超短波无线信道模型特性的评价
本演示的目的是评估VHF无线信道模型在30至80MHz频率范围内的特性。
首先，让我们声明通道的输入值。 这些是以下指标:
- 发射器天线的提升高度,
- 接收器天线提升高度,
- 发射机天线的增益,
- 接收机天线增益,
- 发射信号的功率,
- 接收灵敏度,
- 发射器和接收器之间的距离,
- 频率范围为30至80兆赫，以5兆赫为增量,
- 林区的高度。
In [ ]:
using Printf
In [ ]:
# Исходные параметры
h_tx = 16.0 # Высота подъема антенны передатчика, м
h_rx = 16.0 # Высота подъема антенны приемника, м
G_tx = 1.64 # Коэффициент усиления антенны передатчика
G_rx = 1.64 # Коэффициент усиления антенны приемника
P_tx = 400.0 # Мощность передаваемого сигнала, Вт
sensitivity = 4e-6 # Чувствительность приемника, В
R = 1000.0 # Расстояние между передатчиком и приемником, м
frequencies = 30e6:5e6:80e6 # Частоты от 30 до 80 МГц с шагом 5 МГц
c = 3e8 # Скорость света, м/с
# Условия распространения
forest_height = 30.0; # Высота лесного массива, м
Received_power函数根据模型计算接收信号功率
无线电波在自由空间中的传播。 它把电源作为输入
在P_tx发射机中，G_tx发射机和G_rx接收机的天线的增益系数,
信号的波长λ和发射器和接收器之间的距离R。
在函数中使用的是基于Friis方程，它描述了
理想条件下的信号衰减：接收信号功率成比例
到发射机功率、天线增益系数和平方的乘积
的波长，并且与所述距离的平方和所述波长的平方成反比。,
乘以
(4π)^2. 该模型对于在以下条件下估计信号强度非常有用：
没有障碍和附加的衰减源。
In [ ]:
# Функция для расчета мощности принимаемого сигнала
received_power(P_tx, G_tx, G_rx, λ, R) = P_tx * G_tx * G_rx * λ^2 / ((4 * π)^2 * R^2)
Out[0]:
计算结果以获得直接可见性，而不考虑森林中的衰减。
In [ ]:
println("Моделирование радиоканала в зоне радиотени\n")
# Таблица результатов
@printf("%10s %15s %15s\n", "Частота (МГц)", "Длина волны (м)", "P_prm (Вт)")
@printf("%s\n", "-" ^ 45)
for f in frequencies
λ = c / f # Длина волны
P_prm = received_power(P_tx, G_tx, G_rx, λ, R)
@printf("%10.2f %15.4f %15.6e\n", f / 1e6, λ, P_prm)
end
在不考虑森林高度的情况下总结表格，可以得出以下结论。
- 接收信号功率(P_prm)随着频率的增加而减小。
这是因为波长(λ)减小，信号功率成反比
与波长的平方成比例。 - 在30MHz的频率下，接收信号功率约为
6.81×10-4瓦，而在80MHz的频率下它下降到9.58×10-5瓦。
这种行为对应于无线电波传播的经典模型
自由空间，其中信号衰减取决于距离和频率。
让我们为林地进行计算。 为此，我们将添加一个以前实现的函数。
- 新函数计算信号的衰减取决于森林的频率和高度相对于天线的高度。
如果天线低于森林的高度，则衰减更大。
如果天线高于森林，则衰减较小。
衰减以分贝（dB）表示，然后转换为倍乘以信号功率。 - 接收到的P_prm信号功率乘以attenuation_factor衰减因子以考虑森林效应。
- 结果表现在显示接收信号功率，考虑到森林中的衰减。
此代码允许您更真实地模拟信号通过森林区域时的条件下的无线信道。
In [ ]:
# Функция для расчета затухания в лесу
function forest_attenuation(f, forest_height, h_tx, h_rx)
# Упрощенная модель затухания в лесу
# Затухание зависит от частоты и высоты леса относительно высоты антенн
if h_tx < forest_height || h_rx < forest_height
# Если антенны находятся ниже высоты леса, затухание больше
attenuation = 0.1 * (forest_height - min(h_tx, h_rx)) * (f / 1e6) # Затухание в дБ
else
# Если антенны выше леса, затухание меньше
attenuation = 0.01 * (f / 1e6) # Затухание в дБ
end
return 10^(-attenuation / 10) # Преобразование из дБ в разы
end
Out[0]:
In [ ]:
println("Моделирование радиоканала в зоне радиотени с учетом высоты леса\n")
# Таблица результатов
@printf("%10s %15s %15s\n", "Частота (МГц)", "Длина волны (м)", "P_prm (Вт)")
@printf("%s\n", "-" ^ 45)
for f in frequencies
λ = c / f # Длина волны
P_prm = received_power(P_tx, G_tx, G_rx, λ, R)
# Учет затухания в лесу
attenuation_factor = forest_attenuation(f, forest_height, h_tx, h_rx)
P_prm_forest = P_prm * attenuation_factor
@printf("%10.2f %15.4f %15.6e\n", f / 1e6, λ, P_prm_forest)
end
从表中总结数据，考虑到森林的高度，可以得出以下结论。
- 森林中信号衰减的校正的引入显着降低
的接收信号功率。 这是由于这样的事实，森林面积创建额外的
衰减，特别是在高频下。 - 在30MHz的频率下，信号功率降低到4.30×10-8瓦，并且在80MHz的频率下—到6.04×10-16瓦。
森林中的衰减随着频率的增加而增加，这导致指数
信号功率的降低。 例如，在80MHz的频率下，信号功率变为
几乎可以忽略不计。
结论
最后，我们将比较结果。
- 在不考虑森林的情况下，所有频率的信号功率都保持在足够的水平
用于接收（高于4×10^-6瓦的接收器灵敏度）。 - 考虑到森林，在所有频率的信号功率变得明显低于接收机的灵敏度，这使得通信不可能。
这突出了林地对无线电波传播的关键影响，特别是在高频率下。
基于所述计算，可以考虑用于改进信道的以下建议。
- 为了确保在树木繁茂的地区进行通信，有必要增加发射器的功率
或者使用衰减较低的较低频率。 - 您还可以考虑将天线提升到森林级别以上
以最小化衰减的影响。