Двухлучевой канал распространения
twoRayChannel моделирует узкополосный двухлучевой канал распространения. Двухлучевой канал распространения является простейшим типом многолучевого канала. Для моделирования распространения сигналов в однородной изотропной среде с одной отражающей границей можно использовать двухлучевой канал. Этот тип среды имеет два пути распространения: путь распространения линии визирования (прямой) из одной точки в другую и путь луча, отраженный от границы. Эту системную object™ можно использовать для ближней радиолокационной и мобильной связи, где сигналы распространяются по прямым траекториям, а Земля считается плоской. Этот объект также можно использовать для гидролокаторов и микрофонов. Для акустических приложений можно выбрать поля, которые должны быть неполяризованными, и настроить скорость распространения на скорость звука в воздухе или воде. Вы можете использовать twoRayChannel для моделирования распространения из нескольких точек одновременно.
В то время как объект System работает на всех частотах, модели ослабления для атмосферных газов и дождя действительны только для электромагнитных сигналов в диапазоне частот 1-1000 ГГц. Модель затухания для тумана и облаков действительна для 10 - 1000 ГГц. Вне этих диапазонов частот объект System использует ближайшее допустимое значение.
twoRayChannel Системный объект применяет зависящие от диапазона временные задержки к сигналам, а также коэффициенты усиления или потери, фазовые сдвиги и потери граничного отражения. Объект System применяет доплеровский сдвиг при перемещении источника или пункта назначения.
Сигналы на выходе канала могут поддерживаться отдельно или комбинироваться - управляются CombinedRaysOutput собственность. В отдельном варианте оба поля поступают в пункт назначения отдельно и не объединяются. Для комбинированного варианта два сигнала в источнике распространяются отдельно, но когерентно суммируются в месте назначения в одну величину. Эта опция удобна, когда разница между усилениями датчика или матрицы в направлениях двух путей не является значительной и не должна приниматься во внимание.
В отличие от phased.FreeSpace Системный объект, twoRayChannel Системный объект не поддерживает двустороннее распространение.
Чтобы вычислить задержку распространения для указанных точек источника и приемника:
Определите и настройте двухлучевой канал с помощью следующей процедуры конструирования.
Позвоните в step способ вычисления распространяемого сигнала с использованием свойств twoRayChannel Системный объект.
Поведение step относится к каждому объекту на панели инструментов.
Примечание
Начиная с R2016b, вместо использования step для выполнения операции, определенной объектом System, можно вызвать объект с аргументами, как если бы это была функция. Например, y = step(obj,x) и y = obj(x) выполнять эквивалентные операции.
s2Ray = twoRayChannel создает объект System двухлучевого канала распространения, s2Ray.
s2Ray = twoRayChannel( создает объект System, Name,Value)s2Ray, с каждым указанным свойством Name установить в указанное значение Value. Можно указать дополнительные аргументы пары имен и значений в любом порядке как (Name1,Value1,...,NameN,ValueN).
| сброс | Сброс состояний объекта System |
| шаг | Распространение сигнала из точки в точку с использованием двухлучевой модели |
| Общие для всех системных объектов | |
|---|---|
release | Разрешить изменение значения свойства объекта системы |
Этот пример иллюстрирует двухлучевое распространение сигнала, показывая, как сигналы от линии визирования и отраженного пути поступают в приемник в разное время.
Создание и печать распространяющегося сигнала
Создать неполяризованное электромагнитное поле, состоящее из двух прямоугольных волновых импульсов на несущей частоте 100 МГц. Предположим, что длительность импульса составляет 10 мс, а частота дискретизации - 1 МГц. Полоса пропускания импульса составляет 0,1 МГц. Предположим, что коэффициент заполнения составляет 50%, так что длительность импульса равна половине интервала повторения импульса. Создайте двухимпульсную волну. Установите GroundReflectionCoefficient до 0,9 для моделирования сильной отражательной способности земли. Распространение поля от стационарного источника к стационарному приемнику. Вертикальное разделение источника и приемника составляет приблизительно 10 км.
c = physconst('LightSpeed'); fs = 1e6; pw = 10e-6; pri = 2*pw; PRF = 1/pri; fc = 100e6; lambda = c/fc; waveform = phased.RectangularWaveform('SampleRate',fs,'PulseWidth',pw,... 'PRF',PRF,'OutputFormat','Pulses','NumPulses',2); wav = waveform(); n = size(wav,1); figure; plot((0:(n-1)),real(wav),'b.-'); xlabel('Time (samples)') ylabel('Waveform magnitude')
Укажите местоположение источника и получателя
Разместите источник и приемник на расстоянии около 1000 метров по горизонтали и приблизительно 10 км по вертикали.
pos1 = [1000;0;10000]; pos2 = [0;100;100]; vel1 = [0;0;0]; vel2 = [0;0;0];
Вычисляют прогнозируемые задержки сигнала в единицах выборок.
[rng,ang] = rangeangle(pos2,pos1,'two-ray');Создание двухлучевой канальной системы Object™
Создайте двухлучевый канал распространения System object™ и распространите сигнал вдоль линий визирования и отраженных лучей.
channel = twoRayChannel('SampleRate',fs,... 'GroundReflectionCoefficient',.9,'OperatingFrequency',fc,... 'CombinedRaysOutput',false); prop_signal = channel([wav,wav],pos1,pos2,vel1,vel2);
Постройте график распространяемых сигналов
Постройте график распространения сигнала по линии визирования.
Затем наложите график сигнала, распространенного вдоль отраженного пути.
Наконец, наложить график когерентной суммы двух сигналов.
n = size(prop_signal,1); delay = 0:(n-1); plot(delay,abs(prop_signal(:,1)),'g') hold on plot(delay,abs(prop_signal(:,2)),'r') plot(delay,abs(prop_signal(:,1) + prop_signal(:,2)),'b') hold off legend('Line-of-sight','Reflected','Combined','Location','NorthWest') xlabel('Delay (samples)') ylabel('Signal Magnitude')
График показывает, что задержка отраженного сигнала тракта согласуется с прогнозируемой задержкой. Величина когерентно скомбинированного сигнала меньше, чем любой из распространяемых сигналов, что указывает на наличие некоторой интерференции между этими двумя сигналами.
Создание поляризованного электромагнитного поля, состоящего из линейных ЧМ импульсов. Распространение поля от стационарного источника с пересеченным дипольным антенным элементом до стационарного приемника на расстоянии приблизительно 10 км. Передающая антенна находится на высоте 100 метров над землей. Приёмная антенна находится на высоте 150 м над землёй. Приемная антенна также является скрещенным диполем. Постройте график принятого сигнала.
Установка параметров формы радиолокационного сигнала
Предположим, что длительность импульса равна , а частота дискретизации равна 10 МГц. Полоса пропускания импульса составляет 1 МГц. Предположим, что рабочий цикл 50%, в котором длительность импульса равна половине интервала повторения импульса. Создайте двухимпульсную волну. Предположим, что несущая частота равна 100 МГц.
c = physconst('LightSpeed');
fs = 10e6;
pw = 10e-6;
pri = 2*pw;
PRF = 1/pri;
fc = 100e6;
bw = 1e6;
lambda = c/fc;Настройка обязательных системных объектов
Использовать GroundRelativePermittivity из 10.
waveform = phased.LinearFMWaveform('SampleRate',fs,'PulseWidth',pw,... 'PRF',PRF,'OutputFormat','Pulses','NumPulses',2,'SweepBandwidth',bw,... 'SweepDirection','Up','Envelope','Rectangular','SweepInterval',... 'Positive'); antenna = phased.CrossedDipoleAntennaElement(... 'FrequencyRange',[50,200]*1e6); radiator = phased.Radiator('Sensor',antenna,'OperatingFrequency',fc,... 'Polarization','Combined'); channel = twoRayChannel('SampleRate',fs,... 'OperatingFrequency',fc,'CombinedRaysOutput',false,... 'EnablePolarization',true,'GroundRelativePermittivity',10); collector = phased.Collector('Sensor',antenna,'OperatingFrequency',fc,... 'Polarization','Combined');
Настройка геометрии сцены
Укажите положения, скорости и ориентации передатчика и приемника. Расположите источник и приемник на расстоянии около 1000 м друг от друга по горизонтали и приблизительно 50 м по вертикали.
posTx = [0;100;100]; posRx = [1000;0;150]; velTx = [0;0;0]; velRx = [0;0;0]; laxRx = rotz(180); laxTx = rotx(1)*eye(3);
Создание и излучение сигналов от передатчика
Вычисляют углы передачи для двух лучей, движущихся к приемнику. Эти углы определяются относительно локальной системы координат передатчика. phased.Radiator Система object™ использует эти углы для применения отдельных коэффициентов усиления антенны к двум сигналам.
[rng,angsTx] = rangeangle(posRx,posTx,laxTx,'two-ray');
wav = waveform();Постройте график передаваемого сигнала
n = size(wav,1); plot((0:(n-1))/fs*1000000,real(wav)) xlabel('Time ({\mu}sec)') ylabel('Waveform')
sig = radiator(wav,angsTx,laxTx);
Распространение сигналов на приемник по двухлучевому каналу
prop_sig = channel(sig,posTx,posRx,velTx,velRx);
Прием распространенного сигнала
Вычислите углы приема для двух лучей, поступающих в приемник. Эти углы определяются относительно локальной системы координат приемника. phased.Collector Система object™ использует эти углы для применения отдельных коэффициентов усиления антенны к двум сигналам.
[~,angsRx] = rangeangle(posTx,posRx,laxRx,'two-ray');Собирать и комбинировать полученные лучи.
y = collector(prop_sig,angsRx,laxRx);
График полученной формы сигнала
plot((0:(n-1))/fs*1000000,real(y)) xlabel('Time ({\mu}sec)') ylabel('Received Waveform')
Двухлучевой канал распространения является следующим шагом в усложнении от канала свободного пространства и является простейшим случаем многолучевого распространения среды. Канал свободного пространства моделирует траекторию прямой линии визирования от точки 1 до точки 2. В двухлучевом канале среда задана как однородная, изотропная среда с отражающей планарной границей. Граница всегда устанавливается равной z = 0. Существует не более двух лучей, распространяющихся от точки 1 к точке 2. Первая траектория луча распространяется вдоль той же линии визирования, что и в канале свободного пространства. Траектория линии визирования часто называется прямой траекторией. Второй луч отражается от границы перед распространением на точку 2. Согласно Закону отражения, угол отражения равен углу падения. При моделировании на малых расстояниях, таких как сотовые системы связи и автомобильные радары, можно предположить, что отражающая поверхность, поверхность земли или океана, является плоской.
twoRayChannel и widebandTwoRayChannel Объекты системы моделируют временную задержку распространения, фазовый сдвиг, доплеровский сдвиг и эффекты потерь для обоих путей. Для отраженного пути эффекты потерь включают потери отражения на границе.
На рисунке показаны два пути распространения. Из положения источника, ss и положения приемника, sr, можно вычислить углы прихода обоих путей, θ′los и θ′rp. Углы прихода - это углы возвышения и азимута прибывающего излучения относительно локальной системы координат. В этом случае локальная система координат совпадает с глобальной системой координат. Вы также можете вычислить углы передачи, В глобальных координатах угол отражения на границе тот же, что и углы startrp и θ′rp. Угол отражения важно знать при использовании зависимых от угла данных потери отражения. Угол отражения можно определить с помощью rangeangle и установка опорных осей в глобальную систему координат. Общая длина траектории для линии визирования показана на рисунке Rlos, которая равна геометрическому расстоянию между источником и приемником. Общая длина пути для отраженного пути равна Rrp = R1 + R2. Величина L - это диапазон земли между источником и приемником.
В глобальной системе координат можно легко получить точные формулы для длин и углов траектории с точки зрения диапазона земли и высоты объекта.
− zr) Ltanstartrp = − (zs + zr) Lθ′los=−θlosθ′rp=θrp
[1] Саакян, А. Основы распространения радиоволн. Норвуд, Массачусетс: Artech House, 2011.
[2] Balanis, C. Advanced Engineering Electromagnetics. Нью-Йорк: Wiley & Sons, 1989.
[3] Раппапорт, Т. Беспроводная связь: принципы и практика, 2-е изд. Нью-Йорк: Прентис Холл, 2002.
[4] Сектор радиосвязи Международного союза электросвязи. Рекомендация ITU-R P.676-10: Ослабление атмосферными газами. 2013.
[5] Сектор радиосвязи Международного союза электросвязи. Рекомендация ITU-R P.840-6: Затухание из-за облачности и тумана. 2013.
[6] Сектор радиосвязи Международного союза электросвязи. Рекомендация ITU-R P.838-3: Специфическая модель ослабления дождя для использования в методах прогнозирования. 2005.