Имитационное моделирование прохождения сверхширокополосных сигналов через ионосферу и анализ возникающих искажений
Особенности распространения электромагнитных волн в ионосфере. Результаты статистического моделирования прохождения сверхширокополосных сигналов через ионосферу и характеристика основных показателей возникающих искажений. Анализ результатов моделирования.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 28.10.2018 |
| Размер файла | 224,9 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Имитационное моделирование прохождения сверхширокополосных сигналов через ионосферу и анализ возникающих искажений
Введение
Атмосфера - газовая оболочка, окружающая Землю. Её свойства подробно рассмотрены в [1,2,3], где выделены следующие слои атмосферы: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера. На распространение волн радиодиапазона оказывают влияние, в основном, тропосфера и ионосфера.
Тропосфера простирается от земной поверхности до высот 8-18 км в разных широтах и может существенно влиять на распространение волн радио и оптического диапазонов, вызывая их поглощение, рассеяние и рефракцию [1]. К ионосфере же относят часть атмосферы выше 50-60 км, ионизированную излучениями Солнца и дальнего космоса. На распространение электромагнитных волн (ЭМВ) здесь могут оказывать влияние электроны (в основном) и положительные ионы. Электроны, взаимодействуя с волной, испытывают большие механические смещения и оказывают поэтому значительно большее воздействие на ЭМВ, что может привести к значительным искажениям принимаемого отражённого радиосигнала при использовании сложных законов его модуляции, как показано ниже.
Цель статьи - анализ возникающих искажений принимаемого отражённого радиолокационного сигнала со сложным законом модуляции вследствие его прохождения через ионосферу.
1. Особенности распространения ЭМВ в ионосфере
Взаимодействие ЭМВ с ионосферой определяется, в первую очередь, распределением концентрации электронов и числа их соударений с тяжелыми частицами по высоте, а также влиянием на их движение магнитного поля Земли. Не только поглощение и рассеяние волн, как в тропосфере, а и все остальные эффекты взаимодействия в ионосфере существенно зависят от частоты.
Типичное распределение электронной концентрации в ионосфере по высоте для дня и ночи показано на рисунке 1. Буквами с индексами отмечено положение типичных областей ионосферы. Значения характеристик основных слоев ионосферы для средних широт, пересчитанные из [1,2], представлены в таблице 1.
Рис. 1. Распределения электронной концентрации в ионосфере
Таблица 1 Характеристики основных слоев ионосферы для средних широт
|
Слой |
Высота максимума, км |
День |
Ночь , м-3 |
||
|
, м-3 |
, м-3 |
||||
|
D |
70 |
108 |
210 8 |
107 |
|
|
E |
110 |
1,510 11 |
310 11 |
310 9 |
|
|
F1 |
180 |
310 11 |
510 11 |
- |
|
|
F2 (зима) |
220-280 |
610 11 |
2510 11 |
10 11 |
|
|
F2 (лето) |
250-320 |
210 11 |
810 11 |
310 11 |
В высокочастотном гармоническом электрическом поле волны с напряженностью на электрон воздействует сила , вызывающая его колебательное движение со скоростью . Соударения электрона с тяжелыми частицами, ведущие к существенным потерям энергии на сравнительно низких частотах, в статье учитываются.
Колебательное движение электронов со скоростью означает появление токов проводимости, реактивных в данном случае, т.е. не приводящих к потерям энергии. Токи проводимости накладываются на токи смещения, изменяя свойства среды.
Относительная диэлектрическая проницаемость ионосферы в этом случае изменяется, принимая комплексный характер, что связано c потерями энергии в среде, и принимает вид [1]:
, (1)
где - плазменная частота ионосферы, без учета соударений электронов с тяжелыми частицами:
.(2)
Размерность []. Для плазменная частота изменяется в пределах 0,3…9 МГц.
Для интересующего нас диапазона частот фазовая скорость волны (скорость распространения фазы гармонической волны, не связанная непосредственно с передачей энергии) в однородной ионосфере:
.(3)
При этом фазовая скорость волны в ионосфере, непосредственно не связанная с передачей энергии, больше скорости света в свободном пространстве.
Фазовое и групповое запаздывание в неоднородной ионосфере без учета рефракции для составит:
, (4)
где - число электронов на пути распространения в изогнутом столбе площадью .
Групповое запаздывание огибающей узкополосного колебания с несущей находится как
.(5)
По сравнению с вакуумом оно изменено на , затрачиваемым на возбуждение электронов среды.
2. Результаты статистического моделирования прохождения сверхширокополосных сигналов через ионосферу и анализа возникающих искажений
Для оценки искажений сигнала с линейно-частотной модуляцией (ЛЧМ) [1-4] при его прохождении через ионосферу была разработана статистическая модель, позволившая исследовать особенности данного явления.
Моделирование проводилось для следующих исходных данных:
- длина волны ;
- ширина спектра закона модуляции ЛЧМ радиоимпульса ;
- длительность ЛЧМ радиоимпульса ;
- интегральная электронная концентрация (в ходе дальнейших исследований планировалось величину рассчитывать для конкретных условий наблюдаемой воздушной цели).
Для расчета параметров закона модуляции ЛЧМ радиоимпульса (определения для каждой «оцениваемой» частоты своего запаздывания , вносимого ионосферой) с целью получения временной реализации закона модуляции ЛЧМ радиоимпульса полагалось, что закон модуляции ЛЧМ радиоимпульса одиночной амплитуды описывается в соответствии со следующим выражением:
, (6)
где (первое слагаемое определяет запаздывание отраженного сигнала за счет прохождения до цели о обратно, а второе - за счет влияния ионосферы (различное для каждой частоты)); - дальность до цели.
Для «неискаженного» сигнала считалось, что
, (7)
где - время запаздывания первого отсчета (разницу времени запаздывания для различных частот не учитывали).
Результаты расчета параметров энергетического спектра закона модуляции ЛЧМ радиоимпульса представлены на рисунке 2. Анализ полученных на данном этапе моделирования результатов показал, что «искаженный» за счет влияния ионосферы ЛЧМ радиоимпульс имеет несколько более узкий спектр, чем «неискаженный».
Рис. 2. Энергетический спектр ЗМ ЛЧМ радиоимпульса
На рисунках 3 и 4 представлены изображения сжатых «искаженного» и «неискаженного» ЛЧМ радиоимпульсов, а на рисунке 5 - результат сжатия «искаженного» ЛЧМ радиоимпульса в случае, когда влияние ионосферы учтено.
Рис. 3. Сжатый «искаженный» ЛЧМ радиоимпульс
Рис. 4. Сжатый «неискаженный» ЛЧМ радиоимпульс
Рис. 5. «Оптимально» принятый «искаженный» ЛЧМ радиоимпульс
Влияние на искажения ЛЧМ радиоимпульса проиллюстрировано на примере графиков, представленных на рисунках 6 - 7.
Рис. 6. Искажения принятого ЛЧМ радиоимпульса при (а) и (б)
Рис. 7. Искажения принятого ЛЧМ радиоимпульса при (а) и (б)
Величина , как показано в [1], может составлять . Анализ представленных графиков, а также дополнительно проведенных исследований показывает, что при изменении в интервале вид принятого ЛЧМ радиоимпульса почти не отличается от случая, когда бы мы не учитывали искажения данного сигнала ионосферой. Существенные (заметные) искажения начинают проявляться в интервале изменения , что и проиллюстрировано на графиках. Уже при резко начинает расти «пьедестал», величина максимума уменьшаться, а сам сигнал - смещаться. При уровень максимума сравнивается с уровнем «пьедестала», в дальнейшем на его месте образуется даже провал, смещение импульса продолжается. Следовательно, степень искажения принятого ЛЧМ радиоимпульса существенно зависит от величины .
3. Анализ результатов моделирования
По результатам проведенного моделирования можно сделать следующие выводы:
1. Энергетический спектр закона модуляции ЛЧМ радиоимпульса при прохождении его через ионосферу сужается, что обусловлено уменьшением времени запаздывания частотных составляющих сигнала с ростом номинала их частоты.
2. Временная реализация анализируемого радиоимпульса искажается, амплитуда сжатого импульса уменьшается, а длительность увеличивается, что связано с «неоптимальностью» его приема. Степень искажения принятого радиоимпульса существенно зависит от величины .
3. Для оптимизации параметров принимаемых ЛЧМ радиоимпульсов необходимо учитывать их «искажение» в ионосфере.
Следовательно, в ходе предстоящих исследований необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать модель (программу) по расчету величины для различных условий наблюдения воздушной цели.
2. Оценить количественно степень влияния на параметры сжатого ЛЧМ радиоимпульса.
3. Оценить допустимую величину возможной ошибки расчета в зависимости от допустимой степени увеличения ширины (амплитуды) сжатого ЛЧМ радиоимпульса.
Литература
электромагнитный сигнал сверхширокополосный ионосфера
1. Радиоэлектронные системы. Основы построения и теория. Справочник. Под ред. Я.Д. Ширмана. - М.: Радиотехника, 2007, 512 с.
2. Barton, D.K. Radar equation for Modern Radar. - Boston-London, Artech House, 2013. - 448p.
3. Астанин, Л.Ю. Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений // Л.Ю.Астанин, А.А.Костылев - М.: Радио и связь, 1989. - 318с.
4. Охрименко А.Е. Основы радиолокации и радиоэлектронная борьба. Часть 1. Основы радиолокации. - М.: Воениздат, 1983. - 462c.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Анализ современного состояния пропускной способности систем широкополосного беспроводного доступа. Математическая модель и методы модуляции сверхширокополосных сигналов, их помехоустойчивость и процедура радиоприема. Области применения данных сигналов.
контрольная работа [568,2 K], добавлен 09.05.2014Спектральные характеристики периодических и не периодических сигналов. Импульсная характеристика линейных цепей. Расчет прохождения сигналов через линейные цепи спектральным и временным методом. Моделирование в средах MATLAB и Electronics Workbench.
лабораторная работа [774,6 K], добавлен 23.11.2014Модель электрофизических параметров атмосферы. Расчет фазовых искажений сигнала при прохождении через тропосферную радиолинию. Применение линейной частотной модуляции при зондировании. Моделирование параметров радиосигнала после прохождения атмосферы.
дипломная работа [1,5 M], добавлен 15.01.2012Спектральный анализ периодического и непериодического управляющих сигналов. Особенности поинтервального описания входного сигнала. Расчет прохождения периодических и непериодических сигналов через линейные электрические цепи первого и второго порядков.
контрольная работа [827,4 K], добавлен 07.03.2010Определение спектров тригонометрического и комплексного ряда Фурье, спектральной плотности сигнала. Анализ прохождения сигнала через усилитель. Определение корреляционной функции. Алгоритм цифровой обработки сигнала. Исследование случайного процесса.
контрольная работа [272,5 K], добавлен 28.04.2015Основное требование безискаженной передачи сигналов: функция группового времени задержки должна быть частотно независимой величиной. Физические свойства усилителей, фильтров и проводных линий. Причины возникновения амплитудных и фазо-частотных искажений.
реферат [619,9 K], добавлен 24.06.2009Понятие нелинейной цепи, её сопротивление, сила сигнала и тока. Особенности прохождения сигналов через параметрические системы. Амплитудные и балансные модуляции радиосигналов, преобразование частоты. Детектирование амплитудно-модулированных колебаний.
контрольная работа [1,3 M], добавлен 13.02.2015Аппроксимация ВАХ нелинейного элемента полиномом второй степени. Общий анализ резонансного усилителя мощности. Оценка коэффициента нелинейных искажений тока, амплитуды колебаний. Изучение прохождения смеси сигнал + шум через активную линейную цепь.
курсовая работа [778,9 K], добавлен 15.05.2015Нахождение аналитических выражений для импульсной и переходной характеристик цепи. Исследование прохождения видео- и радиосигнала через цепь на основе ее импульсной характеристики. Построение графического изображения сигнала на входе и выходе цепи.
курсовая работа [2,3 M], добавлен 28.10.2011Т-образный реактивный полосовой фильтр, его основные параметры. Анализ прохождения периодической последовательности импульсов через электрический фильтр с заданными параметрами реальных элементов. Входное сопротивление нагруженного четырехполюсника.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 07.08.2013Изучение принципов моделирования радиотехнических устройств. Расчет элементов радиоприемного устройства супергетеродинного типа и прохождения сигнала через них. Анализ усилителя радиочастоты, гетеродина и смесителя. Оценка действия фильтра и детектора.
курсовая работа [5,6 M], добавлен 08.01.2016Проблемы современной радиотехники. Преимущества сверхширокополосных сигналов в сравнении с узкополосными. Эллипсные функции и их связь с круговой тригонометрией. Использование оптимального алгоритма обнаружения радиоимпульсов с эллипсными несущими.
дипломная работа [2,2 M], добавлен 09.03.2015Рассмотрение характеристик аналоговых непериодического и периодического сигналов; их типовые составляющие. Изучение основ методов анализа сигналов во временной и частотной областях; расчет их прохождения через линейную цепь на примере решения задачи.
курсовая работа [2,3 M], добавлен 12.03.2014Анализ сигналов, периодическая последовательность видеосигналов. Радиосигнал, аналитический сигнал, соответствующий радиосигналу. Дискретный сигнал, соответствующий видеосигналу. Анализ электрических цепей. Анализ прохождения сигнала через линейные цепи.
лабораторная работа [239,4 K], добавлен 20.11.2008Изучение свойств спектрального анализа периодических сигналов в системе компьютерного моделирования. Проведение научных исследований и использование измерительных приборов. Изучение последовательности импульсов при прохождении через интегрирующую RC-цепь.
лабораторная работа [2,8 M], добавлен 31.01.2015Технология Ethernet, построение схемы сети и алгоритм работы. Показатели работы сети до и после ввода дополнительных станций, результатов аналитического и имитационного моделирования. Запуск процесса моделирования и анализ результатов базовой модели.
курсовая работа [357,5 K], добавлен 17.04.2012Использование СШП сигнала и его модель. Влияние антенн на сигнал. Расчет угловой разрешающей способности сигналов для линейной и кольцевой антенн. Разработка мероприятий, снижающих воздействие выявленных вредных факторов. Влияние среды на эхо-сигнал.
дипломная работа [3,2 M], добавлен 21.09.2011Синтез эквивалентных и принципиальных схем электрического фильтра и усилителя напряжения. Анализ сложного входного сигнала и его прохождения через схемы разработанных радиотехнических устройств. Анализ спектра последовательности прямоугольных импульсов.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 03.12.2014Анализ прохождения белого шума через колебательный контур. Расчет плотности вероятности стационарного случайного сигнала на выходе электрической цепи; правила его нормализации. Исследование линейных преобразований случайных процессов с помощью LabVIEW.
реферат [5,6 M], добавлен 31.03.2011Знакомство с основными особенностями широкополосного усилителя переменных сигналов, общая характеристика частотных и нелинейных искажений отдельных каскадов. Анализ видов построения схем усилителей. Рассмотрение схем, используемых в усилительной технике.
дипломная работа [643,1 K], добавлен 24.06.2013
