ЗВ и мобильная связь 2010. Запорізький національний технічний університет

• Название: Запорізький національний технічний університет
• Анкор: ЗВ и мобильная связь 2010.docx
• Дата: 29.04.2018
• Размер: 37.31 Mb.
• Имя файла: ЗВ и мобильная связь 2010.docx
• Тип: Конспект; #18677
• страница: 2 из 10

Слой Е образуется в области постоянного состава атмосферы; слой F₁ в области молекулярного азота; слой F₂ в области атомного кислорода.

Количество слоев, а так же их строение зависит от солнечной активности, времени года, суток и других причин. Эти слои существенно влияют на радиоволны, вызывая изменение их скорости распространения, приломления, отражения и поглощения.

Днем, когда на атмосферу действует солнечная энергия наблюдаются все четыре слоя, различающиеся плотностью свободных электронов рис( ) . Слои не имеют резких границ ( т.е ионизация не падает до 0), а их высоты и плотность изменяются.

Слой D расположен на высоте 60-80 км и наиболее сильно поглощает СВ и КВ и хорошо отражает волны длиннее 5000 м (60 кГц). Ночью и зимой слой D отсутствует.

Слой Е находится 100-130 км, здесь плотность электрона значительно выше. Этот слой используется для радиосвязи отраженными волнами на ближних расстояниях в дневное время.

Слой F₂ располагается на высоте 250-400 км, его электронная плотность достаточно велика (10⁶ эл. в см³) и изменяется от дня к ночи и от лета к зиме. Это основной слой для радиосвязи отраженными и короткими волнами.

Летом в дневные часы между слоями F₂ и Е на высоте 180-240 км наблюдается слой F₁, зимой этот слой в некоторое годы отсутствует. Во время захода Солнца он поднимается и сливается со слоем F₂.

Интенсивность излучения Солнца, вызывающего ионизацию в верхних слоях атмосферы претерпевает сильные изменения, повторяющееся приблизительно через 11 лет. Эти изменения совпадают с видимыми изменениями состояние Солнца, в частности с изменением числа солнечных пятен и размеров солнечной короны. В годы минимума солнечной активности число пятен уменьшается или совсем исчезает, а размеры короны уменьшаются, резко убывает и ультрафиолетовое излучение, а следовательно и ионизация верхних слоев атмосферы.

Через 5-6 лет картина да наоборот повторяется, ультрафиолетовое излучение увеличивается в 2,5 раза по сравнению с минимумом.

Таким образом строение ионосферы, плотность свободных электронов ее слоев изменяется в течении суток ото дня к ночи; в течении года от месяца к месяцу и в течении 11-летнего цикла, годовой - с временем летнего солнцестояние а суточный - с полуднем.

Годы максимальной активности Солнца – 1959, 1970, 1981, 1992, 2003, 2014 и т.д.

Годы минимальной активности – 1954, 1965, 1976, 1987, 1998, 2009, 2020 и т.д.
Влияние ионосферы на радиосвязь
Неионизированный воздух нижних слоев атмосферы «прозрачен» для сравнительно длинных радиоволн и они распространяются в этих слоях без заметного поглощения, преломления и отражения.

Ионосфера оказывает на РРВ большое влияние. Здесь волна претерпевает преломление, отражение и поглощение.
При этом суточное, сезонное, широтные 11-летние изменения ионосферы существенно влияют на условия радиосвязи и предопределяет выбор рабочих частот для связи отраженными волнами.

Во время захода Солнца он поднимается и сливается со слоем F2.

Интенсивность излучения солнца, вызывающая ионизацию верхних слоев атмосферы претерпевает сильные изменения, повторяющийся приблизительно через 11 лет.

Эти изменения совпадают с видимыми изменениями состояния Солнца, в частности с изменениями числа солнечных пятен и размеров солнечной короны.

В годы минимума солнечной активности число пятен уменьшается или совсем исчезает, а размер короны уменьшается.

Преломление и отражение радиоволн в ионосфере

В ионизированном воздухе скорость распространения радиоволн зависит от частоты и концентрации свободных электронов, и она будет меньше скорости света по сравнению с неионизированном воздухом, где групповая скорость .

Чем выше концентрация электронов, тем меньше .

Степень ионизации атмосферы изменяется с высотой, поэтому ионосфера представляет для радиоволн оптически неоднородную среду (с изменяющийся диэлектрической постоянной), вызывающую их преломление.

Если в воздухе показатель преломления , , то в ионосфере он меньше единицы , потому что меньше единицы.

Влияние неоднородности ионосферы проявляется в том, что радиоволны распространяются не по прямолинейным траекториям, а по криволинейным. В определенных условиях радиоволны будет испытывать полное внутреннее отражение от ионосферы и возвращаются на Землю.

Рассмотрим случай распространения радиоволн в «плоской ионосфере», т.е. в таком ионизированном газе, у которого поверхности одинаковых значений электронной концентрации – параллельные друг другу плоскости.

Считаем, что толщина слоев – малая, в пределах которого электронная концентрация будет иметь постоянные значения.

(3)

На самый нижний слой из неионизированного воздуха падает луч частотой под углом . Коэффициент преломления

(4)

При переходе из одной среды в другую радиоволны, как и световые волны преломляются тем больше, чем меньше диэлектрическая проницаемость второй среды и связанный с ней показатель преломления. Если считать, что радиоволна-луч, то такой луч постепенно преломляясь будет искривляться и отражаться к Земле (рис.6). Фронт волн так же будет постепенно поворачиваться.



Рисунок 6 – Преломление и отражение радиоволн в слоях ионосферы
Поворот волн в вершине траектории происходит в силу явления полного внутреннего отражения, т.е. при переходе из оптических более плотных в оптически менее плотную среду.

Диэлектрическая проницаемость концентрированного слоя определяется как

(5)
- электронная плотность (эл/см³);

(кул) – заряд электрона;

(кг) – масса электрона;

(Ф/м).
Если подставить эти числовые значения в формулу, то получим

(6)

Из формулы видно, что диэлектрическая постоянная концентрированной среды тем меньше, а преломление тем больше , чем больше плотность ионизации и ниже частота колебаний радиоволны (). На более низких частотах преломление сильнее.

Т.е. отражение радиоволн от ионосферы характеризуются следующими закономерностями:

1) чем больше плотность концентрации данного слоя, тем сильнее преломление и отражение;

2)чем короче длина волн , тем большая нужна плотность ионизации для отражения и тем больше путь, совершаемый постепенно преломляющейся волной в ионосфере.

Поэтому более длинные волны отражаются от нижних слоев ионосферы, более короткие – от верхних слоев, а ультракороткие, для которых недостаточна плотность ионизации, пронизывают ионосферу и не отражаясь уходят в пространство.

Отражаются радиоволны по тому же закону, что и световые волны: угол падения равен углу отражения. Поэтому истинный процесс постепенного преломления волны ионосферы можно представить как отражение от некоторой зеркальной поверхности, находящийся на высоте , которую называют действующей высотой отражающего слоя. Величину (рис. 7) можно определить путем геометрического построения, если известны углы, под которыми уходит в пространство и возвращается на Землю радиоволна, и расстояние между пунктами передачи и приема.



Рисунок 7 – Преломление радиоволн различных частот в ионосфере
Собственная частота концентрированного газа

Очевидно, что при значительной электронной плотности диэлектрическая проницаемость газа может оказаться равной нулю. Из выражения для относительной диэлектрической проницаемости ионосферы можно найти круговую частоту при которой при вертикальном падении волн на ионосферный слой:

(7)

– называется собственной частотой ионизированного газа или частотой Лангмюра, или критической частотой .

Фазовая и групповая скорость ионизированного газа.

Для концентрированного газа, без учета потерь фазовая скорость

(8)

т.е. фазовая скорость в ионосфере больше скорости света.

; (9)

В ионизированном газе сигнал распространяется со скоростью, меньшей скорости света ().

Критический угол φ_кр

Отражение радиоволн зависит от угла падения радиоволны на ионизированный слой. Существует критический угол, при котором волна, посланная к данному слою ионосферы испытывает отражение. При углах больше критического радиолуч пронизывает данный слой и проходит к следующему. Он определяется:

,где



Рисунок 8 – Зависимость критического угла от частоты
Из выражения для критического угла можно определить максимальную рабочую частоту (МРЧ) при которой, волны отразятся от ионосферы для заданных электронной плотности и угле падения .

(10)

Если , то при нормальном падении волны на ионосферу отражение не происходит и волна уходит в космическое пространство, и коэффициент отражения равен нулю.

Если , то коэффициент отражения от ионосферы меняется в зависимости от частоты скачком.

Если ,то происходит полное отражение волны от ионосферного слоя и коэффициент отражения равен единице.

При наклонном падении волны ионосфера прозрачная для частот, превышающих


Рисунок 9 – К определению максимального угла падения волны на ионосферу
Из рисунка видно, что луч, направленный по касательной поверхности Земли, падает на ионосферу под наибольшим возможным при данной высоте слоя углом

Из треугольника АОВ имеем

, (11)
где -радиус Земли;

-высота нижней гранцы отражающего слоя ионосферы.

Так как волна не может быть послана под углом, большим чем это говорит об ограничении рабочего диапазона. От ионосферы могут отражаться волны длиннее 10 метров.
Модель статистически неоднородной среды
Детерминированный сигнал при прохождении через неоднородную в пространстве и времени среду, какими являются атмосфера и тропосфера, приобретает характеристики случайного сигнала с флуктуациями, формы, амплитуды, фазы, частоты, поляризации, времени и направления прихода. Для моделирования множителя ослабления или множителя влияния среды или сложной функцией большого числа случайных аргументов, используется математический аппарат теории вероятности.

Флуктуации амплитуда сигнала называется замираниями (федингами), то есть это непрерывный беспорядочные колебания напряженности поля в точке приема. Длительность этих колебаний порядка минут, секунд и даже долей секунд, которые представляют собой искажения, они возникают за счет изменений параметра среды и за счет многолучевого распространения радиоволн.

Под этим понимается то обстоятельство, что результирующее поле в месте приема образуется в результате интерференции множества лучей, воздействующих на приемную антенну. На рис. приведен пример записи изменения во времени уровня напряженности поля при тропосферном рассеивании. Из рисунка видно, что напряженность поля бистро изменяется вокруг некоторого среднего уровня. ,В свою очередь этот уровень изменяется значительно медленно. Поэтому замирания разделяются на быстрые и медленные.

При быстрых замираниях происходит амплитуды напряженности поля вокруг среднего значения которые не изменяется в течении 1…10 минут. Причиной быстрых замираний состоит в том, что напряженность поля в месте приема является результатом интерференции многих волн. Разность хода путей этих волн непрерывно меняется. Амплитуды интерференционных компонентов можно считать одинаковыми, а фазы распределения с одинаковой вероятностью в интервале от 0 до 360 градусов.

При указанных условиях плотность вероятности результирующей величины подчиняется закону Релея:


где это действующее значение напряженности поля;

- среднее значение квадрата действующего значения за период наблюдения Т, которые обычно выбирают порядка 5-15 мин. В терминах теории вероятности - это момент второго порядка величины . График плотности распределения показан на рис.



Рисунок - График плотности распределения для закона Релея

Вероятность того, что уровень принимаемого сигнала будет превышать некоторое минимальное значение , определяется по формуле



Построеный график по формуле( ), приведен на рис ( ).



Рисунок – Функция распределения уровней для быстрых замираний

Здесь по оси абсцисс нанесены значения в процентах, а по оси ординат – значение , в дБ по отношению к медианному значению.

Эта формула ( ) позволяет очень легко определить соотношения между медианным и среднеквадратичным значением. Положив , находим



Заменив в формуле для через с помощью соотношения ( ), плотность распределения можно представить в болие удобном виде для практического применения

,

а функция распределения представляется выражением

.
Наличие замираний обусловливают введение специальные определения для характеристики среднего уровня принимаемого сигнала и степени отклонения мгновенных значений уровня от усадочного среднего значения.

Медианные значения напряженности поля. Медианным принято называть такой уровень сигнала, который превосходится в течении 50% времени приема.



Рисунок – К определению медианного уровня принимаемого сигнала

Предположим что сигнал принимается в течении времени Т, причем изменения напряженности поля во времени представляется сплошной линией на рис. Для нахождения медианного значения напряженности поля необходимо провести прямую, параллельную оси абсцисс, на таком уровне, чтобы сумма промежутков времени, в течении которых фактическое значение меньше этого уровня. На рис. медианный уровень обозначаем через Е_мед. Периоды заштрихованы.Общая длина заштрихованных участков ровна общей длине не заштрихованных.

Средняя частота замираний тем больше, чем короче рабочая длина волн и больше скорость движения неоднородность. Статистическая связь между значениями напряженности поля на интервале расстояний характеризуется нормированной функцией корреляции, которая удовлетворительно описывается



где – интервал разнесения точек наблюдения в пространстве;

- масштаб пространственной корреляции.

Масштаб пространственной корреляции быстрых замираний в направлении вдоль трассы значительно больше, нежели в направлении, перпендикулярном к трассе.

Опыт показывает, что для получения замираний необходимо относительно частотное разнесение .

Случайные изменения медианных значений амплитуды напряженности поля Е_0.5 называется медленными замираниями. Этот вид замираний связан со случайным изменением метеорологических параметров тропосферы. Статистический закон распределения медианных значений подчиняется нормально логарифмическому закону .

Для получение более устойчивого сигнала на входе приемника используют прием на две ( реже четыре ) антенны, разнесенные в направлении перпендикулярном к трассе: на расстояние больше . Кроме того используют разнесение по частоте.
Потери радиосигнала на трассе
Помехами, или шумами называют посторонние сигналы, поступающие на вход радиоприемного устройства одновременно с полезным сигналом и имеющие частоту, попадающую в полосу пропускания приемника. Для уверенного обнаружения полезного сигнала на выходе приемника необходимо, что бы мощность полезного сигнала на входе приемника превышала мощность помехи . При роботе радиолиний различного вида (радиотелеграфа, радиотелефона, телевидения, радиолокации, телеметрии и др.) требуется определенное минимальное отношение /. Минимальная мощность полезного сигнала, необходимая для надежной роботы радиолинии данного вида, определяется уровнем помех. Уровень помех так же, как уровень полезного сигнала, обычно претерпевает случайные изменения во времени. Поэтому вычисляется вероятность того, что на данной радиолинии отношение / превышает заданное значение. Эта вероятность называется устойчивостью роботы радиолинии.

Мощность помех на входе приемника Рш принято определять через шумовую температуру Тш:

( 7.13)

где k=1.38*10^-23 Вт/град*Гц-постоянная Больцмана; -полоса пропускания приемника (в герцах). Суммарная шумовая температура на входе согласованного с антенной приемного устройства

(7.14)

где температура теплового шума приемника, приведенная к его входу, она зависит от типа приемного устройства и возрастает с ростом рабочей частоты, причем в диапазоне сантиметровых и более коротких радиоволн часто превосходит остальные слагаемые формулы и целиком определяет значение;температура теплового шума конструкции приемной антенны, определяемая тепловыми потерями в антенне;антенная температура, определяемая общим воздействием на антенну всех внешних источников шумовых помех, к которым относятся промышленные и атмосферные помехи, помехи космического происхождения, шумы, обусловленные тепловым излучением поверхности и атмосферы Земли; можно представить как сумму шумовых температур, обусловленных отдельными источниками:

, (7.15)

где –температура промышленных помех;–температура атмосферных (грозовых) помех;–температура галактики;–температура дискретных космических источников радиоизлучения;–температура газов атмосферы Земли.

Для определения необходимо вычислить интеграл по полному телесному углу , отсчитываемому из точки наблюдения для каждого из слагаемых формулы (7.15). Например,

, (7.16)

где и –коэффициент направленного действия и нормированная характеристика направленности приемной антенны;)–угловое распределение яркостной температуры внешних источников помех. Яркостной температурой источника помехи (шума) называется температура абсолютно черного тела, создающего такую же спектральную плотность излучения (плотность потока мощности в полосе частот 1Гц), как и данный источник. Основной задачей, решаемой при излучении распространения радиоволн, является разработка методов расчета энергетических параметров радиолинии таким образом, чтобы в точке наблюдения с заданной вероятностью выполнялось необходимое соотношение /. Избыточная мощность передающего устройства приводит к удорожанию системы и к возможному созданию помех сигналами данной станции роботе других радиолиний. Мощности полезного сигнала и помехи на входе приемного устройства зависят от частоты радиоволны. Поэтому в ряде случаев имеется возможность выбора оптимальной рабочей волны, для которой отношение / максимально и энергетические параметры радиолинии при заданных условиях отказываются наилучшими.