Способ моделирования ионосферного распространения сигналов при пространственном и/или поляризационном разнесении антенн и имитатор для его реализации Российский патент 2025 года по МПК H04B7/02 

Предлагаемый способ относится к радиосвязи и предназначен для моделирования сигналов коротковолнового (KB) канала, в частности, ионосферного, при проведении лабораторных испытаний и исследования характеристик модемов, методов модуляции и кодирования, алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов, пространственной компенсации помех, пеленгации и способов их технической реализации для систем KB радиосвязи и радиомониторинга, использующих пространственное и/или поляризационное разнесение между передающими антеннами и/или между приемными антеннами.

Известен «Имитатор канала воспроизведения KB голосового диапазона» (Giler Т.С., Pries М., On the design of a voiceband HF replay channel simulator, Eighth International Conference on HF Radio Systems and Techniques (IEE Conf. Publ. No.474), Guildford, UK, 2000. Описанный имитатор, для своей работы требует предварительной записи и обработки тестового сигнала, прошедшего через реальный KB канал, что не позволяет моделировать произвольные условия прохождения сигнала в реальном масштабе времени.

Известна статья «О возможности использования имитаторов ВЧ-каналов», Willink, T.J., Davies, N.C., Clarke, J. and Jorgenson, M.B., Validation of HF channel simulators, IEE colloquium on frequency selection and management techniques for HF communications, London, UK, 7-8 February 1996.

Известен «Метод имитации радиоканалов с многолучевым замиранием» (Патент ЕР 0940931 Method for emulating multipath fading radio channels дата публикации: 08.09.1999, МПК H04B 7/01; H04B 17/00; H04B 7/01).

Известен «Многоканальный имитатор КВ-канала» (описание полезной модели к патенту RU 94093, дата публикации: 10.05.2010, МПК: Н04В 7/00), содержащий в каждом канале блок имитации канала, выход которого соединен с входом сумматора, генератор аддитивных помех, выход которого соединен с другим входом сумматора, отличающийся тем, что, с целью расширения возможностей по организации различных режимов связи, расширения возможностей по добавлению различных помех к полезному сигналу, при этом в него дополнительно введены 1+n каналов, где п равняется одному или более каналам, дополнительный сумматор в каждом канале, имеющий входы для подачи сигналов с сумматора своего канала, с входа другого канала и с выхода сумматора другого канала. Данный имитатор позволяет моделировать пространственное распределение помех в виде аддитивного гауссова шума, однако, не позволяет моделировать пространственное и/или поляризационное разнесение передающих и/или приемных антенн для полезного сигнала.

Известен «Имитатор KB канала» (описание полезной модели к патенту RU 101298, дата публикации: 10.01.2011, МПК: Н04В 7/00), содержащий блок имитации канала, сумматор, генератор аддитивных помех, и включающий передающий и приемный модемы, блок связи с модемами, предназначенный для получения от передающего и приемного модемов сигналов управления по смене частоты, которые определяют моменты времени изменения параметров имитатора канала и задержку времени сигнала между его входом и выходом с помощью блока управления параметрами, получающего сигналы управления от блока связи с модемами, и управляющего блоком имитации канала и генератором аддитивных помех, причем блок имитации канала последовательно соединен с сумматором, а выход генератора аддитивных помех соединен с вторым входом сумматора, выход которого является выходом устройства, а первый вход блока имитации каналов является входом устройства, кроме того, выход блока связи с модемами соединен с входом блока управления параметрами, первый выход которого соединен с вторым входом блока имитации канала, а второй - с входом генератора аддитивных помех.

Основным недостатком способов, реализуемых описанными выше имитаторами, является невозможность моделирования сигналов KB канала, в частности, ионосферного, в лабораторных условиях. Недостаток самих описанных имитаторов состоит в возможности работы только с узкополосными сигналами (до 12 кГц), так как данные имитаторы построены на основе классической стационарной узкополосной модели Ваттерсона (С.Watterson, J. Juroshek, and W. Bensema, "Experimental confirmation of an HF channel model", IEEE Trans. Commun. Technol., vol. COM-18, No. 6, Dec. 1970, pp.792-803.).

Известна статья «Современные подходы к имитационному моделированию широкополосного ионосферного канала» (Лобов Е. М. Современные подходы к имитационному моделированию широкополосного ионосферного канала // Телекоммуникации и транспорт, №11, 2010, с. 56-60). Имитатор, описанный в данной статье, допускает работу с широкополосными сигналами, однако не позволяет моделировать пространственное и/или поляризационное разнесение между передающими и/или приемными антеннами.

Прототипом и наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому результату является алгоритм работы «Новой системы имитации широкополосного высокочастотного канала» (J. F. Mastrangelo, J. J. Lemmon, L. E. Vogler, J. A. Hoffmeyer, L. E. Pratt and C. J. Behm, "A new wideband high frequency channel simulation system " in IEEE Transactions on Communications, vol. 45, no. 1, pp.26-34, Jan. 1997, doi: 10.1109/26.554283), реализующая модель Воглера-Хоффмейера, которая позволяет работать с широкополосными сигналами (до 1 МГц), содержит цифровой блок имитации ионосферного KB канала на основе модели Воглера-Хоффмейера, позволяющий обрабатывать сигналы с пропускной способностью до миллиона отсчетов в секунду, при этом ширина полосы обрабатываемых сигналов может достигать 1 МГц.

Недостатком прототипа (фиг. 1), является неспособность моделировать в лабораторных условиях пространственное или поляризационное разнесение между несколькими передающими и/или приемными антеннами, то есть одновременно обрабатывать сигналы с нескольких передающих устройств и формировать обработанные моделью заданные замирания ионосферного KB канала, сигналы с заданными корреляциями для нескольких приемников. При этом способ моделирования многоканального распространения сигналов, реализуемый данным имитатором, с несколькими, в частности, двумя приемопередающими устройствами, построенный на основе прототипа (фиг. 2) с использованием независимых наборов случайных сигналов w_i(t) (на фиг. 2 в качестве примера i=4), дает возможность моделировать лишь значительное, более 10 длин волн, разнесение между антеннами что крайне ограничивает его применение.

Техническим результатом предлагаемого способа обработки сигналов, является создание многоканальной модели распространения радиоволн, расширяющей возможности по моделированию пространственного и/или поляризационного разнесения между отдельными передающими и/или приемными антеннами менее 10 длин волн, в том числе для режимов, отличных от симплексного режима работы, таких как дуплексный режим, пространственная компенсация помех, пеленгация.

Для достижения технического результата в способе моделирования распространения сигналов при пространственном и/или поляризационном разнесении коротковолновых антенн для проведения лабораторных исследований приемо-передающей аппаратуры, основанном на формировании исходного радиосигнала с шириной полосы до 1 МГц, моделировании его распространения с учетом замирания в исследуемом канале связи, путем изменения комплексной амплитуды сигнала по случайному закону, приеме и анализе полученного сигнала посредством исследуемой аппаратуры, формируют М выходных сигналов для N*M каналов связи, где N - количество исследуемых передатчиков, а М - число точек приема исследуемого сигнала, моделируют замирание в каждом из N*M каналов их распространения путем изменения комплексной амплитуды сигналов по случайному закону, моделируют пространственное и/или поляризационное разнесение источников выходных сигналов путем изменения степени их корреляции за счет изменения соотношений их мощностей и фаз, после чего полученные сигналы от N источников (передатчиков) суммируют в каждой из М точек приема.

Технический результат достигают тем, что путем изменения коэффициента корреляции между каналами в лабораторных условиях моделируют замирания в отдельных каналах на основе набора весовых сумматоров, на входы которых подают независимые случайные сигналы, а веса суммирования задает пользователь для формирования требуемой корреляции между случайными сигналами, формирующими замирания в отдельных блоках имитации канала, которые после суммирования поступают в точки приема для дальнейшего исследования.

Для обоснования достижения технического результата для конкретного примера применения способа, приведены следующие расчеты.

Мгновенное состояние многомерного канала описывается его N*M канальной матрицей Н комплексных коэффициентов передачи:

где h_ij - комплексный коэффициент передачи отдельного канала от i-й передающей до j-й приемной антенны. Принимаемый на выходе канала сигнал имеет вид:

у=Н^Tх+n,

где у=[y₁,…,у_м]^т, х=[x_l,…,x_N]^T, n=[n₁,…,n_м]^т - соответственно векторы значений принимаемого сигнала, передаваемого сигнала и шума.

Матрица Н, как правило, считается состоящей из случайных величин. Однако принципиальное значение имеют статистические свойства ее элементов. Например, в случае если две антенны на передающей или на приемной стороне расположены близко друг к другу, между соответствующими элементами канальной матрицы будет сильная корреляция. Напротив, при значительном разнесении антенн соответствующие элементы канальных матриц можно считать слабо коррелированными или независимыми.

Корреляционные свойства многомерного канала описываются корреляционной матрицей R_H или окрашивающей матрицей С_н, связанной с корреляционной через разложение Холецкого:

где - эрмитово сопряжение матрицы С_н.

Корреляционные и окрашивающие матрицы содержат информацию об амплитуде и фазе коэффициентов корреляции между отдельными подканалами каждого луча многомерного канала. Набор частично коррелированных случайных процессов можно получить из набора некоррелированных, складывая их с весами, связанными с коэффициентами корреляции. В матричном виде эту операцию можно записать в виде произведения матрицы, состоящей из некоррелированных случайных величин, и окрашивающей матрицы:

V=W⋅C_H

где W - матрица, столбцы которой представляют собой набор некоррелированных случайных последовательностей, V - матрица, столбцы которой представляют собой набор случайных последовательностей, корреляции между которыми заданы окрашивающей матрицей.

Предлагаемый способ формирования корреляций может быть использован совместно с различными моделями, описывающими отдельный канал от i-й передающей до j-й приемной антенны. В случае использования модели Ваттерсона каждому лучу канала соответствует один набор частично коррелированных случайных процессов, причем степень корреляции определяется пространственным разнесением антенн в многомерной модели. В случае использования широкополосной модели Воглера-Хоффмейера подобный набор соответствует одному отсчету импульсных характеристик одного луча канала. При этом и в том, и в другом случае обеспечивается пространственная, но не временная корреляция между импульсными характеристиками широкополосных одномерных подканалов.

Для реализации описанного способа предложен многоканальный имитатор декаметровых ионосферных радиоканалов, включающий N*M блоков имитации каналов на основе модели Воглера-Хоффмейера или Ваттерсона, с возможностью изменения комплексной амплитуды W_1…N*M сигналов по случайному закону, где N - количество исследуемых передатчиков, М - число точек приема исследуемого сигнала, при этом первые входы блоков имитации каналов подключены к источникам входных сигналов x₁(t)…X_N(t), подлежащих обработке, выходы блоков имитации каналов соединены с выходными сумматорами, находящимися в точках

приёма выходных сигналов y₁(t)…y_M(t), а в каждый из N*M каналов введены весовые сумматоры для формирования корреляций между замираниями в отдельных N*M каналах, выходы которых подключены ко вторым входам блоков имитации каналов для подачи коррелированных случайных сигналов v₁(t)…v_N(t), при этом каждый весовой сумматор снабжён N входами, по числу источников независимых случайных сигналов w₁(t)…w_N(t), а веса суммирования могут быть выбраны пользователем для формирования требуемой корреляции между случайными сигналами в зависимости от задач моделирования, формирующими замирания в отдельных блоках имитации канала.

На фиг. 1 показана блок-схема прототипа.

На фиг. 2 показана блок-схема многоканального имитатора, построенного на основе прототипа, в котором, для примера, показан четырехканальный имитатор, обеспечивающий работу с двумя передатчиками и двумя приемниками.

На фиг. 3 приведена блок-схема имитатора, реализующего предлагаемый способ обработки сигналов N*M каналов связи, где N - количество исследуемых передатчиков, а М - число точек приёма исследуемого сигнала. Для примера также показан четырехканальный имитатор, для которого N и М равны 2. Он включает в себя блоки имитации каналов 1, 2, 3, 4, на первые входы которых подают входные сигналы x₁(t), x₂(t), подлежащие обработке, а выходы блоков имитации канала 1, 2, 3, 4 соединены с выходными сумматорами 5, 6, находящимися в точках приёма выходных сигналов y₁(t), у₂(t). Выходы весовых сумматоров 7, 8, 9, 10, подключены ко вторым входам блоков имитации канала 1, 2, 3, 4 для соответствующей подачи коррелированных случайных сигналов v₁(t), V₂(t), v₃(t), v₄(t), формирующих замирания в каналах, при этом входы каждого весового сумматора 7, 8, 9, 10 подключены к источникам независимых случайных сигналов w₁(t), w₂(t), w₃(t), w₄(t).

Имитатор работает следующим образом.

Каждый из блоков имитации каналов 1, 2, 3, 4 (фиг. 3) содержит два входа. На первые входы i-го блока имитации подают входные сигналы x₁(t), х₂(t) передатчиков, а на второй вход поступает набор коррелированных случайных сигналов v₁(t), формирующих замирания в канале в соответствии с моделью Воглера-Хоффмейера или Ваттерсона. Для формирования наборов коррелированных случайных сигналов v₁(t)-v₄(t) используют независимые наборы случайных сигналов w₁(t)-w₄(t), которые подаются на весовые сумматоры 7-10, реализующие умножение сигналов w₁(t)-w₄(t) на окрашивающую матрицу. Веса суммирования представляют собой элементы окрашивающей матрицы и задаются пользователем, исходя из требуемых значений корреляции. Выходы блоков имитации каналов 1-4 подключены к входам выходных сумматоров 5-6, формирующих выходные сигналы имитатора y₁(t), у₂(t), представляющие собой результат имитации воздействия ионосферного распространения на входные сигналы x₁(t), x₂(t) передатчиков.

Использование предложенного способа моделирования многоканального распространения сигналов и реализующего способ имитатора даёт возможность моделирования сигналов КВ канала, в частности, ионосферного, в лабораторных условиях и исследования характеристик модемов, методов модуляции и кодирования, алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов, пространственной компенсации помех, пеленгации и способов их технической реализации для систем КВ радиосвязи и радиомониторинга, использующих пространственное и/или поляризационное разнесение между передающими антеннами и/или между приемными антеннами. При этом возможность использования в предлагаемом имитаторе широкополосной модели Воглера-Хоффмейера допускает работу с сигналами с полосой до 1 МГц, а наличие весового сумматора между замираниями с возможностью задания произвольных значений корреляций значительно расширяют возможности имитатора, в частности, позволяют использовать предлагаемый имитатор для моделирования таких режимов работы как:

- симплексный режим связи;

- дуплексный режим связи;

- наличие пространственно-селективных помех;

- передающие фазированные антенные решетки;

- приемные фазированные антенные решетки;

- пеленгаторы;

- разнесенный прием и/или передача;

- технологии пространственно-временного кодирования.

Изобретение относится к области радиосвязи и предназначено для моделирования сигналов коротковолнового (KB) канала, в частности ионосферного. Техническим результатом является создание многоканальной модели распространения радиоволн, расширяющей возможности по моделированию пространственного и/или поляризационного разнесения между отдельными передающими и/или приемными антеннами менее 10 длин волн, в том числе для режимов, отличных от симплексного режима работы, таких как дуплексный режим, пространственная компенсация помех, пеленгация. Упомянутый технический результат достигается тем, что при моделировании ионосферного распространения сигналов при пространственном и/или поляризационном разнесении коротковолновых антенн для проведения лабораторных исследований приемо-передающей аппаратуры, основанном на формировании исходного радиосигнала с шириной полосы до 1 МГц, моделировании его распространения с учетом замирания в исследуемом канале связи путем изменения комплексной амплитуды сигнала по случайному закону, приеме сигнала посредством исследуемой аппаратуры, формируют М выходных сигналов для N*M каналов связи, где N - количество исследуемых передатчиков, а М - число точек приема исследуемого сигнала, моделируют замирание в каждом из N*M каналов распространения радиоволн путем изменения комплексной амплитуды сигналов по случайному закону, моделируют пространственное и/или поляризационное разнесение источников выходных сигналов путем изменения степени их корреляции за счет изменения соотношений их мощностей и фаз, после чего полученные сигналы от N источников суммируют в каждой из М точек приема. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ моделирования ионосферного распространения сигналов при пространственном и/или поляризационном разнесении коротковолновых антенн для проведения лабораторных исследований приемо-передающей аппаратуры, основанный на формировании исходного радиосигнала с шириной полосы до 1 МГц, моделировании его распространения с учетом замирания в исследуемом канале связи путем изменения комплексной амплитуды сигнала по случайному закону, приеме сигнала посредством исследуемой аппаратуры, отличающийся тем, что формируют М выходных сигналов для N*M каналов связи, где N - количество исследуемых передатчиков, а М - число точек приема исследуемого сигнала, моделируют замирание в каждом из N*M каналов распространения радиоволн путем изменения комплексной амплитуды сигналов по случайному закону, моделируют пространственное и/или поляризационное разнесение источников выходных сигналов путем изменения степени их корреляции за счет изменения соотношений их мощностей и фаз, после чего полученные сигналы от N источников суммируют в каждой из М точек приема.

2. Многоканальный имитатор KB каналов, включающий N*M блоков имитации каналов на основе модели Воглера-Хоффмейера или Ваттерсона с возможностью изменения комплексной амплитуды W_1…N*M сигналов по случайному закону, где N - количество исследуемых передатчиков, а М - число точек приема исследуемого сигнала, при этом первые входы блоков имитации каналов подключены к источникам входных сигналов x₁(t)…x_N(t), подлежащих обработке, а выходы блоков имитации каналов соединены с выходными сумматорами, находящимися в точках приема выходных сигналов y₁(t)…y_M(t), отличающийся тем, что в каждый из N*M каналов введены весовые сумматоры для формирования корреляций между замираниями в отдельных N*M каналах, выходы которых подключены ко вторым входам блоков имитации канала для подачи коррелированных случайных сигналов v₁(t)…v_N(t), при этом каждый весовой сумматор снабжен N входами по числу источников независимых случайных сигналов w₁(t)…w_N(t), а веса суммирования задаются пользователем для формирования требуемой корреляции между случайными сигналами, формирующими замирания в отдельных блоках имитации канала.