Sondowanie jonosfery przy pomocy stacji radiowych DRM

Transkrypt

1 Obserwatorium Astronomiczne UJ Zakład Fizyki Wysokich Energii Instytut Fizyki UJ Zakład Doświadczalnej Fizyki Komputerowej Akademia Górniczo-Hutnicza Katedra Elektroniki Andrzej Kułak, Janusz Młynarczyk - Katedra Elektroniki AGH/OA UJ Sondowanie jonosfery przy pomocy stacji radiowych DRM

2 Sondowanie jonosfery - Jonosondy Sondowanie

3 Historia

4 Jonosondy analogowe duże moce nadajników P = 2-10 kw szerokopasmowe anteny log-per wspólna antena dla TX i RX wyjście analogowe wyjście analogowe ucyfrowione

5 Obecny stan rzeczy - jonosondy cyfrowe - I generacja Digisonde 256 University of Lowell - ULCAR układ adaptywnego sondowania Adaptive Sounding moc nadajnika P = 5 kw rozdzielna antena dla TX i RX rozdzielczość po wysokości: 256 masa urządzenia: 500 kg

6 Obecny stan rzeczy - jonosondy cyfrowe - I generacja

7 Cyfrowe przenośne Obecny stan rzeczy - jonosondy cyfrowe - II generacja Digital Portable Sounder DPS - 4 konstruktor: dr Donald Mark Haines A portable ionosonde using coherent spread-spectrum waveforms for remote sensing of the ionosphere University of Lowell mała moc nadajnika P = 300 W zastosowanie metody rozpraszania widma formowanie sygnału metodą DSP rozdzielna antena dla TX i RX rozdzielczość po wysokości: 256 wszystkie polaryzacje wysoka zdolność rozdzielcza po szybkości masa urządzenia: 50 kg

8 DPS-4 DPS - 4

9 DPS-4 jonogram - 4

10 DPS - 4

11 Sondy cyfrowe - porównanie

12 Przyczyny wprowadzania standardu DRM ELF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF 3 khz 30 khz 300 khz 3 MHz 30 MHz 300 MHz 3 GHz 30 GHz 300 GHz 100 km 10 km 1 km 100 m 10 m 1 m 10 cm 1 cm 1 mm pasma AM są nadal atrakcyjne dla nadawców: ograniczony zasięg radiowy radiofonii UKF, w przeciwieństwie do zakresów HF, MF i LF Fale długie umożliwiają łączność na kilkaset kilometrów Fale krótkie umożliwiają łączność kontynentalną Potrzebna radiofonia cyfrowa na zakresach poniżej 30 MHz: niewystarczająca jakość istniejącej radiofonii AM można przesyłać dodatkowe informacje związane z programem

13 Digital Radio Mondiale (DRM) Standard radiofonii cyfrowej dla fal długich, średnich i krótkich 2003 Standard ETSI (ES ) Rekomendacja ITU-R (BS1514-1) czerwiec 2003 pierwsze emisje korzyści: jakość dźwięku zbliżona do uzyskiwanego w radiofonii FM, ale w paśmie dla AM wyświetlanie dodatkowych informacji niewielkie modyfikacje w istniejących systemach nadawczych możliwość odbioru programów z całej Europy a nawet z innych kontynentów => DRM łączy dobrą jakość dźwięku z dużym zasięgiem obecnej radiofonii AM

14 Jak to rozwiązano? jonosfera fala jonosferyczna fala przyziemna główną trudnością transmisji cyfrowej jest zmienność propagacji jonosferycznej

15 Specyfika propagacji na falach długich i średnich jonosfera LW, MW (dzień) MW (noc) radiofonia długofalowa (153 khz khz, pasmo 9kHz) (ITU Region 1) wykorzystywana głównie fala przyziemna, radiofonia średniofalowa (531 khz 1602 khz, pasmo 9 khz) fala przyziemna w ciągu dnia, fala jonosferyczna w nocy (refrakcja w warstwie E jonosfery)

16 Specyfika propagacji na falach krótkich jonosfera HF brak odbioru HF radiofonia na falach krótkich (2.3 MHz MHz, pasmo 10 khz) głównie fala jonosferyczna możliwa łączność międzykontynentalna ograniczenia: stosunek sygnał/szum, wielodrogowość, efekt Dopplera

17 Specyfika propagacji w zakresie HF - trajektorie fal 289 wysokosc [km] trajektorie fal radiowych z pojedynczej wiązki antenowej dla przykładowego profilu jonosferycznego

18 Specyfika propagacji w zakresie HF - trajektorie fal 289 wysokosc [km] MHz 17MHz trajektoria w zależności od częstotliwości emisji

19 Specyfika propagacji HF - zasięg w funkcji kąta wypromieniowania 4000 zasięg [km] F1 F2 E 18MHz f >f cf2. F1 F2 E 9MHz f < f cf1. F1 4MHz kąt elewacji [deg] zmiana zasięgu w funkcji kąta wypromieniowania fali dla różnych częstotliwości emisji

20 Specyfika propagacji w zakresie HF - wpływ pola magnetycznego 250 wysokość [km] x o odchylnie [deg] odległość [km] odległość [km] x o przykładowe trajektorie fali zwyczajnej i nadzwyczajnej

21 Wielodrogowość jonosfera opóźnienia rzędu 1-5ms mając pasmo f = 10 khz można nadawć symbole o szerokości 5 µs tak szybka transmisja jest nie możliwa, bo wystąpi interferencja międzysymbolowa

22 Specyfika propagacji HF - interferencje międzysymbolowe jonosfera brak odbioru HF Opóźnienia rzędu 1-5ms t p +τ t P t p + τ 2

23 Rozwiązania przyjęte w standardzie DRM (1) nadaje się na 207 nośnych rozmieszczonych równomiernie w kanale 10 khz (2) stosuje się w tym celu rozmieszczenie nośnych zgodnie z koncepcją OFDM (3) na każdej nośnej nadaje się informację powoli - wielodrogowość jest nie istotna (4) aby upakować dodatkowo informacje stosuje się wielowartościowy AM (16 lub 64) (5) aby poprawić BER stosuje się skalowanie kanału i demodulacją koherentną (6) na wszystkich nośnych stosowany kod korekcji błędów (FEC)

24 Rozwiązania przyjęte w standardzie DRM (1) nadaje się na 207 nośnych rozmieszczonych równomiernie w kanale 10 khz 207 nośnych khz Hz (1/T u )

25 Rozwiązania przyjęte w standardzie DRM (2) stosuje się w tym celu rozmieszczenie nośnych zgodnie z koncepcją OFDM OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) f nośne są rozmieszczone w sposób zapewniający ortogonalność w zadanym czasie

26 Rozwiązania przyjęte w standardzie DRM (3) na każdej nośnej nadaje się informację powoli - wielogrogowość jest nie istotna Parametr A B C D czas trwania ramki T f czas trwania symbolu T s czas trwania użytecznej części symbolu OFDM T u okres ochronny T g. Tryb odporności transmisji A B C D ms 24 ms (288*T) 2.67 ms (32*T) ms ms (256*T) 5.33 ms (64*T) 400 ms 20 ms ms (176*T) 5.33 ms (64*T) /91/s 1/4 4/ /14 1/s 14.6 kbps 11.5 kbps Typowe warunki propagacyjne 21.0 kbp 16.6 kbps Kanał Gaussowski ze słabymi zanikami Podobne do trybu B ale z silniejszym rozmyciem częstotliwości (efekt Dopplera) Podobnie jak tryb B ale z silnymi opóźnieniami i dużymi częstotliwościami Dopplerowskimi ms 9.33 ms (112*T) 7.33 ms (88*T) 7.6 kbps 11.0 kbps Kanał niestacjonarny, selektywny czasowo i częstotliwościowo z dłuższymi przedziałami opóźnień

27 Rozwiązania przyjęte w standardzie DRM (4) aby upakować dodatkowo informacje stosuje się AM wielowartościowy (4, 16 lub 64) q 0 q 0 q i i 0 1 i Konstelacja 4 QAM Konstelacja 16 QAM

28 Rozwiązania przyjęte w standardzie DRM (4) aby upakować dodatkowo informacje stosuje się AM wielowartościowy (4, 16 lub 64) q 0 q 1 q i 0 i 1 i Konstelacja 64 QAM

29 Rozwiązania przyjęte w standardzie DRM (5) aby poprawić BER stosuje się skalowanie kanału i demodulacją koherentną pewna ilość nośnych jest transmitowana z znaną amplitudą i fazą umożliwiając ocenę parametrów kanału radiowego, synchronizację odbiornika i demodulację koherentną sygnału 3 nośne referencyjne częstotliwości: 750 Hz, 2250 Hz i 3000 Hz od środka co 6 nośna do kalibracji charakterystyki amplitudowej kanału f cele referencyjne częstotliwości x cele kanału FAC 0 cele referencyjne wzmocnienia dla nośnych położonych między DC a 4,5 khz w trybie B.

30 Rozwiązania przyjęte w standardzie DRM - podsumowanie wymagane pasmo kanału radiowego: 4.5 khz - 20 khz przewidziane przepływności: 6 kbps - 70 kbps typowo: MW 9kHz, 26 kbps; HF 10 khz, 17 kbps odległość nośnych: Hz Hz czas ochronny: 2.67 ms ms użyteczna część symbolu 24 ms ms modulacje na nośnych 4QAM, 16QAM lub 64QAM demodulacja koherentna

31 Przykładowe możliwości nadawania w paśmie HF (tryb B) 21 kbit/s program radiowy z audio wysokiej jakości 4 kbit/s 17 kbit/s dodatkowy kanał transmisji danych 4 kbit/s program radiowy z dobrej jakości audio 17 kbit/s audio HVXC 2 kbit/s silnie zabezpieczone przed błędami dobrej jakości audio w miejscach dobrego odbioru

32 Informacje o jonosferze dostępne w odbiorniku - funkcja transferu

33 Informacje dostępne w odbiorniku - funkcja odpowiedzi impulsowej

34 Informacje dostępne w odbiorniku

35 Informacje dostępne w odbiorniku

36 Informacje dostępne w odbiorniku

37 DRM - informacje dostępne KONIEC - podsumowanie co 400 ms są dostępne: (1) różnice opóźnień grupowych sygnału (rozdzielczość 0.1 ms) (2) przesunięcia dopplerowskie nośnych referencyjnych (10-7 ) (3) pomiar tłumienia trasy (po wyskalowaniu układu antena - odbiornik, 0.1 db) po uzupełnieniu standardu DRM możliwy: (4) pomiar opóźnień grupowych (w oparciu o czas GPS)

38 Test DRM - analiza propagacyjna obserwowanych charakterystyk kanału model ray tracing - J. Młynarczyk 2002 Młynarczyk J., Caratori J., Nowak S., HF Pro: Program do symulacji propagacji fal radiowych w paśmie HF, X Krajowe Sympozjum Nauk Radiowych URSI 2002, Poznań, marzec Młynarczyk J., Kułak A., KKRRiT Poznań, marzec parametry DRM Open-Source Software Implementation of a DRM-Receiver, stacje testowe trasa Wertachtal - Kraków 7265 khz / 720 km trasa Sines - Kraków khz / 2640 km jonosondy pionowe: DPS-4 Pruhonice Rzym zlokalizowane w punkcie odbicia

39 Test - analiza propagacyjna obserwowanych charakterystyk kanału stacja Wertachtal

40 Test - analiza propagacyjna obserwowanych charakterystyk kanału trasa Wertachtal - Kraków 720 km w środku: Pruhonice 9 marca 2006, godz. 10:59 UT 9 marca 2006, godz. 11:00 UT

41 Test - analiza propagacyjna obserwowanych charakterystyk kanału trasa Wertachtal - Kraków stan jonosfery w punkcie odbicia (sonda Pruhonice)

42 Test - analiza propagacyjna obserwowanych charakterystyk kanału trasa Wertachtal-Kraków łączność możliwa dla czterech kątów elewacji: 13,9 stopnia (dla fali nadzwyczajnej 13.8) 23,7 stopnia (dla fali nadzwyczajnej 23.5) 31,6 stopnia 50,1 stopnia są to odpowiednio promienie dolne warstw E, F1 i F2 oraz promień górny warstwy F2, który jak można się spodziewać będzie miał małą amplitudę.

43 Test - analiza propagacyjna obserwowanych charakterystyk kanału trasa Wertachtal-Kraków łączność możliwa dla czterech kątów elewacji: 13,9 stopnia (dla fali nadzwyczajnej 13.8) 23,7 stopnia (dla fali nadzwyczajnej 23.5) 31,6 stopnia 50,1 stopnia trajektorie

44 Test - analiza propagacyjna obserwowanych charakterystyk kanału trasa Wertachtal-Kraków jonogram ukośny zrekonstruowany na podstawie modelu opóźnienia sygnału wynoszą: 2,5 ms dla trybu 1E1 2,7 ms, dla trybu 1F1 2,9 ms 3,7 ms dla trybu 1F2 3,7 ms

45 Test - analiza propagacyjna obserwowanych charakterystyk kanału stacja Sines - Portugalia

46 Test - analiza propagacyjna obserwowanych charakterystyk kanału trasa Sines - Kraków 2640 km w środku: Rzym trajektorie

47 Test - analiza propagacyjna obserwowanych charakterystyk kanału trasa Sines - Kraków jonogram ukośny zrekonstruowany na podstawie modelu opóźnienia sygnału wynoszą: 9.0 ms dla trybu 1F1 9.1 ms, dla trybu 1F2

48 Rozwiązanie odwrotne - możliwości KONIEC wykorzystania DRM dane z DRM różnice opóźnień grupowych sygnału (rozdzielczość 0.1 ms) przesunięcia dopplerowskie nośnych referencyjnych (10-7 ) pomiar tłumienia trasy (po wyskalowaniu dokładność 0.21 db) pomiary dla różnych częstotliwości (150 khz - 26 MHz ) gruby model (usunięcie niejednoznaczności) jonogram ukośny rozwiązanie odwrotne model jonosfery w punkcie odbicia (połowa trasy)

49 Wykorzystanie DRM - organizacja KONIEC systemu zbierania danych automatyczne odbiorniki wielokanałowe - śledzenie kilkudziesięciu stacji sieć odbiorników w wielu ośrodkach naukowych na świecie centrala przetwarzania danych mapa dynamiczna jonosfery na dużych obszarach Ziemi

50 Wykorzystanie DRM KONIEC - dostępne stacje marzec ok. 120 stacji TX na wszystkich kontynentach