粗糙海面短波地波通信链路分析与计算

2016-01-21王玉珏

通信技术 2015年6期

王玉珏

(92232部队,北京 100161)

摘　要：为评估沿粗糙海面传播的短波地波通信性能，研究了不同海况下的地波传播衰减因子。将短波地波传播模型与天线仿真技术相结合，在地波场强的计算中充分考虑实际舰载鞭天线的增益、方向图和辐射效率等参数；并介绍了大气噪声，对粗糙海面短波通信接收点处的信噪比进行计算；最后，给出了临海四地短波通信测试结果。无线信道试验表明，海面短波地波传播理论计算与外场试验结果基本一致。

关键词：地波传播；粗糙海面；鞭天线；信噪比

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.010

粗糙海面短波地波通信链路分析与计算

王玉珏

(92232部队,北京 100161)

摘要：为评估沿粗糙海面传播的短波地波通信性能，研究了不同海况下的地波传播衰减因子。将短波地波传播模型与天线仿真技术相结合，在地波场强的计算中充分考虑实际舰载鞭天线的增益、方向图和辐射效率等参数；并介绍了大气噪声，对粗糙海面短波通信接收点处的信噪比进行计算；最后，给出了临海四地短波通信测试结果。无线信道试验表明，海面短波地波传播理论计算与外场试验结果基本一致。

关键词：地波传播；粗糙海面；鞭天线；信噪比

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.010

收稿日期：2015-01-07；修回日期：2015-04-18Received date:2015-01-07；Revised date：2015-04-18

中图分类号：TN91

文献标志码：码：A

文章编号：号：1002-0802(2015)06-0677-05

Abstract：In order to evaluate the real ability of HF ground-wave communication system over rough sea-face, the ground wave attenuation factors under various sea conditions are studied. In combination of shipboard whip antenna modeling technology with HF ground-wave propagation model, the modeling results of directivity property, the radiation efficiency as well as the measured gains are introduced into HF ground-wave propagation computation formula. Atmosphere yawp intensity notion is given, and representative SNR value of the shortwave communication over rough sea-face also calculated. The calculation of SNR is of great significance in improving shortwave communication efficiency. Finally, HF communication result of the four different near-the-sea places is presented. Experiment on wireless channel indicates that the theoretical calculation of HF ground-wave propagation is basically consistent with the result of outfield test.

作者简介：

Analysis and Calculation of HF Ground-Wave of Communication

Link over Rough Sea-Surface

WANG Yu-jue

(Unit 92232 of PLA, Beijing 100161, China)

Key words：ground-wave propagation; rough sea-face; whip antenna; signal-to-noise ratio

0引言

短波通信具有抗毁性好、设备简单、抗干扰性好、造价低廉和使用方便等优点，被广泛用于军事、气象、商业等部门[1]。短波通信也是海上通信的重要手段，特别是中近距离、小业务量的通信很适合利用地波方式进行保障。由于海上气候条件变化较快和随机噪声的干扰，短波信号在传播过程中并不稳定。因而分析海面短波通信链路的质量和接收点处信号场强的计算方法，研究接收处信噪比以衡量通信质量，对短波通信性能做出评估，具有理论意义和现实价值。

由于短波地波传播方式具有受天气、昼夜及季节变化的影响小等优点，广泛应用于舰船之间近距离通信。对于舰船短波通信而言，活动区域以海面为主，文献[2-3]中对在光滑均匀海面条件下的地波传播可通性进行了分析，但在海面风、海水重力和表面张力的相互作用下，海面传播条件是随机粗糙的，国外上世纪七十年代就出现了对沿粗糙海面短波地波传播与衰减的研究成果[4-5]。文献[6]针对短波通信特点，构建基于信噪比估算的通信模型。此外，实际舰船应用环境中，易于安装的短波全向鞭天线为保证阻抗宽带性和低驻波比[7]，需加载到天线上，导致天线的实际通信能力与理论分析的结果有一定差别。

本文通过对随机粗糙海面情况下的地波传播和衰减分析，结合实际舰载鞭天线的辐射效率和馈线传输能力，对粗糙海面近距离短波地波通信接收点处场强和信噪比进行计算和深入分析，为评估海面舰艇间有效通信提供了理论依据。

1海上地波传播计算

1.1光滑海面地波场强计算

短波通信主要有天波传播和地波传播两种方式，海上近距离的舰艇通信中主要依赖地波传播方式。近距离(不考虑地球曲率)光滑海面条件下，仅考虑自由空间传播中引起的电波衰减和海面对电波的吸收，因而接收场强(mV/m)可表示为：

(1)

式中，A为大地损耗引起的衰减因子，Pr为辐射功率(kW)，D为传播方向天线的增益系数，r为通信距离(km)。由此可知，近距离地波传播接收场强值为自由空间电波传播接收场强乘上一个衰减因子。对于衰减因子的计算，需要考虑传播距离以及评估地球曲率的影响。临界距离由下式给出：

dcr=80f-1/3

(2)

当地表面波的传播距离不超过上述应用范围时，可以采用近似公式进行衰减因计算。

(3)

式中，辅助参量x称为数量距离，其计算公式为：

(4)

式中，εr和σ分别为地表面的相对介电常数和电导率。当地表面波的传播距离超过临界距离时，必须考虑地球曲率的影响，此时地波场强需采用绕射公式进行计算，即：

(5)

(6)

(7)

以上地波场强计算是在基于均匀光滑海面假设下进行的，但是实际环境中，海面实际状态是随机粗糙的，需要对地波传播衰减因子进行深入研究，为海面短波地波通信的工程应用提供基础。

1.2粗糙海面地波衰减因子

海面的粗糙程度主要是由风引起的。通常有两大类海浪状态：充分发展的海浪和涌浪。Philips各向同性海浪谱解决了由风速U(m/s)产生的充分发展的海浪，本文针对四级海况进行粗糙海面地波衰减因子的计算。表1给出了在四级海况条件下的风速、风力级和采用Phillips海浪谱计算的海浪均方高度等参数。

表1　四级海况下风速、风力和海浪均方高度等参数

粗糙海面相对于均匀光滑海面的地波传播叠加了衰减因子As，As与海面通信距离、通信频率及海况条件相关[9-10]。对于均匀光滑海面的地波衰减因子A和粗糙海面的地波衰减因子Ap有如下关系：

As=Ap-A

(8)

图1给出了在四级海况下发射和接收同在海面上，不同距离时的地波衰减因子与频率的关系。

图1粗糙海面附加地波衰减因子

由图1可以看出，粗糙海面地泊传播的近端与远界，低频段的传播特性相近，随着频率的增高，附加衰减会迅速增大。

2鞭天线性能

理想天线性能不会随频率变化而变化，但在舰船间的短波地波通信链路中，天线性能受频率变化的影响。实际通信中舰载鞭天线为保证整个频段内的宽带性能要求，需要在天线上和天线根部同时加载。在短波地波通信链路分析中，需要对此类天线进行性能评估。舰载鞭天线形式如图2所示。

图2　短波双加载单鞭天线示意

图2是一种10 m的舰用单鞭天线短波宽带天线，在天线上部接入一个由电阻和电感并联的复阻抗，在天线根部和匹配器之间再加入一个由电阻、电感和电容并联的复阻抗，可将之看作一个预匹配器。该双负载单鞭天线的增益和效率可以采用矩量法进行计算，其结果如图3所示。

图3　10 m双加载单鞭天线效率及水平方向增益

由图3可以看出，在低频段，由于预匹配器在最低端消耗了大量功率，致使天线在低端的效率和增益很低；随着频率的升高，天线的增益和效率迅速提升。此外，在频率达到高端时(大于20 MHz时)，增益值反而下降，并在26 MHz处达到最低点，这是因为在该频段，天线的最大辐射方向已经不在水平方向了[11]。

考虑实际天线参数的影响，结合舰载鞭天线仿真性能，对海面短波地波通信的计算和分析，可较为真实地反映舰艇近距离短波地波通信情况，其结果将在后文中给出。

3大气噪声

短波通信接收情况的好坏主要取决于信噪比，自然条件下短波通信的外部噪声主要有宇宙噪声、大气噪声和工业噪声。对于海面短波通信，宇宙干扰和工业噪声均较小，这里不予考虑。作为海上短波通信的主要噪声源，大气噪声主要由雷电引起，并随频率、时间、季节、地理位置以及气候变化而变化。

目前，CCIR322报告[12]和ITU-R P.372-8推荐书[13]提供了一套全球大气噪声分布图，因而工程上常采用此方法通过查图估算出大气噪声计算公式中的各个参数。大气无线电噪声强度En(dBuV/m)有效计算公式如下：

En=Fa+10lgB+20lgf-96.8

(9)

式中，B为接收机的有效噪声带宽(Hz)，f为工作频率(MHz)，Fa大气无线电有效噪声系数(dB)，计算如下：

(10)

式中，Fam为时区内大气无线电噪声系数Fa的中值，Du为时区内无线电噪声系数Fa的上十分位值；σFam为Fam的标准差，σDu为Du的标准偏差。以上4个参数可通过CCIR322报告给出的世界无线电噪声分布图查得。

根据CCIR322报告，以我国南海附近海域坐标北纬20°和东经115°为例，有效噪声带宽为25 kHz，选择大气噪声最大的夏季进行分析，在工程应用中通常是以统计形式取其季时段的中值来进行计算。大气噪声的值如表2所示。

表2　夏季不同频率下大气噪声(北纬20°东经115°处)

由表2可知，大气噪声随着频率的增加和远离雷区而降低。

4计算结果与分析

4.1天线对地波传播的影响

在地波场强的计算中，不同于理想天线的性能参数恒定，实际天线增益和辐射效率随着工作频率的变化而变化。结合前文中对10 m双负载单鞭天线性能参数的仿真结果，对舰载鞭天线在粗糙海面上不同参数条件下的地波通信链路进行分析和计算，考虑辐射效率和馈线损耗，其中发射机输出功率为1 kW，海面相对介电常数εr=80，电导率σ=4 Ω/m。仿真计算出距离为30 km、100 km时粗糙海面上接收点场强与频率之间的关系，其结果如图4所示。

图4　不同通信距离下粗糙海面接收点场强与频率的关系

由图4可见，由于辐射效率和天线馈线损耗等因素的影响，接收点实际场强比理想天线情况下低，尤其在低频端，工作频率为3 MHz时，理想天线与实际天线的地波场强相差近12 dB。

与理想天线接收场强随工作频率增加而减小的趋势不同，鞭天线在实际通信时存在一个最佳工作频率范围。通信距离为30 km时，5～12 MHz频率范围内信号较强；通信距离为100 km时，4～8 MHz频率范围为最佳工作频段。由此可知，最佳工作频率随通信距离增加而降低，工作频段宽度随通信距离增加而降低。这表明尽管在低频段天线辐射效率和馈线传输效率较低，但由于地波衰减随频率增加也迅速增加，因此较低的工作频率是实际工程中的首选。

4.2粗糙海面地波通信信噪比估算

以上仿真给出了实际天线下粗糙海面短波通信地波场强的有效值，由于信噪比是衡量短波通信效能和电路设计的主要指标，因此对接收点处的信噪比的计算尤为重要。接收点处的信噪比SNR(dB)可以表示为：

SNR=E-En

(11)

式中，E为接收点处地波电场强度(实际天线条件下)，En为大气噪声场强。利用前文的计算结果，可以得到粗糙海面近距离地波通信接收点处的信噪比如图5所示。

图5不同距离时接收点处信噪比与频率关系

由图5可知，在同一频率上，由于地波场强随着通信距离的增加而降低，接收点处的信噪比随着距离的增加而降低；在同一距离上，信噪比随着工作频率的增加而增加，由于大气噪声受频率增加而降低的幅度远大于地波场强降低的幅度。实际通信中接收点处的信噪比需要大于系统本身要求的最低信噪比。例如在上述粗糙海面地波通信中，要求在200 km处接收信噪比不低于5 dB，那么系统的可通频段可选在5～30 MHz。

5短波无线信道试验实测数据统计

对短波海面波传播效果进行了四地通信试验，通信距离为100～200 km，电台最大发射功率为1 kw。

由表3知，节点2和节点4与节点1的通信距离分别为120 km和190 km，在考虑相同的大气噪声和天线性能前提下，根据短波海面波衰减理论计算的2发1收与4发1收接收信号场强差值约为5 dB；由图6柱状图知，2发1收的接收信噪比为13～15 dB，而4发1收的接收信噪比为9～13 dB，相差4～6 dB，与理论基本相符。

表3　四地相互间通信距离

由表3知，节点2和节点4与节点3通信距离分别为135 km和190 km，根据海面地波衰减理论计算的接收信号场强差值约4 dB；由图7可知，2发3收的接收信噪比约为9～13 dB；而4发3收的接收信噪比约为5～11 dB，两者实际中相差2～4 dB，基本与理论相符。

实测四地间的可用通信频段为5～12 MHz，主用的通信频段集中6～9 MHz。与图5理论分析结果略有差别。分析其原因为各试验点均在临海陆地上，受工业噪声影响较大，实测本地噪声分布并不呈现噪声随频率增加而降低的规律，而是在各个频段内均有峰谷出现。实际可通频段主要由海面地波传播损耗特性决定。因此，实际可通频段更接近于图4中曲线的分布。

试验数据统计了同一通信地点接收不同距离通信地点的信噪比，考虑相同大气噪声的前提下，实际接收信噪比绝对差值与理论基本相符，而实际接收信噪比(考虑到近海处信号干扰等影响)与理论基本一致。

图6　节点1在不同信噪比下通信次数

图7　节点3在不同信噪比下通信次数

6结语

通过对粗糙海面传播的短波地波通信链路的分析与计算，以及舰载鞭天线的增益及大气噪声的频谱特性的分析，给出了粗糙海面传播条件下短波地波通信的信噪比估算方法，得到了在不同通信距离时的短波通信系统的最佳通信频率。并对短波海面波传播效果进行了临海四地通信试验，实际海面地波试验验证了海面地波衰减理论的有效性。基于粗糙海面短波地波通信计算模型，能够有效地进行短波通信效能的评估，对实际短波通信链路频率规划及链路质量评估有一定的工程应用意义。

参考文献：

[1]胡中豫.现代短波通信[M].北京:国防工业出版社,2005.

HU Zhong-yu.Modern High Freqency Communication[M]. BeiJing:National Defence Industry Publishing Company,2005.

[2]杜源,曹强.近海短波传播方式确定方法及相关分析[J].舰船电子对抗, 2005, 10(05): 13-15.

DU Yuan,CAO Qiang.Determination and Correlation Analysis of Offshore Short Wave Propagation Pattern[J]. Warship Electromagnetic countermeasure,2005,10(05):13-15.

[3]王鹏飞. 舰艇间短波通信链路的分析与计算[J]. 舰船电子工程, 2008, 28 (08): 83-85.

Wang Pengfei. Analysis and Calculation for HF Communication Circuit between Ships[J]. Ship Electronic Engineering, 2008, 28 (08): 83-85.

[4]Barrick D K. Theory of HF and VHF Propagation across the Rough Sea:1,the Effective Surface Impedance for a Slightly Rough Highly Conducting Medium at Grazing Incedent[J]. Radio Sci, 1971, 6(5):517-526.

[5]Barrick D K. Theory of HF and VHF Propagation across the Rough Sea:2,Application to HF and VHF Propagation above the Sea[J]. Radio Sci, 1971, 6(5):527-533.

[6]董航, 徐池, 易涛等. 基于信噪比估算的短波通信辅助决策模型研究[J]. 通信技术,2014,47(11):1313-1317.

DONG Hang, XU Chi, YI Tao,et al. HF Communication Aid Decision-Making Model based on SNR Evaluation[J]. Communications Technology,2002,1(10):35-38.

[7]陈海涛. 一种舰用短波宽带天线的效率及增益分析[J]. 舰船电子工程,2002, 1(10): 35-38.

CHEN Hai-tao.The Efficiency and Gain Analysis of HF Wideband Antenna with a Ship[J]. Ship Electronic Engineering, 2002, 1(10): 35-38.

[8]Recommendation ITU-R P.368-9. Groud-Wave Propagation Curves for Frequencies Between 10kHz and 30MHz[S].Geneva:International TeleCommunication Union(ITU),2007.

[9]LIANG Qi, LI Qing-liang. Attenuation Factor of Ground-Wave Propagation across the Rough Sea[J]. Chinese Journal of Radio Science. 2000, 15(3):295-300.

[10]曲贵成,王睿. 大气噪声条件下海上短波通信可通性研究[J]. 舰船电子工程, 2009, 29(01): 92-94.

QU Gui-cheng,WANG Rui.Study on the Conditions of Continuity of Shortwave Communication at Sea Atmospheric Noise[J].Ship Electronic Engineering,2009,29(01):92-94.

[11]张朝柱.海上近距短波通信系统技术研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工程大学, 2002.

ZHANG Chao-zhu.The Research of Close Range Shortwave Marine Communication System[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2002.

[12]CCIR-Report 322-3, Characteristics and Application of Atmospheric Radio Noise Data[S]. Switzerland: International Radio Consultative Committee, 1986.

[13]Recommendation ITU-R P.372-8,Radio Noise[S].Geneva:International Telecommunication Union(ITU),2003.