短波发射机场强仿真分析程序设计与研究.pdf

无线发射与节传 Wireless&Transmission 2023年7月 月刊 总第375期1 引言短波通信设备简单，传输距离远，受地形限制小，长期以来一直作为远距离通信的主要手段，在军用和民用领域都占有重要的地位。短波通信的最大特点是物理信道的频变性和时变性，即在时间不变的情况下，采用不同频率的物理信道，其通信性能具有很大差异。同样，在物理信道不变的情况下，一天中各个时段，其通信性能也有很大差异。所以，播音覆盖和场强效果是短波发射机重要的参数。2 短波通信概述 短波通信又称高频通信，是指波长为 100m10m，频率为 3MHz30MHz的一种实现无线数据传输的通信技术。短波传播的方式主要有地波和天波 2种。地波也叫表面波，是指沿地面传播的无线电波，由于能量逐渐被大地吸收，所以只能近距离传播；天波是指从地面辐射至天空的无线电波，天波依靠电离层反射，可以实现远距离传播。短波传播示意图如图 1 所示。众所周知，电离层是由太阳辐射产生的，因此电离层状态会一年四季随太阳照射的强度而变化，是一种时变的色散信道。短波信道的多径时变、噪声和干扰等都会随着通信双方位置、信道频率、通信时间等参数的影响而表现出较大差异，影响短波通信的质量，当通信时间、通信双方位置确定时，通信频率的选择就成为影响通信质量的重要参数。因此，可以设计开发一套针对短波发射机的场强仿真分析程序，使短波发射机进行工作之前，就可以通过输入的相应的参数，进行短波通信点对点性能分析的计算与仿真分析，来帮助选择更适合发射机的工作频率与工作时间段的参数，以保障通信的可靠性。当前，国内外短波传播覆盖分析模型和软件主要是依据国际电联建议书 ITU-R P.368-8、ITU-R P.527-3、原 CCIR 的 894 报告和 ITU-R P.533建立的传播链路仿真模型。而 ITS 模型是美国电信协会（ITS）利用试验数据进行推导而得出的宽带短波信道的数字模型。3 短波发射机场强 仿真分析程序设计按照电离特性和高度，电离层可分为 4 个不同的导电层，即 D 层、E 层、F1 层 和 F2 层。最 低 的 是 D 层，在地球上空 6090km 处。夜间，当太阳降落后，D 层消失，对短波通信没有任何影响；白天，当太阳升起来后，会出现 D 层。所以，白天 D 层决定了短波传播的距离，且发射频率必须高于电离层可以反射的最低频率才能获得良好的传播。E 层在 D 层的上面，在地球上空约 100120km 处分布。白天，E 层状况稳定，基本没有变化；太阳降落之后，E 层消失，对短波通信没有任何影响。白天，F 层分为 F1 层和 F2 层，位于地球上空约170220km 处的是 F1 层，位于地球上短波发射机场强仿真分析程序设计与研究文/北京航天广通科技有限公司 仰蕾 谢勇 魏世东 张伟松 杨颖摘要：本文简单叙述了短波通信的原理，详细阐述了基于ITS模型的短波发射机场强仿真分析程序的主要功能和场强预测工作流程的操作步骤，并结合具体的实例，介绍了场强分析界面和参数设置界面的实际应用。关键词：短波通信 传播链路仿真模型 发射机场强仿真分析程序 软件界面图 1 短波传播示意图 无线发射与节传Wireless&Transmission空约 225450km 处的是 F2 层。F 层的高度会随季节和昼夜而交替变化，通常，冬季高度低于夏季高度，夜间高度低于白天高度。F2 层在夜间还会存在，能够继续反射电波，但反射效果比白天差很多。总之，通常情况下，白天因为太阳辐射强，电子密度大，短波信号可以使用较高的通信频率进行通信；到了夜间，太阳辐射较弱，电子密度小，就要使用较低的通信频率进行通信。所以，短波发射机在设置实际工作的通信频率时，应根据相应工作时间段的电离层的反射特性，来选择更合适的通信频率，以保证通信的质量。按照国际电信联盟（ITU）的规定，短波是 3MHz30MHz 的无线电通信，所以短波发射机有自己可用的工作频率范围。短波的通信信道是变参信道，如果短波发射机在工作时所用的通信频率超过了电离层可以反射的最高频率，电波信号不再折射，就会造成通信失败；反过来，若使用的通信频率太低，电波信号就会被吸收，而不能传送到接收端，也会造成通信失败。因此，短波发射机工作时，对工作频率的选择非常重要。另外，电离层的高度及一些特性参数会随着季节、昼夜、地理位置等的不同而不断变化，因此，在全天 24h 内，短波发射机所使用的通信频率会根据需要而变化。所以，短波发射机要根据实际使用情况选用不同的通信频率。短波信号依靠电离层来传输，当短波信号被电离层反射到地面后，地面又把它反射到电离层，然后再被电离层反射到地面，这样，经过多次反射，可以将短波信号传输到不同的地理位置。因此，电离层状况的稳定决定了短波发射机工作质量的好坏。由于一年四季和昼夜的不同，电离层根据太阳照射强度的变化，总是处在变化之中，所以，反射到地面的电波有强有弱，当电离层状况不稳定时，短波发射机的各项工作指标也会出现不稳定的状况，致使各项工作指标达不到可正常工作的指标要求。但短波发射机场强仿真分析程序不可能考虑到发射机工作过程中所有可能出现的状况，只能根据给定的相关参数预测电离层通信质量，作为短波发射机实际工作中设置通信频率与工作时间段的可靠参考。ITS 模型的电离层路径是基于世界地图数据的电离层参数构建的，使用设定路径的统计值来估算系统的性能参数，在系统能力已知的情况下，可以得到短波各个通信节点在使用不同的通信频率进行通信时的场强中值、最高可用频率等参数的数据，并对短波通信链路进行点对点性能分析与区域覆盖性分析。基于以上对电离层通信特性和ITS 模型的分析，将短波发射机场强仿真分析程序划分为参数设置模块、场强分析计算模块、场强图绘制模块以及位置数据管理 4 个功能模块。参数设置模块用来输入电离层预测的相关参数，包括发射地点、接收地点、时间设定等参数的选择；场强分析计算模块根据电离层预测的相关参数，基于 ITS 模型来计算点对点性能分析，即计算全天 24h 使用不同的工作频率进行通信时的场强中值、最高可用频率等数据，并生成计算结果；场强图绘制模块根据分析计算出的场强中值，利用绘图算法绘制场强效果预测图；位置数据管理模块包括对位置数据的新增、修改、删除、查询等功能，此模块主要用于对位置数据的管理，因为发射地点和接收地点的位置数据会随着系统的使用逐渐增多，为了便于系统的使用，特建立此模块。短波发射机场强仿真分析程序场强预测工作流程依次为输入相关参数、生成参数数据、进行场强分析计算、生成计算结果数据、根据计算结果绘制场强图。4 短波发射机场强 仿真分析程序实现效果短波发射机场强仿真分析程序按照设计思路与用户需求，基于 ITS 模型，实现了如下效果。运行程序后，首先显示的是场强分析界面。场强分析界面分为左、右2 个区域，左侧是场强预测参数的设置区域，右侧是场强效果图显示区域。在场强预测参数设置区域，可以对短波发射机工作需要的发射位置、接收位置、时间、季节等参数进行设置。点击场强预测参数设置区域中的发射地或者接收地后面的下拉框的下拉箭头，就可以选择想要设置的地点名称数据，选好相应地点数据后，会在下拉框下方自动显示出相应地点数据的详细信息。时间选择主要包括对年份、开始时间、结束时间、时间选项（时间选项后面的下拉框的选择项分别是所有月、季节、月）等有关电离层关键参数的设置。根据实际应用，系统将不需要更改的电离层计算用到的辅助配置，以参数文件的模式进行调用，如天线的参数配置等。右侧场强效果图显示区域，首先在左侧输入相应场无线发射与节传 Wireless&Transmission 2023年7月 月刊 总第375期强预测参数后，点击左侧右下方的“参数设置”按钮，程序会根据生成的参数数据调用 ITS 模型来计算场强数据；计算完成后，点击界面右侧下方的“场强分析”按钮，程序会根据当前设置的参数，基于 ITS 模型计算出预测结果，并在右侧场强效果图显示区域绘制出场强效果图。以图 2 所示为例，假设发射地点为保定，选用增益为 68dB 的发射天线，发射机功率为 100kW，接收地点为扬州，选用普通的鞭状天线为接收天线，按照以上参数进行仿真计算。首先，将地点参数用参数设置模块进行添加保存，然后回到场强分析页面，点击场强预测参数设置区域中的发射地或者接收地后面的下拉框内的下拉箭头，将发射地选为保定，接收地选为扬州，时间设为 2022 年全年，然后点击参数设置按钮，完成预测参数的设置；其次，点击场强分析按钮，此时就会在场强效果图中显示场强预测结果。场强效果图中的场强值是依据计算结果，按照纵坐标，即发射机的工作频率范围（230MHz）；横坐标，即时间轴 24h，给出的。由图可以看出，在 23 点到第 2 天上午 10 点以前，将发射机工作频率设置在 613MHz 之间，信号场强较好，而从上午 10 点到23 点以前，将发射机工作频率设置在36MHz 之间，信号场强较好。短波发射机可以根据自身所在台站的要求，针对不同时间、不同位置进行短波发射作业，故发射地点和接收地点的位置数据会随着系统的使用逐渐增多，并且许多位置参数会经常重复使用。因此，为了便于系统的使用，特建立参数设置模块对地址参数进行管理。通过参数设置模块对场强计算需要的地址参数进行管理时，点击左侧菜单的“参数设置”，会显示地址设置界面。参数设置页面用来对地址数据进行管理，包括地址记录的新增、修改、删除、查询等功能。参数设置页面分为 2 个区域，上侧是参数设置的列表显示区域，列表下方是地点数据的编辑区域。在界面下方的编辑框中，输入地点相关的信息后，点击右下角的“保存”按钮，系统会按输入的参数新增一条地点数据；双击列表中某条地点数据后，在列表下方的编辑框中，会显示当前选择的地点数据信息，在编辑框中可对相应数据进行修改，修改后点击“保存”按钮，系统会自动修改更新所选的地点数据信息；双击列表中某条地点数据后，在列表下方的编辑框中会显示当前选择的地点数据信息，点击“删除”按钮，系统会自动删除所选的地点数据信息。5 结语短波发射机场强仿真分析程序可以根据用户输入的参数，进行短波通信点对点性能分析计算与仿真分析，并生成场强预测效果图。这有助于在发射机工作之前帮助选择更适合的工作频率与工作时间，保障发射机工作的可靠性，为发射机播音效果的提升提供更高的保障。本文提出的基于 ITS 模型的短波发射机场强仿真分析程序，是根据实际的项目需求，经过探索研究，开发完成的。经过实际的场强试验对比以及用户使用软件的情况反馈，本文所提出的短波发射机场强仿真分析程序是可行的，而且程序给出的场强预测结果与实际测出的场强结果基本一致。参考文献：1 陈永华,肖毅.我国短波通信技术的发展及方向探究 J.电子技术与软件工程,2015(7):43.2 黄瑞东.太阳与地磁活动对电离层传播的影响 J.电波与天线,1996(5):31-38.3 谢婷婷,徐军,蒋云阳,等.基于频率选择和高仰角天线的通信盲区解决方案 J.电子科技,2011,24(10):31-33.4 胡中豫.现代短波通信 M.北京:国防出版社,2005.图 2 场强分析界面示意图