Исследования характеристик каналов связи

ИССЛЕДОВАНИЯ
ХАРАКТЕРИСТИК 
КАНАЛОВ СВЯЗИ

И.Б. ШИРОКОВ

Ю.Б. ГИМПИЛЕВИЧ

И.В. СЕРДЮК

Москва
ИНФРА-М

2022

МОНОГРАФИЯ

УДК 621.396(075.4)
ББК 32.884.1
 
Ш64

Широков И.Б.

Ш64  
Исследования характеристик каналов связи : монография / И.Б. Ши
роков, Ю.Б. Гимпилевич, И.В. Сердюк. — Москва : ИНФРА-М, 2022. — 
247 с. — (Научная мысль). — DOI 10.12737/1093426.

ISBN 978-5-16-016288-1 (print)
ISBN 978-5-16-108596-7 (online)
Рассматриваются вопросы исследования амплитудных и фазовых ха
рактеристик каналов связи радиотехнических систем. В рамках исследований предлагается гомодинный метод преобразования сигналов микроволнового диапазона, позволяющий проводить измерения амплитудных 
и фазовых флуктуаций с высокой точностью и при предельной простоте 
измерительного оборудования. Приводится развитие гомодинного метода преобразования сигналов для целей и задач определения амплитудных 
и фазовых флуктуаций сигналов при распространении радиоволн на открытых трассах прямой видимости. Рассмотрены особенности гомодинного преобразования сигналов в присутствии различных дестабилизирующих 
факторов. Рассматриваются вопросы синхронизации опорных генераторов 
на различных частях измерительной трассы. Приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований амплитудных и фазовых 
флуктуаций на наземных и морских трассах прямой видимости.

Для студентов и преподавателей, а также всех интересующихся вопро
сами радиотехники.

УДК 621.396(075.4)

ББК 32.884.1

ISBN 978-5-16-016288-1 (print)
ISBN 978-5-16-108596-7 (online)

© Широков И.Б., Гимпилевич Ю.Б.,

Сердюк И.В., 2020

Перечень условных сокращений 
и обозначений

A  — затухание сигнала 

0
U  — амплитуда сигнала 
P  — мощность сигнала 
G  — коэффициент усиления (антенн)  

0f  — частота исходного микроволнового колебания 
F  — частота модуляции (частота сдвига)  

0
ω  — круговая частота исходного микроволнового колебания
Ω  — круговая частота модуляции (сдвига)  
δ  — относительная нестабильность частоты колебаний 

0
ϕ  — начальная фаза исходного микроволнового колебания

LF
ϕ
 — начальная фаза модулирующего колебания 

ψ  — полная фаза микроволнового колебания 
k  — волновое число 
d  — расстояние 
λ  — длина волны в среде распространения 

0
λ  — длина волны в свободном пространстве 
T  — период модулирующего колебания 
M  — коэффициент амплитудной модуляции 
m  — индекс частотной модуляции 
— угол прихода радиоволн 
b  — расстояние между антеннами (база интерферометра)  
— коэффициент полезного действия 
ζ  — спектральная плотность фазового шума 
ε  — относительная диэлектрическая проницаемость 
АМ — амплитудная модуляция 
АЦ — анализатор цепей 
АЦП — аналого-цифровой преобразователь 
АЧ — аудио- (звуковая) частота 
АЧХ — амплитудно-частотная характеристика
БПФ — быстрое преобразование Фурье
ВАЦ — векторный анализатор цепей 
ГУН — генератор, управляемый напряжением 
ДБПНН — класс излучения: двойная боковая полоса с неподавленной несущей 
ДБППН — класс излучения: двойная боковая полоса с подавленной несущей 
ДН — диаграмма направленности (антенны)  
КПД — коэффициент полезного действия 

КСВ — коэффициент стоячей волны 
НБС — Национальное бюро стандартов (США)  
ОБППН — класс излучения: одна боковая полоса с подавленной 
несущей 
ОЗУ — оперативное запоминающее устройство 
ППФ — полосно-пропускающий фильтр 
ПЧ — промежуточная частота 
РНС — радионавигационная система 
РТС — радиотехническая система 
РЧ — радиочастота 
СВЧ — сверхвысокие частоты 
СКО — среднеквадратичное отклонение 
УКВ — ультракороткие волны 
УПЧ — усилитель промежуточной частоты
ФАПЧ — фазовая автоподстройка частоты 
ФАР — фазированная антенная решетка 
ФВЧ — фильтр верхних частот 
ФМ — фазовая модуляция 
ФНЧ — фильтр нижних частот 
ЧМ — частотная модуляция 
ЭMC — электромагнитная совместимость 

Введение

Большую роль в жизни современного человечества играют радиотехнические системы (РТС) различного назначения: радиолокации, радионавигации, радиоуправления, телекоммуникации и т.п. 
[1–8]. Основные технические характеристики этих систем существенным образом зависят от параметров канала связи как основного звена любой системы, предполагающей излучение и прием 
электромагнитных волн.
В процессе эксплуатации любой РТС ее канал связи подвергается влиянию широкого класса дестабилизирующих факторов: климатических воздействий (температура, давление, влажность); механических воздействий (ветровые нагрузки на антенны); воздействий шумов и т.п. Под воздействием этих факторов происходит 
изменение параметров канала связи, что приводит к ухудшению 
качества работы РТС. Поэтому всестороннее исследование канала 
связи РТС, исследование особенностей распространения радиоволн при воздействии различных дестабилизирующих факторов 
является важной народнохозяйственной задачей.
Особенно актуальными такие исследования являются при организации системы телекоммуникации. Надо понимать, что именно 
открытый радиоволновый канал связи является «узким местом» 
такой системы.
Вопросами исследования каналов связи РТС занималось 
большое число научных школ, этим исследованиям посвящено 
большое количество работ [57, 73–81]. Анализ упомянутых источников показал, что известные методы решения этой задачи не позволяют в полной мере оценить влияние локальных турбулентностей, возникающих в открытых каналах связи, на параметры 
электромагнитного поля. На сегодняшний день практически все 
экспериментальные исследования посвящены изучению флуктуаций амплитуды принятого сигнала, в отдельных случаях — амплитуды и углов прихода радиоволн. На основе этих исследований 
получены энергетические спектры флуктуаций сигналов, сформированы рекомендации по улучшению работы РТС [74, 80, 81]. Указанные исследования являются неполными. Экспериментальных 
исследований флуктуаций набега фазы электромагнитных волн микроволнового диапазона при прохождении их через турбулентную 
атмосферу до сих пор в мире никто не проводил. Это связано с тем, 
что традиционные методы измерения фазы не могут быть использованы на протяженных трассах, поскольку для организации таких 
исследований необходимо на обоих концах измерительной трассы 

организовать синфазные микроволновые колебания. Эта задача 
не решена и не может быть решена в принципе.
Вместе с тем организация подобных исследований представляет большой интерес для науки и целого ряда практических применений. Это даст возможность оценивать характер турбулентности не по косвенным измерениям (амплитуда и угол прихода), 
а по прямым измерениям амплитуды и набега фазы. Такие исследования позволят расширить знания в вопросах распространения 
радиоволн, ввести новые модели механизмов распространения, 
сделать соответствующие прогнозы и дать рекомендации по построению РТС различного назначения.
Более того, при проведении измерений набега фазы радиоволн 
появляется уникальная возможность решать обратную задачу — 
оценивать параметры среды распространения. При этом появляется 
возможность выполнять, например, непрерывный экологический 
мониторинг окружающей среды.
Таким образом, развитие методов исследования амплитудных, 
и особенно фазовых, характеристик каналов связи РТС является 
важной научно-практической задачей.
Актуальными являются также и сами исследования влияния локальных турбулентностей в открытом канале связи на параметры 
электромагнитного поля в точке приема. Основываясь на результатах этих исследований, можно формировать рекомендации по построению РТС различного назначения, особенно систем телекоммуникаций.
Простота и понятность процессов, осуществляемых при предлагаемом и развиваемом в книге гомодинном преобразовании сигналов, дают возможность спроецировать развиваемые в книге методы 
на все области науки и техники, имеющие дело с любыми волновыми 
процессами. Наиболее характерным примером использования гомодинного преобразования сигналов является акустика, открывающая 
совершенно необъятный пласт применений в этой области.
Пионерами разработки гомодинных методов электрических 
измерений в области микроволновой техники следует считать 
Schafer G.E., Robertson S.D., Mathers G.W., Pound R.V., Tuller W.G., 
Vernon F.L., Brodwin M.E., Richmond J.H., Engen G.F., Little W.E., 
Mackey R.C., Dyson J.D., первые работы которых датируются серединой прошлого века и 50–60-ми годами [21–23, 29–39, 41–46].
Отдельно следует упомянуть King R.J., который систематизировал все исследования, проведенные в этой области, и к концу 
70-х издал крайне полезную для научных и технических работников монографию [40]. Можно считать, что именно этот ученый 
и его книга являются идейными вдохновителями исследований, 
осуществленных в настоящей книге.

Существенный вклад в развитие гомодинных методов и средств 
измерений внесли также отечественные ученые: Елизаров А.С., Кошуринов Е.И., Скрипник Ю.А., Яненко А.Ф., Гимпилевич Ю.Б., 
Налькин М.Е., Комаров И.В., Варавин А.В., Бондаренко И.К., Дайнега Г.А. [24–28, 54, 99, 188].
Начало XXI века характеризуется достаточно бурным развитием автодинных методов преобразования сигналов, являющихся, 
по сути, частным случаем гомодинных. Группа авторов: Воторопин С.Д., Носков В.Я., Смольский С.М. — опубликовала достаточно большое число работ в этой области, часть из которых [51–53, 
189–192] приведена в качестве ссылок в настоящей книге. Одним 
из соавторов книги по тематике данных исследований защищена 
диссертация на соискание ученой степени доктора технических 
наук [193]. Другим соавтором защищена диссертация на соискание 
ученой степени кандидата технических наук [166]. Сказанное еще 
раз подчеркивает актуальность проводимых исследований.
При выполнении научно-исследовательских работ по развитию 
гомодинных методов возникла необходимость в проведении комплекса исследований, направленных на восполнение ряда пробелов 
в теории и практике гомодинного преобразования сигналов и применение этих исследований при изучении распространения радиоволн, антенных измерений, контроля параметров технологических 
процессов и т.п.
В книге King R.J. [40] показано, что для осуществления исследований электромагнитного поля можно использовать двойной канал 
распространения радиоволн, позволяющий получать сигналы 
в одной точке измерительной трассы и измерять таким образом амплитуду и фазу микроволнового сигнала. При этом измерительная 
установка имела простую аппаратную реализацию и высокие метрологические характеристики.
Однако проводить такие исследования можно исключительно 
в лаборатории. Протяженные измерительные трассы исключались по определению. Поэтому возникает необходимость в разработке методов и устройств, позволяющих проводить исследования 
по распространению радиоволн в открытом и протяженном канале 
связи. При этом необходимо разработать методы и средства синхронизации опорных генераторов, разнесенных в пространстве. Без 
решения этой задачи нет возможности говорить о фазовых измерениях на протяженных каналах связи как таковых.
Крайне актуально при этом разработать также многоканальный 
вариант гомодинной измерительной установки, принимая во внимание тот факт, что для реализации гомодинных методов преобразования сигналов эта задача не является тривиальной. Сказанное 
является справедливым, если вспомнить, что классический гомо

динный метод измерений предполагает реализацию одноканальной 
измерительной установки.
Работа гомодинных преобразователей сигналов сопряжена с возникновением ошибок преобразования, определяющих метрологические показатели преобразователя в целом. Анализ литературных 
источников [40, 42, 130, 188] показал, что этот вопрос исследован 
в недостаточной степени. Поэтому актуальной задачей является всесторонний анализ погрешностей гомодинного преобразования при 
различных типах управляющих сигналов. Актуальным также является выбор типа и разрядности цифрового фазовращателя как одного из главнейших звеньев гомодинного преобразователя частоты.
Развитие гомодинных методов и средств исследования амплитудных и фазовых характеристик каналов связи РТС проводится 
на базе Севастопольского государственного университета с конца 
80-х годов прошлого века. Работы были начаты на инициативной 
основе. Затем они органично вплелись в план исследований, проводимых кафедрой радиотехнических систем, а затем, после реорганизации, кафедрой радиотехники и телекоммуникаций. Первый автор 
в разные времена являлся ведущим, ответственным исполнителем 
либо руководителем проводимых работ в этой области и в настоящее 
время возглавляет данное научное направление.
На момент начала описываемых исследований существовало 
противоречие между требованиями практики при решении задач 
аппаратурного анализа параметров протяженных радиотрасс и возможностями известных гомодинных методов и средств, которые 
обеспечивают реализацию этих требований как в части номенклатуры решаемых задач, так и в части достижения требуемых 
метрологических характеристик. Это противоречие определило 
актуальную научно-техническую проблему, которая заключается 
в создании новых гомодинных методов и средств аппаратурного 
анализа амплитудных и фазовых характеристик каналов связи 
РТС, обеспечивающих расширение функциональных возможностей и повышение точности этого анализа.
В книге даны развитие теории и техники гомодинных методов 
и средств анализа характеристик радиотехнических каналов связи, 
оценка их потенциальных метрологических возможностей и создание на этой основе новых высокоточных и многофункциональных измерительных систем, обеспечивающих современные 
потребности практики в различных областях науки и техники. Рассматриваются принципиально новые с научной точки зрения подходы и методы исследований.
В первой главе приведены результаты глубокого обзора по существующим методам и средствам исследования амплитудных 
и фазовых характеристик каналов связи радиотехнических систем.

Во второй главе описана концепция организации гомодинных 
измерений для исследования амплитудных и фазовых характеристик каналов связи радиотехнических систем. В рамках этой 
концепции:
 
– разработаны и описаны новые гомодинные методы измерения флуктуаций амплитуды, набега фазы и угла прихода 
радиоволн, распространяющихся в открытом канале связи 
РТС. Отличие новых методов от существующих состоит 
в возможности измерения флуктуации набега фазы сигнала. 
Кроме того, при использовании новых методов, в отличие 
от существующих, база микроволнового интерферометра 
может меняться произвольно даже в процессе проведения 
измерений;
 
– разработан и описан новый гомодинный метод определения 
механизма распространения радиоволн, позволяющий констатировать волноводный или многолучевой характер распространения. Отличие нового метода от существующих заключается в решении задачи методом измерения набега фазы 
сигнала;
 
– разработаны и описаны новые гомодинные методы многоканального измерения флуктуаций амплитуды и набега фазы 
радиоволн. Отличие новых гомодинных методов от существующих состоит в формировании несущих микроволновых 
колебаний с близкими, но не равными частотами, а также 
в формировании в ретрансляторах частотных сдвигов с различными частотами. Многоканальные гомодинные измерительные установки ранее отсутствовали.
В третьей главе развита теория гомодинного преобразования 
сигналов в микроволновом смесителе. В рамках этой теории:
 
– разработана и описана новая обобщенная математическая 
модель микроволнового гомодинного преобразователя с применением линейного закона изменения фазы зондирующего 
сигнала, отличающаяся от существующих тем, что в рамках 
модели получены новые аналитические соотношения для 
расчета амплитуд и начальных фаз спектральных компонент 
сигнала;
 
– впервые исследовано влияние неточности установки диапазона изменения фазового сдвига зондирующего сигнала 
на погрешность гомодинного преобразователя, получены 
значения погрешностей измерений. Отличие полученного результата от существующих в том, что раньше такие погрешности не анализировались;
 
– впервые исследовано влияние нелинейности изменения фазового сдвига зондирующего сигнала на погрешность гомодин

ного преобразователя, получены значения погрешностей измерений. Отличие полученного результата от существующих 
в том, что раньше такие погрешности не анализировались;
 
– разработана новая обобщенная математическая модель микроволнового гомодинного преобразователя с дискретным 
изменением фазы зондирующего сигнала. Отличие заключается в том, что с ее помощью можно оценить уровень всех 
гармонических составляющих сигнала;
 
– впервые обоснован выбор числа ступеней дискретного 
фазовращателя. Отличие полученного результата от существующих состоит в построении гомодинной системы 
с учетом требований цены — качества.
В четвертой главе развита концепция синхронизации опорных 
генераторов в гомодинной измерительной системе. В рамках этой 
концепции:
 
– впервые предложено передавать синхронизирующий сигнал 
посредством модуляции сигнала несущей частоты. Отличительной особенностью полученного результата от существующих является то, что исключаются использование 
внешних источников синхронизации и зависимость от работы этих служб, появляется возможность проводить измерения в закрытых помещениях, шахтах и т.п.;
 
– впервые теоретически исследовано влияние амплитудных 
и фазовых шумов на параметры синхронизации опорных 
генераторов. Отличительной особенностью полученного результата от существующих является то, что появилась возможность реализовать в канале синхронизации минимально 
достаточное соотношение «сигнал/шум»;
 
– впервые экспериментально исследовано влияние шумов 
на параметры синхронизации генераторов. Отличительной 
особенностью полученного результата от существующих является то, что исследования проводились с использованием 
эмулируемого радиоканала.
В пятой главе всесторонне исследовано влияние атмосферной 
турбулентности на параметры амплитудных и фазовых флуктуаций электромагнитной волны. В рамках этих исследований:
 
– получили дальнейшее развитие теоретические исследования 
влияния параметров показателя преломления среды на величину амплитудных и фазовых флуктуаций. Отличие заключается в том, что аналитические формулы приведены к виду, 
позволяющему осуществить числовые расчеты;
 
– впервые поставлен и описан эксперимент по исследованию 
влияния параметров атмосферы на флуктуации амплитуды, 
и особенно набега фазы, микроволнового сигнала при его