短波通信頻點預測分析

摘要：本文根據(jù)短波通信的特點建立了短波通信鏈路模型，并在此模型的基礎上分析了短波通信的信道損耗；然后簡要介紹了如何應用軟件W6ELProp 2.0預測了兩地短波通信時所使用的頻點，并通過實驗驗證了應用此軟件的可行性。

關鍵詞：短波通信，信道損耗，頻點預測

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)射功率直接進行遠距離通信，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，是實現(xiàn)超視距通信的重要手段。

但是由于電離層的多變性，導致短波通信的系統(tǒng)損耗與工作頻點是不確定的。本文根據(jù)短波通信的特點，對短波通信鏈路進行了建模，在此模型的基礎上分析了短波通信的系統(tǒng)損耗；并通過A地與B地兩地之間短波電臺的通信實驗，驗證了應用共享軟件W6ELProp 2.0預測短波通信工作頻點的可行性。

1 短波通信鏈路模型

圖1為假設的短波電離層反射信道的模型。圖中“信道基本傳播損耗” Lp表示無線電波進入電離層信道后，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。

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

2 信道基本傳播損耗

下面我們對圖1中的信道基本傳播損耗進行分析。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。其中前三項可以計算，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)學計算式可以表示為：

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離發(fā)射點傳播，能量在空間擴散所引起的，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，我們可以推導出短波天線場的數(shù)學計算式如下所示：

式中：

Na和Nb分別代表a、b兩點的緯度（一般b點作為高緯度點）；

Ea和Eb分別代表a、b兩點的經(jīng)度；

ω代表a、b兩點間的大圓弧角距離；

D代表a、b兩點間的大圓距離（即a、b兩點間地面的距離）；

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兩點經(jīng)電離層反射后的斜距；

λ代表通信波長。

如果，我們知道了進行短波通信兩地的經(jīng)緯度和當天電離層的高度（認為電磁波主要通過電離層的F層進行反射，所以可以認為he=300km），那么我們通過（1.3）、（1.4）式可以計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；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)驗公式計算的。

式中：

Ar（0，0）為x=0，R12=0時電波沿垂直方向穿過電離層所遭受的吸收因子，它隨季節(jié)和改進型磁傾角|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為太陽天頂角；

R12為太陽黑子數(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。

在計算La前，首先要明確電波通過電離層100公里處的緯度。然后根據(jù)此緯度點的fH和|x|的值來求出AT（0，0）和La。如果我們假設短波通信模式為1F模式，那么過D層的兩個點分別為M和N，那么取這兩個點處 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可以達到4000km，而本文所考慮的短波通信基本都是國內(nèi)范圍內(nèi)的短波電臺之間的通信，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，時間延遲、大氣噪聲、多徑效應等等，這些損耗是不定的，我們可以大概估算出Yp=3-10dB左右。

3 頻點預測及實驗驗證

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

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

下面我們應用此軟件來預測2017年7月1日A地（N30°6'00"、E104°1'00"）和B地（N40°24'57"、E99°48'17"）之間地面短波電臺通信時可用的頻點。

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時段A地與B地進行短波通信時可以選用的頻點情況，預測結果如圖3所示。

（a）全天各時間段設定頻點可用情況

（b）全天各時間段的最高可用頻率

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

4 結論

本文根據(jù)短波通信的特點，對短波通信鏈路進行了建模。一方面，在此模型的基礎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算方法；另一方面，通過A地與B地兩地地面短波電臺的通信實驗，驗證了應用共享軟件W6ELProp 2.0預測短波通信工作頻點是可行的，實驗證明它的預測結果具有一定的參考價值。

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作者簡介：

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