Документация Engee

Wideband LOS Channel

Широкополосный канал распространения в условиях прямой видимости.

wideband los channel

Описание

Блок Wideband LOS Channel моделирует распространение сигналов из одной точки пространства в несколько точек или из нескольких точек обратно в одну точку по каналам прямой видимости (LOS). Блок моделирует время распространения, потери при распространении в свободном пространстве, доплеровский сдвиг, атмосферные и климатические потери. При моделировании предполагается, что скорость распространения сигнала намного больше скорости объекта и этом случае справедлива модель «stop-and-hop».

При распространении сигнала по каналу LOS к объекту и обратно можно использовать один блок для расчета двусторонней задержки распространения сигнала (туда и обратно) в канале LOS или два блока для расчета односторонней задержки распространения в каждом направлении. Поскольку задержка распространения в свободном пространстве необязательно является целым числом, кратным интервалу дискретизации, может оказаться, что общая задержка в оба направления в расчетах при использовании двустороннего блока распространения отличается от задержки в расчетах при использовании двух блоков одностороннего распространения. По этой причине рекомендуется, когда это возможно, использовать один блок двустороннего распространения.

Порты

Вход

X — излучаемый сигнал
комплексный вектор M на 1 | комплексная матрица M на N

Излучаемый сигнал в виде комплексного вектора-столбца M на 1 или комплексной матрицы M на N. Величина M — длительность сигнала, а N — количество элементов массива точек приема (или подмассива, если поддерживаются подмассивы).

Размерность Сигнал

Вектор-столбец M на 1

Один и тот же сигнал излучается со всех элементов массива (подмассива).

Матрица M на N

Каждый столбец соответствует сигналу, излучаемому соответствующим элементом массива (подмассива).

Размер первого измерения входной матрицы может варьироваться, чтобы имитировать изменяющуюся длительность сигнала. Изменение размера может произойти, например, в случае импульсного сигнала с переменной частотой повторения импульсов.

Типы данных: Float16, Float32, Float64, Int8, Int16, Int32, Int64, UInt8, UInt16, UInt32, UInt64, Bool

Поддержка комплексных чисел: Да

Pos1 — положение передатчика сигнала
вещественный вектор-столбец 3 на 1 | вещественная матрица 3 на N

Положение сигнала задается в виде вещественного вектора-столбца 3 на 1 или вещественной матрицы 3 на N. Величина N — количество положений источников. Примерами положений источников являются координаты передатчиков, элементов массива или подмассивов. Единицы измерения координат положения — метры.

Если Pos1 — вектор-столбец, то он имеет размерность 3 на 1. Если Pos1 — матрица, то каждый ее столбец задает свое положение источника сигнала и имеет размерность 3 на N.

Если Pos1 имеет более одного столбца, то Pos2 может иметь только один столбец. Pos1 и Pos2 не могут оба быть указаны как матрицы.

Типы данных: Float16, Float32, Float64, Int8, Int16, Int32, Int64, UInt8, UInt16, UInt32, UInt64

Pos2 — положение приемника сигнала
вещественный вектор-столбец 3 на 1 | вещественная матрица 3 на N

Положение приемника сигнала задается в виде вещественного вектора-столбца 3 на 1 или вещественной матрицы 3 на N. Величина N — количество приемников, например, позиций элементов массива или подмассива. Единицы измерения координат положения — метры.

Если Pos2 это вектор-столбец, то он имеет размерность 3 на 1. Если Pos2 — матрица, то каждый ее столбец задает свое положение приемника сигнала и имеет размерность 3 на N.

Если Pos1 имеет более одного столбца, то Pos2 может иметь только один столбец. Pos1 и Pos2 не могут оба быть указаны как матрицы.

Типы данных: Float16, Float32, Float64, Int8, Int16, Int32, Int64, UInt8, UInt16, UInt32, UInt64

Vel1 — скорость передатчика сигнала
вещественный вектор-столбец 3 на 1 | вещественная матрица 3 на N

Скорость передатчика, заданная в виде вещественного вектора или матрицы, имеющих ту же размерность, что и Pos1.

Типы данных: Float16, Float32, Float64, Int8, Int16, Int32, Int64, UInt8, UInt16, UInt32, UInt64

Vel2 — скорость приемника сигнала
вещественный вектор-столбец 3 на 1 | вещественная матрица 3 на N | вещественная матрица N на 3

Скорость приемника сигнала, заданная в виде вещественного вектора или матрицы, имеющих ту же размерность, что и Pos2.

Типы данных: Float16, Float32, Float64, Int8, Int16, Int32, Int64, UInt8, UInt16, UInt32, UInt64

Выход

Port_1 — распространяемый сигнал
комплексный вектор-столбец M на 1 |комплексная матрица M на N

Распространяемый сигнал, возвращенный как комплексный вектор-столбец M на 1 или комплексная матрица M на N. Port_1 имеет ту же размерность, что и входной порт X: M – длительность сигнала, а N – количество сигналов.

Типы данных: Float16, Float32, Float64, Int8, Int16, Int32, Int64, UInt8, UInt16, UInt32, UInt64, Bool

Поддержка комплексных чисел: Да

Параметры

Propagation speed (m/s) — скорость распространения сигнала
3e8 (по умолчанию) | положительный скаляр

Скорость распространения сигнала в виде вещественного положительного скаляра.

По умолчанию используется значение скорости света: 3e8.

Единицы измерения — м/c.

Типы данных: Float16, Float32, Float64, Int8, Int16, Int32, Int64, UInt8, UInt16, UInt32, UInt64

Signal carrier frequency (Hz) — несущая частота сигнала
3e8 (по умолчанию) | положительный скаляр

Несущая частота сигнала в виде положительного вещественного скаляра. Единицы измерения — Гц.

Типы данных: Float16, Float32, Float64, Int8, Int16, Int32, Int64, UInt8, UInt16, UInt32, UInt64

Number of subbands — число поддиапазонов
68 (по умолчанию) | положительное целое число

Число обрабатываемых поддиапазонов, заданное как целое положительное число.

Типы данных: Int8, Int16, Int32, Int64, UInt8, UInt16, UInt32, UInt64

Specify atmospheric parameters — учет затухания сигнала в атмосфере
выключено (по умолчанию) | включено

Установите этот флажок, чтобы включить учет затухания сигнала в атмосфере.

При выборе этого параметра в диалоговом окне появляются параметры Temperature (degrees Celsius), Dry air pressure (Pa), Water vapour density (g/m^3), Liquid water density (g/m^3), и Rain rate (mm/h).

Temperature (degrees Celsius) — температура окружающей среды
15 (по умолчанию) | скаляр

Температура окружающей среды, заданная в виде вещественного скаляра. Единица измерения — градусы Цельсия.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите флажок Specify atmospheric parameters.

Dry air pressure (Pa) — атмосферное давление сухого воздуха
101325 (по умолчанию) | положительный скаляр

Атмосферное давление сухого воздуха, заданное в виде положительного вещественного скаляра. Значение этого параметра по умолчанию соответствует одной стандартной атмосфере. Единица измерения — Па.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите флажок Specify atmospheric parameters.

Water vapour density (g/m^3) — плотность водяного пара в атмосфере
7.5 (по умолчанию) | положительный скаляр

Плотность водяного пара в атмосфере, заданная в виде положительного вещественного скаляра. Единица измерения — г/м3.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите флажок Specify atmospheric parameters.

Liquid water density (g/m^3) — плотность жидкой воды
0.0 (по умолчанию) | неотрицательный скаляр

Плотность жидкой воды в тумане или облаках, заданная в виде неотрицательного вещественного скаляра. Единица измерения — г/м3. Типичные значения плотности жидкой воды составляют 0,05 для среднего тумана и 0,5 для густого тумана.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите флажок Specify atmospheric parameters.

Rain rate (mm/h) — интенсивность осадков
0.0 (по умолчанию) | неотрицательный скаляр

Интенсивность осадков, заданная в виде неотрицательного вещественного скаляра. Единица измерения — мм/ч.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите флажок Specify atmospheric parameters.

Perform two-way propagation — включить двустороннее распространение
выключено (по умолчанию) | включено

Установите этот флажок, чтобы выполнить двустороннее распространение между передатчиком и приемником сигнала. В ином случае блок выполняет одностороннее распространение от передатчика к приемнику сигнала.

Inherit sample rate — наследование частоты дискретизации
включено (по умолчанию) | выключено

Установите флажок, чтобы наследовать частоту дискретизации от вышестоящих блоков. В ином случае задайте частоту дискретизации с помощью параметра Sample rate (Hz).

Sample rate (Hz) — частота дискретизации
1e6 (по умолчанию) | положительный скаляр

Частота дискретизации сигнала в виде положительного скаляра. Единица измерения — Гц.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, снимите флажок Inherit sample rate.

Типы данных: Float16, Float32, Float64, Int8, Int16, Int32, Int64, UInt8, UInt16, UInt32, UInt64

Maximum one-way propagation distance (m) — максимальное расстояние распространения в одну сторону
10e3 (по умолчанию) | положительный скаляр

Максимальное расстояние в метрах между передатчиком и приемником сигнала в виде положительного вещественного скаляра. Единица измерения — м. Амплитуды любых сигналов, которые распространяются за пределы этого расстояния, обращаются в ноль.

Алгоритмы

Факторы затухания и потерь

Затухание или потери сигнала в широкополосном канале LOS состоят из четырех компонентов:

,

где

  • — затухание сигнала при распространении в свободном пространстве.

  • — затухание сигнала при распространении в атмосфере.

  • — затухание сигнала при распространении из-за наличия тумана и облаков.

  • — затухание сигнала при распространении из-за наличия осадков.

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

Задержка распространения, доплеровский сдвиг и потери в свободном пространстве

Когда источник и приемник сигнала стационарны друг относительно друга, можно записать выходной сигнал канала свободного пространства как τ , где τ — задержка сигнала, а — потери при распространении в свободном пространстве. Задержка сигнала вычисляется как τ , где — расстояние распространения, а — скорость распространения. Потери на пути в свободном пространстве определяются выражением

,

где — длина волны сигнала.

Эта формула предполагает, что цель находится в дальнем поле передающего элемента или массива. В ближнем поле формула потерь на пути распространения в свободном пространстве недействительна и может привести к значениям потерь меньше единицы, что эквивалентно усилению сигнала. По этой причине для значений потери устанавливаются равными единице.

Если между источником и приемником есть относительное движение, то учитывается доплеровский сдвиг частоты. Сдвиг частоты составляет для одностороннего распространения и для двустороннего распространения. Величина — это относительная скорость приемника относительно источника.

Модель затухания сигналов в атмосфере

Эта модель рассчитывает затухание сигналов, распространяющихся через атмосферные газы.

Электромагнитные сигналы ослабевают при распространении через атмосферу. Этот эффект обусловлен главным образом линиями резонансного поглощения кислорода и водяного пара, меньший вклад вносит газообразный азот. Модель также включает непрерывный спектр поглощения ниже 10 ГГц. Для расчетов используется модель ITU (International Telecommunication Union, Международный союз электросвязи), приведенная в [1]. Модель рассчитывает удельное затухание (затухание на километр) как функцию температуры, давления, плотности водяного пара и частоты сигнала. Модель атмосферных газов действительна для частот 1-1000 ГГц и применима к поляризованным и неполяризованным полям.

Формула для удельного затухания на каждой частоте имеет вид:

.

Величина является мнимой частью комплексного коэффициента преломления атмосферы и состоит из составляющей спектральной линии и непрерывной составляющей:

.

Спектральная составляющая состоит из суммы дискретных спектральных членов, которые представляют собой произведение локализованной функции полосы частот и интенсивности линии спектра . Для атмосферного кислорода интенсивность линии спектра равна:

.

Для атмосферного водяного пара интенсивность линии спектра равна:

,

где:

  • — давление сухого воздуха.

  • — парциальное давление водяного пара.

  • — температура окружающей среды.

Единицы измерения давления — гектопаскали (гПа), а температуры — градусы Кельвина.

Парциальное давление водяного пара связано с плотностью водяного пара , следующим образом:

.

Полное атмосферное давление равно .

Для каждой линии кислорода зависит от двух параметров: и . Аналогично, каждая линия водяного пара зависит от двух параметров: и .

Локализованные функции полосы частот являются сложными функциями частоты. Эти функции зависят от эмпирических параметров модели.

Вычисление общего затухания узкополосного сигнала производится умножением удельного затухание на длину пути . Тогда общее затухание равно:

.

Эту модель затухания сигнала можно применить к широкополосным сигналам. Для этого следует сначала разделить широкополосный сигнал на частотные поддиапазоны, рассчитать затухание сигнала для каждого поддиапазона, а затем просуммировать все ослабленные сигналы поддиапазонов в общий ослабленный сигнал.

Модель затухания сигналов в тумане и облаках

Эта модель рассчитывает затухание сигналов, распространяющихся через туман или облака.

Туман или облака — это одно и то же атмосферное явление. Для расчетов используется модель ITU, приведенная в [2]. Модель рассчитывает удельное затухание (затухание на километр) сигнала как функцию плотности жидкой воды, частоты сигнала и температуры. Модель применима к поляризованным и неполяризованным полям. Формула для удельного затухания на каждой частоте имеет вид:

,

где:

  • — плотность жидкой воды в гм/м3.

  • — удельный коэффициент затухания и зависит от частоты.

Модель затухания в облаках и тумане действительна для частот 10-1000 ГГц. Единицы измерения удельного коэффициента затухания — (дБ/км)/(г/м3).

Вычисление общего затухания узкополосного сигнала производится умножением удельного затухания на длину пути . Тогда общее затухание равно:

.

Эту модель затухания сигнала можно применить к широкополосным сигналам. Для этого следует сначала разделить широкополосный сигнал на частотные поддиапазоны, рассчитать затухание сигнала для каждого поддиапазона, а затем просуммировать все ослабленные сигналы поддиапазонов в общий ослабленный сигнал.

Модель затухания сигналов при наличии осадков

Эта модель рассчитывает затухание сигналов, распространяющихся через районы, где выпадают осадки. Затухание при осадках является доминирующим механизмом затухания и может меняться от места к месту и от года к году.

Электромагнитные сигналы ослабляются при распространении через область осадков. Для расчетов используется модель ITU, приведенная в [3]. Модель рассчитывает удельное затухание (затухание на километр) сигнала как функцию интенсивности осадков, частоты сигнала, поляризации и угла возвышения. Удельное затухание γ зависит от интенсивности осадков по степенному закону:

,

где:

  • — интенсивность осадков. Единицы измерения — мм/ч.

  • параметр и показатель степени зависят от частоты, состояния поляризации и угла возвышения пути сигнала.

Данная модель затухания справедлива для частот 1-1000 ГГц.

Вычисление общего затухания узкополосного сигнала производится умножением удельного затухания на эффективное расстояние распространения, . Тогда общее затухание равно:

.

Эффективное расстояние — это геометрическое расстояние , умноженное на масштабный коэффициент:

,

где — частота. Более подробное описание расчета затухания приведено в [4].

Интенсивность осадков , используемая в этих расчетах, представляет собой долгосрочную статистическую интенсивность осадков [5]. Это интенсивность осадков, которая превышается в 0,01 % случаев.

Модель затухания можно применить к широкополосным сигналам. Сначала разделите широкополосный сигнал на частотные поддиапазоны и примените модель к каждому поддиапазону. Затем суммируйте все ослабленные сигналы поддиапазонов в общий ослабленный сигнал.

Обработка поддиапазонов частот

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

При использовании широкополосных системных объектов или блоков задается число поддиапазонов , на которое нужно разложить широкополосный сигнал. Центральные частоты и ширина поддиапазонов автоматически вычисляются на основе общей ширины полосы и числа поддиапазонов. Общая полоса частот центрирована на несущей или рабочей частоте . Общая полоса пропускания определяется частотой дискретизации . Ширина поддиапазона частот определяется как . Центральные частоты поддиапазонов определяются как

— если -четное,

— если -нечетное.

Некоторые системные объекты позволяют получить центральные частоты поддиапазонов в качестве выходных данных при запуске объекта. Возвращаемые частоты поддиапазонов упорядочены в соответствии с порядком дискретного преобразования Фурье. Сначала отображаются частоты выше несущей, затем частоты ниже несущей.

Ссылки

  1. Recommendation ITU-R P.676-10: Attenuation by atmospheric gases.

  2. Recommendation ITU-R P.840-6: Attenuation due to clouds and fog.

  3. Recommendation ITU-R P.838-3: Specific attenuation model for rain for use in prediction methods.

  4. Recommendation ITU-R P.530-17 (12/2017): Propagation data and prediction methods required for the design of terrestrial line-of-sight systems.

  5. Recommendation ITU-R P.837-7 (06/2017): Characteristics of precipitation for propagation modelling.