widebandTwoRayChannel

Широкополосный двухлучевой канал распространения

Описание

widebandTwoRayChannel моделирует широкополосный 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 неполяризованные поля и настроить скорость распространения на скорость звука в воздухе или воде. Вы можете использовать widebandTwoRayChannel для моделирования распространения из нескольких точек одновременно.

Хотя 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.

widebandTwoRayChannel Системный объект применяет зависящие от диапазона временные задержки к сигналам, а также коэффициенты усиления или потери, фазовые сдвиги и потери граничного отражения. Когда источник или адресат перемещается, системный объект применяет доплеровские сдвиги к сигналам.

Сигналы на выходе канала могут храниться отдельно или комбинироваться. Если сигналы разделяются, оба сигнала поступают в пункт назначения отдельно и не объединяются. Если вы решили объединить сигналы, два сигнала от источника распространяются отдельно, но когерентно суммируются в месте назначения в одну величину. Выберите эту опцию, если разница между усилениями датчика или массива в направлениях двух путей незначительна.

В отличие от phased.WidebandFreeSpace и phased.WidebandLOSChannel Системные объекты, этот системный объект не поддерживает двустороннее распространение.

Чтобы вычислить задержку распространения для указанных точек источника и приемника:

Определите и настройте двухлучевой канал. См. раздел Строительство.
Позвоните в step способ вычисления распространяемого сигнала с использованием свойств widebandTwoRayChannel Системный объект.

Примечание

В качестве альтернативы 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.

Строительство

channel = widebandTwoRayChannel создает объект System двухлучевого канала распространения, channel.

channel = widebandTwoRayChannel(Name,Value) создает объект System, channel, 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).

Свойства

развернуть все

`PropagationSpeed` - Скорость распространения сигнала
`physconst('LightSpeed')` (по умолчанию) | положительный скаляр

Скорость распространения сигнала, заданная как положительный скаляр. Единицы измерения в метрах в секунду. Скорость распространения по умолчанию - это значение, возвращаемое physconst('LightSpeed'). Посмотрите physconst для получения дополнительной информации.

Пример: 3e8

Типы данных: double

`OperatingFrequency` - Рабочая частота
`300e6` (по умолчанию) | положительный скаляр

Рабочая частота, заданная как положительный скаляр. Единицы измерения в Гц.

Пример: 1e9

Типы данных: double

`SpecifyAtmosphere` - Включить модель атмосферного затухания
`false` (по умолчанию) | `true`

Опция для включения модели атмосферного затухания, указанной как false или true. Установить для этого свойства значение true добавление ослабления сигнала, вызванного атмосферными газами, дождем, туманом или облаками. Установить для этого свойства значение false игнорировать атмосферные эффекты при распространении.

`NumSubbands` - Количество поддиапазонов обработки
`64` (по умолчанию) | положительное целое число

Число поддиапазонов обработки, указанное как положительное целое число.

Пример: 128

Типы данных: double

`EnablePolarization` - Включить поляризованные поля
`false` (по умолчанию) | `true`

Параметр для включения поляризованных полей, указанный как false или true. Установить для этого свойства значение true для обеспечения поляризации. Установить для этого свойства значение false игнорировать поляризацию.

Типы данных: logical

`GroundReflectionCoefficient` - Коэффициент отражения грунта
`-1` (дефолт) | скаляр со сложным знаком | вектор ряда 1 на Н со сложным знаком

Наземный коэффициент отражения для области в пункте отражения, определенном как скаляр со сложным знаком или вектор ряда 1 на Н со сложным знаком. Каждый коэффициент имеет абсолютное значение, меньшее или равное единице. Величина N - количество двухлучевых каналов. Единицы измерения безразмерны. Это свойство используется для моделирования неполяризованных сигналов. Для моделирования поляризованных сигналов используйте GroundRelativePermittivity собственность.

Пример: -0.5

Зависимости

Чтобы включить это свойство, установите EnablePolarization кому false.

Типы данных: double
Поддержка комплексного номера: Да

`GroundRelativePermittivity` - Относительная диэлектрическая проницаемость земли
`15` (по умолчанию) | положительный действительный скаляр | действительный вектор 1-by-Nrow положительных значений

Относительная диэлектрическая проницаемость земли в точке отражения, заданная как положительный действительный скаляр или 1-by-N действительный вектор строки положительных значений. Размер N - количество двухлучевых каналов. Единицы диэлектрической проницаемости безразмерны. Относительная диэлектрическая проницаемость определяется как отношение фактической диэлектрической проницаемости заземления к диэлектрической проницаемости свободного пространства. Это свойство применяется при установке EnablePolarization свойство для true. Это свойство используется для моделирования поляризованных сигналов. Для моделирования неполяризованных сигналов используйте GroundReflectionCoefficient собственность.

Пример: 5

Зависимости

Чтобы включить это свойство, установите EnablePolarization кому true.

Типы данных: double

`CombinedRaysOutput` - Возможность объединения двух лучей на выходе
`true` (по умолчанию) | `false`

Опция для объединения двух лучей на выходе канала, указанная как true или false. Когда это свойство true, объект когерентно добавляет распространенный сигнал линии визирования и отраженный сигнал траектории при формировании выходного сигнала. Используйте этот режим, если не требуется включать в моделирование коэффициент усиления антенны или решетки.

Типы данных: logical

`MaximumDistanceSource` - Источник максимального расстояния одностороннего распространения
`'Auto'` (по умолчанию) | `'Property'`

Источник максимального расстояния одностороннего распространения, указанный как 'Auto' или 'Property'. Максимальное расстояние одностороннего распространения используется для выделения достаточного объема памяти для вычисления задержки сигнала. При установке для этого свойства значения 'Auto', объект System автоматически распределяет память. При установке для этого свойства значения 'Property', максимальное расстояние одностороннего распространения задается с помощью значения MaximumDistance собственность.

Типы данных: char

`MaximumDistance` - Максимальное расстояние одностороннего распространения
`10000` (по умолчанию) | положительный скаляр с действительным значением

Максимальное расстояние одностороннего распространения, заданное как положительный действительный скаляр. Единицы в метрах. Любой сигнал, распространяющийся больше максимального одностороннего расстояния, игнорируется. Максимальное расстояние должно быть больше или равно наибольшему расстоянию между позициями.

Пример: 5000

Зависимости

Чтобы включить это свойство, установите значение MaximumDistanceSource свойство для 'Property'.

Типы данных: double

`MaximumNumInputSamplesSource` - Источник максимального количества образцов
`'Auto'` (по умолчанию) | `'Property'`

Источник максимального количества выборок входного сигнала, указанный как 'Auto' или 'Property'. При установке для этого свойства значения 'Auto'модель распространения автоматически выделяет достаточно памяти для буферизации входного сигнала. При установке для этого свойства значения 'Property', вы указываете максимальное количество выборок во входном сигнале с помощью MaximumNumInputSamples собственность. Любой входной сигнал длиннее этого значения усекается.

Чтобы использовать этот объект с сигналами переменного размера в функциональном блоке MATLAB ® в ^Simulink ®, установите MaximumNumInputSamplesSource свойство для 'Property' и задайте значение для MaximumNumInputSamples собственность.

Пример: 'Property'

Зависимости

Чтобы включить это свойство, установите MaximumDistanceSource кому 'Property'.

Типы данных: char

`MaximumNumInputSamples` - Максимальное количество выборок входного сигнала
`100` (по умолчанию) | положительное целое число

Максимальное число выборок входного сигнала, указанное как положительное целое число. Входной сигнал является первым аргументом step после самого объекта System. Размер входного сигнала - это количество строк во входной матрице. Любой входной сигнал длиннее этого числа усекается. Для полной обработки сигналов убедитесь, что это значение свойства больше любой максимальной длины входного сигнала.

Генерирующие форму сигнала системные объекты определяют максимальный размер сигнала:

Для любого сигнала, если сигнал OutputFormat свойство имеет значение 'Samples', максимальная длина сигнала - это значение, указанное в NumSamples собственность.
Для импульсных сигналов, если OutputFormat имеет значение 'Pulses'длина сигнала является произведением наименьшей частоты повторения импульсов, количества импульсов и частоты дискретизации.
Для непрерывных сигналов, если OutputFormat имеет значение 'Sweeps'длина сигнала является произведением времени свипа, количества свипов и частоты дискретизации.

Пример: 2048

Зависимости

Чтобы включить это свойство, установите MaximumNumInputSamplesSource кому 'Property'.

Типы данных: double

Методы

сброс	Сброс состояний объекта System
шаг	Распространение широкополосного сигнала из точки в точку с использованием двухлучевой модели канала

Общие для всех системных объектов
`release`	Разрешить изменение значения свойства объекта системы

Примеры

свернуть все

Скалярный широкополосный сигнал, распространяющийся в двухлучевом канале

Открыть сценарий в реальном времени

Этот пример иллюстрирует двухлучевое распространение широкополосного сигнала, показывая, как сигналы от линии визирования и отраженной траектории поступают в приемник в разное время.

Примечание.Каждый вызов функции можно заменить эквивалентным step синтаксис. Например, заменить myObject(x) с step(myObject,x).

Создание и печать передаваемого сигнала

Создание неполяризованного электромагнитного поля, состоящего из двух линейных импульсов ЧМ-сигнала на несущей частоте 100 МГц. Предположим, что длительность импульса составляет 20 мкс, а частота дискретизации - 10 МГц. Полоса пропускания импульса составляет 1 МГц. Предположим, что рабочий цикл 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 = 10e6;
pw = 20e-6;
pri = 2*pw;
PRF = 1/pri;
fc = 100e6;
lambda = c/fc;
bw = 1e6;
waveform = phased.LinearFMWaveform('SampleRate',fs,'PulseWidth',pw,...
    'PRF',PRF,'OutputFormat','Pulses','NumPulses',2,'SweepBandwidth',bw,...
    'SweepDirection','Down','Envelope','Rectangular','SweepInterval',...
    'Positive');
wav = waveform();
n = size(wav,1);
plot([0:(n-1)]/fs*1e6,real(wav),'b')
xlabel('Time (\mu s)')
ylabel('Waveform Magnitude')

Figure contains an axes. The axes contains an object of type line.

Укажите местоположение источника и получателя

Разместите источник и приемник на расстоянии около 1 км по горизонтали и приблизительно 5 км по вертикали.

pos1 = [0;0;100];
pos2 = [1e3;0;5.0e3];
vel1 = [0;0;0];
vel2 = [0;0;0];

Создание широкополосного двухлучевого системного объекта

Создайте двухлучевый канал распространения System object™ и распространите сигнал вдоль линий визирования и отраженных лучей. Один и тот же сигнал распространяется по обоим путям.

channel = widebandTwoRayChannel('SampleRate',fs,...
    'GroundReflectionCoefficient',-0.9,'OperatingFrequency',fc,...
    'CombinedRaysOutput',false);
prop_signal = channel([wav,wav],pos1,pos2,vel1,vel2);

[rng2,angs] = rangeangle(pos2,pos1,'two-ray');

Вычислите временные задержки в мкс.

tm = rng2/c*1e6;
disp(tm)

   16.6815   17.3357

Отображение в градусах расчетных азимутальных и высотных углов путей распространения.

disp(angs)

         0         0
   78.4654  -78.9063

Постройте график распространяемых сигналов

Постройте график действительной части сигнала, распространяемого вдоль линии визирования.
Постройте график действительной части сигнала, распространяемого по отраженному пути.
Постройте график действительной части когерентной суммы двух сигналов.

n = size(prop_signal,1);
delay = [0:(n-1)]/fs*1e6;
subplot(3,1,1)
plot(delay,real([prop_signal(:,1)]),'b')
grid
xlabel('Time (\mu sec)')
ylabel('Real Part')
title('Direct Path')

subplot(3,1,2)
plot(delay,real([prop_signal(:,2)]),'b')
grid
xlabel('Time (\mu sec)')
ylabel('Real Part')
title('Reflected Path')

subplot(3,1,3)
plot(delay,real([prop_signal(:,1) + prop_signal(:,2)]),'b')
grid
xlabel('Time (\mu sec)')
ylabel('Real Part')
title('Combined Paths')

Figure contains 3 axes. Axes 1 with title Direct Path contains an object of type line. Axes 2 with title Reflected Path contains an object of type line. Axes 3 with title Combined Paths contains an object of type line.

Задержка отраженного сигнала тракта согласуется с прогнозируемой задержкой. Величина когерентно объединенного сигнала меньше, чем любой из распространяемых сигналов. Этот результат показывает, что два сигнала содержат некоторые помехи.

Сравнение широкополосного двухлучевого распространения в свободное пространство

Открыть сценарий в реальном времени

Вычислить результат распространения широкополосного LFM-сигнала в двухлучевой среде от радара 10 метров над началом координат (0,0,10) до цели на (3000 2000 2000) метрах. Предположим, что радар и цель неподвижны и что передающая антенна изотропна. Объедините сигнал с двух путей и сравните сигнал с сигналом, распространяющимся в свободном пространстве. Система работает на частоте 300 МГц. Установите CombinedRaysOutput свойство для true объединение сигналов прямого тракта и отраженного тракта при формировании выходного сигнала.

Примечание.Этот пример выполняется только в R2016b или более поздних версиях. При использовании более ранней версии замените каждый вызов функции эквивалентным step синтаксис. Например, заменить myObject(x) с step(myObject,x).

Создайте линейный ЧМ-сигнал.

fop = 300.0e6;
fs = 1.0e6;
waveform = phased.LinearFMWaveform();
x = waveform();

Укажите целевое положение и скорость.

posTx = [0; 0; 10];
posTgt = [3000; 2000; 2000];
velTx = [0;0;0];
velTgt = [0;0;0];

Моделирование распространения свободного пространства.

fschannel = phased.WidebandFreeSpace('SampleRate',waveform.SampleRate);
y_fs = fschannel(x,posTx,posTgt,velTx,velTgt);

Моделирование двухлучевого распространения от положения РЛС до цели.

tworaychannel = widebandTwoRayChannel('SampleRate',waveform.SampleRate,...
    'CombinedRaysOutput',true);
y_tworay = tworaychannel(x,posTx,posTgt,velTx,velTgt);
plot(abs([y_tworay y_fs]))
legend('Wideband two-ray (Position 1)','Wideband free space (Position 1)',...
    'Location','best')
xlabel('Samples')
ylabel('Signal Magnitude')
hold on

Figure contains an axes. The axes contains 2 objects of type line. These objects represent Wideband two-ray (Position 1), Wideband free space (Position 1).

Переместите радар на 10 метров по горизонтали во второе положение.

posTx = posTx + [10;0;0];
y_fs = fschannel(x,posTx,posTgt,velTx,velTgt);
y_tworay = tworaychannel(x,posTx,posTgt,velTx,velTgt);
plot(abs([y_tworay y_fs]))
legend('Wideband two-ray (Position 1)','Wideband free space (Position 1)',...
    'Wideband two-ray (Position 2)','Wideband free space (Position 2)',...
    'Location','best')
hold off

Figure contains an axes. The axes contains 4 objects of type line. These objects represent Wideband two-ray (Position 1), Wideband free space (Position 1), Wideband two-ray (Position 2), Wideband free space (Position 2).

Потери распространения в свободном пространстве одинаковы как для первого, так и для второго положения радара. Потери двух лучей различны из-за интерференционного эффекта двух лучей.

Распространение широкополосного поляризованного поля в двухлучевом канале

Открыть сценарий в реальном времени

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 м 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 $составляет 10 мкс$ , а частота дискретизации - 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 = 20e6;
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','Down','Envelope','Rectangular','SweepInterval',...
    'Positive');
antenna = phased.CrossedDipoleAntennaElement(...
    'FrequencyRange',[50,200]*1e6);
radiator = phased.Radiator('Sensor',antenna,'OperatingFrequency',fc,...
    'Polarization','Combined');
channel = phased.WidebandTwoRayChannel('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 приблизительно 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 Системный объект (TM) 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')

Figure contains an axes. The axes contains an object of type line.

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 Системный объект (TM) использует эти углы для применения отдельных коэффициентов усиления антенны к двум сигналам.

[rng1,angsRx] = rangeangle(posTx,posRx,laxRx,'two-ray');
delays = rng1/c*1e6

delays = 1×2

    3.3564    3.4544

Собирайте и объединяйте полученные лучи.

y = collector(prop_sig,angsRx,laxRx);

Постройте график принятого сигнала.

plot([0:(n-1)]/fs*1000000,real(y))
xlabel('Time ({\mu}sec)')
ylabel('Received Waveform')

Figure contains an axes. The axes contains an object of type line.

Двухлучевое распространение широкополосного сигнала LFM с атмосферными потерями

Открыть сценарий в реальном времени

Распространение широкополосного линейного ЧМ-сигнала в двухлучевом канале. Полоса пропускания сигнала составляет 15% от несущей частоты. Предположим, что имеется потеря сигнала, вызванная атмосферными газами и дождем. Сигнал распространяется от передатчика, расположенного в (0,0,0) измеряет в глобальной системе координат до приемника в (10000,200,30) метров. Предположим, что передатчик и приемник неподвижны и что они оба имеют косинусные диаграммы направленности антенн. Постройте график принятого сигнала. Установите давление сухого воздуха 102,0 Па и скорость дождя 5 мм/ч.

Установка параметров формы радиолокационного сигнала

c = physconst('LightSpeed');
fs = 40e6;
pw = 10e-6;
pri = 2.5*pw;
PRF = 1/pri;
fc = 100e6;
bw = 15e6;
lambda = c/fc;

Настройка сценария радара

Создайте требуемые системные объекты.

waveform = phased.LinearFMWaveform('SampleRate',fs,'PulseWidth',pw,...
    'PRF',PRF,'OutputFormat','Pulses','NumPulses',2,'SweepBandwidth',bw,...
    'SweepDirection','Down','Envelope','Rectangular','SweepInterval',...
    'Positive');
antenna = phased.CosineAntennaElement;
radiator = phased.Radiator('Sensor',antenna);
collector = phased.Collector('Sensor',antenna);
channel = widebandTwoRayChannel('SampleRate',waveform.SampleRate,...
    'CombinedRaysOutput',false,'GroundReflectionCoefficient',0.95,...
    'SpecifyAtmosphere',true,'Temperature',20,...
    'DryAirPressure',102.5,'RainRate',5.0);

Настройте геометрию сцены. Укажите положения и скорости передатчика и приемника. Передатчик и приемник неподвижны.

posTx = [0;0;0];
posRx = [10000;200;30];
velTx = [0;0;0];
velRx = [0;0;0];

Указание ориентации передающей и приемной радиолокационной антенны относительно глобальных координат. Передающие антенные точки вдоль положительного х-направления и приемные антенные точки вблизи отрицательного х-направления.

laxTx = eye(3);
laxRx = rotx(5)*rotz(170);

Вычисляют углы передачи, которые являются углами, под которыми два луча, движущиеся к приемнику, покидают передатчик. phased.Radiator Система object™ использует эти углы для применения отдельных коэффициентов усиления антенны к двум сигналам. Поскольку коэффициент усиления антенны зависит от направления пути, необходимо передавать и принимать два луча отдельно.

[~,angTx] = rangeangle(posRx,posTx,laxTx,'two-ray');

Создание и излучение сигналов от передатчика

Излучайте сигналы вдоль направлений передачи.

wavfrm = waveform();
wavtrans = radiator(wavfrm,angTx);

Распространение сигналов на приемник по двухлучевому каналу.

wavrcv = channel(wavtrans,posTx,posRx,velTx,velRx);

Сбор сигнала в приемнике

Вычислите угол, под которым два луча, идущие от передатчика, прибывают к приемнику. phased.Collector Система object™ использует эти углы для применения отдельных коэффициентов усиления антенны к двум сигналам.

[~,angRcv] = rangeangle(posTx,posRx,laxRx,'two-ray');

Соберите и объедините два полученных луча.

yR = collector(wavrcv,angRcv);

График принятого сигнала

dt = 1/waveform.SampleRate;
n = size(yR,1);
plot([0:(n-1)]*dt*1e6,real(yR))
xlabel('Time ({\mu}sec)')
ylabel('Signal Magnitude')

Figure contains an axes. The axes contains an object of type line.

Подробнее

развернуть все

Двухлучевые пути распространения

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.

$\begin{array}{l} \overset{}{} {\overset{}{}}_{} {\overset{}{}}_{} \\ _{} \overset{}{} R\to=x\tos-x\torRlos=|R\to|= \sqrt{{(_{} zr_{-}}^{} zs)^{}} \\ 2_{} + \frac{_{}}{_{} L2R1_{=}} \sqrt{{_{} {zrzr}_{} +}^{} {zz}^{}} \\ (_{} zr \frac{_{+}}{_{} zs)_{}} \sqrt{{2_{+}_{}}^{L2R2} =^{}} \\ _{} zszs_{+}_{zr} \sqrt{{(_{zr} +_{}}^{zs})^{2}} \\ +_{} L2Rrp \frac{=_{} {R1}_{} +}{} \\ R2 =_{(} zr \frac{+_{} {zs}_{)}}{2} \\ {^{+}}_{}_{} \\ {L2tanθlos}^{}_{=} (_{zs} \end{array}$ − zr) Ltanstartrp = − (zs + zr) Lθ′los=−θlosθ′rp=θrp

Двухлучевое затухание

Затухание или потеря пути в двухлучевом канале - произведение пяти компонентов, L = _Ltworay _LG _Lg _Lc _Lr, где

_Ltworay - затухание двухлучевого геометрического пути
_LG - затухание отражения земли
_Lg - затухание атмосферного пути
_Lc - затухание противотуманного и облачного пути
_Lr - затухание дождевого пути

Каждый компонент находится в единицах величины, а не в дБ.

Отражение грунта и потеря распространения

Потери возникают, когда сигнал отражается от границы. Можно получить простую модель потерь отражения земли, представив электромагнитное поле в виде скалярного поля. Этот подход также работает для акустических и гидроакустических систем. Пусть E - скалярное электромагнитное поле свободного пространства, имеющее амплитудные _E0 на опорном расстоянии, _R0 от передатчика (например, один метр). Распространяющееся поле свободного пространства на расстоянии _R10 от передатчика составляет

$_{Элос} =_{} \frac{{E0}_{}}{(_{}}^{R0Rlos) {эйом}_{(t} -}$ Rлос/c)

для траектории линии визирования. Можно выразить отраженное от земли Е-поле как

$_{Erp} =_{}_{} \frac{{LGE0}_{}}{(_{}}^{R0Rrp) (t_{} -}$ Rrp/c)

где _Rrp - расстояние отраженного пути. Величина _LG представляет потери из-за отражения на нулевой плоскости. Для указания _шасси используйте GroundReflectionCoefficient собственность. В целом, _LG зависит от угла падения поля. При наличии эмпирической информации о угловой зависимости _шасси можно использовать rangeangle для вычисления угла падения отраженного пути. Итоговое поле в месте назначения представляет собой сумму полей линии визирования и отраженного пути.

Для электромагнитных волн в более сложной, но более реалистичной модели используется векторное представление поляризованного поля. Падающее электрическое поле можно разложить на два компонента. Один компонент, _Ep, параллелен плоскости падения. Другой компонент, _Es, перпендикулярен плоскости падения. Коэффициенты отражения земли для этих компонентов различаются и могут быть записаны в терминах диэлектрической проницаемости земли и угла падения.

$\begin{array}{l} _{Gp} \frac{=_{}_{} {Z1cosstart1}_{} -_{}}{_{}_{}_{} Z2cos, 2Z1cosstart1 +_{}} \frac{_{Z2cosstart2} \frac{=_{}}{_{}} cosstart1_{−}}{_{} \frac{_{}}{_{}}_{Z2Z1cosü 2 cos, 1}} \\ _{+} \frac{_{}_{}_{} Z2Z1cos2Gs =_{}}{_{} {Z2cos,}_{}_{}_{}} \frac{_{} \frac{_{}}{_{}}_{}}{_{} \frac{_{}}{_{}}_{}} \\ _{} \sqrt{\frac{_{}}{_{}}} \\ _{} \sqrt{\frac{_{}}{_{}}} \end{array}$

где Z - импеданс среды. Поскольку магнитная проницаемость земли почти идентична магнитной проницаемости воздуха или свободного пространства, отношение импедансов зависит в первую очередь от отношения электрических проницаемости.

$\begin{array}{l} _{Gp} \frac{\sqrt{=}_{} αcosstart1 −_{}}{\sqrt{}_{} cosun2imagecosstart1_{+}} \\ _{} \frac{\sqrt{} {cosθ2Gs}_{} =_{}}{\sqrt{} αcosstart2 −_{}_{}} \end{array}$ cosun1αcosstart2 + cosun1

, где величина (,) GroundRelativePermittivity собственность. Угол _start1 - это угол падения, а угол _start2 - это угол преломления на границе. Вы можете определить, используя закон преломления Снелла.

После отражения полное поле восстанавливается из параллельной и перпендикулярной составляющих. Полное затухание нулевой плоскости, _LG, представляет собой комбинацию _Gs и _Gp.

Если источник и пункт назначения являются неподвижными относительно друг друга, можно записать выходные данные. Y из step как Y (t) = F (t-start)/L. Величина λ - задержка сигнала, а L - потеря пути свободного пространства. Запаздывание λ задаётся R/c. R является либо расстоянием пути распространения линии визирования, либо расстоянием отраженного пути, а c - скоростью распространения. Потеря тракта

$_{Ltworay} \frac{{= (}^{4πR}}{)^{}}$ 2λ 2,

где λ - длина волны сигнала.

Модель ослабления атмосферного газа

Эта модель вычисляет ослабление сигналов, которые распространяются через атмосферные газы.

Электромагнитные сигналы ослабляются при их распространении через атмосферу. Этот эффект обусловлен главным образом линиями абсорбционного резонанса кислорода и водяного пара, при этом меньший вклад поступает от газообразного азота. Модель также включает спектр непрерывного поглощения ниже 10 ГГц. Используется модель ITU Рекомендация ITU-R P.676-10: Ослабление атмосферными газами. Модель вычисляет удельное затухание (затухание на километр) как функцию температуры, давления, плотности водяного пара и частоты сигнала. Модель атмосферного газа действительна для частот от 1 до 1000 ГГц и применяется к поляризованным и неполяризованным полям.

Формула для удельного ослабления на каждой частоте

$γ =_{} γ o (f_{)} + γ w (f) =^{}$ 0,1820fN ″ (f).

Величина N "() является мнимой частью комплексной атмосферной рефракции и состоит из компонента спектральной линии и непрерывного компонента:

$N^{} ″ (f \underset{}{)}_{}_{} {^{}}_{}^{} =\sumiSiFi+N″D$ (f)

Спектральная составляющая состоит из суммы дискретных членов спектра, составленной из локализованной функции полосы частот F (f₎ i, умноженной на силу спектральной линии Si. Для атмосферного кислорода сила каждой спектральной линии равна

$_{Si} =_{} {a1}^{\times} {\frac{10 −}{} 7}^{} ({300T}_{)} \frac{3exp [}{} a2 (1$ − (300T)] P.

Для атмосферного водяного пара прочность каждой спектральной линии равна

$_{Si} =_{} {b1}^{\times} {\frac{10 −}{} 1}^{(} 300T)_{3} . \frac{5exp}{[} b2 ($ 1 − (300T)] W.

P - давление сухого воздуха, W - парциальное давление водяного пара, а T - температура окружающей среды. Единицы давления находятся в hectoPascals (hPa), а температура в градусах Кельвина. Парциальное давление водяного пара, W, связано с плотностью водяного пара,

$W \frac{=}{}$ δT216.7.

Общее атмосферное давление P + W.

Для каждой кислородной линии _Si зависит от двух параметров, _a1 и _a2. Аналогично, каждая линия водяного пара зависит от двух параметров, _b1 и _b2. Документация ITU, приведенная в конце этого раздела, содержит таблицы этих параметров в качестве функций частоты.

Локализованные функции _Fi (f) полосы частот представляют собой сложные функции частоты, описанные в ссылках ITU, приведенных ниже. Функции зависят от эмпирических параметров модели, которые также представлены в таблице в привязке.

Для вычисления полного затухания для узкополосных сигналов вдоль тракта функция умножает конкретное затухание на длину тракта R. Тогда полное затухание составляет _Lg = R ₍γ o + γ w).

Модель ослабления можно применить к широкополосным сигналам. Во-первых, разделить широкополосный сигнал на частотные поддиапазоны и применить ослабление к каждому поддиапазону. Затем суммировать все ослабленные поддиапазонные сигналы в общий ослабленный сигнал.

Модель затухания тумана и облака

Эта модель вычисляет ослабление сигналов, которые распространяются через туман или облака.

Туман и затухание облаков - одно и то же атмосферное явление. Используется модель ITU, рекомендация ITU-R P.840-6: Затухание из-за облаков и тумана. Модель вычисляет удельное затухание (затухание на километр) сигнала как функцию плотности жидкой воды, частоты сигнала и температуры. Модель применяется к поляризованным и неполяризованным полям. Формула для удельного ослабления на каждой частоте

$_{γ c} =_{} Kl (f$ ) М,

где М - плотность жидкой воды в ^г/м3. Величина _K1 (f) является удельным коэффициентом ослабления и зависит от частоты. Модель затухания облака и тумана действительна для частот 10-1000 ГГц. Единицами измерения удельного коэффициента затухания являются (дБ/км )/( ^г/м3).

Для вычисления полного затухания для узкополосных сигналов вдоль тракта функция умножает конкретное затухание на длину тракта R. Суммарное затухание равно _Lc = _{Rγ c}.

Модель ослабления можно применить к широкополосным сигналам. Во-первых, разделить широкополосный сигнал на частотные поддиапазоны и применить узкополосное ослабление к каждому поддиапазону. Затем суммировать все ослабленные поддиапазонные сигналы в общий ослабленный сигнал.

Модель ослабления осадков

Эта модель вычисляет ослабление сигналов, которые распространяются через области осадков. Затухание дождя является доминирующим механизмом затухания и может варьироваться от места к месту и от года к году.

Электромагнитные сигналы ослабляются при распространении через область осадков. Затухание осадков рассчитывается в соответствии с моделью осадков ITU Рекомендация ITU-R P.838-3: Специфическая модель затухания для дождя для использования в методах прогнозирования. Модель вычисляет удельное затухание (затухание на километр) сигнала как функцию скорости осадков, частоты сигнала, поляризации и угла возвышения траектории. Конкретное затухание, ɣR, моделируется как закон мощности относительно скорости дождя

$_{γ R} =^{}$ kRα,

где R - скорость дождя. Единицы измерения в мм/ч. Параметр k и экспонента α зависят от частоты, состояния поляризации и угла возвышения сигнального тракта. Модель удельного ослабления действительна для частот от 1 до 1000 ГГц.

Для вычисления полного ослабления для узкополосных сигналов вдоль тракта функция умножает конкретное ослабление на эффективное расстояние распространения, deff. Затем суммарное затухание составляет L = deffγ R.

Эффективное расстояние - это геометрическое расстояние d, умноженное на масштабный коэффициент.

$r \frac{=}{10 .^{}_{}^{}^{} 477d0.633R0.010.073αf0.123 − 10,579 (1 − \exp (}$ − 0 .024d))

где f - частота. В статье Рекомендация ITU-R P.530-17 (12/2017): Данные распространения и методы прогнозирования, необходимые для проектирования наземных систем прямой видимости представляет собой полное обсуждение для вычисления затухания.

Скорость дождя R, используемая в этих расчетах, представляет собой долгосрочную статистическую скорость дождя, R0.01. Это норма дождя, превышающая 0,01% времени. Расчет статистической скорости дождя рассматривается в рекомендации ITU-R P.837-7 (06/2017): Характеристики осадков для моделирования распространения. В этой статье также объясняется, как вычислить затухание для других процентов из значения 0,01%.

Частотная обработка поддиапазонов

Обработка поддиапазонов разлагает широкополосный сигнал на множество поддиапазонов и применяет узкополосную обработку к сигналу в каждом поддиапазоне. Сигналы для всех поддиапазонов суммируются для формирования выходного сигнала.

При использовании широкополосных частотных системных объектов или блоков указывается количество поддиапазонов, NB, в которых разлагается широкополосный сигнал. Центральные частоты и ширина поддиапазонов вычисляются автоматически из общей полосы пропускания и количества поддиапазонов. Общая полоса частот центрирована на несущей или рабочей частоте fc. Общая полоса пропускания определяется частотой дискретизации, _fs. Ширина частотного поддиапазона Δf = f с/NB. _{Центральные} частоты поддиапазонов:

$_{fm} = \begin{matrix} _{{} \frac{{fc}_{}}{−} fs2 + (m − 1_{)} Δf, \\ _{NB} \frac{_{} evenfc_{-}}{(_{}} NB - 1) fs2NB_{+} (m \end{matrix} - 1) Δf,_{NB}$ нечетный, m = 1,..., NB

Некоторые системные объекты позволяют получать центральные частоты поддиапазонов в качестве выходных при запуске объекта. Частоты возвращенных поддиапазонов упорядочиваются последовательно с порядком дискретного преобразования Фурье. Первыми появляются частоты выше несущей, за которыми следуют частоты ниже несущей.

Ссылки

[1] Проакис, J. Digital Communications. Нью-Йорк: Макгроу-Хилл, 2001.

[2] Скольник, М. Введение в радиолокационные системы, 3-й ред. Нью-Йорк: Макгро-Хилл.

[3] Саакян, А. Основы распространения радиоволн. Норвуд, Массачусетс: Artech House, 2011.

[4] Balanis, C. Advanced Engineering Electromagnetics. Нью-Йорк: Wiley & Sons, 1989.

[5] Раппапорт, Т. Беспроводная связь: принципы и практика, 2-е изд. Нью-Йорк: Прентис Холл, 2002.

[6] Сектор радиосвязи Международного союза электросвязи. Рекомендация ITU-R P.676-10: Ослабление атмосферными газами. 2013.

[7] Сектор радиосвязи Международного союза электросвязи. Рекомендация ITU-R P.840-6: Затухание из-за облачности и тумана. 2013.

[8] Сектор радиосвязи Международного союза электросвязи. Рекомендация ITU-R P.838-3: Специфическая модель ослабления дождя для использования в методах прогнозирования. 2005.

Расширенные возможности

Создание кода C/C + +
Создайте код C и C++ с помощью MATLAB ® Coder™

Примечания и ограничения по использованию:

См. Системные объекты в создании кода MATLAB (кодер MATLAB).

См. также

Функции

fogpl | fspl | gaspl | rainpl | rangeangle

Объекты

phased.FreeSpace | phased.LOSChannel | phased.WidebandBackscatterRadarTarget | phased.WidebandFreeSpace | phased.WidebandLOSChannel | twoRayChannel

Представлен в R2021a

Документация

widebandTwoRayChannel

Описание

Строительство

Свойства

PropagationSpeed - Скорость распространения сигнала physconst('LightSpeed') (по умолчанию) | положительный скаляр

OperatingFrequency - Рабочая частота 300e6 (по умолчанию) | положительный скаляр

SpecifyAtmosphere - Включить модель атмосферного затухания false (по умолчанию) | true

Temperature - Температура окружающей среды 15 (по умолчанию) | скаляр с действительным значением

Зависимости

DryAirPressure - Атмосферное давление сухого воздуха 101.325e3 (по умолчанию) | положительный скаляр с действительным значением

Зависимости

WaterVapourDensity - Атмосферная плотность водяного пара 7.5 (по умолчанию) | положительный скаляр с действительным значением

Зависимости

LiquidWaterDensity - Плотность жидкой воды 0.0 (по умолчанию) | неотрицательный действительный скаляр

Зависимости

RainRate - Норма осадков 0.0 (по умолчанию) | неотрицательный скаляр

Зависимости

SampleRate - Частота дискретизации сигнала 1e6 (по умолчанию) | положительный скаляр

NumSubbands - Количество поддиапазонов обработки 64 (по умолчанию) | положительное целое число

EnablePolarization - Включить поляризованные поля false (по умолчанию) | true

GroundReflectionCoefficient - Коэффициент отражения грунта -1 (дефолт) | скаляр со сложным знаком | вектор ряда 1 на Н со сложным знаком

Зависимости

Зависимости

CombinedRaysOutput - Возможность объединения двух лучей на выходе true (по умолчанию) | false

MaximumDistanceSource - Источник максимального расстояния одностороннего распространения 'Auto' (по умолчанию) | 'Property'

MaximumDistance - Максимальное расстояние одностороннего распространения 10000 (по умолчанию) | положительный скаляр с действительным значением

Зависимости

MaximumNumInputSamplesSource - Источник максимального количества образцов 'Auto' (по умолчанию) | 'Property'

Зависимости

MaximumNumInputSamples - Максимальное количество выборок входного сигнала 100 (по умолчанию) | положительное целое число

Зависимости

Методы

Примеры

Скалярный широкополосный сигнал, распространяющийся в двухлучевом канале

Сравнение широкополосного двухлучевого распространения в свободное пространство

Распространение широкополосного поляризованного поля в двухлучевом канале

Двухлучевое распространение широкополосного сигнала LFM с атмосферными потерями

Подробнее

Двухлучевые пути распространения

Двухлучевое затухание

Отражение грунта и потеря распространения

Модель ослабления атмосферного газа

Модель затухания тумана и облака

Модель ослабления осадков

Частотная обработка поддиапазонов

Ссылки

Расширенные возможности

Создание кода C/C + + Создайте код C и C++ с помощью MATLAB ® Coder™

См. также

Функции

Объекты

Документация по панели инструментов радара

Поддержка

`PropagationSpeed` - Скорость распространения сигнала
`physconst('LightSpeed')` (по умолчанию) | положительный скаляр

`OperatingFrequency` - Рабочая частота
`300e6` (по умолчанию) | положительный скаляр

`SpecifyAtmosphere` - Включить модель атмосферного затухания
`false` (по умолчанию) | `true`

`Temperature` - Температура окружающей среды
`15` (по умолчанию) | скаляр с действительным значением

`DryAirPressure` - Атмосферное давление сухого воздуха
`101.325e3` (по умолчанию) | положительный скаляр с действительным значением

`WaterVapourDensity` - Атмосферная плотность водяного пара
`7.5` (по умолчанию) | положительный скаляр с действительным значением

`LiquidWaterDensity` - Плотность жидкой воды
`0.0` (по умолчанию) | неотрицательный действительный скаляр

`RainRate` - Норма осадков
`0.0` (по умолчанию) | неотрицательный скаляр

`SampleRate` - Частота дискретизации сигнала
`1e6` (по умолчанию) | положительный скаляр

`NumSubbands` - Количество поддиапазонов обработки
`64` (по умолчанию) | положительное целое число

`EnablePolarization` - Включить поляризованные поля
`false` (по умолчанию) | `true`

`GroundReflectionCoefficient` - Коэффициент отражения грунта
`-1` (дефолт) | скаляр со сложным знаком | вектор ряда 1 на Н со сложным знаком

`CombinedRaysOutput` - Возможность объединения двух лучей на выходе
`true` (по умолчанию) | `false`

`MaximumDistanceSource` - Источник максимального расстояния одностороннего распространения
`'Auto'` (по умолчанию) | `'Property'`

`MaximumDistance` - Максимальное расстояние одностороннего распространения
`10000` (по умолчанию) | положительный скаляр с действительным значением

`MaximumNumInputSamplesSource` - Источник максимального количества образцов
`'Auto'` (по умолчанию) | `'Property'`

`MaximumNumInputSamples` - Максимальное количество выборок входного сигнала
`100` (по умолчанию) | положительное целое число

Создание кода C/C + +
Создайте код C и C++ с помощью MATLAB ® Coder™