Широков ІБ, Сердюк ІВ, Синіцин ДВ, Мартинюк Д Севастопольський національний технічний університет, Севастополь, Стрілецька бухта, Студмістечко, 99053, СевНТУ, кафедра радіотехніки тел (+38 0692) 55-000-5, факс 55-414-5, E-mail: shirokov@stelsebastopolua

Анотація – У роботі вироблено моделювання передачі початкової фази гармонійного низькочастотного сигналу за допомогою частотної модуляції через атмосферне канал звязку Метою даного моделювання є визначення впливу фазової стабільності каналу звязку на стабільність початкової фази низькочастотних коливань у точці прийому

I                                       Введення

Предметом багатьох вишукувань є експериментальні дослідження змін амплітуди і фази НВЧ коливань в лініях звязку прямої видимості Деякі статті, присвячені останнім часом дослідженням в цій області: [1-3] Головним достоїнством цих досліджень є виконання вимірювань набігу фази НВЧ коливань в лініях звязку прямої видимості

Ці дослідження проводилися в рамках роботи з проектування установки, що реалізує гомо-дінний метод вимірювання флуктуації набігу фази і амплітуди в атмосферному каналі звязку

При синхронізації двох гармонійних опорних генераторів необхідно передати початкову фазу низькочастотних коливань (1 кГц) від одного генератора до іншого через атмосферне канал звязку з адитивним шумом

У даній роботі представлені результати моделювання передачі початкової фази низькочастотних коливань, за допомогою частотної модуляції несучої, від однієї частини вимірювальної лінії до іншої

Метою даного моделювання є визначення впливу фазової стабільності каналу звязку на стабільність початкової фази низькочастотних коливань у точці прийому

II                               Основна частина

Структурна схема синхронізації генераторів через атмосферне канал звязку при дії флуктуації фази в каналі наведена на малюнку 1

Рис 1 Структурна схема синхронізації генераторів

Fig 1 Generator synchronization flowchart

Так як канал звязку є відкритим, то зміна постійної поширення електромагнітних коливань призводить до флуктуацій амплітуди і фази сигналу, що передається Головними причинами цих флуктуацій є: нестабільність комплексного коефіцієнта передачі каналу звязку і багатопроменеве поширення високочастотних коливань

Нестабільність ослаблення внесеного каналом звязку приводить до паразитної амплітудної модуляції сигналу Цією паразитної модуляцією можна знехтувати, так як для передачі інформації використовується частотна модуляція

Нестабільність електричної довжини каналу звязку і багатопроменеве поширення сигналу призводить до появи змін повної фази переданих високочастотних коливань

Для передачі використовується тональна частотна модуляція Довжина хвилі несучого коливання обрана 2 м Довжина вимірювальної траси була обрана 3 км Для електромагнітної хвилі довжиною 2 м і обумовленої вище довжини траси вплив нестабільності електричної довжини траси мало І становить кілька проміле

З іншого боку багатопроменеве поширення сигналу значно впливає на повну фазу прийнятого високочастотного коливання

Частотно модульований сигнал може бути описаний таким виразом:

де А – амплітуда

ψ (/) – повна фаза

Шо – частота несучої т – індекс модуляції

Ω – частота модулюючого коливання φι – початкова фаза модулюючого сигналу фо – початкова фаза несучого коливання

Фазовий зсув, що вноситься каналом звязку дорівнює:

де– Хвильове число

d (t) – залежність довжини електричного шляху пройденого сигналом від часу

Уявімо фазовий зсув, що вноситься каналом звязку в наступному вигляді:

де з = 3-10 ®, м / с – швидкість світла у вільному просторі

Всі зміни діелектричних властивостей середовища ми відносимо до електричної довжині каналу звязку

Кругова частота і повна фаза сигналу повязані між собою співвідношенням:

Отже власна частота модульованого сигналу дорівнює:

де ω ^ = ηι · Ω -Девіація частоти

Таким чином, фазовий зсув, що вноситься каналом звязку, визначається виразом:

Довжина електричного шляху пройденого сигналом дорівнює:

d{t) = d+M{t),                                                                         (2)

де d – довжина траси, її величина постійна

/ Sd – флуктуація довжини вимірювальної траси, повязана з турбулентністю, зміною погодних умов і інтерференцією в каналі звязку

Так як поверхнева рефракція становить порядку 260 – 470 проміле, то враховуючи, що довжина траси d дорівнює 3 км, амплітуда флуктуацій електричної довжини траси hd дорівнює 0,2 м і її величина залежить від часу Приймаємо індекс модуляції да = 1, що відповідає реальним значенням Тоді девіація частоти Ша дорівнює Ω Враховуючи це, вираз (1) запишемо в наступному вигляді:

де Al – амплітуда сигналу пройшов через атмосферне канал звязку

Рис 3 Тимчасові діаграми роботи моделі Fig 3 Timing chart of the model operation

Модульований сигнал на приймальній стороні може бути записаний у такому вигляді:

Четвертим доданком можна знехтувати, у порівнянні з третім Отже фазовий зсув, що вноситься каналом звязку, визначається виразом:

Введемо позначення для повної фази сигналу, що пройшов через канал звязку:

Її можна прийняти постійною, так як використовується сигнал з кутовою модуляцією В якості фазового демодулятора використовуємо частотно-фазовий детектор з фазосдвігающім контуром і перемножити-телем сигналів

Амплітудно-частотна характеристика фазосдвігающего контуру визначається наступним співвідношенням:

де ξ – узагальнена расстройка

Вираз для ФЧХ фазосдвігающего контуру має наступний вигляд:

Необхідною умовою роботи демодулятора є ξ «1 Інакше детектор буде спотворювати інформаційний сигнал

В роботі [1] було отримано аналітичний вираз для демодульованого сигналу пройшов через атмосферне канал звязку:

де А – амплітуда вихідного сигналу Q – добротність фазосдвігающего контура

Для кількісного аналізу впливу флуктуації фази на початкову фазу демодульованого сигналу було проведено моделювання в пакеті програм MatLab 65 Блок-схема моделі наведена на малюнку 2 Тимчасові діаграми роботи моделі наведені на малюнку 3

Малюнок 4 Графік залежності фазового зсуву від частоти флуктуацій фази в каналі звязку

На малюнку 4 наведено графік залежності фазового зсуву між сигналом, що має шумову складову і еталонним сигналом від частоти сЬлукгуаіій сЬази в каналі звязку

Fig 4 Phase shift vs phase fluctuation frequency in communication link З графіка 4 видно, що зі збільшенням частоти флуктуацій фази до 1 кГц максимальний фазовий зсув зменшується Подальше збільшення частоти приводить до збільшення фазового зсуву Це повязано з тим, що до частоти 1 кГц перешкода є зосередженою для даного приймача, а понад цієї частоти – флукгуаціонной

Збільшення частоти зосередженої перешкоди призводить до її взаємної компенсації на перемножити-теле сигналів в детекторі Однак, збільшення частоти флуктуаційної перешкоди призводить до накопичення помилки при визначенні початкової фази

За результатами багатьох експериментальних досліджень флуктуації фази є повільними, і ширина їх спектру не перевищує 10 Гц Як видно з графіка 4 вплив цих флуктуацій на переданий інформаційний сигнал мало Для подальшого зменшення впливу флуктуації фази можна застосовувати такі методи:

1) Збільшувати індекс модуляції переданого сигналу

2) Використовувати складніші фільтри для виділення сигналу на виході детектора

3) Застосовувати систему фазового автопідстроювання частоти високостабільного опорного генератора на приймальній стороні

III                                   Висновок

Оцінено впливу флуктуацій фази в каналі звязку на прийнятий інформаційний сигнал Показано, що вплив флуктуацій фази мало Таким чином, доведено, що фазові флуктуації в атмосферному каналі звязку практично не позначаються на модулирующем сигналі, якщо довжина хвилі модулюючого сигналу значно більше довжини траси

IV                           Список літератури

[1] / в Shirokov, / V Serdyuk, DV Sinitsyn «The Phase Synchronization of Reference Oscillators Through Atmospheric Channel» IGARSS2006, Conf Proc Denver, Colorado 31 July – 4 August 2006

[2]    / B Shirokov, S Shaban «Experimental Investigations of Amplitude and Phase Progression Fluctuations on Microwave Line-of-Sight Links» IGARSS’2002, Conf Proc Toronto, Canada, 24-28 June 2002, Vol VI: pp 3559-3560

[3]    / B Shirokov, S Shaban, S Poiivkin, D Sinitsyn «Theoretical Modeling and Experimental Investigations of Amplitude and Phase Progression Fluctuations on Microwave Line-of-Sight Links in Relation with Natural Medium Conditions» IGARSS’03, Conf Proc Toulouse, France, July 21- 25 2003, Vol VII, pp 4177-4179

SIMULATION OF PHASE SYNCHRONIZATION PROCESSES IN TWO REFERENCE OSCILLATORS FOR OVER-THE-AIR LINK

Shirokov I B, Serdyuk I V, Sinitsyn D V, Martynyuk D Sevastopol National Technical University Studgorodok, Sevastopol, 99053, Ukralna phone (+380 692) 55-000-5, fax 55-414-5 E-mall: shlrokov@stel sebastopol ua

Abstract — The over-the-air transmission of initial phase of harmonic LF signals using frequency modulation has been simulated The main objective of this simulation was to determine the influence of communication link phase stability on the stability of initial phase of LF oscillations at the receiving point

I                                         Introduction

Amplitude and phase variations of microwave oscillations in LOS communication links have been extensively researched elsewhere To synchronize two harmonic reference oscillators, the initial phase of LF oscillations (1 kHz) should be transmitted from one oscillator to the other via over-the-air links with additive noise

The results of transmitting an initial phase of LF oscillations involving RF carrier frequency modulation are presented The carrier wavelength was 2 m The length of a test microwave link, as well as that of a separate RF link varied and did not exceed 3 km

II                                        Main part

Since the RF link is an open one, changes in propagation conditions result in amplitude and total phase fluctuations These fluctuations are due to two basic reasons: instability of the RF link complex transfer ratio, and multipath propagation of RF oscillations

The attenuation instability introduced by the communication link causes spurious amplitude modulation This spurious modulation may be ignored as long as frequency modulation is used in data transmission

Electrical length instability in the communication link along with the multipath propagation cause variations in the total phase of transmitted RF oscillations

The electrical length may be presented as (2), where d is the fixed link length Δ d(t) — link length fluctuation due to turbulences, change of weather and interference in the LOS link The phase shift introduced in the communication link may be presented as (3)

The received signal is further processed using frequency- phase detector with a phase-shifting circuit and signal multiplier for phase demodulator

The amplitude-frequency characteristic of the phase-shifting circuit is defined as (6), where ξ is generalized detuning The phase-frequency variation of the phase-shifting circuit is defined as (7) As shown in [1], the demodulator output signal may be presented as (8)

The results of the simulation are presented in Figures 3 and

4  In Figure 3(a) the time dependence of the initial phase shift (in degrees) on LF modulation oscillations is shown Figure 3(6) shows the time dependence of phase fluctuations in degrees

III                                       Conclusion

It has been shown that the influence of phase instability in RF communication links on the phase stability of LF modulation oscillations may be neglected This holds true for slow phase fluctuations whose spectrum does not exceed 10 Hz

In has also been shown that phase fluctuations in over-the- air RF links do not affect the stability of modulating signals if the wavelength of those LF oscillations is greater than that of the communication link In such way, microwave phase measurements in test links may be performed with high accuracy

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р