Моделирование канала коротковолновой радиосвязи

Владимир Иванович Шлома, 2017

При проектировании и испытаниях радиоаппаратуры, входящей в состав коротковолнового канала радиосвязи, нужно проводить ее трассовые испытания, что очень дорого и трудоемко. На предварительных испытаниях трассовые испытания можно заменить моделированием радиоканала на стенде, имитирующем канал радиосвязи. Но при этом возникают значительные сложности, так как для обеспечения требуемой достоверности испытаний, испытательный сигнал должен быть сформирован максимально близким к сигналу, возникающему в КВ радиоканале на реальной трассе. В работе приведена методика расчета сигнала и помехи в пункте приема для конкретной радиотрассы, и обоснованы способы формирования испытательного сигнала при моделировании радиоканала на этой трассе, для получения сигнала с заданными параметрами и с огибающей, распределенной по нормальному, полунормальному или логарифмическому законам распределения.

Расчет отношения сигнал/шум на входе приемника

Отношение с/ш обычно обозначается, и вычисляется по формуле:

где Р_с — мощность сигнала на входе приемника;

Р_п — мощность шума (помехи) на входе приемника.

Зная напряженность поля сигнала в точке приема Е_с и параметры приемной антенны, по формулам, приведенным в [2], можно определить напряжение сигнала U_с на входе приемника:

(1)

где F(φ) — функция направленности антенны в вертикальной плоскости;

R_a — волновое сопротивление антенны;

R_f — волновое сопротивление фидера;

— действующая длина антенны,

где F_max — максимальное значение функции направленности.

Соответственно мощность сигнала будет определяться по формуле:

Напряжение помехи рассчитывается по формулам, приведенным в [3] для симметричного полуволнового вибратора в свободном пространстве, то есть, без учета влияния земли. Поскольку в качестве приемной антенны у нас используется симметричный вибратор с характеристиками от полуволнового до волнового и высотой подвеса h=λ/2, диаграмма направленности которого отличается от диаграммы направленности полуволнового вибратора в свободном пространстве, нужно определить коэффициент для пересчета напряжения шума. Для этого сравним диаграммы направленности полуволнового и волнового симметричных вибраторов.

Функция направленности симметричного вибратора, находящегося в свободном пространстве в плоскости, проходящей через ось вибратора записывается в виде [2]:

(2)

где k=2π/λ — волновое число;

— длина плеча вибратора в частях длины волны λ;

α — угол в радианах, отсчитываемый от оси вибратора.

Поскольку для полуволнового симметричного вибратора =λ/4, то для него функция направленности запишется:

(3)

Максимальное значение F(α)_λ/2max=1 при α=π/2.

Функцию направленности в плоскости, перпендикулярной оси вибратора можно записать:

(4)

Для волнового симметричного вибратора =λ/2 и функция направленности будет иметь вид:

(5)

Максимальное значение F(α)_λmax=2 при α=π/2.

Функцию направленности в плоскости, перпендикулярной оси вибратора можно записать:

(6)

Влияние земли на диаграмму направленности антенны учитывают с помощью формулы [2]:

(7)

где k_o — коэффициент отражения от земли, примем k_o=1;

h=λ/2 — высота подвеса антенны;

β — сдвиг фаз между антенной и ее зеркальным отражением, для горизонтальных антенн β=180^о;

φ₁ — угол, отсчитываемый от вертикали.

Тогда

(8)

После перехода к дополнительному углу φ=90^о-φ₁, отсчитываемому от поверхности земли, будем иметь:

(9)

Тогда функции направленности полуволнового и волнового вибраторов в вертикальной плоскости можно записать:

(10)

(11)

Максимальные значения этих функций будут F(φ)_λ/2max=2 и F(φ)_λmax=4, при двух значениях углов φ=30^о и φ=150^о.

Максимальные значения функций направленности в плоскости вибратора и в плоскости перпендикулярной оси вибратора должны быть равны. Если максимальное значение функции направленности в плоскости перпендикулярной оси вибратора увеличилось в

раз, то и в плоскости проходящей через ось вибратора и расположенной под углом к горизонту, соответствующему максимальному значению функции направленности в плоскости перпендикулярной оси вибратора, максимальное значение

увеличилось в

раз. Поэтому, функции направленности в плоскости проходящей через ось вибратора и расположенной под углом

φ

=30

^о

к горизонту, то есть плоскости, проходящей через середину одного из двух лепестков диаграммы направленности, нужно пересчитать по формулам:

(12)

(13)

В дальнейшем приведенные выше функции направленности (12) и (13) будем считать функциями диаграммы направленности в горизонтальной плоскости.

Мощность помехи, приходящей с некоторого направления под углами α и φ будет определяться по формуле:

(14)

где U_п — напряжение помехи на входе приемника;

— действующая длина антенны;

R_a — волновое сопротивление антенны;

R_f — волновое сопротивление фидера;

E_п — напряженность поля помехи в точке приема;

— коэффициент пропорциональности;

— функция направленности антенны;

— нормированная функция направленности антенны;

F_max — максимальное значение функции направленности антенны.

Будем считать, что помеха принимается антенной со всех направлений верхней полусферы с одинаковой интенсивностью, фазы случайны и равновероятны. Тогда мощность принимаемых помех будет суммой элементарных мощностей ΔР_п, то есть интегралом по полусфере:

(15)

где

(16)

где

— нормированная функция направленности в горизонтальной плоскости;

— нормированная функция направленности в вертикальной плоскости.

Мощность помех, принимаемых из верхней полусферы эквивалентной антенной (симметричным полуволновым вибратором в свободном пространстве), для которого F_н(φ)=1 и F_max=1, будет вычисляться по формуле:

(17)

Чтобы перейти от мощности помех в эквивалентной антенне к мощности помех в реальной антенне, введем коэффициент пересчета, определяемый как:

(18)

Тогда мощность помехи в реальной антенне будет вычисляться по формуле:

(19)

Подставив в формулу (18) значения Р_п и Р_пэ из (15) и (17), получим выражение для вычисления коэффициента пересчета:

(20)

Вычислим значения коэффициентов пересчета для двух реальных антенн с высотой подвеса над землей h=λ/2, полуволнового симметричного вибратора и волнового симметричного вибратора.