Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование распространения сложных
радиосигналов в средах с частотной дисперсией и разработка методов и
радиоэлектронных средств адаптации к дисперсионным искажениям для
обеспечения работы в сверхширокой полосе частот с минимально
возможными мощностями излучения

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Продолжительность работ
2009 - 2011, 25 мес.
Бюджетные средства
10 млн
Внебюджетные средства
1,9 млн

Информация отсутствует

Участники проекта

Зам. руководителя работ
Рябова Наталья Владимировна

Этапы проекта

1
07.07.2009 - 30.09.2009
Проведен анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к разрабаты-ваемой теме, а также патентные исследования, которые позволили выявить противоречие: с одной стороны существует острая необходимость в использовании на практике широкополосных декаметровых радиосигналов; с другой стороны такому использованию препятствует недостаточность знаний о пространственно-временных свойствах дисперсности среды распространения, а также о влиянии этих свойств на эффективность сжатия сложных сигналов в приемнике. Показано, что основной характеристикой, ответственной за дисперсионные искажения широкополосных сигналов, является дисперсионная характеристика (ДХ) тракта распространения. В приближении геометрической оптики получены аналитические полиномиальные зависимости для ДХ отдельных трактов для наземных и трансионосферных радиолиний. Выделены ключевые параметры ДХ, ответственные за дисперсионные искажения: наклон ДХ и полоса когерентности канала. В рамках метода геометрической оптики и международной модели ионосферы (IRI-2007) разработан метод синтеза дисперсионных и импульсных характеристик широкополосных трактов распространения на наземных радиолиниях с учетом регулярной и нерегулярной структуры ионосферы, который реализован в алгоритмах и программных комплексах исследования системных и дисперсионных харак-теристик широкополосных ионосферных каналов. Получены аналитические соотношения для оценки энергетических потерь сложных сигналов с различной частотно-временной структурой при сжатии в зависимости от полосы канала и наклона дисперсионной характеристики. Определены оптимальные и предельные полосы сигналов в зависимости от их частотно-временной структуры и параметров дисперсионных характеристик каналов, а для сигналов с ППРЧ – допустимая скорость частотной перестройки и возможное число скачков. Показано, что преимущества когерентного приема этих сигналов могут быть реализованы только при коррекции дисперсионных искажений. Получено условие одномерности системы распространения сложных сигналов для различных широкополосных каналов из полосы прозрачности радиолинии.
Развернуть
2
01.10.2009 - 12.12.2009
Создана теория для описания искажений характеристик многомерных широкополосных каналов распространения. На основе вычислительного эксперимента для трасс различной протяженности исследованы наклоны и функциональные зависимости от частоты регулярной составляющей дисперсионной характеристики (ДХ). Установлено, что для радиолиний протяженностью D < 200 км регулярная составляющая ДХ может быть представлена полиномом третьей степени, для 200 < D < 1000 км – второй, а для D > 1000 км – первой степени. Методами функционального анализа получены аналитические зависимости между параметрами нерегулярной составляющей дисперсионной характеристики и мелкомасштабной стратификацией ионосферы. Установлено, что чувствительность параметров нерегулярной дисперсии к величине и l растет с приближением рабочей частоты к максимально-применимой (МПЧ). Амплитуда нерегулярной дисперсии уменьшается, а ее масштаб растет с увеличением протяженности радиолинии. Установлено, что уровень системного шума, возникающего у импульсных характеристик широкополосных каналов распространения сигналов в средах с нерегулярной дисперсией, не зависит от ее модели, а определяется только величиной ключевого параметра M (т. е. амплитудой нерегулярной составляющей фазы). Получена формула, связывающая уровень шума с величиной ключевого параметра М, в диапазоне его значений . Установлено, что уровень системного шума, возникающего у импульсных характеристик широкополосных каналов распространения сигналов в средах с нерегулярной дисперсией, не зависит от ее модели, а определяется только величиной ключевого параметра M (т. е. амплитудой нерегулярной составляющей фазы). Получена формула, связывающая уровень шума с величиной ключевого параметра М, в диапазоне его значений. Создана методика измерения малых задержек между магнитоионными компонентами сигналов, основанная на кепстральном анализе. Предложены и научно обоснованы две методики адаптации принимаемых сигналов к амплитудно-фазовым искажениям в широкополосных ионосферных радиоканалах, обусловленных дисперсностью и многолучевостью.
Новизна применяемых решений в сравнении с другими работами, родственными по тематике и целевому назначению и определяющими мировой уровень.
Полученные коллективом за отчетный период основные результаты являются новыми, они позволят создать методы и радиоэлектронные средства адаптации сигналов к дисперсионным искажениям для обеспечения возможности работы в сверхширокой полосе частот с минимально возможными мощностями излучения.
Особенности исследования, разработки, метода или методологии проведения работы на отчетном этапе.
Полученные на данном этапе теоретические результаты, позволяют моделировать и прогнозировать искажения характеристик многомерных широкополосных каналов распространения
Объекты интеллектуальной собственности, созданные на отчетном этапе.
Подана заявка на получения патента на способ определения характеристик дисперсности каналов. Опубликованы: 1 монография, 2 статьи в высокорейтинговых журналах, 4 доклада на всероссийских и 1 доклад на международной конференциях.
Области и масштабы использования полученных результатов
Полученные результаты могут быть использованы при разработке радиотехнических систем декаметрового диапазона, работа которых должна осуществляться в сверхширокой полосе частот с минимально возможными мощностями излучения. Результаты работы могут использоваться в учебном процессе ВУЗов при подготовке бакалавров и магистров по направлениям «Радиотехника» и «Телекоммуникации» по дисциплинам: «Электродинамика и распространение радиоволн», «Статистическая теория радиотехнических систем», «Статистическая теория связи».
Ход практического внедрения полученных результатов.
Полученные результаты внедряются в учебный процесс Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Марийский государственный технический университет» при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Телекоммуникации». Также ведутся работы по внедрению в научно-техническом центре «Коралл» предприятия ОАО ММЗ Концерна ПВО «Алмаз-Антей».
Оценка или прогноз влияния полученных результатов, товаров и услуг, созданных на основе полученных результатов, на подготовку и закрепление в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров, достижение или превышение заданных индикаторов и показателей.
Полученные результаты использованы при подготовке 1 докторской диссертации и 1 кандидатской диссертации, что позволит закрепить 2 молодых ученых в вузе.

Выводы:
Создание теории для описания дисперсионных искажений сложных сигналов в многомерных дисперсных средах и методик адаптации сигналов к этим искажениям позволяет развивать новое перспективное научное направление, связанное с исследованием распространения сложных широкополосных декаметровых радиосигналов в средах с многолучевостью и дисперсностью. Развитие этого нового научного направления позволит привлекать для научных исследований молодежь и способствовать ее закреплению в сфере науки и образования.
Развернуть
3
01.01.2010 - 30.06.2010
Разработаны и научно обоснованы: алгоритм работы образца для исследования дисперсности среды в каналах с различной полосой пропускания, алгоритм работы образца при измерении дисперсионных искажений ионограмм, алгоритмы измерения и фильтрации экспериментальных АЧХ и частотной зависимости средней мощности помех, алгоритм фильтрации сосредоточенных помех в образце при приеме широкополосных ЛЧМ сигналов, алгоритм адаптации сквозного канала с заданной полосой частот к дисперсности среды и неравномерности помех. Разработана антенна в виде петлевого вибратора длиной около 24 м и расстоянием между проводниками в петле порядка 40 см. Для согласования входного сопротивления антенны с 50-Омной коаксиальной линией разработано согласующе-симметрирующее устройство, представляющее собой высокочастотный трансформатор. Разработан алгоритм дискретного приближения линейного закона модуляции при использовании метода прямого цифрового синтеза сверхширокополосного сигнала. Созданы блок модема сложного сигнала, блок гетеродина и блок управления. Разработан программный комплекс, который позволяет проводить оцивровку и сжатие сигналов в реальном времени, а также построения их основных характеристик в составе аппаратно-программного комплекса вертикального зондирования ионосферы сверхширокополосным ЛЧМ сигналом. Разработаны алгоритмы фильтрации ионограмм, алгоритма выделения дисперсионных характеристик скачковых модов распространения, алгоритмов расчет профиля электронной концентрации. Создано программное обеспечение по разработанным алгоритмам. Создано программное обеспечение, позволяющее проводить адаптацию характеристик сложного сверхширокополосного ЛЧМ сигнала к дисперсности среды. Разработан программный комплекс обеспечивает первичную обработку сигнала разностной частоты с выхода приемника. Разработано программное обеспечение вторичной обработки экспериментальных данных, позволяющее исследовать дисперсионные искажений и их коррекцию. Проведена модернизация трансивера IC-78 японской фирмы ICOM, которая заключалась в применении для формирования сигнала цифрового синтезатора сверхширокополосного ЛЧМ сигнала, работа которого построена по методу прямого цифрового синтеза. Проведена модернизация приемника IC-R75 фирмы ICOM, которая заключалась в замене его гетеродина на гетеродин, построенный по методу прямого цифрового синтеза, что позволило реализовать сжатие элементов ЛЧМ сигнала с базой 105. Кроме того было создано и применено устройство управления приемником.
Новизна применяемых решений в сравнении с другими работами, родственными по тематике и целевому назначению и определяющими мировой уровень.
Полученные коллективом за отчетный период основные результаты являются новыми, они позволят проводить натурные исследования адаптации сигналов к дисперсионным искажениям для обеспечения возможности работы в сверхширокой полосе частот с минимально возможными мощностями излучения.
Особенности исследования, разработки, метода или методологии проведения работы на отчетном этапе. Разработанные на данном этапе программно-аппаратные средства измерения дисперсионных свойств широкополосных радиоканалов с различной полосой пропускания и адаптивных изменений частотной характеристики сквозного канала для ликвидации дисперсности, позволяют проводить натурные исследования адаптации сигналов к дисперсионным искажениям.
Области и масштабы использования полученных результатов
Области применения полученных результатов. Полученные результаты могут быть использованы при разработке радиотехнических систем декаметрового диапазона, работа которых должна осуществляться в сверхширокой полосе частот с минимально возможными мощностями излучения. Результаты работы могут использоваться в учебном процессе ВУЗов при подготовке бакалавров и магистров по направлениям «Радиотехника», «Телекоммуникации».
Ход практического внедрения полученных результатов. Полученные результаты внедрены в учебный процесс Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Марийский государственный технический университет» при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Телекоммуникации» в рамках дисциплин «Электродинамика и распространение радиоволн», «Статистическая теория радиотехнических систем», «Статистическая теория связи», «Космические и наземные системы радиосвязи и сети телерадиовещания». Также ведутся работы по внедрению в научно-техническом центре «Коралл» предприятия ОАО ММЗ Концерна ПВО «Алмаз-Антей»
Оценка или прогноз влияния полученных результатов, товаров и услуг, созданных на основе полученных результатов, на подготовку и закрепление в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров, достижение или превышение заданных индикаторов и показателей. Полученные результаты будут использованы при подготовке 1 кандидатской диссертации и 1 дипломного проекта, что позволит закрепить 2 молодых ученых в вузе.
Выводы.
Создание программно-аппаратного комплекса для измерения дисперсионных свойств широкополосных радиоканалов с различной полосой пропускания и адаптивных изменений частотной характеристики сквозного канала для ликвидации дисперсности позволяет развивать новое перспективное научное направление, связанное с исследованием распространения сложных широкополосных декаметровых радиосигналов в средах с многолучевостью и дисперсностью. Развитие этого нового научного направления позволит привлекать для научных исследований молодежь и способствовать ее закреплению в сфере науки и образования.
Развернуть
4
01.07.2010 - 12.12.2010
Получены результаты и протоколы испытаний изготовленного образца: макета модема ЛЧМ сигналов; антенной системы; приемо-передающего устройства; антенного переключателя; энергетических потерь ЛЧМ сигнала при приеме от независимого источника; программного комплекса первичной и вторичной обработки сигнала. На трассах: Йошкар-Ола - Йошкар-Ола; Нижний Новгород - Йошкар-Ола; Инскип (Англия) - Йошкар-Ола; Иркутск - Йошкар-Ола; Кипр - Йошкар-Ола проведены натурные эксперименты с использованием созданного образца по исследованию распространения в многомерной дисперсной среде (ионосфере) сложных высокочастотных сигналов с учетом их согласованной обработки. Исследования дисперсионных характеристик различных трактов многомерной системы впервые позволили получить аналитические модели зависимостей наклонов дисперсионных характеристик от протяженности различных трактов распространения. Получены законы распределений и статистики наклонов для радиолиний различной протяженности и географической ориентации. Получены законы распределений и статистики АЧХ широкополосных ионосферных каналов для радиолиний протяженностью 2.6-5.7Мм. Установлено, что СКО вариации АЧХ составляет 30-50%. Впервые получены суточные вариации минимальных длительностей огибающей обобщенного сложного сигнала (ОСС) с полосой 1МГц для широтной и меридиональной радиолиний протяженностью 2,6-2,8 Мм. Установлено, что на рабочей частоте ~ 0,7МНЧ существует радиоканал полосой 1МГц, в котором длительность огибающей ОСС имеет наименьшее значение. Обнаружены эффекты стационарных точек дисперсионных характеристик, проявляющиеся гребенкой пиков у огибающей ОСС. Получены экспериментальные данные о задержках между магнито-ионными компонентами ОСС на меридиональных и широтных радиолиниях протяженностью ~ 2,5Мм. Показано, что на меридиональной радиолинии они в 2-2,5 раза больше чем на широтной. Экспериментально установлено, что фильтрация помех по методикам исключения и ограничения их отсчетов позволяет получить средний выигрыш в отношении сигнал/шум при приеме ОСС ~ 2-2,5дБ при максимальном значении 10дБ. Получена аналитическая модель зависимости среднего выигрыша от величины отношения сигнал/шум для методики исключения отсчетов, позволяющая сформулировать границы применимости данной методики. Показано, что методика эффективна при отношениях сигнал/шум менее 10дБ. Установлено, что при выравнивании АЧХ ионосферных радиоканалов с полосой 1МГц можно получить выигрыш в отношении сигнал/шум в среднем до 1дБ. Оптимальной является линейная интерполяция отсчетов АЧХ при реализации методов коррекции дисперсионных искажений в широкополосных (с полосой 1МГц) каналах. Вычислительные эксперименты по исследованию распространения в многомерной дисперсной среде (ионосфере) сложных высокочастотных сигналов с учетом их согласованной обработки в главном показали, что: задача распространения многих сложных сигналов в средах с учетом сжатия сводится к задаче распространения обобщенного сложного сигнала (ОСС) только в средах. Установлено, что форма огибающей ОСС более чувствительна к изменениям полосы канала, чем к изменениям наклона дисперсионной характеристики. Впервые получены аналитические соотношения для оценки зависимости максимального значения ОСС от полосы канала и наклона ДХ. Установлено, что в случае единичных стационарных точек ДХ со слабой дисперсностью ( <1) огибающая ОСС не чувствительны к ним, а в каналах со значимой дисперсностью ( >1) стационарные точки приводят к появлению у нее гребенки пиков. Число пиков определяется количеством стационарных точек на полосе ОСС. Установлено, что множественные в полосе канала стационарные точки ДХ приводят к вариациям ФЧХ канала и образованию шумового пьедестала у ОСС. Величина вариаций и уровень шума определяются ключевым параметром нерегулярной дисперсности. Апробация разработанных методов адаптации к вариациям дисперсности среды показала, что на коротких радиолиниях (~ 300км) оптимальным является выравнивание ДХ полиномом третьей степени при этом коррекция регулярной фазовой дисперсности ионосферных широкополосных каналов с полосой 1МГц позволяет получить средний выигрыш ~8-9дБ. Для радиолиний протяженностью 0,3-5.7Мм оптимальным является выравнивание дисперсионной характеристики полиномами второй степени, а выигрыш составляет 2,5-3,5дБ. Установлено, что, адаптация коррекции дисперсности к изменяющимся условиям распространения позволяет получить для ОСС с полосой 1МГц ширину огибающей по уровню -3дБ равную 1мкс.
Новизна применяемых решений в сравнении с другими работами, родственными по тематике и целевому назначению и определяющими мировой уровень.
Полученные коллективом за отчетный период основные результаты являются новыми, они превышают мировой уровень по развитым методикам, алгоритмам и аппаратной реализации. Последняя отличается созданной возможностью проведения исследований по развитию предложенного и развиваемого авторами подхода адаптации широкополосных радиоканалов к изменяющимся условиям дисперсности среды, что создает условия для обеспечения скрытной работы радиотехнических систем высокочастотного диапазона, для обеспечения возможности работы таких систем в сверхширокой полосе частот, обеспечивающей повышенное разрешение по задержке, при минимально возможных мощностях излучения.
Особенности исследования, разработки, метода или методологии проведения работы на отчетном этапе. Особенность исследований заключается в установленном эффекте возможности замены задачи исследования распространения сложных сигналов с различной частотно-временной структурой при учете их сжатия в приемнике на задачу распространения только в среде обобщенного сложного сигнала. Методика коррекции фазовой дисперсности стала отличаться используемой авторами ранее применением для синтеза комплексного сигнала преобразования Гильберта, а ее реализация в виде алгоритма - применением быстрого преобразования Фурье. Для адаптации к изменяющейся дисперсности применены методы теории управления техническими системаим. В результате развиваемый в работе подход обладает уникальными возможностями для теоретического и экспериментального исследования физического явления дисперсного распространения в среде широкополосных сигналов и методов компенсации разрушающего действия на сигнал-носитель дисперсности среды, что имеет важное значение для развития научного направления: разработка научных основ и принципов активной и пассивной диагностики дисперсных сред..
Области и масштабы использования полученных результатов.
Полученные результаты существенно расширяют возможности исследований новых процессов и явлений, связанных с дисперсностью среды распространения широкополосных сигналов. Полученные результаты могут быть использованы при перспективных системах декаметровой связи для решения задачи обеспечения повышенной скрытности их работы, загоризонтной радиолокации, для решения задачи существенного повышения разрешающей способности по задержке радиолокационного сигнала, в системах радиозондирования для решения задач дистанционного изучения дисперсных сред. Результаты работы могут использоваться в учебном процессе ВУЗов при подготовке бакалавров и магистров по направлениям «Радиотехника», «Телекоммуникации».
Ход практического внедрения полученных результатов. Полученные результаты внедрены в учебный процесс Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Марийский государственный технический университет» при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Телекоммуникации», проводится учебно-методическая работа по их внедрению в учебный процесс при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Инфокоммуникационные технологии и системы связи в рамках Государственного образовательного стандарта 3-го поколения. Также ведутся работы по внедрению в научно-техническом центре «Коралл» предприятия ОАО ММЗ Концерна ПВО «Алмаз-Антей»
Оценка или прогноз влияния полученных результатов, товаров и услуг, созданных на основе полученных результатов, на подготовку и закрепление в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров, достижение или превышение заданных индикаторов и показателей.
Полученные результаты будут использованы при подготовке 2 кандидатских диссертаций, 1 магистерской диссертации и 3 дипломных проектов, что позволит закрепить молодых ученых в вузе.
Выводы. Полученные на данном этапе работы результаты полностью соответствуют поставленным задачам, они представляют уникальные возможности для теоретического и экспериментального исследования физического явления дисперсного распространения в среде широкополосных сигналов и методов компенсации разрушающего действия на сигнал-носитель дисперсности среды, что имеет важное значение для развития научного направления: разработка научных основ и принципов активной и пассивной диагностики дисперсных сред. Они имеют важное научное и практическое значение, т.к. открывают возможность работы радиотехнических систем в ранее недоступных условиях дисперсного распространения. Развитие этого нового научного направления позволит привлекать для научных исследований молодежь, способствовать ее научному росту и закреплению в сфере науки и образования.
Развернуть
5
01.01.2011 - 15.08.2011
1. Создана имитационная модель устройства испытательного стенда исследования ФРК стохастических каналов и ее программная реализация в среде SystemView, позволившая провести испытание разработанных методик определения ФРК и ее параметров, а также создавшая базу для проведения вычислительных экспериментов по исследованию ФРК при имитации зондирования стохастических многолучевых декаметровых радиоканалов многоэлементным ЛЧМ сигналом. Установлены величины параметров ФРК, при которых наблюдаются: общие, селективные, быстрые селективные замирания.
2. Создано устройство испытательного стенда, являющееся программно-аппаратным комплексом, включающим: синтезатор многоэлементного ЛЧМ сигнала и программное обеспечение, передающий и приемный терминалы устройства. Разработаны технические требования, алгоритмы работы терминалов по формированию, передаче, приему и первичной обработке зондирующего многоэлементного ЛЧМ сигнала. Созданы программы управления испытательным стендом в режимах приема и передачи диагностирующего ЛЧМ сигнала.
3. На основе лучевого подхода к решению задачи распространения сигнала в ионосфере впервые дано теоретическое обоснование методики определения функции рассеяния декаметровых стохастических радиоканалов, на основе их зондирования. Определена связь между параметрами ФРК с одной стороны и полосой когерентности и временем когерентного распространения в стохастическом канале связи с другой
4. Теоретически обоснован и разработан алгоритм определения функции рассеяния ионосферного стохастического радиоканала на основе сжатия многоэлементного ЛЧМ сигнала во временной области.
5. Получены новые экспериментальные данные об особенностях ФРК ионосферных ВЧ радиоканалов.
6. В рамках ГОС 3-го поколения разработан план внедрения испытательного стенда и результатов НИР в образовательный процесс подготовки бакалавров и магистров по направлениям: 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи (210400 - «Телекоммуникации») и 210300 - «Радиотехника». Получен акт внедрения в учебный процесс.
7. Разработаны дополнительные программы подготовки аспирантов по специальностям: 01.04.03 - «Радиофизика», 05.12.04 - «Радиотехника в том числе системы и устройства телевидения», 05.12.07 - «Антенны, Устройства СВЧ и их технологии».
Развернуть

Программа

Программа "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы

Программное мероприятие

1.1 Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров
Тема
Разработка программных и технических средств канального кодирования и модуляции для эфирных видеоинформационных систем вещания и связи в условиях ограничения используемой полосы частот.
Продолжительность работ
2015 - 2016, 14 мес.
Бюджетные средства
30 млн
Количество заявок
1
Тема
Разработка научно-технических решений по регулированию частоты и перетоков мощности в энергосистеме с использованием парогазовых установок.
Продолжительность работ
2008, 2 мес.
Бюджетные средства
2 млн
Количество заявок
2
Тема
Разработка конструкторско-технологических решений создания электронной компонентной базы на широкозонных полупроводниках для современной радиоэлектронной аппаратуры в диапазоне частот 30-60 ГГц
Продолжительность работ
2014 - 2016, 25 мес.
Бюджетные средства
44,1 млн
Количество заявок
2
Тема
Разработка высокоскоростного турбогенератора мощностью 6 МВт с частотой 12000 об/мин для децентрализованной (локальной) энергетики.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
2
Тема
Проведение проблемно-ориентированных исследований по разработке методов выявления латентных технологических дефектов бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов с длительным сроком активного существования.
Продолжительность работ
2013, 8 мес.
Бюджетные средства
40 млн
Количество заявок
9