短波通信頻點(diǎn)預(yù)測(cè)分析

摘要：本文根據(jù)短波通信的特點(diǎn)建立了短波通信鏈路模型，并在此模型的基礎(chǔ)上分析了短波通信的信道損耗；然后簡(jiǎn)要介紹了如何應(yīng)用軟件W6ELProp 2.0預(yù)測(cè)了兩地短波通信時(shí)所使用的頻點(diǎn)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了應(yīng)用此軟件的可行性。

關(guān)鍵詞：短波通信，信道損耗，頻點(diǎn)預(yù)測(cè)

0 引言

短波通信是戰(zhàn)略通信網(wǎng)的重要組成部分。短波通信可用較小的發(fā)射功率直接進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，并且與衛(wèi)星通信相比，作為短波通信介質(zhì)的電離層不易遭受人為破壞，因此短波通信一般是戰(zhàn)略通信系統(tǒng)衛(wèi)星通信的備份，是實(shí)現(xiàn)超視距通信的重要手段。

但是由于電離層的多變性，導(dǎo)致短波通信的系統(tǒng)損耗與工作頻點(diǎn)是不確定的。本文根據(jù)短波通信的特點(diǎn)，對(duì)短波通信鏈路進(jìn)行了建模，在此模型的基礎(chǔ)上分析了短波通信的系統(tǒng)損耗；并通過(guò)A地與B地兩地之間短波電臺(tái)的通信實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了應(yīng)用共享軟件W6ELProp 2.0預(yù)測(cè)短波通信工作頻點(diǎn)的可行性。

1 短波通信鏈路模型

圖1為假設(shè)的短波電離層反射信道的模型。圖中“信道基本傳播損耗” Lp表示無(wú)線電波進(jìn)入電離層信道后，在傳輸中的能量損耗。若把天線增益也歸入到“損耗”中去，則稱為“系統(tǒng)損耗”LS。

上式中：

Pt和Pr分別表示發(fā)射功率和接收功率；

Gt和Gr分別表示發(fā)、收天線的增益，它與天線阻抗、天線極化方式以及天線的有效調(diào)諧高度有關(guān)。

如果知道了外部噪聲功率P'n和系統(tǒng)設(shè)計(jì)所提的最小信噪比γ0min指標(biāo)，那么接收天線必須保證的最小接收信號(hào)功率為：Prmin=P'n+γ0min

2 信道基本傳播損耗

下面我們對(duì)圖1中的信道基本傳播損耗進(jìn)行分析。信道的基本傳播損耗包括有：自由空間傳播損耗，電離層的偏移、非偏移吸收損耗，多跳地面反射損耗，極區(qū)吸收損耗，ES層附加損耗等等。其中前三項(xiàng)可以計(jì)算，而其它的損耗可統(tǒng)一合并到“額外系統(tǒng)損耗”中。

所以短波信道基本傳播損耗的數(shù)學(xué)計(jì)算式可以表示為：

式中：Lp0為自由空間傳播損耗；

Lα為電離層吸收損耗；

Lg為多跳地面反射損耗；

Yp為額外系統(tǒng)損耗。

2.1 自由空間傳播損耗

自由空間傳播損耗是由于電波遠(yuǎn)離發(fā)射點(diǎn)傳播，能量在空間擴(kuò)散所引起的，天波傳播中的射線距離稱為斜距，用r表示，則在接收點(diǎn)的功率通量密度為P/4πr2（P是各向同性天線的輻射功率），而在自由空間各向同性天線的接收面積為λ2/4π，因此，

上式可化為：

而根據(jù)圖2所示的斜距 的幾何示意圖，我們可以推導(dǎo)出短波天線場(chǎng)的數(shù)學(xué)計(jì)算式如下所示：

式中：

Na和Nb分別代表a、b兩點(diǎn)的緯度（一般b點(diǎn)作為高緯度點(diǎn)）；

Ea和Eb分別代表a、b兩點(diǎn)的經(jīng)度；

ω代表a、b兩點(diǎn)間的大圓弧角距離；

D代表a、b兩點(diǎn)間的大圓距離（即a、b兩點(diǎn)間地面的距離）；

θ代表射線仰角（即通信仰角）；

R代表地球半徑；

he代表電離層高度；

r代表a、b兩點(diǎn)經(jīng)電離層反射后的斜距；

λ代表通信波長(zhǎng)。

如果，我們知道了進(jìn)行短波通信兩地的經(jīng)緯度和當(dāng)天電離層的高度（認(rèn)為電磁波主要通過(guò)電離層的F層進(jìn)行反射，所以可以認(rèn)為he=300km），那么我們通過(guò)（1.3）、（1.4）式可以計(jì)算出自由空間傳播損耗Lp0。

2.2 電離層吸收損耗

電離層吸收損耗分為偏移吸收損耗和非偏移吸收損耗兩種。前者是指在反射區(qū)附近電波遭受的吸收，一般其吸收損耗極小（≤1dB），可以忽略不計(jì)；后者是指電離層D、E層的吸收，由于D、E層只是在白天存在，而在夜間D、E層電子密度稀薄，吸收很小，吸收損耗可以忽略。非偏移吸收通常是利用半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的。

式中：

Ar（0，0）為x=0，R12=0時(shí)電波沿垂直方向穿過(guò)電離層所遭受的吸收因子，它隨季節(jié)和改進(jìn)型磁傾角|x|而變；

φ0100為100公里處的入射角；

f為工作頻率，fH為100公里處的磁旋頻率，它主要隨緯度變化；x為太陽(yáng)天頂角；

R12為太陽(yáng)黑子數(shù)月平均值。

從式（1.5）中我們可以看出：電離層的吸收損耗La與短波工作頻率 的平方成反比。

在計(jì)算La前，首先要明確電波通過(guò)電離層100公里處的緯度。然后根據(jù)此緯度點(diǎn)的fH和|x|的值來(lái)求出AT（0，0）和La。如果我們假設(shè)短波通信模式為1F模式，那么過(guò)D層的兩個(gè)點(diǎn)分別為M和N，那么取這兩個(gè)點(diǎn)處 La的平均值作為電離層的吸收損耗值。即：

2.3 多跳地面反射損耗

由于短波通信的一跳距離最遠(yuǎn)可以達(dá)到4000km，而本文所考慮的短波通信基本都是國(guó)內(nèi)范圍內(nèi)的短波電臺(tái)之間的通信，所以只考慮一跳的方式傳播，即不存在多跳地面反射損耗。

2.4 額外系統(tǒng)損耗

額外系統(tǒng)損耗包括極區(qū)吸收損耗、 層附加損耗，時(shí)間延遲、大氣噪聲、多徑效應(yīng)等等，這些損耗是不定的，我們可以大概估算出Yp=3-10dB左右。

3 頻點(diǎn)預(yù)測(cè)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)前面對(duì)短波通信信道損耗的分析，我們知道短波通信頻點(diǎn)的選擇是與電離層D、E、F層的變化密切相關(guān)的。選用短波通信工作頻點(diǎn)時(shí)，應(yīng)盡量接近電波能反射回的最高可用頻率（MUF），根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，通常選取最高可用頻率的80%～90%作為工作頻率。這樣，一方面避免了當(dāng)電離層變化時(shí)電波有穿過(guò)電離層的可能；另一方面，頻率若取得太高，電波深入反射層的距離加大，有時(shí)反而使吸收損耗加大。

我們應(yīng)用共享軟件W6ELProp 2.0，只要輸入從互聯(lián)網(wǎng)上獲得的當(dāng)日的太陽(yáng)黑子數(shù)和K指數(shù)以及目標(biāo)地的經(jīng)緯度就可以算出兩地之間一天內(nèi)的頻點(diǎn)可用情況。

下面我們應(yīng)用此軟件來(lái)預(yù)測(cè)2017年7月1日A地（N30°6'00"、E104°1'00"）和B地（N40°24'57"、E99°48'17"）之間地面短波電臺(tái)通信時(shí)可用的頻點(diǎn)。

我們把A地和B地的經(jīng)緯度以及表1中7月1日的太陽(yáng)黑子數(shù)（36）和K系數(shù)（2）代入此軟件，就可以得出這天各個(gè)時(shí)段A地與B地進(jìn)行短波通信時(shí)可以選用的頻點(diǎn)情況，預(yù)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

（a）全天各時(shí)間段設(shè)定頻點(diǎn)可用情況

（b）全天各時(shí)間段的最高可用頻率

表2顯示的是2017年7月1日上午，A地地面短波電臺(tái)應(yīng)用以下頻點(diǎn)8.98MHz、9.5MHz、10.5MHz、10.9MHz和12.555MHz與B地地面短波電臺(tái)通信時(shí)，監(jiān)測(cè)到的話音質(zhì)量。從表中我們可用看出：在不同時(shí)間段，應(yīng)用以上5個(gè)指定頻點(diǎn)收聽到的話音質(zhì)量同圖3所預(yù)測(cè)出的可用頻點(diǎn)情況基本吻合（如有差異可能是與天線的自身性能有關(guān)，如：阻抗和極化匹配情況以及天線的有效調(diào)諧高度），這說(shuō)明應(yīng)用此軟件進(jìn)行頻點(diǎn)預(yù)測(cè)是可行的。

4 結(jié)論

本文根據(jù)短波通信的特點(diǎn)，對(duì)短波通信鏈路進(jìn)行了建模。一方面，在此模型的基礎(chǔ)上分析了短波通信的系統(tǒng)損耗，提出了短波通信自由空間傳播損耗和電離層吸收損耗的計(jì)算方法；另一方面，通過(guò)A地與B地兩地地面短波電臺(tái)的通信實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了應(yīng)用共享軟件W6ELProp 2.0預(yù)測(cè)短波通信工作頻點(diǎn)是可行的，實(shí)驗(yàn)證明它的預(yù)測(cè)結(jié)果具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]張敬堂，李紅波等.現(xiàn)代通信技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004

[2]沈琪琪.現(xiàn)代短波無(wú)線電通信線路的設(shè)計(jì)（上）[J].軍事通信技術(shù)，1985，14（2）：41～52

[3]趙志安.電離層大尺度傾斜對(duì)電波傳播的影響[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，1986，第2期：43～53

作者簡(jiǎn)介：

張靈芝（1980-），女，山東人，主要從事電訊設(shè)計(jì)和平臺(tái)集成等方面的研究工作。