Приборы и методы измерений, № 1 (4), 2012 5 СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ УДК 621.396.9 ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕРОВ ВРЕМЕННОГО РАССЕИВАНИЯ РАДИОВОЛН МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ПРИ МНОГОЛУЧЕВОМ РАСПРОСТРАНЕНИИ Муравьев В.В.1, Наумович Н.М.1, Кореневский С.А.1, Стануль А.А.2 1Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, г. Минск, Республика Беларусь 2НП ООО «ОКБ ТСП», г. Минск, Республика Беларусь Рассмотрена возможность измерения временного рассеивания при многолучевом рас- пространении сигналов. Приведена схема построения приемо-передающего устройства миллиметрового диапазона длин волн. Моделирование работы измерительного комплекса показало целесообразность использования оконных функций при обработке принятого сигнала. (E-mail: Comrad-1@mail.ru) Ключевые слова: временное рассеяние, многолучевое распространение. Введение Одной из актуальнейших проблем систем цифровой радиосвязи является проблема мно- голучевого распространения радиоволн. Го- родская среда создает специфические условия для распространения радиоволн. Теневые зо- ны, многократные отражения и рассеяние волн формируют многолучевые поля со сложной интерференционной структурой и резкими пространственными изменениями уровня сиг- нала. Многолучевой характер распростра- нения радиоволн, когда в точку приема при- ходят волны разных направлений и с разными временными задержками, порождает явления межсимвольной интерференции при передаче кодовых последовательностей [1, 2]. Иска- жения сигнала, обусловленные межсимволь- ной интерференцией, могут вызывать серьез- ное ухудшение характеристик системы и, в первую очередь, снижение скорости переда- ваемой цифровой информации, если дли- тельность задержки сравнима с длительно- стью символа. Необходимой предпосылкой для разработки эффективных систем связи, работающих в городской среде, является знание характеристик многолучевого канала распространения. Строгие электродинамические модели и теоретические расчеты по ним не позволяют с достаточной точностью определить профили временного рассеивания и доплеровские спек- тры сигнала в канале связи, особенно в милли- метровом диапазоне длин волн. Для решения этой проблемы обычно ис- пользуют эмпирические модели многолучевого распространения, основанные на эксперимен- тальных исследованиях временного рассеива- ния и доплеровских спектров при многолуче- вом распространении сигналов на различных трассах с различными типами подстилающей поверхности. Для проведения экспериментальных ис- следований необходимо иметь приемо-переда- ющее устройство, позволяющее обеспечить высокое разрешение по дальности, что эквива- лентно высокому временному разрешению. Та- кие устройства могут работать как в импульс- ном, так и в непрерывном режимах. Использо- вание импульсного режима работы приемо-пе- редающего устройства требует формирования очень коротких импульсов, что не всегда прак- Средства измерений 6 Приборы и методы измерений, № 1 (4), 2012 тически выполнимо и приводит к малой вели- чине энергии зондирующего сигнала. Если использовать непрерывный сигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), то по- является большой уровень боковых лепестков корреляционной функции. Поэтому основной целью работы является разработка такой струк- турной схемы измерительной установки и та- ких алгоритмов обработки сигналов, которые позволяют обеспечить высокую разрешающую способность по дальности и малый уровень бо- ковых лепестков корреляционной функции сигнала, при использовании непрерывного сиг- нала с ЛЧМ. Схема измерительного комплекса Структурная схема приемо-передающего модуля приведена на рисунке 1. Измерительный комплекс работает в режиме измерения обратного рассеивания и, по сути, представляет собой радиолокатор с супер- гетеродинным приемником на боковой полосе. Такой приемник конструктивно более сложен, чем приемник на нулевой промежуточной частоте, но зато обладает большей чувствительностью и стабильностью в работе [3]. Сигнал с ЛЧМ формируется с помощью генератора, управляемого напряжением, на ко- торый подается модулирующее пилообразное напряжение. Диапазон формирования частот генератора, управляемого напряжением, 14,5– 15,6 ГГц. Далее часть сигнала попадает в пере- дающее устройство, где частота удваивается, сигнал усиливается и через рупорную антенну излучается в пространство. Таким образом, на выходе передатчика диапазон частот состав- ляет 29–31,2 ГГц, но реально используются сигналы с девиацией частоты до 500 МГц, так как амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) генератора, управляемого напряжением, неравномерна в диапазоне частот. Генератор управляемый напряжением Умножитель частоты на 2 Радиопереда- ющее устройство Генератор пилообразного напряжения Смеситель Синтезатор промежуточных частот Полосовой фильтр Малошумящий усилитель Балансный смеситель на 2-й гармонике гетеродина Смеситель 1 кГц 14-14,2 ГГц 28-28,4 ГГц 2 ГГц 14÷14,2 ±2 ГГц 16-16,2 ГГц 4 + fб ГГц 4 ГГц fб Устройство выделения несущей 14÷14,2 ГГц Рисунок 1 – Структурная схема измерительного комплекса Устройство выделения несущей формирует сигнал, который поступает на смеситель сдвига. Он сдвигает сигнал на 2 ГГц вверх и формирует сигнал гетеродина приемника с ча- стотами 16,5 ± 17,6 ГГц. Высокая промежуточ- ная частота позволяет избежать влияния ам- плитудно-фазовых шумов гетеродина, что обес- печивает малый коэффициент шума входного тракта, а также получить с помощью по- лосового фильтра достаточное подавление раз- ностной частоты после смесителя сдвига. Сигнал гетеродина поступает на входной балансный смеситель, работающий на 2-й гар- монике частоты гетеродина. На этот смеситель Средства измерений Приборы и методы измерений, № 1 (4), 2012 7 также поступает отраженный от объектов зон- дирующий сигнал. Таким образом, после смесителя имеется сигнал на промежуточной частоте 4 ГГц, в ко- тором присутствуют разностные частоты (ча- стоты биения), связанные с задержкой отра- женных зондирующих сигналов по отношению к сигналу гетеродина. Далее сигнал усилива- ется и поступает на смеситель, который пере- носит его на нулевую частоту. Сигналы 2 и 4 ГГц формируются от одного опорного источ- ника с помощью синтезатора. Такой измерительный комплекс обладает следующими характеристиками: – диапазон частот 29–31,2 ГГц; – девиация частоты до 500 МГц; – выходная мощность 15 дБм; – коэффициент шума приемника 8 дБ; – огибающая ЛЧМ – пилообразные им- пульсы с частотой 1 кГц; – коэффициент усиления рупорной ан- тенны 10 дБ. Исхода из этого, были достигнуты следу- ющие основные параметры измерительного комплекса: – дальность измерения 3 км; – разрешение по времени задержки (даль- ности) 5 нс (0,75 м) в диапазоне задержек 25 нс < τз < 50 мкс. Для исследования сигнала и процесса об- работки выполнялась программная имитация. Масштабируемая имитация сигнала производи- лось в среде LabView со следующими парамет- рами: – частота дискретизации fд = 100 МГц; – время наблюдения tн = 20 мс; – диапазон изменения частот 6–26 МГц (fдев = 20·106 Гц); – огибающая ЛЧМ – несимметричные пи- лообразные импульсы fп = 1 кГц; – также в огибающую ЛЧМ введены не- большие искажения – прохождение через фильтр нижних частот с частотой среза 800 кГц; – количество отсчетов 2·106. Зависимость времени распространения сигнала tз от частоты биения fб определяется формулой: , девп б з ff f t = (1) Для приведенных выше значений tз = =5·10-11· fб. Такое невысокое разрешение по вре- мени задержки обусловлено малым изменением частоты в сигнале, так как реальные частоты (до 500 МГц) потребовали бы значительно большей частоты дискретизации, что при таком же времени наблюдения значительно бы услож- нило процесс имитации сигналов. На рисунке 2 представлен графики, на ко- тором упрощенно показаны излученный сигнал и принятый сигнал (рисунок 2а), а также их разностная частота (рисунок 2б). а б Рисунок 2 – Временные зависимости: а – принятого и опорного сигнала измерительного комплекса; б – разностной частоты приемника При переключении частоты приемника с максимальной на минимальную возникают переходные процессы, которые дают скачки частоты (рисунок 2б). Такие скачки могут обо- гатить спектр и ухудшить характеристики при- емника при отражении сигнала от нескольких препятствий (целей). Время задержки отраже- нного сигнала определяется по частоте биений fб (рисунок 2б) при известной девиации частоты (1). Результаты моделирования показаны на рисунках 3–8. На рисунке 3а показаны вре- менные зависимости изменения частот при приеме трех лучей сигнала с различными зна- чениями мощности и времени задержки каж- дого луча. На рисунке 3б представлена временная за- висимость сигнала промежуточной частоты при наличии на входе приемного устройства трех лучей с различными значениями времени за- держки и разностью амплитуд 20 дБ. Из ри- сунка 3б видно, что в моменты времени окончания одного периода формирования сиг- Средства измерений 8 Приборы и методы измерений, № 1 (4), 2012 нала с ЛЧМ и начале второго периода временные характеристики изменяются, что приводит к большому уровню боковых лепестков корреляционной функции сигнала с ЛЧМ. Спектр сигнала показан на рисунке 4. Два отсчета дальности имеют разность частот 40 кГц, что согласно формуле (1) составляет время задержки 2 мкс. Видно, что отношение сигнал/помеха для спектральной составляющей сигнала с минимальной мощностью составляет около 18 дБ. а б Рисунок 3 – Временные зависимости: а – изменения частот трех лучей на входе приемного устройства; б – сигнала промежуточной частоты при наличии трех лучей на входе приемного устройства Для уменьшения уровня боковых лепест- ков корреляционной функции используем оконную функцию Хэмминга. Временная зави- симость сигнала промежуточной частоты при приеме трех лучей и использовании оконной функции Хемминга показана на рисунке 5. Из рисунка видно, что амплитуда сигнала равна нулю в моменты окончания периода форми- рования сигнала с ЛЧМ, что приводит к уменьшению уровня боковых лепестков на 13– 14 дБ (рисунок 6). Спектр этого сигнала приведен на рисунке 4. На спектре видны две отметки дальности с различной амплитудой и наличие мешающих сигналов возле более сильного сигнала, кото- рые возникают по уровню примерно на 25– 27 дБ меньше уровня сигнала. Рисунок 4 – Спектр сигнала промежуточной частоты при наличии трех лучей на входе приемного устройства Рисунок 5 – Временная зависимость сигнала промежуточной частоты при приеме трех лучей и использовании оконной функции Хемминга Рисунок 6 – Спектр сигнала промежуточной частоты при приеме трех лучей и использовании оконной функции Хемминга На рисунке 7 приведены спектры сигналов при уменьшении мощности сигнала в одном из лучей на 25 дБ. Из рисунка 7а видно, что боль- шой уровень боковых лепестков корреляцион- ной функции сигнала с ЛЧМ не позволяет выделить сигнал луча с такой малой мощ- ностью. Применение оконной функции позво- ляет выделить и измерить мощность и время задержки третьего луча по отношению к основному лучу (рисунок 7б) . Средства измерений Приборы и методы измерений, № 1 (4), 2012 9 а б Рисунок 7 – Спектр промежуточной частоты сигнала от двух препятствий (разница амплитуды 45 дБ): а – без обработки; б – с обработкой функцией Хемминга а б Рисунок 8 – Спектр сигнала при использовании окна: а – Хемминга; б – с плоской вершиной Спектры этого же сигнала при обработке его окнами Хемминга и окном с плоской вер- шиной показаны на рисунке 8 (а и б соответ- ственно). Моделирования различных оконных функ- ций показало, что в разрабатываемом устрой- стве наилучшие результаты обеспечиваются при использовании окна Хемминга. Заключение Предложена схема комплекса для измере- ния профиля временного рассеяния с высоким разрешением по времени, основанная на при- менении широкополосных сигналов с ЛЧМ, и метод обработки сигнала. Показано, что для уменьшения уровня бо- ковых лепестков корреляционной функции сигнала с ЛЧМ в разработанном измеритель- ном комплексе целесообразно использовать оконную функцию Хемминга. Это позволяет значительно повысить вероятность раздельного распознавания нескольких сигналов с неболь- шой разницей времени задержки, но с различ- ной амплитудой отраженного сигнала, что поз- воляет получить более точные измерения об- ратного рассеивания, а также повысить надеж- ность работы. В настоящее время проводятся экспери- ментальные исследования в реальных условиях многолучевого распространения сигнала. Список использованных источников 1. Гавриленко, В.Г. Распространение радиоволн в современных системах мобильной связи / В.Г. Гавриленко, В.А. Яшнов // НГУ им. Лобаческого. – 2003. – С.16–17. 2. Томаси, У. Электронные системы связи / У. То- маси. – М. : Техносфера, 2007. – С. 719–720. 3. Дулевич, В.Е. Теоретические основы радио- локации / В.Е. Дулевич, А.А. Коростелев, Ю.А. Мельник [и др.]; под ред. В.П. Федосе- ва. – М. : Сов. Радио, 1974. – С. 117–118. Средства измерений 10 Приборы и методы измерений, № 1 (4), 2012 Murav’iov V.V., Naumovich N.M., Korenevsky S.A., Stanul A.A. Device for measuring temporal characteristics of millimeter-length radiowaves scattered under multipath propagation. Possibility of temporal characteristics of scattered radiosignals under multipath propagation was analyzed. A scheme of millimeter-length radiowaves transceiver was presented. The feasibility of “window” function using for processing of received signal was shown based on the modelling of the measuring system operation. (E-mail: Comrad-1@mail.ru) Key words: temporal characteristics, multipath propagation. Поступила в редакцию 16.03.2012.