ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

Стороженко Валерія Вікторівна

УДК 621.396.931(024)

ВИЗНАЧЕННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ СУМІСНОСТІ ВЕЛИКОЇ

СУКУПНОСТІ РАДІОЕЛЕКТРОННИХ ЗАСОБІВ В ІНФОРМАЦІЙНИХ

СИСТЕМАХ РАДІОЧАСТОТНОГО МОНІТОРИНГУ

05.12.13 – радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Телекомунікаційні системи” Харківського державного тех-

нічного університету радіоелектроніки.

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор

Поповський Володимир Володимирович,

Харківський державний технічний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри “Телекомунікаційні системи”

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Шифрін Яків Соломонович,

Харківський державний технічний університет радіоелектроніки, професор кафедри основ радіотехніки, заслужений діяч науки і техніки України, почесний член Академії наук прикладної радіоелектроніки, лауреат премії

ім. О.С.Попова АН СРСР

доктор технічних наук, професор

Поляков Петро Федорович,

Харківська державна академія залізничного транспорту,

завідувач кафедри “Транспортний зв’язок”

Провідна установа : | Національний аерокосмічний університет ім. М.Є.Жуковського “ХАІ”, кафедра прийому, передачі та обробки сигналів, м. Харків

Захист відбудеться “ 17 ” жовтня 2001 р. о 1315 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.03 при Харківському державному технічному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна,14, ауд.13.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного технічного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна,14.

Автореферат розісланий “ 14 ” вересня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради |

Чурюмов Г.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В останні десятиріччя відбувається бурхливе зростання кількості традиційних радіозасобів та виникнення нових радіослужб різного призначення (стільникових, транкінгових, пейджингових і т.д.). Усе це призвело до різкого ускладнення електромагнітної обстановки, особливо в діапазонах ДВЧ та УВЧ. Це, у свою чергу, робить ще більш складним розв’язання задачі електромагнітної сумісності (ЕМС) радіоелектронних засобів (РЕЗ) через гострий дефіцит вільних частотних діапазонів і необхідність їхнього спільного використання. Питаннями радіочастотного моніторингу за спеціальними й загальними користувачами займається “Укрчастотнагляд”, у той же час, згідно зі ст. 6 закону України “Про радіочастотний ресурс України” питання радіочастотного моніторингу за спеціальними користувачами покладені на Генеральний штаб Збройних Сил України, а в особливий період за всіма користувачами.

На обліку в місцевих органах Державної інспекції електрозв’язку (ДІЕ) України знаходяться десятки тисяч стаціонарних і рухомих радіостанцій метрового та дециметрового діапазонів централізованого й децентралізованого призначення. Існує стійка тенденція зростання їхньої кількості, що призводить до збільшення щільності радіомереж та насиченості РЕЗ частотно -просторового ресурсу.

У роботі розглядаються питання методики аналізу міжсистемної ЕМС для наземних РЕЗ в інтересах створення інформаційної системи радіочастотного моніторингу (ІСРМ) у діапазонах ДВЧ та УВЧ (питання об’єктової ЕМС автором не розглядаються). Спроби створення подібних систем здійснювалися і раніше. З 1986 р. в обласних ДІЕ експлуатувалася система “Марс” (призначена для аналізу ЕМС телевізійних і рухомих систем, що працюють у діапазоні частот 30...150 МГц), є певний досвід у створенні таких систем і в адміністрацій зв’язку інших держав. Однак, з огляду на специфіку Національної таблиці розподілу частот (НТРЧ) України, придбання такої системи за кордоном потребує не тільки значних фінансових затрат, але і великого обсягу доробок (спроба використати в Росії французьку систему “Еліпс” була не вдалою [1]). Таким чином, достатньо конструктивної системи, придатної для практичного розв’язання задачі автоматизованого розрахунку ЕМС великої сукупності РЕЗ, до наступного часу не створено. Створення концепції ІСРМ дозволяє розв’язати цю задачу.

Питаннями ЕМС займалися багато вітчизняних та закордонних вчених, серед яких Вінокуров В.І., Князєв О.Д., Владіміров В.І., Апоровіч А.Ф., Єгоров Є.І., Дональд Р.Ж. Уайт та ін. Проблемою завадозахисту радіоканалів займалися Джейкобс, Фінк Л.М., Зюко А.Г., Кловський Д.Д., Тихонов В.І., Голубєв В.Н., Шифрін Я.С., Ямпольський В.Г. та інші вчені. Крім того, питаннями ЕМС займаються ряд міжнародних організацій - ITU (International Telecommunications Union), ETSI (European Telecommunication Standard Institute), CEPT (European Conference of Postal and Telecommunications Administrations), ERC (European Radiocommunications Committee within CEPT), якими розроблено ряд стандартів і нормативних документів з ЕМС РЕЗ. Зокрема, в ERC розроблено ряд документів із розрахунками норм частотно-територіального розносу між різними системами зв'язку, а ETSI – ряд стандартів по визначенню параметрів ЕМС для різних систем радіозв'язку. Методики розрахунку ЕМС, описані у літературі, не зручні для використання на практиці, особливо для аналізу великого угрупування РЕЗ, з огляду на свою громіздкість і необхідність використання великої кількості початкових даних, не всі з яких містяться в картці тактико-технічних характеристик (ТТХ) РЕЗ. Тому в даній дисертаційній роботі наявні методики враховуються лише частково. У зв'язку з цим питання удосконалювання методів аналізу ЕМС для вико-ристання в інформаційно-розрахункових системах набувають особливої актуальності.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами й темами. Тематика дисертаційних досліджень ініційована початком робіт з НДР №034 від 27 листопада 1993 р. “Левкой” - “Розробка інформаційно-розрахункової системи управління радіочастотним ресурсом в інтересах МО України”, що виконується в інтересах управління радіоелектронної боротьби Генерального штабу Збройних Сил України; дослідженнями Харківської обласної ДІЕ по створенню автоматизованого робочого місця (АРМ), що забезпечує радіочастотний моніторинг; а також задачами, що ставилися Укрчастотнаглядом у період проведення різних наукових конференцій і нарад. Крім того, результати дисертаційної роботи були представлені в ряді НДР, виконаних кафедрою разом з НДПІ “Союз” - НДР “Гортензія” “Розробка макета, методики та програмного забезпечення автоматизованого вирішення питань ЕМС для створення випробувально – моделюючого стенду”, ДР

№ 0195U000387; НДР, пов’язаних із розробкою методик розрахунку та аналізу ЕМС систем зв’язку - “UMTS-2000” ДР №0101U006241 та “Навігація - Рух” ДР № 0179U048392, разом із в/ч А-0374; а також у ряді держбюджетних НДР кафедри.

Мета й задачі досліджень. Мета дисертаційної роботи – створення та забезпечення ефективної роботи інформаційної системи радіочастотного моніторингу великої сукупності РЕЗ різного призначення в діапазонах ДВЧ та УВЧ.

Для досягнення поставленої мети розв’язуються такі задачі:

1) узагальнення, уточнення та удосконалення моделей складових радіоканалу: передавача, приймача, антен, середовища поширення радіохвиль;

2) експериментальне підтвердження вірогідності пропонованих моделей та їхнє уточнення;

3) створення методики й алгоритму аналізу ЕМС для ІСРМ, що обслуговує регіон, у якому функціонує кілька десятків тисяч РЕЗ.

Об'єкт дослідження -електромагнітні взаємодії у численному угрупуванні різнотипних РЕЗ, що працюють в одному регіоні; різноманітні ненавмисні завади, що ускладнюють проблему електромагнітної сумісності між РЕЗ різного призначення.

Предмет дослідження – інформаційно-розрахункова система, що забезпечує радіочастотний моніторинг РЕЗ, які працюють у діапазонах ДВЧ та УВЧ; параметри їхніх радіоканалів; умови виникнення ненавмисних завад, що знижують якість прийому до неприпустимого рівня.

Методи дослідження. Використовувалися такі методи дослідження:

- теорія електромагнітного поля, теорія антен і ПРХ, загальна теорія радіотехніки, теорія зв'язку, математична статистика і теорія ймовірностей - для уточнення й удосконалення функціональних моделей складових радіоканалу;

- математичне моделювання на ЕОМ різних складових радіоканалу;

- експериментальні дослідження, методи статистичної обробки даних, методи апроксимації, спрямовані на уточнення розроблених функціональних моделей складових радіоканалу.

Наукова новизна отриманих результатів у тому, що:

1. Визначені структура й зміст основних елементів створюваної ІСРМ.

2. Створено бібліотеку функціональних моделей складових радіоканалу, що дозволяє на її основі побудувати ефективний алгоритм аналізу ЕМС. До складу бібліотеки входить:

- удосконалена узагальнена модель середовища поширення радіохвиль, що дозволяє проводити аналіз втрат як для стаціонарних, так і для рухомих систем зв'язку;

- удосконалена модель випромінюючих пристроїв, що одночасно враховуює їхні частотні, спрямовані та поляризаційні властивості;

- розроблений новий раціональний алгоритм аналізу параметрів завад інтермодуляції, орієнтований на розв'язання задач ЕМС.

3. Сплановано, організовано й проведено експериментальні дослідження, у результаті яких уточнені функціональні моделі ряду складових радіоканалу.

4. Розроблено ефективну методику й алгоритм аналізу ЕМС у рамках створення ІСРМ, що обслуговує регіон, у якому функціонує кілька десятків тисяч РЕЗ.

Практична значимість отриманих результатів у тому, що:

1. Результати роботи використані при створенні інформаційно-розрахункових систем радіочастотного моніторингу Міністерства оборони України та Укрчастотнагляду.

2. Розроблена методика аналізу ЕМС використана для побудови інформаційно - розрахункової системи аналізу ЕМС Харківської ДІЕ.

3. Основні результати роботи використані у звітах по НДР "UMTS-2000", "Гортензія", "Навігація-Рух" та в навчальному процесі кафедри "Телекомунікаційні системи " ХТУРЕ.

Особистий внесок здобувача. Наукові результати, що висвітлені в дисертаційній роботі, отримано особисто автором чи при його особистій участі.

У роботах, виконаних у співавторстві, здобувачу належить: [ 6,7,13] - розробка методик розрахунку ЕМС, [8,9] – розробка функціональних моделей складових радіоканалу; [10] - постановка задачі ЕМС орбітального угрупування ретрансляторів зв'язку та аналіз цієї сумісності.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися на семінарах кафедри телекомунікаційних систем ХТУРЕ та на міжнародних конференціях:

- на 2,3,4,5,6,7 Міжнародних конференціях "Теорія й техніка передачі, прийому та обробки інформації" (м. Туапсе) у 1996 - 2001 рр.,

- на III НПК “Проблеми й перспективи впровадження сучасних радіотехнологій в Україні на етапі її входження у світовий інформаційний простір” Одеса- Київ, 1999 р.

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 14 робіт [1-14], у тому числі: 5 – у спеціалізованих виданнях ВАК України [ 1,2,3,5,6], 8 тез доповідей [7-14].

Структура та обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, трьох розділів, висновку, списку використаної літератури та трьох додатків. Загальний обсяг дисертації становить 258 сторінок: 143 сторінки основного тексту, 61 рисунок, 23 таблиці та 147 бібліографічних джерел на 14 сто-рінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету дос-ліджень, наведено основні положення, що виносяться на захист, дається коротка характеристика змісту розділів роботи.

У першому розділі розглядаються задачі радіочастотного моніторингу. Проведено аналіз завантаження радіочастотного спектра в Україні у смугах спільного використання радіоелектронних засобів цивільного призначення в діапазонах ДВЧ та УВЧ, що показав високу щільність та неоднорідність розподілу РЕЗ у зазначених діапазонах і дозволив виявити перевантажені й перспективні ділянки радіочастотного спектра.

До перевантажених відносяться такі ділянки спектра: 160...170 МГц - через активний розвиток відомчих систем, а також систем пейджингового зв'язку; 430...470 МГц - через упровадження мереж стільникового зв'язку стандарту NMT-450 і транкінгового зв'язку TETRA; 700...1000 МГц - через упровадження стільникових систем зв'язку стандартів GSM-900 і D-AMPS, систем безпро-водових телефонних апаратів. У цих діапазонах кількість працюючих систем зв'язку за останні 10 років збільшилася більш ніж у 10 разів. У той же час у діапазоні 33-48 МГц за той же період кількість працюючих мереж зменшилася у 2 рази.

До перспективного відноситься діапазон частот 1700...2250 МГц. В даний час іде активне впровадження в цьому діапазоні стільникових систем стандарту DCS-1800, систем безпроводових телефонів стандарту DECT, а також розглядається питання про впровадження стільникових систем зв'язку третього покоління стандартів IMT 2000 (UMTS) та систем супутникового зв'язку.

У зв'язку з розвитком систем рухомого зв'язку зростає попит на частотний спектр, що посилює технічні вимоги до різних РЕЗ із метою забезпечення мінімального рівня завад між службами, що використовують РЧС. На території України розміщені сотні тисяч РЕЗ, що належать різним службам. У зв'язку з цим виникає необхідність проведення первинної експертизи ЕМС на стадії проектування мереж зв'язку й закупівлі устаткування.

Виходячи з розглянутого сучасного стану радіочастотного моніторингу в Україні і з огляду на тенденцію постійного зростання кількості РЕЗ, показана необхідність автоматизації всіх етапів обробки заявок на придбання й експлуатацію РЕЗ. Запропоновано концепцію організації ІСРМ України у рамках створення інформаційної системи управління використанням радіочастотного ресурсу в Україні. Інформаційна задача системи полягає в створенні й веденні інформаційного фонду облікових даних і технічних характеристик РЕЗ. Розрахункова задача системи полягає в проведенні експертизи ЕМС планованої радіомережі (радіостанції). Структурна схема ІСРМ наведена на рис. 1. Для практичної реалізації ІСРМ використовується єдина БД, що призначена для

збереження облікових даних та ТТХ РЕЗ. Для скорочення часу, що затрачується під час аналізу ЕМС на звернення до основної БД, використовується допоміжна БД. Інформаційна база системи умовно поділяється на бібліотеки постійних (коди антен; параметри математичних моделей характеристик приймачів, передавачів, антен) та перемінних параметрів (облікові дані по ТТХ РЕЗ). До складу системи входять також загальні БД: цифрова карта місцевості з масштабом 1:100000, до-відники нормативних документів, норми частотно-територіального розносу.

Визначено форму й зміст основних елементів створюваної ІСРМ, виходячи з яких сформульовані такі задачі для подальших досліджень:

1) розробка функціональних моделей радіоканалу;

2) визначення складу бази даних по ТТХ РЕЗ;

3) розробка ефективної методики розрахунку ЕМС, призначеної для аналізу міжсистемної ЕМС великої сукупності РЕЗ, що працюють у діапазонах ДВЧ та УВЧ у рамках створення ІСРМ.

Результати, представлені в цьому розділі, опубліковані в [14].

Другий розділ висвітлює теоретичне й експериментальне обґрунтування моделей, використовуваних у задачах аналізу ЕМС при радіочастотному моніторингу. Такі моделі багато в чому вже розроблені, однак для ефективної роботи в ІСРМ вони повинні бути досить прості, достовірні та як вхідні дані обмежуватися тими, котрі є в картці ТТХ РЕЗ. Проведений аналіз показав, що не всі моделі складових радіоканалу задовольняють цим вимогам, що припускає проведення додаткових досліджень у напрямку уточнення, удосконалювання та узагальнення моделей складових радіоканалу.

Одним з етапів розрахунку ЕМС є розрахунок рівня завади, проникаючої на вхід приймача Рз, який порівнюється з його припустимою величиною Рзприп. Цей рівень завади на вході приймача Рз можна розрахувати, використовуючи співвідношення (усі доданки виражені в дБ):

Рз=РT + GT - фT + GR - фR + Кпл - L(R) - FDR(f), (1)

де РT – потужність передавача; GT – коефіцієнт підсилення антени джерела завад у напрямку приймача; GR – коефіцієнт підсилення приймальної антени у напрямку джерела завад; фT , фR - втрати в передавальному та приймальному фідерному трактах відповідно; Кпл – коефіцієнт, що враховує розходження поляризацій антен джерела та рецептора завад (0…-30); L(R) – втрати на відстані розносу R між рецептором та джерелом завад, для вільного простору L(R)=20lg(4R/)

( - довжина хвилі); FDR(f) – коефіцієнт, що показує, яка доля потужності завади, центральна частота якої розстроєна на величину f відносно частоти настройки приймача, проходить на вхід демодулятора.

У розділі зроблено вибір моделей передавачів, приймачів, характеристик спрямованості антен, моделей поширення радіохвиль, необхідних для розрахунку рівня завади на вході приймача згідно з формулою 1 та проведено:

- аналіз математичних моделей основних і неосновних випромінювань передавачів, у результаті якого зроблено висновок про доцільність використання кусково-ламаної апроксимації основного та позасмугового спектра. Визначено, що при розрахунку ЕМС РЕЗ досить обмежитися обліком побічних випромінювань передавачів у діапазоні від 10 субгармоніки до 10 гармоніки;

- проведено аналіз математичних моделей вибірковості та сприйнятливості радіоприймальних пристроїв по основному й побічному каналах прийому, у результаті якого зроблено висновок про доцільність використання кусково-ламаної апроксимації вибірковості радіоприймача по основному каналу прийому. Визначено, що при розрахунку ЕМС РЕЗ досить обмежитися обліком 5-ти

гармонік частоти гетеродина та 10-ти побічних каналів прийому;

- аналіз математичних моделей, що описують діаграми спрямованості антен (ДСА) і способів обліку їхніх характеристик спрямованості в задачах ЕМС. Показано, що всі типи антен по виду діаграми спрямованості можуть бути об'єднані, згідно з рекомендацією CEPT T/R 25-08 [2], у 9 групах. Ці групи можуть бути описані чотирма математичними кривими з різними параметрами: круг, еліпс, лемніската, овал Касині. При такому підході достатньо знати спрощений вигляд ДСА для того, щоб визначити вид апроксимуючої кривої. Автором проведена апроксимація ДСА, що найчастіше використовуються в діапазонах ДВЧ та УВЧ. Розроблено удосконалений алгоритм розрахунку коефіцієнтів підсилення антен, що використовує спрощені моделі урахування спрямованих, частотних, та поляризаційних властивостей антен у рамках створення ІСРМ. Якщо одна , або обидві антени скануються, розраховується ймовірність різних ситуацій взаємодії їх ДСА.

Розроблено зміст БД РЕЗ, з урахуванням ТТХ передавачів, приймачів і антен РЕЗ, необхідних для розрахунку ЕМС.

Проведено аналіз моделей поширення радіохвиль (ПРХ) для стаціонарних та мобільних систем зв'язку в діапазонах ДВЧ та УВЧ, на підставі якого зроблено висновок про доцільність побудови математичної моделі середовища ПРХ на основі ряду рекомендацій ITU, обраних для діапазонів ДВЧ та УВЧ. Розроблено узагальнений алгоритм розрахунку втрат при ПРХ у цих діапазонах. Для стаціонарних систем, що працюють у діапазоні частот до 1 ГГц, розрахунок втрат при ПРХ проводиться за рекомендацією ITU-R P.370-7; на частотах 1...3 ГГц при висотах передавальної та приймальної антен менше 30м – за рекомендацією ITU-R P.1146-7, при більш високих антенах – за рекомендацією ITU-R P.452-7. Якщо відстань між антенами менша, ніж 1,5 км, для стаціонарних систем розрахунок втрат при ПРХ ведеться з урахуванням місця розташування антен: обидві знаходяться усередині приміщення; одна з антен знаходиться у середині приміщення;

обидві знаходяться зовні (у цьому випадку враховується висота антен, що впливає на те, враховувати чи ні вплив підстилаючої поверхні). Для рухомих систем розрахунок втрат при ПРХ проводиться за рекомендацією ITU-R P.529-7 та моделями Окамури-Хата.

У загальному вигляді модель Окамури – Хата можна записати як

L = + lgR + T(G()), (2)

де , - коефіцієнти, що залежать від частоти, висоти розташування антен РЕЗ та типу місцевості (міська, приміська, сільська), T(G()) – середньоквадратичне відхилення повільних завмирань.

Проведено експерименти по дослідженню втрат при ПРХ у міській і приміській зонах

м. Харкова. Як випромінювач використовувався сигнал радіостанції 16Р22С-1. Частота передачі 167,450 МГц. Антена передавача розташована на даху будинку, висота передавальної антени над рівнем землі 80 м, потужність передавача 12 Вт. Антена мала притиснуту до землі ДСА. Вимірювання проводилися восени 1999 р. Сигнал приймався широкосмуговим багаторежимним приймачем типу AOR AR5000, розташованому на рухомому радіоконтрольному пункті ДІЕ, висота прийомної антени 2,5 м. Вимірювання проводилися на зупинках через 1 км по шести напрямках на джерело сигналу. Обраний для досвідів район - типовий міський район (Салтівка, Московський район). Відліки здійснювалися оператором і записувалися в таблицю, що прикладена до протоколу експерименту. Для кожного маршруту отримано значення напруженості поля в точці прийому. Результати вимірювань порівнювалися з розрахунковими значеннями, проведеними за формулою Окамури – Хата. На рис. 2 наведена гістограма відхилень вимірюваних значень від розрахункових, які статистично оброблені за допомогою пакета прикладних програм STATISTICA 5.5. Для отриманих результатів вимірювань математичне очікування склало мінус 0,33 дБ, СКВ - близько 7 дБ. Також розрахована взаємно кореляційна матриця між експериментальними даними за різними напрямками, у яких проводилися вимірювання, а також між вимірювальними й отриманими в результаті розрахунку за формулою Окамура - Хата, значеннями. В цілому експериментальні дані показали високий кореляційний зв'язок, як між собою, так і з розрахунковими значеннями.

Найгірший кореляційний зв'язок спостерігався по 3 напрямку (0,71). Аналіз маршруту по топографічній карті показав, що він, на відміну від інших п’яти, є більш нерівномірним по щільності забудови. Цим можна пояснити факт щодо слабкої кореляції даних по цьому напрямку як із даними, отриманими на інших маршрутах, так і з розрахунковими значеннями. Уведення коефіцієнта, що враховує щільність забудови у розрахункову формулу Окамури - Хата, призвів до того, що коефіцієнт кореляції між даними, отриманими на 3 напрямку і розрахунковими, став дорівнювати 0,93. Перелічене значення математичного очікування склало m = - 0,25, значення СКВ склало

= 6,17. З метою перевірки закону розподілу відхилень вимірювальних значень від розрахункових використано критерій згоди Колмогорова - Смирнова. У результаті розрахунків за цим критерієм зроблено висновок, що гіпотеза про нормальний закон розподілу відхилення вимірювальних значень від розрахункових, вірна. Це дозволяє говорити про вірогідність отриманих експериментальних даних.

Для експериментів у приміських зонах м. Харкова як випромінювач використовувався сигнал 32 - телевізійного каналу (559,250 МГц ). Висота передавальної антени над рівнем землі 225 м, потужність передавача 20 кВт. Вимірювання проводилися весною 2000 р. Вимірювальна апаратура та сама. Вимірювання проводилися по трьох напрямках від одного джерела : Харків – Золочів, Харків - Вовчанськ, Харків – Первомайськ. Результати вимірювань порівнювалися з розрахунковими значеннями, проведеними за формулами Окамури - Хата , результати порівняльного аналізу представлені на рис. 3, де графік 1 – експериментальні дані, графік 2 – затухання в місті , графік

3 – затухання в приміській зоні, графік 4 – затухання в сільській місцевості. Для проведених вимірювань по кожному напрямку розраховано: математичне очікування, СКВ та коефіцієнт кореляції. Проведений статистичний аналіз та аналіз графіків показав, що не можна остаточно казати, це міська , приміська або сільська місцевість, (як це пропонується у моделях Окамура- Хата) особливо при використанні цифрової карти місцевості. Експериментальні дослідження показали, що втрати при ПРХ у приміський зоні крім щільності забудови залежить ще від ступені перерізу місцевості та рослинності. Крім того, можна припустити, що на відстанях, більших від відстані прямого бачення, необхідно також ураховувати додатковий коефіцієнт Е(N), що враховує кліматичні умови.

З урахуванням результатів експериментів формула (2) має вигляд

L(R)=L + E(h) + E(N) + E(V) + E(S), (3)

де Е() – додаткові коефіцієнти, що враховують затухання за рахунок: ступені перерізу місцевості h, кліматичних умов N, рослинності V, щільності забудови S.

Таким чином, у ході проведених експериментів отримано результати, що дозволяють уточнити розроблений автором алгоритм розрахунку втрат при ПРХ шляхом уведення додаткових коефіцієнтів і зробити висновки про працездатність алгоритму в цілому. Отримано значення цих додаткових коефіцієнтів для Харкова та Харківської області. Для автоматизації розрахунків пропонується використовувати тривимірну цифрову карту місцевості з масштабом 1:100000.

Рис. 3. Залежність згасання на трасі L(дБ) від відстані R (км) для різних напрямків:

а) Харків – Первомайськ;

б) Харків – Вовчанськ;

в)Харків – Золочів.

Результати, представлені в цьому розділі, опубліковані в [1,2,3,4,8,9,11,12].

Третій розділ присвячений розробці ефективної методики розрахунку міжсистемної ЕМС, призначеної для аналізу великої кількості РЕЗ у ІСРМ.

Розглянуто критерії оцінки ЕМС, проаналізовані їхні переваги та недоліки, показано зв'язок між різними критеріями. З проведеного аналізу спільного використання смуг частот різними

службами, що працюють у діапазонах ДВЧ та УВЧ, видно, що найбільш широко використовуваним критерієм оцінки ЕМС є захисне відношення А (сигнал/завада). Однак, величина А залежить від виду завади, а, отже, необхідно мати набір значень цього критерію для кожного виду сигналу, що приймається в залежності від класу випромінювання завади. Крім того, при розрахунку ЕМС важливо знати як змінюється величина захисного відношення при розладі центральної частоти завади від частоти сигналу А(f). Такі дані не завжди є. Тому, як критерій ЕМС для побудови ІСРМ, обрано максимально припустимий рівень завади Рзприп, що може бути як заданий у картці ТТХ РЕЗ, так і отриманий у результаті перерахування інших критеріїв.

Розглянуто математичні моделі нелінійних ефектів, що виникають у приймачах.

Для аналізу завади блокування розроблено алгоритм, в основу якого покладене порівняння

рівня завади на вході приймача з урахуванням вибірковості приймача ланцюгами ПВЧ, із припустимим рівнем завади, скоректованим з урахуванням вибірковості приймача по блокуванню. Згідно з розробленим алгоритмом, блокування виникає при таких умовах:

, Рзблок > Рзприпблок , при цьому Рзприпблок = Рзприп + ,

де - вибірковість приймача по блокуванню, звичайно величина становить 80 дБ .

Завада блокування розраховується за формулою

, (4)

де - значення параметра придушення завади за рахунок вибірковості ланцюгів ПВЧ.

Розроблений алгоритм розрахунку завади блокування дозволяє розраховувати як заваду блокування від одного джерела завад, так і від групи передавачів, що заважають.

Проведено аналіз умов виникнення інтермодуляційної завади і статистичних даних по виникненню цих завад, на підставі якого показано, що для розв’язування практичних задач ЕМС досить обмежитися обліком 2-х сигнальних інтермодуляційних завад не вище 5-го порядку і 3-х сигнальних не вище третього порядку. Отримано математичні вирази, що дозволяють оцінити рівні інтермодуляційних завад різних порядків

, (5)

, (6)

, (7)

де Рimod k,l – інтермодуляційна завада k-сигнальна (k=2,3) l-го порядку (l=3,5); Pik – рівень завади на вході приймача; PSR – чутливість приймача; ім (ім*) – вибірковість за інтермодуляцією двосигнальна (трьохсигнална); А – захисне співвідношення сигнал/завада.

Так як рівень завади на вході приймача є випадковою величиною з логнормальним законом розподілу, то в розробленому алгоритмі розрахунку інтермодуляційної завади також розраховується й імовірність її виникнення.

Алгоритм експертизи заявки на придбання (експлуатацію) РЕЗ для присвоєння частоти їм наведено на рис. 4. Експертиза починається з введення в ЕОМ даних із бази даних заявок (БДЗ), у якій для кожної симплексної радіостанції зазначена одна частота, а для кожної дуплексної радіостанції – дві частоти (частота передачі й частота прийому). Далі виконується прогнозування ЕМС кожної стаціонарної радіостанції, включеної в БДЗ, із діючими РЕЗ, включеними в БД. Для цього з БДЗ вибирається стаціонарна радіостанція і навколо неї формується угрупування діючих станцій, що потрапляють у зону завад. При цьому під зоною завад розуміється територіальна зона, у межах якої можуть існувати взаємні завади між новим і діючими РЕЗ.

Зі складу угрупування формуються всі можливі пари “приймач-передавач”. Розрахунок завад виду ОО (від основного випромінювання передавача по основному каналу прийому); НО (від неосновного випромінювання передавача по основному каналу прийому), ОН (від основного випромінювання передавача по неосновному каналу прийому); НН (від неосновного випромінювання передавача по неосновному каналу прийому), а також завад, обумовлених ефектом блокування приймача, виробляється для всіх пар угрупування, кожна з яких складається з радіостанції, що знову вводиться, і радіостанції, врахованої у базі даних системи. З цією метою формуються пари “ j приймач - i передавач” і “ i приймач – j передавач” (індекси j та і приписуються новій радіостанції і радіостанції бази даних відповідно). Завади в парі не розраховуються, якщо її РЕЗ належать одній мережі зв'язку, дозволені на вторинній основі, час роботи РЕЗ ніколи не збігається, обидва РЕЗ є дуплексними станціями і працюють у сполученому каналі.

Відповідно до алгоритму розрахунок завади виконується за формулою (1) та розбивається на три етапи. Поріг добору Рпор вибирається, виходячи з величини порога деградації TD приймача. На першому етапі передбачається, що існують умови, що забезпечують максимально – можливий рівень завади на виході приймача: частоти каналу випромінювання й прийому збігаються; весь спектр потужності завади, випромінюваної передавачем, приймається приймачем; коефіцієнти підсилення передавальної й приймальної антен взаємодіючих РЕЗ максимальні. На другому етапі враховуються селективні властивості приймача розглянутої пари РЕЗ. На третьому етапі виконується облік реальних значень коефіцієнтів підсилення антен взаємодіючих РЕЗ шляхом коректування максимальних значень коефіцієнтів підсилення в залежності від взаємного розносу й

орієнтації у просторі передавальної й приймальної антен . Для приймачів, що використовують як критерій ЕМС захисне відношення сигнал/завада А, розраховується величина припустимої завади, Рзприп. Для цього спочатку, для кожної пари стаціонарних РЕЗ, визначається рівень потужності корисного сигналу на вході приймача Рс.

Поетапний розрахунок дозволяє свідомо виключити з розгляду випадки, що не призводять до виникнення завад роботі приймача, і зосередити основну увагу на найбільш імовірних конфліктних ситуаціях. Цей принцип також дозволяє істотно скоротити обсяг обчислень, тому що на перших двох етапах із подальшого розгляду, як правило виключається велика частина пар від загальної кількості аналізованих.

На підставі розроблених функціональних моделей радіоканалу й алгоритму аналізу ЕМС розроблено склад БД ТТХ РЕЗ, що необхідна для функціонування ІСРМ, та структура вихідних даних алгоритму аналізу ЕМС. У розділі також дано практичні рекомендації з побудови ІСРМ, наведено зведені таблиці вхідних і вихідних даних, необхідних для роботи системи. Проведено оцінку швидкодії роботи системи. Контрольні розрахунки за оцінкою швидкодії роботи програми аналізу ЕМС, виконані на ЕОМ Pentium III-600 з обсягом оперативної пам'яті 256 Мбайт, показали, що час розрахунку однієї пари “приймач-передавач” складає 3,5 мс без обліку часу побудови й обробки профілю траси. Розрахунки проводилися без обліку часу вибору даних із БД.

Результати, представлені у цьому розділі, опубліковані в роботах [5,6,7,13 ].

ВИСНОВКИ

1. Проведений аналіз завантаження радіочастотного спектра показав:

- найбільш перевантаженими є ділянки, у яких працюють стільникові та транкінгові системи зв'язку. У цих діапазонах частот кількість працюючих систем зв'язку за останні 10 років збільшилася більш ніж у десять разів, у той же час у діапазоні 33-48 МГц за той же період кількість працюючих мереж зменшилася в 2 рази. Кількість працюючих РЕЗ в одному регіоні складає десятки тисяч. Постійно зростаюча потреба в присвоєнні радіочастот РЕЗ, що впроваджуються вперше, вимагає проведення оперативного аналізу ЕМС великої сукупності РЕЗ, що неможливо без створення цільової інформаційної системи забезпечення радіочастотного моніторингу;

- проблема ЕМС збільшується тим, що ТРЧ України не цілком погоджена з міжнародною ТРЧ. На території України працюють РЕЗ декількох поколінь, при цьому діючі і ті РЕЗ, що впроваджуються вперше, найчастіше працюють у співпадаючих чи суміжних смугах частот. Незважаючи на постійно здійснювальну роботу з переробки НТРЧ, до кінця терміну експлуатації перших, останні працюють у значно більш вузьких смугах, ніж передбачено технічними стандартами, що призводить до обмеження їхньої ємності.

2. Запропоновано концепцію створення інформаційної системи радіочастотного моніторингу України, що має такі основні задачі: створення та ведення інформаційного фонду облікових даних і технічних характеристик РЕЗ; обробка регламентованих запитів користувачів і видача довідок по запитах; проведення експертизи ЕМС планованої радіомережі (радіостанції).

3. Створено методики, що забезпечують оперативне і досить точне розв’язання задачі проведення експертизи ЕМС. Розроблені методика та алгоритми розрахунку ЕМС великої сукупності РЕЗ призначені для роботи в ІСРМ. В основу покладена відбіркова модель із поетапним скороченням кількості аналізованих РЕЗ. Аналіз ЕМС здійснюється шляхом оцінки впливу основного й неосновного випромінювань як кожного окремого передавача, так і їхньої сукупності, по основному й побічному каналах прийому приймача; нелінійних ефектів по сусідньому каналі. При перевищенні завадою припустимого рівня перевіряється ймовірність спільної роботи РЕЗ (сумісність по часовому критерію).

4. Для практичної реалізації ІСРМ використовується єдина БД, призначена для збереження облікових даних і ТТХ РЕЗ. Для скорочення часу, що витрачається при аналізі ЕМС, на звертання до основної БД, використовується допоміжна БД. Інформаційна база системи умовно поділяється на бібліотеки постійних (коди антен; параметри математичних моделей характеристик приймачів, передавачів, антен) і перемінних параметрів (облікові дані по ТТХ РЕЗ). До складу системи входять також загальні БД: цифрова карта місцевості з масштабом 1:100000, довідники нормативних документів, норм частотно-територіального розносу.

5. Розроблено функціональні математичні моделі приймально-передавального тракту, що призначені для використання в ІСРМ:

а) у результаті проведеного аналізу математичних моделей основного і позасмугового спектра випромінювання передавача й моделей вибірковості приймача по основному каналу прийому було зроблено висновок про доцільність використання для їхнього опису кусково-ламаної апроксимації;

б) показано, що при розрахунку ЕМС РЕЗ досить обмежитися обліком побічних випромінювань передавачів у діапазоні від 10 субгармоніки до 10 гармоніки, а для приймача - обліком 5-ти гармонік частоти гетеродина і 10-ти побічних каналів прийому;

в) у результаті проведеного аналізу математичних моделей, що описують діаграми спрямованості антен, розроблено удосконалений алгоритм розрахунку коефіцієнтів підсилення антен, що використовує спрощені моделі їх спрямованих, частотних та поляризаційних властивостей. Роз-роблено зміст БД РЕЗ, з урахуванням ТТХ передавачів, приймачів і антен РЕЗ, необхідних для розрахунку ЕМС в ІСРМ.

6. У результаті проведеного аналізу моделей ПРХ у діапазонах ДВЧ та УВЧ, розроблена удосконалена узагальнена модель середовища поширення радіохвиль, що дозволяє проводити аналіз втрат при ПРХ як для стаціонарних, так і для рухомих систем зв'язку.

7. Сплановані, організовані й проведені експериментальні дослідження в Харкові та Харківській області по дослідженню втрат при ПРХ для рухомих систем. Проведено статистичний аналіз експериментальних даних, у результаті якого в модель Окамура -Хата введені поправочні коефіцієнти, що враховують топографічні особливості місцевості Харкова та Харківської області.

8. Показано, що найбільш часто як параметр ЕМС використовується захисне відношення

сигнал/завада А. Однак, на практиці він не завжди зручний, тому що, по-перше, дані по захисному відношенню наводяться в основному для сполученого каналу і його використання для частково перекриваючих сигналів і завад вимагає додаткових відомостей про залежність А(f), а, по - друге, дані про цей параметр відомі не для всіх сполучень “корисний - завадовий” сигнал . Тому як ос-новний критерій ЕМС пропонується використовувати максимально припустимий рівень завади Рзприп, перевагою якого є те, що він може бути заданий як критерій ЕМС у ТТХ РЕЗ, а також може бути розрахований через інші критерії ЕМС. Показано зв'язок Рзприп з іншими критеріями ЕМС.

9. Запропоновані раціональні алгоритми аналізу ефектів блокування й інтермодуляції стосовно до ІСРМ:

а) для розрахунку завади блокування використовується модель, що враховує придушення завади вибірковими ланцюгами ПВЧ і вибірковість приймача по блокуванню;

б) запропоновано раціональний алгоритм аналізу параметрів завад інтермодуляції, що дозволяє обчислити рівень і ймовірність виникнення інтермодуляційних завад. Показано, що для розв’язання практичних задач розрахунку інтермодуляційних завад досить обмежитися обліком

2-х сигнальної інтермодуляційної завади не вище 5-го порядку і 3-х сигнальної не вище 3-го порядку.

10. Розроблено практичні рекомендації з побудови ІСРМ. На підставі розроблених функціо-нальних моделей радіоканалу, а також методики аналізу ЕМС, складено перелік необхідних вхідних даних по ТТХ РЕЗ для роботи ІСРМ. Визначено структуру вихідних даних, що є результатом роботи програми.

Запропоновані методика й алгоритми оцінки ЕМС узяті за основу для побудови ІСРМ ДІЕ Харківської області. Контрольні розрахунки за оцінкою швидкодії роботи програми аналізу ЕМС, виконані на ЕОМ Pentium III-600 з обсягом оперативної пам'яті 256 Мбайт, показали, що час розрахунку однієї пари “приймач-передавач” складає 3,5 мс без обліку часу побудови й обробки профілю траси. Розрахунки проводилися без обліку часу вибору даних із БД.

Дисертаційна робота виконувалася у зв'язку з перспективною НДР “Левкой”, що виконується кафедрою з 1995 року за замовленням управління радіоелектронної боротьби Генерального Штабу Збройних Сил України. При складанні ТЗ на НДР “Левкой” використано матеріали дисертації, про що складено акт.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Бобовников В.В., Маркин В.С., Цветков С.А., Якименко В.С. Совершенствование управления использования РЧС в России // Электросвязь. - №6.- 2000.- С.21-25.

2. Recommendation T/R 25-08. Planning criteria and coordination of frequencies in the land mobile service in the range 29,7-960 MHz ( Lecce 1989, revised in Vienna 1999).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Стороженко В.В. Модели распространения радиоволн в диапазонах ОВЧ и УВЧ, используемые при решении задач электромагнитной совместимости // Радиотехника. - 1999. - Вып.109. –

С. 162-166.

2. Стороженко В.В. Алгоритм расчета потерь при распространении радиоволн в диапазонах ОВЧ и УВЧ в интересах ЭМС// Радиотехника. -1999.- Вып.111. – С. 151-156.

3. Стороженко В.В. Исследование закономерностей распространения радиоволн в диапазонах 0,03-3 ГГц // Радиотехника. - 1999. - № 112 . - С. 24 - 27.

4. V.V. Storozhenko In Investigation into the Mechanisms of Radio Wave Propagation over the 0,03 to 3 GHz Range // Telecommunication and Radio Engineering. - 1999. – Vol. 53. - N4-5. - Р. 21-24.

5. Стороженко В.В. Анализ уровней интермодуляционных помех, возникающих в приемниках// Труды УНИИРТ.- 2001.- №2.- С. 16-22.

6. Стороженко В.В., Малицкий А.Г. Методика расчета ЭМС подвижных систем связи в диапазонах ОВЧ и УВЧ.// Зв’язок. – 2001.- №1.- C.29-30.

7. Стороженко В.В., Медведь К.О., Пономарев Л.И. Автоматизированный расчет радиоэлектронных взаимодействий группировки радиоэлектронных средств, расположенных на случайной местности // Труды Междунар. конф. "Теория и техника передачи, приема и обработки информации". Харьков. – 1996. - C. 81.

8. Медведев В.Я., Стороженко В.В. Методика назначения комплектов совместимых рабочих частот для системы радиосвязи // Труды Междунар. конф. "Теория и техника передачи, приема и обработки информации". Харьков. – 1996. - C. 133.

9. Медведев В.Я., Стороженко В.В. Автоматизированная методика оценки ЭМС пар РЭС // Труды Междунар. конф. "Теория и техника передачи, приема и обработки информации". –