天波传输模型在短波模拟电台训练系统中的应用

丁岳峰，张 哲，曾 研，马雪娇

（1.南京熊猫汉达科技有限公司，江苏 南京 210000；2.南京理工大学，江苏 南京 210094）

0 引言

短波模拟电台训练系统作为一种对真实电台产品的仿真，可解决短波电台操作训练中存在的电台数量不足、训练损耗、脱离真实通信环境等问题。随着近几年在短波电台产品上的不断投入，电台功能不断增多，生产成本也在不断提高，电台训练模拟仿真软件成为各通信设备厂家研发的热点。

目前，国内在通信设备训练软件方面有了很大的进展。为实现通信设备训练软件，许多学者进行了相关研究。石志强，张占军等[1]学者提出了局域网内基于C/S模型的坦克车载电台模拟仿真通信训练系统。牟健等[2]学者在局域网的基础上，构建了一种基于SIP语音通信协议的模拟电台语音通信系统。但上述通信设备训练软件的研发都是以用户界面、操作逻辑以及通信功能的仿真为主，忽略了真实短波传输过程中环境对通信效果的影响，造成用户在使用电台训练仿真软件过程中体验差，忽视了各种因素所导致的电台通信效果差、通不上等问题，失去了电台操作环境的真实性。

为此，本文在传统训练软件的基础上，在短波电台天波传输链路模拟算法中引入收/发信机性能、天线性能、电台位置信息、时间信息等多种变量，研究各变量对通信质量的影响，并将其应用于短波模拟电台训练系统中。先对天波传输模型设计进行阐述，再对模拟天波传输功能进行研究，最后将天波传输模型应用于短波模拟电台训练系统中，使短波模拟电台训练系统更贴近实际使用。

1 波传输模型设计

短波通常是指波长在10-100m，频率在3-30MHz的电磁波。短波传输主要分为地波传输和天波传输，利用地波传输，损耗较大，通常用于近距离短波通信，而天波传输损耗小且传输距离远，因此天波传输是短波通信的主要传输方法。天波传输是指电磁波斜射电离层，经过电离层的反射将电磁波传回地面的传输方式。经电离层与地面的多次反射，电磁波可传至上千千米。天波传输虽然比地波传输受到传输损耗小，但易受太阳离子浓度、发射角、跳数、电磁环境等多种因素的影响。

本文针对短波模拟电台训练系统，旨在对天波链路进行模拟，让使用者对收/发信机性能、天线性能、电台位置信息、时间信息等多种常见变量对短波通信效果的影响产生直观感受，同时确保模型仿真结果与真实情况接近。本文对天波传输模型进行适当简化，采用一跳天波传输模型，根据短波信道传输理论，构建并简化天波传输（一跳）模型如图1所示。图中，L表示两地距离；R表示地球半径；D表示电离层距地球高度；α表示两点夹角；θ表示电离层入射角；β表示发射仰角。

图1 天波传输模型

2 模拟天波传输功能设计

短波通信频率是短波通信过程中最关键的指标之一。频率选择过大，电磁波将穿透电离层无法传回地面，反之频率选择过小，则电磁波会被强烈吸收，因此，选择合适的频率对短波通信至关重要。人们通常将最大可用频率至最小可用频率的可用频率范围称为“频率窗”。

本文将用户选择的通信频率与根据天波传输模型计算得到的“频率窗”相结合，通过在信号中混入噪声的方式，使用户在使用过程中对各变量对通信质量的影响有一个直观的感受。

2.1 最大可用频率

短波通信主要是通过电离层反射实现的，当短波频率过高时，电磁波将穿透电离层，造成无法通信的情况。该频率上限称为最高可用频率[3]。

天波传输的最大可用频率fmuf可表示为

式中，θ表示电离层入射角，Nmax表示电离层最大电子浓度。根据图1的天波模型可得

将式（2）代入式（1）可得最高可用频率fmuf

式中，电离层距地高度D；电离层入射角θ；电离层最大电子浓度Nmax受电离层影响，与当前时间段有关，电离层入射角θ、两地距离L与两地经纬度有关。

2.2 最低可用频率

短波在天波传输过程中，经过电离层吸收、环境损耗、馈线损耗等能量损耗后，到达接收机端的电磁波能量可能达不到接收机的灵敏度或信噪比无法满足要求，从而影响正常通信。通常把满足通信条件的频率下限称为最低可用频率[4]。

在自由空间条件下，接收机的输入电平为

式中，PR为接收机输入电平；PT为发射机的发射电平；GT为发射天线的增益；GR为接收天线的增益；Lf为馈线损耗；Lo为基本损耗，可表示为

式中，f为发射频率；E为传播路径长度。传播路径长度根据天波传输模型，由当前时间和经纬度坐标计算得到。

将式（5）代入式（4）中，当满足PR>KR即接收机输入电平大于接收及灵敏度时，可计算得到最低可用频率。其中，接收机输入电平、发射机的发射电平、收发天线的增益、接收及灵敏度等变量在用户进行电台、天线型号选择时设置完成。

2.3 最佳可用频率

在实际通信过程中，考虑到电磁波会穿透电离层，一般不会选择最大可用频率为通信频率。根据经验，白天时反射的电离层通常为E层，夜间通常为F层，因此，白天时最佳可用频率fopt一般设置为最大可用频率

夜间电离层较薄，夜间的最佳可用频率一般设置为0.85倍的最大可用频率，即

3 系统功能实现

3.1 系统组成

短波模拟电台训练系统采用客户端/服务器（C/S）模式，主要包含仿真电台终端和服务器端。系统通过TCP/IP、UDP协议实现对仿真电台终端接入状态、话音通信、数据传输等的控制。系统组成如图2所示。

图2 系统组成框图

3.2 功能实现

在短波模拟电台训练系统基础上，添加模拟天波链路功能。用户在仿真电台终端对各自经纬度、当前时间、电台型号、天线型号等参数进行设置，设置完成后，通过网口传至服务器。当两台仿真电台终端进行通话业务时，将设置的参数进行计算，得到当前两部仿真电台终端可用通信频率范围。根据用户所选的频率，通过对话音信号进行噪声混叠，影响通信质量。若未设置电台和环境参数，则默认在理想状态下通信。在话音功能下，模拟天波功能具体实现流程如图3所示。

图3 模拟天波模拟功能下话音通信流程

模拟天波功能参数设置成功后，软件界面如图4所示。

图4 模拟天波功能参数设置软件界面

4 结束语

本文立足于传统短波电台训练仿真系统，模拟真实环境，将短波天波传输过程中受到的影响因素带入天波传输模型。待通信双方进行参数交互后，计算出当前通信环境下的“频率窗”，并将计算出的频率范围与双方所选频率进行比较，并反映在通话质量上。经过测试得出应用本文所提出的天波传输模型算法，计算所得频率范围结果与常用经验数值较为接近，符合实际规律。天波传输模型的引入可以使用户体验更为真实，用户可以通过短波模拟电台训练系统了解各型天线、电台参数、环境参数等对“频率窗”的影响，对用户在实操下的选频具有一定的指导意义。