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        QPSK 調(diào)制通信信號(hào)在等離子體鞘套中傳輸特性計(jì)算模型及仿真分析

        2020-12-31 01:47:22鄔潤(rùn)輝劉佳琪趙巨巖
        關(guān)鍵詞:電子密度誤碼率等離子體

        鄔潤(rùn)輝,劉佳琪,劉 鑫,趙巨巖,任 浩

        (1.北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所,北京,100076;2.試驗(yàn)物理與計(jì)算數(shù)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京,100076;3.北京航天萬(wàn)源科技有限公司,北京,100076)

        0 引 言

        等離子體鞘套是飛行器在大氣層內(nèi)以超聲速飛行狀態(tài)下,在飛行器周?chē)纬删哂械入x子體特性的包覆流場(chǎng),該流場(chǎng)通常稱(chēng)為等離子體鞘套。飛行器周?chē)纬傻牡入x子體鞘套可以使飛行器與地面站通信產(chǎn)生中斷[1~6],從而影響地面站的正常工作,最終導(dǎo)致整個(gè)通信系統(tǒng)通信異常。

        本文以獲取等離子體鞘套中四相相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)調(diào)制信號(hào)傳輸特性為目標(biāo),在闡述QPSK 調(diào)制信號(hào)基本特征基礎(chǔ)上,建立了等離子體鞘套對(duì)QPSK 調(diào)制信號(hào)傳輸影響的仿真模型和相對(duì)誤碼率統(tǒng)計(jì)模型,完成了地面模擬試驗(yàn)條件下的一維均勻和非均勻等離子體鞘套對(duì)信號(hào)阻斷、信號(hào)能量衰減和相位改變的仿真計(jì)算與分析,統(tǒng)計(jì)出有無(wú)等離子體鞘套影響的信號(hào)傳輸相對(duì)誤碼率結(jié)果,獲取了等離子體鞘套對(duì)QPSK 信號(hào)傳輸特性影響的基本規(guī)律。

        1 QPSK 信號(hào)傳輸計(jì)算模型

        QPSK 調(diào)制信號(hào)因具有抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)[7],廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,其基本原理是用載波信號(hào)的相位改變來(lái)傳遞數(shù)字信息。對(duì)于QPSK 調(diào)制信號(hào),其計(jì)算表達(dá)式為[8]

        式中 A 為載波信號(hào)幅度;cω 為載波角頻率;g 為信號(hào)函數(shù)符;sT 為一個(gè)碼元的發(fā)送時(shí)間;nφ 為第k 個(gè)碼元的載波相位,初始相位為0 時(shí),載波相位可能的取值是初始相位為時(shí),載波相位可能的取值是

        由式(1)可以看出,描述QPSK 信號(hào)的主要參數(shù)包括信號(hào)的幅度、相位和頻率,本文研究等離子體鞘套對(duì)QPSK 信號(hào)傳輸特征,分別從等離子體鞘套對(duì)QPSK 信號(hào)的全屏蔽、對(duì)信號(hào)幅度的衰減、對(duì)信號(hào)相位的改變3 個(gè)方面入手建立計(jì)算模型

        1.1 等離子體鞘套對(duì)入射信號(hào)的全屏蔽

        在考慮等離子體鞘套中粒子間的碰撞效應(yīng)時(shí),當(dāng)?shù)入x子體角頻率、等離子體碰撞頻率、QPSK 信號(hào)的載波頻率之間滿足如下關(guān)系式時(shí),等離子體將實(shí)現(xiàn)對(duì)入射信號(hào)的全屏蔽,基本表達(dá)式如下[9]:

        式中pω 為等離子體角頻率;cω 為QPSK 信號(hào)的載波頻率;νet為等離子體碰撞頻率。等離子體角頻率的大小由等離子體電子密度決定,其關(guān)系式為[10]

        式中 ne為電子密度;e 為電子電量;me為電子質(zhì)量。

        對(duì)于等離子體鞘套而言,等離子體的碰撞頻率νet大小取決于組元種類(lèi)、電子與離子、電子與中性粒子的碰撞的總碰撞頻率,其基本計(jì)算表達(dá)式為

        式中 νei為電子與離子碰撞的碰撞頻率;νent為電子與多種中性粒子組元碰撞的總碰撞頻率,其中電子與離子的碰撞為具有長(zhǎng)程庫(kù)侖力的庫(kù)侖碰撞,電子與中性粒子的碰撞為不同電子溫度下彈性散射碰撞。

        1.2 等離子體鞘套對(duì)入射信號(hào)幅度的衰減

        當(dāng)通信信號(hào)經(jīng)等離子體鞘套傳輸時(shí),由于等離子體中電子與離子、電子與中性粒子的碰撞效應(yīng),可導(dǎo)致信號(hào)幅度的衰減。通常,對(duì)于經(jīng)等離子體鞘套傳輸透射的信號(hào),其透射信號(hào)的功率tP 與入射信號(hào)功率iP之間的關(guān)系表達(dá)式如下:

        式中 α 為衰減系數(shù);d 為信號(hào)在等離子體鞘套中傳輸路徑的尺度,對(duì)于一維非均勻等離子體,假定驗(yàn)證直角坐標(biāo)系的Z 軸方向?yàn)殡娮用芏确蔷鶆蜃兓较颍瑒t在空間某一未知A 點(diǎn)的衰減系數(shù)表達(dá)式可表示為[11]

        式中 c 為光速;ωp(Az)為空間不同位置下等離子體角頻率;νet(Az)為空間不同位置下等離子體總碰撞頻率。

        1.3 等離子體鞘套對(duì)入射信號(hào)相位的改變

        等離子體對(duì)入射信號(hào)相位的改變是指信號(hào)在等離子體中傳播過(guò)程中,由于等離子體對(duì)信號(hào)的折射改變了傳播路徑,從而改變?nèi)肷湫盘?hào)相位隨時(shí)間(或頻率)變化的變化規(guī)律。在非均勻等離子體中(設(shè)電子密度沿Z 向變化),表征頻域信號(hào)相位改變特性的參量為相位常數(shù) β( z) ,對(duì)于載波頻率為cω 的入射信號(hào),其在沿Z 向非均勻分布的等離子體中傳播相位常數(shù) β( z) 的計(jì)算表達(dá)式如下[11]:

        式中各參數(shù)的定義與式(6)相同,假設(shè)等離子體鞘套的尺度為L(zhǎng),已調(diào)制空間傳輸通信信號(hào)經(jīng)等離子體后相位改變量的計(jì)算表達(dá)式為

        式中0β 為信號(hào)的初始相位常數(shù)。

        對(duì)于均勻等離子體, ωp( z)和 νet( z)為確定的常量,相位常數(shù)β 不隨空間位置而變化,當(dāng)信號(hào)帶寬和等離子體空間尺度確定后,由式(8)可給出信號(hào)經(jīng)等離子體后的相位改變量;對(duì)于非均勻等離子體,ωp( z)和ν ( z)是隨空間變化的函數(shù),相位常數(shù) β( z) 也是隨空間變化的函數(shù),與均勻等離子體相比,對(duì)該參數(shù)的計(jì)算相對(duì)復(fù)雜,在明確 ωp( z)和νet( z)空間分布、信號(hào)帶寬以及等離子體總空間尺度L 后,由式(8)給出信號(hào)經(jīng)等離子體后的相位改變量。

        2 受擾前后基帶信號(hào)相對(duì)誤碼率的統(tǒng)計(jì)模型

        在相干解調(diào)模式下,未經(jīng)等離子體介質(zhì)干擾的QPSK 信號(hào)誤碼率 Pe0計(jì)算表達(dá)式為[12]

        式中 Eb0為干擾前每個(gè)信號(hào)碼元的能量;N0為白噪聲的功率譜密度; Eb0/N0為歸一化信噪比。

        同樣在相干解調(diào)模式下,設(shè)定經(jīng)等離子體介質(zhì)干擾后的QPSK 信號(hào)誤碼率為 Pe1,由式(9)可以類(lèi)推出Pe1的計(jì)算表達(dá)式為

        式中 Eb1為干擾后每個(gè)信號(hào)碼元的能量,這樣,QPSK信號(hào)受等離子體介質(zhì)干擾前后對(duì)比的相對(duì)誤碼率 Per可表示為

        3 一維等離子體鞘套中QPSK 信號(hào)傳輸特性的仿真與分析

        根據(jù)等離子體鞘套在目標(biāo)不同部位形成尺度和電子密度差異較大的特點(diǎn),本文分別建立一維非均勻等離子體鞘套對(duì)QPSK 信號(hào)傳輸影響的仿真模型,仿真模型示意如圖1 所示。

        圖1 一維仿真模型示意Fig.1 One-dimensional Simulation Model

        3.1 仿真輸入?yún)?shù)

        仿真輸入?yún)?shù)包括:信號(hào)相關(guān)參數(shù)和等離子體特性參數(shù)兩大部分,信號(hào)調(diào)制形式為QPSK,非均勻等離子體的分布均為一維拋物線分布,具體參數(shù)的選取如表1 所示。

        表1 仿真輸入?yún)?shù)明細(xì)Tab.1 List of Simulation Input Parameters

        3.2 仿真結(jié)果及分析

        以下分別給出了載波頻率分別為L(zhǎng)(1.35 GHz)、S(3 GHz)和C(6 GHz)的QPSK 調(diào)制信號(hào)分別經(jīng)表1 所示3 種狀態(tài)的等離子體介質(zhì)干擾前后的頻譜特性和基帶信號(hào)解調(diào)解碼結(jié)果。

        圖2~7 分別給出了表1 所示3 種等離子體參數(shù)分別對(duì)載波頻率為1.35 GHz、3 GHz 和6 GHz 的QPSK信號(hào)干擾前后的頻譜特性和基帶信號(hào)解調(diào)結(jié)果。

        圖2 受擾前后信號(hào)頻譜特性(載波頻率1.35GHz)Fig.2 Spectrum Characteristics of Signal with/without Disturbance (Carrier Frequency 1.35GHz)

        圖3 受擾前后基帶信號(hào)解調(diào)結(jié)果(載波頻率1.35GHz)Fig.3 Baseband Signal Demodulation Results with/without Disturbance (Carrier Frequency 1.35GHz)

        圖4 受擾前后信號(hào)頻譜特性(載波頻率3GHz)Fig.4 Spectrum Characteristics of Signal with/without Disturbance (Carrier Frequency 3GHz)

        續(xù)圖4

        圖5 受擾前后基帶信號(hào)解調(diào)結(jié)果(載波頻率3GHz)Fig.5 Baseband Signal Demodulation Results with/without Disturbance (Carrier Frequency 3GHz)

        圖6 受擾前后信號(hào)頻譜特性(載波頻率6GHz)Fig.6 Spectrum Characteristics of Signal with/without Disturbance (Carrier Frequency 5GHz)

        續(xù)圖6

        圖7 受擾前后基帶信號(hào)解調(diào)結(jié)果(載波頻率6GHz)Fig.7 Baseband Signal Demodulation Results with/without Disturbance (Carrier Frequency 6GHz)

        由圖2~7 所示的仿真結(jié)果可以看出:

        a)在等離子體空間尺度一定時(shí),非均勻等離子體電子密度和碰撞頻率越大,對(duì)信號(hào)影響越大:最大電子密度為1010cm-3量級(jí)時(shí),對(duì)于表1 所選的3 個(gè)載波頻率的通信信號(hào)傳輸基本無(wú)影響,接收端信號(hào)基本無(wú)誤碼;而當(dāng)最大電子密度達(dá)到1012cm-3量級(jí)時(shí),3 個(gè)載波頻率的通信信號(hào)傳輸均受不同程度影響,導(dǎo)致接收端信號(hào)誤碼率達(dá)到35%~40%。

        b)同一電子密度分布電子密度和碰撞頻率的等離子體對(duì)載波頻率越低的通信信號(hào)傳輸影響越大:最大電子密度為3×1010cm-3量級(jí)時(shí),載波頻率為3 GHz的通信信號(hào)透過(guò)后無(wú)誤碼,而載波頻率為0.9 GHz 的通信信號(hào)透過(guò)后的誤碼為39.8%。

        4 結(jié) 論

        本文在充分認(rèn)識(shí)再入等離子體鞘套的“黑障”現(xiàn)象的基礎(chǔ)上,以抗干擾強(qiáng)的QPSK 衛(wèi)星通信信號(hào)為基本研究對(duì)象,依托建立的等離子體鞘套中QPSK 信號(hào)傳輸特性仿真與分析模型,完成了信號(hào)不同載波頻率、等離子體鞘套不同參數(shù)條件下的仿真計(jì)算,結(jié)果表明:

        a)一定特性參數(shù)的等離子體鞘套能夠?qū)е乱欢l段的通信信號(hào)的完全阻斷,通信系統(tǒng)的相對(duì)誤碼率均能夠達(dá)到50%左右;

        b)對(duì)于能夠在等離子體鞘套中傳輸?shù)腝PSK 信號(hào),等離子體鞘套對(duì)信號(hào)相位的改變或信號(hào)幅度的衰減均能夠?qū)е峦ㄐ畔到y(tǒng)誤碼率的提升,相對(duì)誤碼變化范圍為35%~50%;

        c)對(duì)于同一載波頻率,電子密度和碰撞頻率越大對(duì)在其中傳輸?shù)男盘?hào)誤碼率影響越大;對(duì)于同一電子密度、碰撞頻率和空間尺度,在其中傳輸信號(hào)的載波頻率越小,信號(hào)誤碼率越大。

        需要指出的是,以上研究工作針對(duì)的是QPSK 調(diào)制信號(hào)在等離子體鞘套中傳輸特性總結(jié)的規(guī)律,該理論仿真方法同樣可以用于分析ASK 和FSK 調(diào)制信號(hào)在等離子體鞘套中的傳輸特性。后續(xù)將進(jìn)一步深入分析等離子體鞘套對(duì)信號(hào)誤碼率增大后影響,并通過(guò)地面模擬試驗(yàn)驗(yàn)證等離子體鞘套對(duì)通信信號(hào)傳輸?shù)挠绊?,為等離子體鞘套的“黑障”問(wèn)題的有效技術(shù)途徑設(shè)計(jì)提供重要的設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

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