Д Л Сібрук - Вимірювання займаної ширини смуги частот випромінювання та алгоритми частотного планування - страница 1

Страницы:
1  2  3 

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України Національний авіаційний університет

СІБРУК ДМИТРО ЛЕОНІДОВИЧ

УДК 621.396.6(03)

ВИМІРЮВАННЯ ЗАЙМАНОЇ ШИРИНИ СМУГИ

ЧАСТОТ ВИПРОМІНЮВАННЯ ТА АЛГОРИТМИ ЧАСТОТНОГО ПЛАНУВАННЯ

Спеціальність: 05.12.17 - радіотехнічні та телевізійні системи

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ - 2013

Дисертацією є рукопис.

Робота   виконана   в   Національному   авіаційному університеті Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Ільницький Людвіг Якович, Національний авіаційний університет, професор кафедри радіоелектронних пристроїв та систем, Заслужений діяч науки і техніки України.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Яновський Фелікс Йосипович, Національний авіаційний університет, завідувач кафедри електроніки, лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки;

кандидат технічних наук, доцент

Благодарний Вадим Геннадійович, Державне підприємство «Український державний центр радіочастот», начальник відділу методичного забезпечення.

Захист відбудеться 24 січня 2013 р. о 15-й годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.08 в Національному авіаційному університеті за адресою: 03058, м. Київ, проспект Космонавта Комарова,1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03058, м. Київ, проспект Космонавта Комарова,1.

Автореферат розіслано «_» грудня 2012 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради, д.т.н., проф. В.М. Шутко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Радіочастотний ресурс (РЧР) є одним з найбільш цінних національних ресурсів. В умовах швидкого та всеосяжного впровадження радіотехнологій ефективне використання РЧР набуло дійсно державного значення.

В Україні збудована система радіомоніторингу, що включає 220 стаціонарних станцій та біля 120 мобільних станцій. На жаль, за відсутності науково обґрунтованих методів, методик та відповідних програмних продуктів рівень застосування результатів радіомоніторингу є недостатнім.

Серед завдань, які є актуальними для процедур розподілення частотних смуг та частотних призначень, відзначимо потребу у розробці теоретичних основ побудови та самих алгоритмів пошуку нових частотних призначень для радіоелектронних засобів (РЕЗ), що працюють у частотній смузі, яку потрібно повністю вивільнити. У науково-технічних джерелах інформація про напрацювання у вказаному напрямі відсутня.

Ширина смуги випромінювання у національній системі радіочастотного моніторингу вимірюється на рівні Х дБ від спектральної складової, яка прийнята за центральну. Проте з Рекомендації ITU-R SM.443-3 відомо, що метод «Х дБ» потрібно застосовувати лише у випадках, коли не виконуються умови використання методу « /3 / 2 », або відсутнє відповідне обладнання. Отже, необхідні заходи щодо впровадження вимірювання займаної ширини смуги випромінювання за / / 2 - методом.

Під час розробки методики вимірювання параметрів сигналів звукового мовлення за стандартом OIRT виявлена невідповідність норма­тивних значень необхідної та контрольної ширини смуги випромінювання. Відсутні дані щодо ширини контрольної смуги частот для сигналів стандарту CCIR у нормативних документах. Тому доцільно провести дослідження щодо подолання вказаних невідповідності та невизначеності.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота пов'язана з виконанням творчим колективом кафедри електродинаміки Національного авіаційного університету наступних науково-дослідних робіт: 299-ДБ06 "Моделювання та дослідження проблем електромагнітної сумісності радіоелектронних систем, розташованих на обмеженій території" номер держреєстрації 0106U004130;    307-Х06    «Розробка   програмного    забезпечення тапроведення відповідних технічних і економічних оцінок щодо перерозподілу спектра між смугами загального та спеціального використання у смузі 390-470 МГц для впровадження нових радіотехнологій» номер державної реєстрації 0106U005880; 637-Х09 «Розробка норм частотно-територіального рознесення для впровадження нових радіотехнологій» номер державної реєстрації 0109U006574; 592-ДБ09 «Розробка методології та засобів вибору радіотехнології для надання розширеної номенклатури послуг зв' язку в депресивних регіонах України» номер державної реєстрації 0109U000684. Також прийнято участь у НДР, які виконувало ТОВ «НДІ Радіо» у 2007 р. на замовлення ДП «Укрчастотнагляд», а саме: «Методика інструментального вимірювання і оцінювання параметрів радіосигналів при проведенні технічного радіоконтролю РЕЗ та ВП в смузі частот 3-20000 МГц» за шифром «Методика»; «Розробка технології радіочастотного моніторингу в смугах радіочастот загального користування» за шифром «Технологія радіомоніторингу».

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розробка засобів вимірювання займаної ширини смуги частот (ЗШСЧ) випромінювання за / / 2 - методом та алгоритмів пошуку нових частотних призначень для РЕЗ у випадку повного вивільнення частотної смуги.

Для досягнення мети поставлені наступні завдання.

1. Розробка теоретичних основ, алгоритмів і програм частотного планування, які дозволяють повністю звільняти частотні смуги та проводити нові частотні призначення за критеріями електромагнітної сумісності (ЕМС) та мінімізації витрат. Програмні продукти для частотного планування повинні включати відповідні бази даних параметрів і характеристик РЕЗ, координат їх місцезнаходження, тощо. Необхідно передбачити можливість планування як по всій території країни, так і в окремих регіонах.

2. Виокремлення і дослідження питань, пов'язаних з розробкою методики вимірювання параметрів радіовипромінювань засобів ЧМ мовлення, що мають наукове та практичне значення.

3. Розробка засобів, які дозволяють на основі стандартної апаратури радіомоніторингу вдосконалити вимірювання ЗШСЧ. Проведення математичного моделювання з метою підтвердження переваг і можливості реалізації запропонованих рішень.

Об'єктом дослідження є вдосконалення системи радіочастотного моніторингу.

Предметом дослідження є методики та апаратурні засоби вимірювання параметрів радіовипромінювання, алгоритми та комп'ютерні програми частотного планування.

Методи дослідження. В дослідженні використані методи теорії множин, обчислювальної математики, цифрової обробки інформації, спектрального аналізу сигналів, радіовимірювань, математичного моделювання, методи аналізу проходження детермінованих та стохастичних сигналів через лінійні та нелінійні кола.

Наукова новизна отриманих результатів визначається наступним.

1. Вперше розроблено метод пошуку нових частотних призначень та відповідний алгоритм радіоелектронним засобам, що вилучаються із певної частотної смуги. При цьому як критерії оптимальності нових частотних призначень для РЕЗ використано забезпечення електромагнітної сумісності з іншими РЕЗ, що функціонують в обраній частотній смузі, та мінімум матеріальних витрат.

2. Формули для розрахунку спектральних обмежувальних ліній класів радіовипромінювання F3E i F8E, які рекомендовані Міжнародним союзом електрозв'язку, при їх використанні вимагають проведення значного обсягу робіт для визначення ефективного індексу модуляції, що унеможливлює їх практичне застосування. На основі використання нормативних вимог чинних стандартів розроблено процедуру оцінки значень ефективних індексів модуляції для сигналів звукового радіомовлення з частотною модуляцією. Вперше побудовані спектральні обмежувальні лінії для сигналів двох класів радіовипромінювання: F3E i

F8E.

3. Розроблена математична модель пристрою вимірювання займаної ширини смуги частот радіовипромінювання за J3/2 - методом на засадах послідовного спектрального аналізу, що включає апаратні та програмні складові, та запропоновані оригінальні структурні схеми пристроїв для її реалізації.

4. Встановлено зв'язок між значеннями контрольної ширини смуги випромінювання (на рівні 30 дБ) та займаної ширини смуги частот випромінювання за JJ / 2 - методом у залежності від форми спектра сигналу.

Практичне значення отриманих результатів полягає у наступному.

1. Створений програмний продукт використано для проведення відповідних технічних і економічних оцінок щодо перерозподілу спектраміж смугами загального та спеціального використання у діапазоні 390-470 МГц у зв' язку із впровадженням нових радіотехнологій у військовій частині А0375 під час виконання НДР на замовлення Держзв'язку України.

2. Розроблену процедуру оцінки значень ефективних індексів модуляції для сигналів звукового радіомовлення з частотною модуляцією та побудовані спектральні обмежувальні лінії для сигналів класів радіовипромінювання F3E i F8E впроваджено у ДП «Укрчастотнагляд», в тому числі шляхом включення в «Довідник з радіомоніторингу», який підготовлений у ДП «Укрчастотнагляд» та виданий у 2008 р. під загальною редакцією П.В. Слободянюка.

3. Подальший розвиток отримали засоби вимірювання займаної ширини смуги частот радіовипромінювання /3/2 - методом за допомогою запропонованих пристроїв, що сприятиме впровадженню даного методу в практику радіомоніторингу та розширенню можливостей ефірного контролю параметрів радіовипромінювань. Використання трьох паралельних каналів суттєво підвищує швидкодію вимірювача, в тому числі у порівнянні з програмним методом визначення ширини смуги частот радіовипромінювання.

4. Вимірювання займаної ширини смуги випромінювання за J/2 -

методом в умовах рівня завад с/ш = 20дБ та більших характеризується

методичною похибкою, яку можна компенсувати на основі накопичення статистичних даних щодо контролю параметрів окремих класів сигналів у місцях проведення вимірювань. Під час проведення контролю ЗШСВ поріг, який використовується для визначення границь спектра сигналу, повинен обиратися адаптивно до рівня завад.

Особистий внесок здобувача. Автор роботи особисто розробив алгоритм пошуку нових частотних призначень для РЕЗ у випадку повного вивільнення частотної смуги.

Науковий керівник під час розробки методики ефірного вимірювання параметрів сигналів звукового радіомовлення метрового діапазону хвиль виявив недосконалість існуючих нормативних документів з причини суперечливості окремих вимог. Автор роботи розробив процедуру оцінки значень ефективних індексів модуляції для сигналів звукового радіомовлення з частотною модуляцією та побудував спектральні обмежувальні лінії для сигналів класів радіовипромінювання

F3E i F8E.

Наукова ідея побудови трьохканального вимірювача займаної ширини смуги випромінювання за J/2 - методом належить науковому керівникові. Автор роботи розробив структурну схему пристрою, що реалізує ідею, та запропонував схему окремого модуля до вимірювальних приймачів з метою впровадження вимірювача. Ним проведено математичне моделювання, яке підтвердило можливість успішної реалізації пристрою та запровадження в Україні ефірного контролю ЗШСВ за J/2 - методом.

Апробація результатів роботи. Основні результати проведених досліджень доповідалися на 5 науково-технічних конференціях: Другій міжнародній науковій конференції «Теорія та методи обробки сигналів» (м. Київ, НАУ, 20-23 травня 2008 р.); семінарі Міжнародного Союзу Електрозв' язку «Радіочастотний моніторинг сьогодні і завтра. Завдання, проблеми і рішення» (м. Київ, Центр «Укрчастотнагляд», 8-10 липня 2008 р.); IX міжнародній науково-технічній конференції «АВІА-2009» (м. Київ, НАУ, 21-23 вересня 2009 р.); Всеукраїнській науково-практичній конференції молодих учених і студентів «Проблеми навігації і управління рухом» (м. Київ, НАУ, 23-24 листопада 2010 р.); V Всесвітньому конгресі «Авіація у ХХІ столітті» - «Безпека в авіації та космічні технології» (м.

Київ, НАУ, 25-27 вересня 2012 р.).

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 17 наукових праць, серед яких: 6 - у фахових наукових виданнях згідно з переліком ВАК України [1-6]; 2 - патенти України [7, 8]; 4 - доповіді та тези доповідей на наукових конференціях [9-12]; 5 - свідоцтв про реєстрацію комп' ютерних програм [13 - 17].

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота включає 172 сторінок друкованого тексту, складається зі вступу, чотирьох розділів та висновків, викладених на 137 сторінках основного тексту, списку використаних джерел із 110 найменувань і додатків. Дисертаційна робота містить 49 рисунків, 19 таблиць, три додатки на 25 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету і завдання досліджень. Визначено наукову новизну роботи та її практичне значення. Наведено дані про особистий внесок автора, апробацію результатів дисертації, публікації та структуру й обсяг роботи.

Перший розділ роботи має постановчий характер. Проведено аналіз міжнародних та вітчизняних нормативних документів щодо використання та управління використанням радіочастотного ресурсу, який засвідчив, що в умовах постійного і швидкого зростання кількості радіоелектронних засобів, існує потреба у постійному адекватному розвитку всіх факторів, від яких залежить ефективне використання РЧР, беззавадова робота РЕЗ, вдосконалення та розширення номенклатури телекомунікаційних послуг.

Відомі алгоритми частотного планування призначені для побудови мереж однотипних РЕЗ. Наряду з розвитком та вдосконаленням таких алгоритмів, актуальною є розробка алгоритмів та програмних продуктів для повного звільнення частотних смуг та нових частотних призначень РЕЗ за критерієм ЕМС та з урахуванням економічної складової запланованих заходів.

Номенклатура параметрів радіовипромінювань, які впливають на ефективне використання спектра, включає займану ширину частотної смуги. Звідси випливає актуальність розробки та вдосконалення методик та засобів вимірювання ЗШСЧ. Обґрунтована необхідність запровад­ження в Україні контролю ЗШСЧ за ///2 - методом, що передбачає відповідні дослідження і розробку апаратурно-програмних засобів.

Другий розділ роботи присвячений розробці алгоритмів і програм частотного планування із повним звільненням частотної смуги. З огляду на велику кількість РЕЗ у країні одночасний перерозподіл частотних присвоєнь у її межах потребує значних часових витрат та готовності відповідних баз даних. Простіше його реалізовувати поетапно в регіонах. За базову територію, яка використовується під час територіальної ідентифікації РЕЗ доцільно використати область.

Оскільки більшість РЕЗ області зосереджена у обласному центрі, який може бути в межах чи поза межами відстані прямої видимості до границь з сусідніми регіонами, доцільно ввести код належності РЕЗ до обласного центру (столиці країни). Тоді множину РЕЗ у обласному центрі не у всіх випадках потрібно перевіряти на забезпечення ЕМС з РЕЗ, що розміщені у сусідніх регіонах. Наприклад, для РЕЗ у м. Луцьку перевіряється ЕМС з іншими РЕЗ у м. Луцьку, з РЕЗ у Волинській та Рівненській областях. У розділі розглянуто структуру створеної бази даних з параметрами та координатами РЕЗ.

Аналіз відомих методів частотного планування не дав позитивної відповіді на питання щодо частотних призначень для РЕЗ різного призначення за умови повного звільнення частотної смуги. Тому виникла необхідність розробити основи та метод частотного планування для виконання таких завдань.

Розглянемо частотний діапазон, в якому функціонують РЕЗ різного призначення   на  визначеній  території   на  частотах,   що утворюють

упорядковану      множину      Fd ={/^ /„1 },      де       f, < f+1 . Елемент

множини f означає певну частоту, яка є робочою для однієї чи декількох РЕЗ, які в установленому порядку ліцензовані. Тобто частоті f відповідає множина РЕЗ Mi. Один РЕЗ може працювати на декількох частотах, що відображається відповідними елементами множин Mi. Тому множину всіх РЕЗ, що функціонують у діапазоні Fd, представимо як

Мд = U М, .

i=1

Також задається частотна смуга в межах діапазону, яка містить певну кількість елементів множини  Fd.     Позначимо цю множину

F3B С Fd ; F3B ={fs , fSfS+„2 }. Відповідна множина РЕЗ

S+„2

Мзв = U М, . (1)

i=S

Завдання полягає у звільненні частотної смуги Dfc = a b , де a -верхня границя смуги, а b - нижня границя, від РЕЗ, що працюють на частотах з множини F3B. Тобто отримуємо переріз множини Fd ZD

F3B = 0. При цьому потрібно утворити нову множину FHoe с Fd, де

fhob ={fs +DfS , fS+1 +AЛ+1,..., fS+„2 +DfS+„2 }. Значення кожної частоти

fq з множини FHoe знаходиться за умови задоволення для РЕЗ M3B критерію електромагнітної сумісності EMCq > ЕМСзад з усіма іншими РЕЗ з множини Мд \М3В, та відповідності даної частоти смузі, що виділена Національною таблицею для радіослужби fq є FTa6n, до якої належить РЕЗ, а також діапазону частот РЕЗ  f є FPE3. Другим зазначимістю виступає критерій мінімізації коштів та трудових витрат, пов'язаних з новими частотними призначеннями min E = f (М3В ).

Як критерій ЕМС використовується захисне відношення Qex = PCMJРзях , значення якого є таким, що забезпечується нормативні

вимоги до відношення PCMUJP3MUX на виході.

Під час частотних призначень потрібно перевірити сумісність кожної пари передавач-приймач з множин РЕЗ M3B і Мд \M3B . Взагалі алгоритми оцінки ЕМС є досить складними, оскільки повинні враховуватися    параметри    та    характеристики    передавачів    Апрд,

приймальних пристроїв Апрм, антенних пристроїв Опрд, DnpM , координати місця розташування антен передавальних пристроїв Хпрд і приймальних Хпрм пристроїв, умови поширення радіохвиль Ьпош між І -им передавачем та j -им приймачем з множин M3B і Мд \M3B та типу траси поширення G (наприклад, місто-передмістя).

Кількість РЕЗ у множині M3B у залежності від регіону та ширини частотної смуги може налічувати десятки, а у множині Мд \ M3B - сотні й

тисячі. У даних умовах для розв' язку завдання алгоритм оцінки ЕМС повинен відповідати наступним вимогам:

- бути добре формалізованим для його подальшої програмної реалізації;

- у разі негативної відповіді щодо критерію ЕМС дозволяти проведення оцінки необхідного частотного рознесення.

Вказаним вимогам відповідає визначення норм частотно-територіального рознесення (ЧТР) РЕЗ, за яким встановлюють мінімальну необхідну відстань між працюючими на певних частотах РЕЗ, або мінімальне частотне рознесення при визначеній відстані між РЕЗ. У результаті застосування алгоритму ЧТР для елементів множин "m3B є М3В і "mi є Mд \ М3В проводиться оцінка

EEMC = х( Апрд , Апрм , Dnрд , d^m , Хпрд , Хпрм , ^пош , G) , (2)

де X - оператор.

Загальна кількість необхідних оцінок ЕМС у діапазоні 390 - 470 МГц для регіонів може складати більше 10000. Тому, запропоновані заходи для суттєвого зменшення обсягу обчислень.

Запропоновано так зване „пакетне" перенесення частотних присвоєнь, за яким не змінюється порядок взаємного розташування присвоєнь     та     взаємні     частотні     зсуви     в     межах множини

FHoa = {fS + Af, fS+1 + Af        fS+„2 + Af },   дЄ    „2    -   кількість частотних

Страницы:
1  2  3 


Похожие статьи

Д Л Сібрук - Вимірювання займаної ширини смуги частот випромінювання та алгоритми частотного планування

Д Л Сібрук - Алгоритм перерозподілу частотного ресурсу

Д Л Сібрук - Вимірювач займаної смуги частот сигналу з використанням спектрального аналізу