, Краснодар, Новосибирск, Комсомольск-на-Амуре и Чарджоу. Мощность излучения этих станций составляет 50. 80 кВтсуточная нестабильность частоты не превышает 5−10″ 13. На станциях фазовых РНС предусмотрен связной режим работы радиопередающих устройств.

Экономические реформы в Российской Федерации и других странах СНГ, сокращение расходов на оборону, жесткая экономия госбюджета находятся в противоречии с необходимостью больших финансовых затрат на эксплуатацию существующих передающих центров СДВ диапазона.

Актуальной представляется задача дополнительной загрузки имеющегося оборудования с целью получения финансовых ресурсов для эффективной эксплуатации и дальнейшего развития указанной техники.

Одним из возможных направлений использования радиопередающих устройств СДВ диапазона является дополнительная передача ими цифровой информации ограниченных объемов практически в любую точку Земли, аналогично обычным системам пей-джинговой связи, работающих в крупных населенных пунктах. Глобальная пейджинговая связь может представлять интерес для государственных и коммерческих предприятий, заинтересованных в оперативной и прямой доставке цифровой информации непосредственно потребителю минуя междугородные и международные средства телекоммуникаций и не требующие знания местонахождения потребителя, который может находиться на суше, в воздухе, на воде, и даже под водой.

Как отмечалось выше, не малую роль в необходимости такой разработки играет экономическая сторона вопроса, но еще несколько лет назад не существовало элементной базы, которая позволяла бы реализовать алгоритмы обработки сигналов, необходимые для решения данной задачи. В первую очередь это касается аналого-цифровых преобразователей и цифровых сигнальных процессоров.

Целью настоящей диссертационной работы является подготовка технических предложений использования наземного оборудования СДВ радиопередающих устройств для передачи дополнительной цифровой информации.

Отправной точкой в решении данной задачи являются параметры того оборудования, которое предоставляется фазовой радионавигационной системой и связными станциями, а именно СДВ передающие устройства.

Навигационные СДВ радиопередающие устройства излучают электромагнитные колебания в диапазоне частот от 10 до 30 кГц и имеют полосы пропускания от нескольких десятков до нескольких сотен герц, т. е. являются принципиально узкополосными. Связные СДВ передающие устройства работают в диапазоне частот от 8 до 60 кГц, характеризуются большими по сравнению с навигационными передатчиками полосами пропускания, большими мощностями излучения и соответственно более приспособлены для передачи цифровой информации. Все передающие устройства, как радионавигационные так и связные способны излучать сигналы только с угловой модуляцией. Кроме того, радионавигационные передающие устройства привязаны к частотно-временной диаграмме работы системы, которая должна быть известна потребителю информации. У связных передающих устройств нет жесткой частотно-временной привязки, и возможные несущие частоты могут располагаться через 100 Гц в полосе частот СДВ диапазона.

Анализ характеристик имеющегося оборудования, таких как, частотные зависимости мощностей излучения РПУ, коэффициентов полезного действия, полос пропускания, характеристик каналов связи СДВ диапазона, среды распространения, дальностей связи существующих СДВ передающих устройств и является предметом обсуждения первого раздела диссертационной работы. Также в ней рассмотрены распределение напряженно-стей полей от существующих опорных станций фазовых РНС СДВ диапазона и поля распределения шумов, имеющихся в этом диапазоне частот, по площади всего земного шара, т. е. те моменты новой системы передачи цифровой информации, которые практически не поддаются управлению.

Еще одним важным моментом совместной работы двух систем является разработка принципов совместного использования СДВ передающих устройств, предназначенных для передачи навигационной информации и для организации дополнительных каналов передачи цифровой информации. Дополнительная информация может передаваться как в пустых сегментах частотно-временной диаграммы работы фазовой СДВ РНС, так и одновременно с передачей навигационной информации.

Данный этап является основополагающим как в смысле определения объемов и средних скоростей передачи цифровой информации, так и в смысле определения экономической целесообразности построения системы, позволяющей передавать дополнительную цифровую информацию с помощью СДВ радиопередающих устройств. Именно здесь закладываются максимальные объемы и скорости передачи цифровой информации, которые впоследствии лишь незначительно могут быть скорректированы в ту или другую сторону.

Следующая задача, которую предстоит решить, — это обоснование основных режимов работы СДВ передающих устройств, т. е. нахождение таких технических решений, которые позволили бы реализовать принципы передачи дополнительной цифровой информации. Решению данной задачи и посвящен второй раздел диссертационной работы.

В системе цифровой передачи информации каждому передаваемому символу ставится в соответствие один единственный сигнал. Этот сигнал называется вариантом сигнала, а набор вариантов сигнала — алфавитом сигнала. Число вариантов сигнала равно числу символов используемых для передачи информации. Вариант сигнала может быть как элементарным, т. е. колебанием у которого параметры, в которые заложена информация, во время передачи не меняются, так и состоящим из нескольких элементарных.

Необходимо найти такие алфавиты сигналов, которые удовлетворяли бы выбранным принципам передачи и одновременно учитывали особенности работы СДВ передающих устройств (вид высокочастотной модуляции и полосы излучаемых сигналов). Кроме этого они должны иметь достаточную информационную емкость с тем, чтобы с их помощью была возможность передачи всех символов используемых для передачи информации без дополнительного кодирования, т. е. желательно, чтобы в процессе передачи варианта сигнала не происходило изменение модулируемых параметров сигнала. При этом сокращается время, затрачиваемое на переходные процессы в канале связи, что в конечном итоге увеличивает скорость и объемы передачи цифровой информации. Это положение, прежде всего, относится к пейджинговым системам, где набор символов используемых для передачи сообщений ограничивается буквами алфавита и десятью цифрами.

При приеме в полезном сигнале всегда присутствует шумовая компонента. Важной характеристикой алфавита сигналов, определяющей его способность выделяться на фоне помех, является помехозащищенность, т. е. степень различимости вариантов сигнала. Чем больше различие сигналов, при прочих равных условиях, тем меньше вероятность ошибки при приеме, данного варианта сигнала, тем большую скорость передачи цифровой информации можно использовать.

Таким образом, задача нахождения необходимого алфавита сигналов связана с многофакторной оптимизацией по множеству параметров, часть из которых указана выше. За критерий оптимизации можно принять скорость передачи цифровой информации при заданном значении вероятности ошибки.

Этот этап также закладывает теоретические предпосылки для определения методов формирования и приема сигналов, а также построения аппаратуры для этих целей.

Приемное устройство может использоваться как совместно с радионавигационным приемным устройством, так и самостоятельно. В первом случае, для приема сигналов возможно применение когерентного метода приема, т.к. изменение параметров сигнала, связанных с его распространением, может быть вычислено с помощью радионавигационного оборудования фазовой СДВ РНС. Во втором случае необходимо использовать относительные методы приема сигналов.

Методы формирования и приема сигналов должны основываться на цифровой обработке сигналов. Это положение основывается на том, что алгоритмы обработки сигналов, предназначенных для передачи цифровой информации, требуют точной выдержки временных интервалов, что представляется достаточно проблематичным при использовании аналоговой техники.

Все это является предметом третьего раздела диссертационной работы. Кроме этого, в ней затронуты вопросы связанные с дискретизацией сигнала, определены методы приема сигналов.

Четвертый раздел работы посвящен разработке аппаратных средств, входящих в систему передачи цифровой информации с использованием существующих СДВ радиопередающих устройств.

В настоящее время техническая реализация аппаратуры формирования и приема сигналов СДВ диапазона, требует применения алгоритмов, основанных на достаточно мощном математическом аппарате. Возможность использования цифровой обработки сигналов определяется наличием соответствующей элементной базы, обеспечивающей предварительное усиление и фильтрацию входных сигналов, их аналого-цифровое преобразование и дальнейшую обработку в сигнальных процессорах. Техническое качество элементной базы определяет столь важные характеристики радиоэлектронной аппаратуры как чувствительность, динамический диапазон, селективность и т. д.

В данном разделе дан обзор элементной базы, перспективной для построения на ее основе указанной выше системы, а именно: операционных усилителей, аналого-цифровых преобразователей, цифровых сигнальных процессоров.

Еще один важный вопрос, который затронут в данной главе, — это построение ма-лошумящих преселекторов, с независимым управлением центральной частотой настройки и полосой пропускания и коэффициентом передачи, осуществляемых электронными способами.

Это связано с тем, что сигналы, излучаемые СДВ передающими устройствами, уз-кополосны и, что их несущие частоты могут изменяться в процессе передачи информации.

Приемное устройство должно отслеживать эти изменения, т. е. должна быть предусмотрена функция поиска сигналов и настройки приемного устройства на частоту излучаемого колебания. В режиме поиска полоса пропускания преселектора должна быть максимальной, а после того как произошел «захват» сигнала, она должна быть уменьшена до значения, соответствующего полосе излучаемых колебаний. Управление данными функциями должно осуществляться с помощью процессора на основе оценки параметров приходящего сигнала.

Технические предложения, представленные в диссертационной работе, позволяют сделать вывод о возможности использования наземного оборудования СДВ радиопередающих устройств для дополнительной передачи цифровой информации, и могут быть использованы при построении системы дополнительной передачи цифровой информации с использованием существующего СДВ радиопередающего оборудования.

Основные результаты диссертационной работы следующие:

1. Получены апроксимационные выражения для характеристик реально существующих радиопередающих устройств СДВ диапазона, оценена дальность передачи цифровой информации с помощью радиопередающих устройств СДВ диапазона.

2. Оценена возможность организации дополнительных каналов передачи цифровой информации на базе существующего навигационного СДВ радиопередающего оборудования.

3. Сформулированы принципы использования фазовых РНС для организации дополнительных каналов передачи цифровой информации.

4. Синтезирован новый вид модуляции, получивший название двойной угловой модуляции. Сформированные на его основе алфавиты сигналов позволяют при ограничениях накладываемых СДВ передающими устройствами, удовлетворить принципам дополнительной передачи информации и получить скорость передачи информации на 60 — 90% большую, чем при использовании алфавитов на основе фазовой модуляции.

5. Сформированы алфавиты сигналов с ДУМ, имеющие различную информационность, от едениц до нескольких десятков вариантов сигнала, при одинаковой помехозащищенности и скорости передачи цифровой информации.

6. Оценена помехоустойчивость методов приема сигналов с ДУМ.

7. Разработаны структурные схемы формирования и приема сигналов с двойной угловой модуляцией.

8. Предложен метод построения преселекторов, в которых коэффициент передачи, полоса пропускания и центральная частота настройки изменяются независимо друг от друга.

9. Предложены варианты построения малошумящих преселекторов, с изменяемой полосой пропускания, для различных типов приемных антенн.

Результаты, полученные в диссертационной работе, были использованы при выполнении в СПб ГУТ научно — исследовательской работы «Фундаментальные аспекты новых информационных и ресурсосберегающих технологий» — шифр «АСПЕКТ-ГУТ» в 1995, 1996, 1997 г (№ 190−93−054) и в опытно-конструкторской разработке «Интегрированный приемоиндикатор для фазовых РНС СДВ диапазона» № 5−95, проводимой АО «ЭФИР» по заказу Российского института радионавигации и времени, в 1995;1996г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе проведены теоретические и практические исследования, связанные с вопросами построения системы дополнительной передачи цифровой информации с использованием радиопередающих устройств фазовых СДВ РНС и связных станций СДВ диапазона.