549_Sovremennye_problemy_telekommunikatsij_

Модель двухлучевого канала короткоимпульсной сверхширокополосной системы радиосвязи

В.О. Калинин, В.И. Носов

Работа посвящена специфике сверхширокополосных короткоимпульсных систем радиосвязи на примере моделирования двухлучевого канала. Рассмотрен принцип получения формы зависимости множителя ослабления от расстояния, для модели двухлучевого короткоимпульсного сверхширокополосного радиоканала. Представлены результаты численного моделирования.

Ключевые слова: короткоимпульсные сверхширокополосные системы радиосвязи, модель радиоканала, множитель ослабления.

1. Введение

Двухлучевая модель канала радиосвязи давно и успешно используется для моделирования работы систем радиосвязи на открытом пространстве, и имеет большое практическое значение. Главной характеристикой такой модели является множитель ослабления, участвующий в определении мощности сигнала в точке приема. В классическом варианте вид функции множителя ослабления имеет ярко выраженные чередующиеся интерференционные максимумы и минимумы. При этом, обычно рассматривается случай зеркального отражения волны от подстилающей поверхности.

Для короткоимпульсных сверхширокополосных (КСШП) систем радиосвязи, моделирование двухлучевого канала связи будет иметь ряд особенностей, обусловленных свойствами применяемых сигналов – финитностью и широкополосностью.

Цель данной работы - создание алгоритмов расчета двухлучевой модели канала радиосвязи для КСШП сигналов, и использование полученных алгоритмов для моделирования системы связи. В процессе выполнения работы была создана модель двухлучевого канала для КСШП систем связи, а так же выполнены численные расчеты множителя ослабления.

2. Геометрическая схема

Геометрические соотношения в модели достаточно тривиальны. Так, длины прямого и отраженного лучей соответственно равны:

где D - расстояние между приемной и передающей антеннами, HT и H R - высоты

передающей и приемной антенн соответственно; Разница хода лучей в точке приема определяет сдвиг отраженного сигнала относительно

прямого. Временная разница прихода сигналов в точке приема:

174

При этом в точке приема наблюдается интерференция полей. Степень наложения импульсов зависит от длительности сигнала и геометрических параметров схемы - расстояния между приемником и передатчиком, высоты подвеса антенн.

3. Сигнал в точке приема

Для углов скольжения 10 отражение сигнала близко к зеркальному, при этом изменение фазы принимаем равным 180º, а коэффициент отражения Френеля R=1. Сигнал в точке приема:

где s1 (t) - сигнал, пришедший прямым путем, s2 (t t)- отраженный сигнал, сдвинутый относительно прямого на время t, определяемое (3);

Некоторые варианты интерференционных сигналов для HT =2,5 метра и H R =1 метр, при использовании в s1 (t) импульса Гаусса 2-го порядка, показаны на рисунке 1.

Рисунок 1- Формы интерференционного сигнала в точке приема, при расстояниях между приемником и передатчиком 80 (а) и 100 (б) метров

4. Мощность сигнала в точке приема, множитель ослабления

Как известно, мощность финитного сигнала s(t) на интервале [0;T] определяется выражением:

С учетом (4) и (5), мощность интерференционного импульса будет равна:

175

Поскольку Sr (t) имеет различный вид в зависимости от расстояния D, как хорошо видно на

рисунке 1, то имеет место множество М возможных функций Sr (t). Так как при этом (6)

является скалярной величиной и каждой функции (4) может быть сопоставлено число, то на множестве М имеем заданный функционал:

Этот функционал определяет вид зависимости квадрата модуля множителя ослабления от расстояния, т.к. конкретная реализация функции Sr (t) зависит от расстояния. Действительно,

согласно определению, модуль множителя ослабления равен отношению напряженности поля в точке приема к напряженности поля в свободном пространстве, что может быть представлено в виде отношения мощностей сигнала в точке приема к сигналу в свободном пространстве на таком же расстоянии:

Аналитическое получение выражения (8) затруднено, поэтому, на основе созданной модели, для получения вида зависимости, произведен численный расчет (8) для разных высот подвеса антенны передатчика. Результат представлен на рисунке 2.

176

5. Заключение

Вид полученной зависимости на рисунке 2 показывает фундаментальное различие между традиционной моделью двухлучевого канала и двухлучевым каналом для КСШП систем. Во втором случае имеется только один максимум энергии, положение которого обусловлено геометрией схемы канала. Разработанные алгоритмы используются в построении модели КСШП системы радиосвязи и позволяют рассчитывать форму сигнала в точке приема, что является ключевым элементом для моделирования работы приемного устройства. Недостатком данной модели является упрощение отражения сигнала второго луча от подстилающей поверхности до зеркального отражения. Однако, по существующим экспериментальным данным можно ввести характеристики отражения в модель, что приведет к повышению точности моделирования формы сигнала в точке приема. При этом, зеркальное отражение вызывает наибольшую деградацию принимаемого сигнала при интерференции, что является случаем самых тяжелых условий приема, и позволяет провести оценку помехоустойчивости для наихудших обстоятельств.

Литература

1.Радзиевский В.Г., Трифонов П.А. Обработка сверхширокополосных сигналов и помех. // -М.: Радиотехника, 2009. -286 с.

2.Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering /M.Ghavami, L.B.Michael, R.Kohno // John Wiley & Sons, Ltd. - 2007. -304p.

3.Излучение сверхширокополосных сигналов. /И.Я.Иммореев, А.Н.Синявин// Антенны,

выпуск 1 (47). – 2001. – В.1 (47). – С.8-16.

4.Л.К.Андрусевич, А.А.Ищук, К.А.Лайко. Антенны и распространение радиоволн. // -Н.: Новосибирский государственный технический университет, 2006. -396 с.

5.Characterization and identification of ultrawideband radio propagation channels. A Dissertation. / R.D.Wilson. // University of Southern California, 2005.-146p.

Калинин Вячеслав Олегович

аспирант СибГУТИ, генеральный директор ООО «Центр технологий виртуализации» тел.(383) 312-01-02, E-mail: v.kalinin2@gmail.com

Носов Владимир Иванович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой систем радиосвязи СибГУТИ телю(383) 269-82-54б У-ьфшдЖ nvi@sibsutis.кг

Two-ray model channel of UWB system.

The work is devoted to the specifics of ultra-wideband short-pulse radio systems by the example of a two-ray channel. The principle of obtaining depending on the distance attenuation factor (propagation factor), for two-ray model of short-pulse ultra-wideband radio channel. Present the results of numerical simulation.

Keywords: short-pulse UWB radio system, the model of a radio channel, attenuation factor, propagation factor.

177

Оценка влияния джиттера на помехоустойчивость короткоимпульсной сверхширокополосной системы радиосвязи

В.О. Калинин

В работе рассмотрено влияние джиттера на короткоимпульсную сверхширокополосную систему радиосвязи. Наглядно представлено снижение коэффициента взаимной корреляции принимаемого сигнала и шаблона импульса в приемнике при увеличении расстояния, показаны результаты численного моделирования работы КСШП системы связи с двухлучевым каналом, позволяющие дать количественную оценку влияния джиттера на помехоустойчивость системы.

Ключевые слова: короткоимпульсные сверхширокополосные системы радиосвязи, помехоустойчивость, джиттер.

1. Введение

Джиттер – вредный фактор, влияющий на помехоустойчивость систем связи. Особенное значение джиттер имеет в работе короткоимпульсных сверхширокополосных КСШП систем радиосвязи. В них имеют место эффекты так называемого временного джиттера и джиттера многолучевости. В сочетании с субнаносекундными длительностями опорных сигналов, временной джиттер приводит к существенным изменениям величины взаимной корреляции сигналов, что ведет к падению помехоустойчивости системы.

ель работы – количественная оценка влияния временного джиттера на помехоустойчивость КСШП системы связи. Для этого был разработан ряд алгоритмов, моделирующих работу системы, проведены исследования взаимной корреляционной функции и путем численных расчетов определены кривые BER для случаев отсутствия и присутствия джиттера различной величины.

2. Причины джиттера в КСШП системах.

Временной джиттер КСШП систем проявляется в нестационарности временной позиции импульса, как показано на рисунке 1. Данное явление возникает вследствие нестабильности работы элементов генерирующего оборудования, что приводит к возникновению фазовых шумов, которые являются причиной нестационарности временной позиции генерируемых опорных импульсов, что в свою очередь снижает коэффициент корреляции при приеме. Аналитически величина такого джиттера описывается плотностью вероятности нормального закона распределения.

Вторым эффектом, связанным с появлением джиттера, является более сложное явление – джиттер многолучевого распространения. В рамках работы создан алгоритм коррелометра, реализация которого позволила увидеть девиацию взаимной корреляционной функции принимаемого импульса и его шаблона в корреляторе, в результате явления многолучевости. Это явление так же ведет к падению коэффициент корреляции, а величина этого падения зависит от удаленности точки приема от передающей антенны.

178

Очевидно, что на 5 метрах даже незначительное воздействие шума может сделать результат на выходе коррелятора отрицательным и ниже порога оптимальный порог решения устанавливается в середине шкалы коэффициента корреляции R= , что приведет к неправильному решению.

3. Влияние джиттера на помехоустойчивость системы

Для оценки влияния джиттера на помехоустойвость, потребовалось моделирование работы системы в целом генерация, кодирование, распространение с учетом многолучевости, корреляционный прием, ввод мешающих воздействий и многократные итерации расчетов прохождения сигнальных последовательностей в системе. Моделирование выполнялось с учетом тривиального блочного кодирования, в присутствии аддитивного гауссова шума переменной мощности, и генерации случайного джиттера с нормальным распределением. Результаты данной работы представлены на рисунке 3, для BPSK модуляции с применением в качестве опорного сигнала импульсов -й производной функции Гаусса.

Рисунок 3- Увеличение вероятности ошибки в присутствии джиттера разной величины.

Как видно из рисунка, вероятность ошибки достаточно существенно и неравномерно возрастает при равномерном увеличении величины джиттера. Следует отметить, что данные результаты получены для импульсов формы функций Гаусса -го порядка, и могут отличаться при использовании импульсов, основанных на иных математических зависимостях например, ортогональные модифицированные функции Эрмита . Кроме этого, уменьшение длительности опорных импульсов неизбежно приведет к росту влияния джиттера на помехоустойчивость.

180