等离子鞘套信道下的信息传输方案研究

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当航天飞机、卫星和导弹等飞行器,通过地球上空的大气层时,由于飞行器的超高音速的速度,会产生高达3000摄氏度的高温,导致飞行器周围的空气分子发生电离。这些被电离的离子、电子会附着在飞行器的表面,形成一层高密度的等离子体,即所谓的“等离子鞘套”。通常这层等离子体具有高达1020m-3的电子密度,这将会严重干扰飞行器与卫星或地面站之间的通信,严重时会使通信发生中断,即所谓的“黑障”现象,这已成为航天领域的瓶颈之一。针对这一问题,对在等离子鞘套下的信息传输方案展开研究是很有必要的。在本文中,我们将通过对等离子鞘套中传输信号特性的研究,找到合适的信息传输方案,从而为临近空间的超高声速飞行器的测控及通信打下良好的基础。论文的的主要研究内容包括以下几个方面:1.分析了等离子鞘套的信道特性。首先阐述了等离子鞘套的形成机制,然后在分析等离子鞘套信道的特征参数的基础上,研究了等离子鞘套信道的特性,包括等离子鞘套中的寄生调制效应和存在的多普勒效应,并研究了等离子鞘套信道的幅度衰减和相位特性。最后分析了信道的相干带宽和相干时间,从而为后续信息传输系统的设计奠定了基础。2.研究了等离子鞘套信道下基于Chirp信号的信息传输方案。首先对Chirp信号的特点和分数阶傅里叶变换进行了分析,之后介绍了基于Chirp信号的两种调制方案,并对基于Chirp信号的两种非相干解调方案进行了深入的分析,推导了其在加性高斯白噪声信道下的误码率性能,在此基础上对Chirp扩频系统进行了仿真。仿真结果表明,在等离子鞘套信道下,基于FrFT解调的Chirp-2FSK系统较现有的2FSK系统具有更加优异的性能。在此基础上,对基于分数阶傅里叶变换的自适应滤波方案进行了改进使其适用于等离子鞘套下的信息传输。最后,基于Chirp信号的特点,提出了一种非差错调制系统,该系统在信道衰减严重时,可让飞行器的高优先级的数据优先得到正确传输。3.设计了一种可用于等离子鞘套信道下信息传输的自适应调制编码系统,并对该系统进行了仿真验证和详尽的分析,证明了该系统对等离子鞘套信道有良好的适应性。首先,对在等离子鞘套信道下设计自适应调制编码系统的可行性进行了分析。然后对基于Chirp-2FSK的直扩系统进行仿真分析,确定了其在等离子鞘套信道下的性能提升。最后,针对扩频Chirp-2FSK系统的传输速率低下,频带利用率不高的缺点,引进了自适应调制编码技术,设计了一种自适应调制编码系统,并对其进行仿真验证。仿真结果显示,该系统可在等离子鞘套信道下良好的工作,在确保系统吞吐量的同时,通过自适应的调整系统的信息传输速率,保证了系统的可靠性。
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