Экспериментальная оценка ключевых параметров множества парциальных каналов КВ-связи с использованием USRP платформы

Проблема и актуальность

Большинство цифровых систем передачи данных КВ-диапазона работают в полосе 3 кГц, и основное влияние на них оказывает многолучевость. Интерференция лучей с близкими частотами даёт замирания во временной области, с близкими задержками — в частотной; вместе это определяет частотно-селективный характер замираний. Затухание при распространении и аддитивные помехи вынуждают повышать мощность связного сигнала. Отсюда потребность в адаптации системы к меняющимся параметрам канала по данным радиозондирования; наиболее простым в реализации авторы называют пассивное зондирование, усовершенствуемое средствами SDR и цифровой квадратурной обработки.

Цель и гипотеза

Исследование ключевых параметров парциальных КВ-радиоканалов и полосы прозрачности линии КВ-связи методом пассивного радиозондирования с использованием платформы USRP. Гипотеза как проверяемое утверждение в статье не сформулирована.

Материалы и методы

Диапазон от НПЧ до МПЧ разбивается на примыкающие частотные каналы шириной, равной полосе связного сигнала B_ch = 3 кГц, так что на трассе организуется J = INT[(МПЧ − НПЧ)/B_ch] каналов, упорядоченных по средней частоте ω. Узкополосный канал описывается моделью Ваттерсона; функция рассеяния канала записана суммой по N лучам с параметрами τ_n, F_dn, σ_τn, σ_dn и SNR_n. Состояние канала считается заданным тремя ключевыми параметрами (σ_τn, σ_dn, SNR_n).

Уровень помехи определяется по медиане отсчётов в канале: P_N(ω) = 1.44·Me(ω). Отношение сигнал/шум рассчитывается как SNR(ω) = 10 lg[P_SN(ω)/P_N(ω) − 1], где P_SN — средний уровень смеси сигнала и шума из очищенной ионограммы.

Рассеяние по задержке σ_τn определяется по мгновенному ПЗМ (квадрату модуля импульсной характеристики) по уровню −3 дБ от максимума. Рассеяние по частоте σ_dn не измеряется, а вычисляется из σ_τn по параболическому уравнению регрессии, полученному методом наименьших квадратов из данных одновременных измерений задержки и частоты:

σ_d [Гц] = K0 + K1·σ_τ [мс] + K2·σ_τ² [мс], где K0 = 1.55 Гц, K1 = −0.24 Гц/мс, K2 = 0.33 Гц/мс².

Приёмный терминал — пассивный ЛЧМ-ионозонд на платформе USRP N210 с дочерней платой LFRX: КВ-антенна, встроенный модуль частотно-временной синхронизации и ПК под Ubuntu Linux с GNU Radio и специализированным ПО.

Результаты

Эксперименты проведены на радиолинии Кипр — Йошкар-Ола, зондирование с периодом 5 мин круглосуточно; обработано 1728 ионограмм за магнитоспокойные дни. Средние значения и СКО по времени суток:

	Ночь	Утро	День	Вечер
‹SNR›	23.61±5.15	22.38±4.53	21.41±5.07	22.69±4.25
‹σ_τn›	2.17±0.91	2.19±1.01	1.90±0.73	2.21±0.90
‹σ_dn›	2.62±1.61	2.66±1.65	2.31±1.56	2.67±1.98

Значения рассеяния по задержке удовлетворяют модемам со скоростью 9600 бод, значения по доплеровской частоте ограничивают скорость 2400 бод; большее влияние на скорость передачи оказывали вариации отношения сигнал/шум.

Блэкауты исследовались по экспериментам 2014 г. с января по декабрь; события вызваны вспышками классов М7.3 (18.04), М4.0 (24.10) и Х2.0 (26.10) при невозмущённой геомагнитной обстановке. Наиболее значительные вариации полосы прозрачности пришлись на вспышку Х2.0. НПЧ радиолинии следует за ходом «мягкой» компоненты рентгеновского излучения (λ2 = 0.1–0.8 нм), что относит к ней определяющую роль в поглощении КВ при внезапных ионосферных возмущениях. Горизонтальные белые линии в диапазоне 25…28 МГц отнесены расчётом к экранировке скачковых мод сферической земной поверхностью.

Выводы авторов

Пассивный зонд на платформе USRP позволил исследовать ключевые параметры всей совокупности примыкающих телефонных каналов с полосой 3 кГц. Полученные параметры рассеяния соответствуют умеренно возмущённым условиям: по задержке они обеспечивают 9600 бод, по доплеровской частоте ограничивают скорость 2400 бод. Во время блэкаутов полоса прозрачности убывает, следуя в основном за НПЧ, ход которой коррелирует с «мягкой» компонентой рентгеновского излучения.

Ограничения

Рассеяние по доплеровской частоте не измерялось, а восстанавливалось регрессией по измеренной задержке, поэтому вывод об ограничении скорости 2400 бод опирается на уравнение (4), а не на прямое наблюдение, и две величины таблицы не независимы. Год, к которому относятся 1728 ионограмм, в статье не указан — блэкауты датированы 2014 г. отдельно. Число каналов J, частотный диапазон трассы и тип антенны не приведены; корреляция НПЧ с рентгеновским излучением показана графически, коэффициент не даётся, как и количественное сопоставление с более ранними собственными данными, которое названо хорошим согласием.

Новизна

Заявлен переход к приёмнику пассивного зонда на USRP с новой методикой цифровой обработки, позволяющей анализировать примыкающие парциальные телефонные каналы; в качестве преимуществ указаны более высокая помехоустойчивость системы зондирования и более точная оценка задержки за счёт высокой частоты дискретизации.

Эвристики

[явно] Если многолучевой КВ-канал описывается как упорядоченное множество — то делить диапазон НПЧ…МПЧ на каналы шириной, равной полосе связного сигнала (3 кГц), потому что параметры нужны именно в той полосе, в которой работает система.
[реконструкция] Если уровень помехи оценивается в канале, где присутствует сигнал — то брать медиану отсчётов с масштабным множителем, а не среднее, потому что среднее смещается самим сигналом, который требуется отделить.
[реконструкция] Если из двух параметров рассеяния измеряется только один — то второй восстанавливать регрессией по опубликованным одновременным измерениям, но указывать, что полученная величина не является независимым наблюдением.
[реконструкция] Если ширина отклика измеряется по уровню от максимума — то фиксировать этот уровень (здесь −3 дБ), потому что без него оценки несопоставимы между каналами и сеансами.
[реконструкция] Если на частотно-временной картине возникают устойчивые горизонтальные полосы — то сначала проверять геометрию трассы, потому что здесь расчёт отнёс их к экранировке скачковых мод земной поверхностью, а не к помехам.

Одной фразой: Пассивный ЛЧМ-ионозонд на USRP N210 даёт SNR и параметры рассеяния для всего множества 3-кГц каналов трассы Кипр — Йошкар-Ола, а в периоды блэкаутов полоса прозрачности убывает вслед за НПЧ, повторяющей ход мягкого рентгеновского излучения.