Анализ частотных характеристик метеорного радиоканала
|
Введение
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЧАСТОТНО-ИЗБИРАТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ
МЕТЕОРНОГО РАДИОКАНАЛА 5
1.1. Специальные приложения систем метеорной связи 5
1.2. Метеорное распространение радиоволн 7
1.2.1. Формирование метеорного следа 7
1.2.2. Взаимодействие радиоволн с метеорным следом 9
1.3. Теория радиоотражения 10
1.3.1. Отражение от недоуплотненного следа 12
1.3.2. Отражение от переуплотненного следа 15
1.4. Фаза радиометеорного отражения 17
1.5. Основные факторы частотно-избирательных свойств метеорного канала 20
1.5.1. Частотные свойства и характеристики антенн 21
1.5.2. Частотные свойства среды распространения сигнала 23
1.5.3. Частотные свойства метеорного следа 25
2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 27
2.1. Модель метеорного радиоканала 27
2.2. Моделирование частотно-избирательных свойств канала 30
2.3. Формат входных и выходных данных модели 33
2.4. Обработка и анализ результатов моделирования 35
2.5. План исследования. Сценарий моделирования 39
3. АНАЛИЗ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 41
3.1. Влияние частотно-избирательных свойств антенн 42
3.2. Влияние среды распространения 46
3.3. Сопоставление значимости различных физических факторов 47
3.4. Влияние протяжённости радиолинии 49
3.5. Влияние времени организации сеанса связи 51
3.6. Сопоставление частотных характеристик различных типов
радиоотражений 53
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 63
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 65
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 67
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 68
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЧАСТОТНО-ИЗБИРАТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ
МЕТЕОРНОГО РАДИОКАНАЛА 5
1.1. Специальные приложения систем метеорной связи 5
1.2. Метеорное распространение радиоволн 7
1.2.1. Формирование метеорного следа 7
1.2.2. Взаимодействие радиоволн с метеорным следом 9
1.3. Теория радиоотражения 10
1.3.1. Отражение от недоуплотненного следа 12
1.3.2. Отражение от переуплотненного следа 15
1.4. Фаза радиометеорного отражения 17
1.5. Основные факторы частотно-избирательных свойств метеорного канала 20
1.5.1. Частотные свойства и характеристики антенн 21
1.5.2. Частотные свойства среды распространения сигнала 23
1.5.3. Частотные свойства метеорного следа 25
2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 27
2.1. Модель метеорного радиоканала 27
2.2. Моделирование частотно-избирательных свойств канала 30
2.3. Формат входных и выходных данных модели 33
2.4. Обработка и анализ результатов моделирования 35
2.5. План исследования. Сценарий моделирования 39
3. АНАЛИЗ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 41
3.1. Влияние частотно-избирательных свойств антенн 42
3.2. Влияние среды распространения 46
3.3. Сопоставление значимости различных физических факторов 47
3.4. Влияние протяжённости радиолинии 49
3.5. Влияние времени организации сеанса связи 51
3.6. Сопоставление частотных характеристик различных типов
радиоотражений 53
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 63
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 65
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 67
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 68
Метеорная связь предназначена для специфических, экстремальных условий и чрезвычайных ситуаций, в которых менее устойчиво работают многие системы связи. Например, для работы в труднодоступных и приполярных районах.
Одним из перспективных направлений прикладного применения метеорного распространения радиоволн является создание систем метеорной синхронизации разнесенных шкал времени, потенциально обеспечивающих субнаносекундную точность синхронизации. В последнее время появились новые методы защиты информации, передаваемой через метеорный канал. В частности, можно отметить методы метеорной генерации и распределения секретных ключей шифрования.
Полоса пропускания канала очень важна при разработке когерентных многочастотных систем метеорной связи и синхронизации, а организация параллельных каналов может в несколько раз повысить быстродействие систем метеорной криптографии. Однако частотно-избирательные свойства канала связи ограничивают максимальный разнос частот и обуславливают искажения частотных характеристик метеорных радиоотражений, что ограничивает достижимую точность систем метеорной синхронизации. Для обеспечения успешного функционирования указанных метеорных систем и предсказания степени искажения формы синхросигнала при распространении необходимо исследовать амплитудно-частотную (АЧХ), фазово-частотную характеристику (ФЧХ) и оценить полосу пропускания метеорного канала.
Целью данной работы является:
Оценка влияния различных физических факторов на ограничение полосы пропускания метеорного радиоканала.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) Выполнить предварительный анализ и выявить основные физические факторы, определяющие частотные свойства метеорного радиоканала;
2) Выполнить цикл имитационных экспериментов по моделированию АЧХ и ФЧХ канала для метеорных радиолиний различной протяженности;
3) Выполнить сравнительный анализ значимости различных физических факторов, определяющих частотные свойства канала;
4) Исследовать влияние протяжённости радиолинии и времени организации сеанса связи на полосу пропускания канала;
5) Сопоставить частотные характеристики каналов, создаваемых различными типами метеорных радиоотражений;
6) Исследовать динамику частотных свойств канала в течение радиоотражения.
Настоящая работа состоит из трёх глав. В первой главе рассматриваются основные сведения о физических механизмах образования и ионизации метеорных следов, об основных факторах, определяющих частотные свойства метеорного радиоканала. Во второй главе представлено описание моделирования метеорного радиоканала, методики исследования и программы, реализующей обработку частотных характеристик метеорных радиоотражений. В третьей главе представлены основные результаты, полученные в ходе выполнения работы. В заключении представлены основные выводы по работе.
Одним из перспективных направлений прикладного применения метеорного распространения радиоволн является создание систем метеорной синхронизации разнесенных шкал времени, потенциально обеспечивающих субнаносекундную точность синхронизации. В последнее время появились новые методы защиты информации, передаваемой через метеорный канал. В частности, можно отметить методы метеорной генерации и распределения секретных ключей шифрования.
Полоса пропускания канала очень важна при разработке когерентных многочастотных систем метеорной связи и синхронизации, а организация параллельных каналов может в несколько раз повысить быстродействие систем метеорной криптографии. Однако частотно-избирательные свойства канала связи ограничивают максимальный разнос частот и обуславливают искажения частотных характеристик метеорных радиоотражений, что ограничивает достижимую точность систем метеорной синхронизации. Для обеспечения успешного функционирования указанных метеорных систем и предсказания степени искажения формы синхросигнала при распространении необходимо исследовать амплитудно-частотную (АЧХ), фазово-частотную характеристику (ФЧХ) и оценить полосу пропускания метеорного канала.
Целью данной работы является:
Оценка влияния различных физических факторов на ограничение полосы пропускания метеорного радиоканала.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) Выполнить предварительный анализ и выявить основные физические факторы, определяющие частотные свойства метеорного радиоканала;
2) Выполнить цикл имитационных экспериментов по моделированию АЧХ и ФЧХ канала для метеорных радиолиний различной протяженности;
3) Выполнить сравнительный анализ значимости различных физических факторов, определяющих частотные свойства канала;
4) Исследовать влияние протяжённости радиолинии и времени организации сеанса связи на полосу пропускания канала;
5) Сопоставить частотные характеристики каналов, создаваемых различными типами метеорных радиоотражений;
6) Исследовать динамику частотных свойств канала в течение радиоотражения.
Настоящая работа состоит из трёх глав. В первой главе рассматриваются основные сведения о физических механизмах образования и ионизации метеорных следов, об основных факторах, определяющих частотные свойства метеорного радиоканала. Во второй главе представлено описание моделирования метеорного радиоканала, методики исследования и программы, реализующей обработку частотных характеристик метеорных радиоотражений. В третьей главе представлены основные результаты, полученные в ходе выполнения работы. В заключении представлены основные выводы по работе.
В рамках настоящей магистерской работы оценивалось влияние различных физических факторов на частотные характеристики метеорного радиоканала. Выполненные оценки показали, что сильнее всего полоса пропускания метеорного канала сокращается из-за частотно-селективных замираний, обусловленных дисперсионными свойствами среды распространения сигнала. Были выявлены закономерности изменения частотных характеристик в зависимости от протяженности радиолинии, типа радиоотражения и стадии существования метеорного следа.
В частности, в ходе выполнения работы были получены следующие результаты:
1) Выявлено, что основными физическими факторами, определяющими частотные свойства метеорного радиоканала являются частотные свойства антенн, среды распространения и линейные размеры ионизированного метеорного следа;
2) Выполнен цикл из 24 имитационных экспериментов по моделированию АЧХ и ФЧХ канала для трех радиолиний различной протяженности (Москва-Нижний Новгород - длина 401,8км, Москва-Казань - 719,8км, Москва-Екатеринбург - 1415,4 км). Суммарный объем сгенерированных в ходе моделирования метеоров более 240000.
3) Было установлено, что наибольшее влияние на частотные свойства канала связи оказывает среда распространения. Её дисперсия сокращает полосу пропускания метеорного радиоканала в среднем на 3,5 МГц, что составляет 32 % от ее типичной величины;
4) Было выявлено, что полоса пропускания канала растет с повышением энергетического потенциала радиолинии. В связи с этим наблюдается тенденция к усилению частотно-избирательных свойств с увеличением протяженности радиолинии. Максимальная полоса пропускания самой короткой (Москва - Нижний Новгород) тестовой линии на 14% превосходила полосу пропускания самой длинной (Москва - Екатеринбург). В течение суток полоса пропускания радиоканала претерпевает изменения. В вечерние часы она сокращается на 17%;
5) Проанализированы частотные характеристики каналов, создаваемых различными типами метеорных радиоотражений. Минимальной полосой пропускания обладают метеорные следы с федингованием сигнала. Их полоса пропускания в среднем до 53% меньше, чем у типичных. Установлено, что переуплотненные следы обеспечивают в 1,7 раз более широкую полосу пропускания, чем недоуплотненные;
6) Исследование динамики частотных свойств канала в течение радиоотражения показало, что к концу радиоотражения частотноизбирательные свойства канала усиливаются и полоса пропускания сокращается на 37,5%;
7) С учётом всех частотных факторов, типичная полоса пропускания метеорного канала составляет от 4 до 9 МГц, что ограничивает точность синхронизации и препятствует организации большого количества параллельных каналов для систем метеорной генерации случайных последовательностей.
В частности, в ходе выполнения работы были получены следующие результаты:
1) Выявлено, что основными физическими факторами, определяющими частотные свойства метеорного радиоканала являются частотные свойства антенн, среды распространения и линейные размеры ионизированного метеорного следа;
2) Выполнен цикл из 24 имитационных экспериментов по моделированию АЧХ и ФЧХ канала для трех радиолиний различной протяженности (Москва-Нижний Новгород - длина 401,8км, Москва-Казань - 719,8км, Москва-Екатеринбург - 1415,4 км). Суммарный объем сгенерированных в ходе моделирования метеоров более 240000.
3) Было установлено, что наибольшее влияние на частотные свойства канала связи оказывает среда распространения. Её дисперсия сокращает полосу пропускания метеорного радиоканала в среднем на 3,5 МГц, что составляет 32 % от ее типичной величины;
4) Было выявлено, что полоса пропускания канала растет с повышением энергетического потенциала радиолинии. В связи с этим наблюдается тенденция к усилению частотно-избирательных свойств с увеличением протяженности радиолинии. Максимальная полоса пропускания самой короткой (Москва - Нижний Новгород) тестовой линии на 14% превосходила полосу пропускания самой длинной (Москва - Екатеринбург). В течение суток полоса пропускания радиоканала претерпевает изменения. В вечерние часы она сокращается на 17%;
5) Проанализированы частотные характеристики каналов, создаваемых различными типами метеорных радиоотражений. Минимальной полосой пропускания обладают метеорные следы с федингованием сигнала. Их полоса пропускания в среднем до 53% меньше, чем у типичных. Установлено, что переуплотненные следы обеспечивают в 1,7 раз более широкую полосу пропускания, чем недоуплотненные;
6) Исследование динамики частотных свойств канала в течение радиоотражения показало, что к концу радиоотражения частотноизбирательные свойства канала усиливаются и полоса пропускания сокращается на 37,5%;
7) С учётом всех частотных факторов, типичная полоса пропускания метеорного канала составляет от 4 до 9 МГц, что ограничивает точность синхронизации и препятствует организации большого количества параллельных каналов для систем метеорной генерации случайных последовательностей.