超短波信噪比模型研究

孟 凱，黨大鵬，黃曉飛

（1.解放軍91913部隊，大連116023；2.解放軍91550部隊，大連116041）

0 引 言

隨著科技的飛速發(fā)展，信息化作戰(zhàn)的要求不斷提高。信息系統(tǒng)效能評估也日益成為各國軍隊重視的課題。信噪比是信號功率電平與噪聲功率的比值［1］。在通信系統(tǒng)效能評估的指標(biāo)體系中，信噪比是非常重要的指標(biāo)之一，也是計算語音可懂度或誤碼率的基礎(chǔ)。

超短波電波傳播的理論已比較成熟。電波傳播的場強預(yù)測模型也已有多種，這些模型大多都是根據(jù)各個國家在不同區(qū)域和地形條件下，測得大量現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，并經(jīng)過數(shù)值統(tǒng)計的方法獲得的。其中有的是由一些經(jīng)驗公式組成，有的是由系列經(jīng)驗曲線組成，例如CCIR模型就是由國際無線電咨詢委員會（CCIR）推薦的一簇曲線，它適合短波和超短波較遠(yuǎn)距離的傳播情況場強預(yù)測，其模型較簡單，具有國際通用性。傳播損耗不僅和頻率、距離有關(guān)，還和收、發(fā)天線的高度有關(guān)，更和地形、地物有關(guān)，精確計算非常困難。工程中常采用插值查表的方法求得接收場強。但這種方法在通信系統(tǒng)效能評估中并不適用，工程中使用的具體查表求值法很難在計算機仿真中實現(xiàn)。超短波電波傳播損耗的計算已有一些經(jīng)驗公式，但設(shè)計一個簡潔有效的適用于通信系統(tǒng)效能評估的計算流程并不多見。本文利用現(xiàn)有理論成果，通過合理地選用和優(yōu)化各種電波傳播模型，研究一種完整而簡潔的超短波信噪比計算模型。

1 場強的計算

在完全理想的條件下超短波傳播的最遠(yuǎn)距離，即視距傳輸距離為：

通常依據(jù)接收點離開發(fā)射天線的距離r的大小分為3個區(qū)域：亮區(qū)，r＜0.7r0；半陰影區(qū)，0.7r0＜r＜1.3r0；陰影區(qū)，r＞1.3r0。

一般來說場強的衰減可由基本衰減和一個衰減因子組合表示。目前場強預(yù)測模型較多，如Lonley－Rice模型、Okumura－Hata模型等。其中Lonley－Rice最適合海上場強預(yù)測。但是該模型較為復(fù)雜，以下直接給出了簡化后的場強預(yù)測模型。

1.1 亮區(qū)場強的計算

亮區(qū)指傳輸距離r＜0.7r0的區(qū)域。當(dāng)傳輸距離較近（r＜0.3r0）時，地面可看作平面地［2］。當(dāng)滿足時，有則：

相應(yīng)的路徑損耗為：

式中：｜R｜和φ分別為地面反射點處反射系數(shù)的模值和相角。

垂直極化波的地面反射系數(shù)為：

式中：rh，rv和φh，φv分別為水平極化和垂直極化反射系數(shù)的模值和相角；θ為入射角；而＾ε為反射點平面的復(fù)相對介電常數(shù)，＾εr＝εr－j60σλ，其中εr為反射點平面的相對介電常數(shù)，σ為電導(dǎo)率，λ為波長。

當(dāng)傳輸距離0.3r0＜r＜0.7r0時，必須考慮地球曲率的影響。為了使上述公式適應(yīng)于曲地面的情況，必須對公式中的天線高度作適當(dāng)修正，即用等效高度h′1和h′2來代替h1和h2。若以地球半徑6 370km計算，可以推出，在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射條件下，等效高度為：

需注意當(dāng)天線高度用等效高度計算時，通信傳輸距離的范圍不能擴大到最大傳輸距離，通常使用范圍僅為最大傳輸距離的50%～70%。也就是說在天線架設(shè)較高、傳輸距離相當(dāng)大、通信距離又特別遠(yuǎn)時，進行天線高度的修正才是合適的。在通信距離不甚遠(yuǎn)、地球曲率影響不太大的戰(zhàn)術(shù)通信中，往往不需要對天線進行高度修正，可直接代入天線高度求得場強。

1.2 陰影區(qū)場強及傳輸損耗的計算

當(dāng)電波傳播大于視距時必須考慮繞射的影響。所謂繞射，是指電波繞過傳播道路上障礙物的現(xiàn)象。繞射過程中會產(chǎn)生較大的衰減。電波沿光滑球面的繞射場的計算是非常復(fù)雜的。在工程上，對于陰影區(qū)的場強可以用?？怂构浇朴嬎悖?/p>

按照《關(guān)于節(jié)能新能源車船享受車船稅優(yōu)惠政策的通知》(財稅〔2018〕74號)相關(guān)要求，工信部官方網(wǎng)站對《享受車船稅減免優(yōu)惠的節(jié)約能源使用新能源汽車車型目錄》(第一批)名單進行了公示。本次將排量小于1.6L的車型納入車船稅減半政策適用范圍，在滿足排量要求的同時，車輛還需符合綜合工況油耗的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，所以并不是所有1.6L排量以下的車型都可以享受此政策。此外，對于符合新能源產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)質(zhì)量要求的純電動商用車、插電式(含增程式)混合動力汽車、燃料電池商用車，免征車船稅，目前市場中絕大部分插電式混合動力車型均在免征范圍內(nèi)，主要包括中國生產(chǎn)的自主、合資車，而進口插混車型不在此范圍內(nèi)。

式中：F為衰減因子，這里已經(jīng)轉(zhuǎn)化為倍數(shù)，可由下式求得：

式中：x1，y1，y2分別為發(fā)射天線與接收天線的相對距離及相對高度，它們可由下式求得：

式中：rH為標(biāo)準(zhǔn)距離；hH為標(biāo)準(zhǔn)高度；K為地球等效半徑系數(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下K＝K0＝4／3；式中長度單位皆為m。

由求得的x，y1，y2，用以下擬合公式就可得到：

陰影區(qū)的傳輸損耗為：

1.3 半陰影區(qū)場強和傳輸損耗的計算

半陰影區(qū)的計算更為復(fù)雜，通常是用過渡曲線法。即分別求出亮區(qū)、陰影區(qū)的場強，然后用平滑曲線將它們連接起來，用這些過渡曲線就可以確定半陰影區(qū)的電場強度。

以上討論是假定電波在光滑地面上以視距傳播方式傳播且接收天線和發(fā)射天線同為高架或低架時的場強和路徑損耗計算。在實際中會遇到另外一種情況，即收發(fā)天線中只有一方是高架。例如地空通信、升空干擾設(shè)備對地面設(shè)備的干擾、升空偵察設(shè)備對地面設(shè)備的偵收等，此時只有一方滿足高架條件。當(dāng)視線距離通路離開障礙物0.6個以上菲涅爾區(qū)間隙時，其路徑損耗就可認(rèn)為是自由空間損耗所決定，信號場強大小主要取決于自由空間的電波傳播特性，從而可按自由空間條件計算。

2 大氣噪聲的計算

無線電干擾分為外部干擾和內(nèi)部干擾。內(nèi)部干擾指設(shè)備本身產(chǎn)生的噪聲，外部干擾是指接收天線從外部接收的各種噪聲，分為大氣噪聲、工業(yè)干擾、宇宙噪聲。海上超短波通信受工業(yè)干擾較小，而海上宇宙噪聲的噪聲系數(shù)也比較低，這里不予考慮。大氣噪聲是影響海上超短波通信質(zhì)量的主要因素 ，研究海上超短波通信必須考慮大氣噪聲影響。

大氣噪聲場強計算模型一般采用查圖計算的方法獲得。步驟如下［4－5］：

（1）根據(jù)工作時間（季節(jié)和當(dāng)?shù)貢r間）找到相應(yīng)時區(qū)的噪聲圖［5］；

（2）在1MHz的Fam圖中找到接收點所對應(yīng)的經(jīng)緯度位置，并從等Fam線上讀出接收點1MHz下的Fam值；

（3）在噪聲頻率變化圖中找到已查出的1MHz下的Fam值的曲線，在該曲線上找到對應(yīng)于工作頻率f的Fam；

（4）在大氣無線電噪聲隨機變化特征圖中找到對應(yīng)于工作頻率f的Du，σFam及σDu的分貝數(shù)；

（5）將工作頻率f所對應(yīng)的Fam，Du，σFam及σDu的值代入公式（18）可得該時區(qū)噪聲系數(shù)Fa：

（6）將有關(guān)數(shù)值代入下式求出大氣噪聲場強：

表1、表2中列出了《短波無線電收信臺（站）電磁環(huán)境要求 GB13617－1992》提供的部分?jǐn)?shù)據(jù)［6］。為便于工程實現(xiàn)，本模型在計算噪聲系數(shù)Fa時直接查表1、表2，省去了查圖計算的繁瑣。

表1 我國冬季大氣噪聲系數(shù)

表2 我國夏季大氣噪聲系數(shù)

在分別求出傳輸信號場強和大氣噪聲場強后可由下式直接求出信噪比［7］：

3 結(jié)束語

本文主要利用現(xiàn)有理論成果，在對比幾種電波傳播衰減模型的基礎(chǔ)上，給出一種完整且易于工程實現(xiàn)的超短波場強計算模型，并研究了利用噪聲系數(shù)表計算大氣噪聲場強的方法，在此基礎(chǔ)上建立了超短波信噪比計算模型。通過該模型可以進一步得出語音可懂度或誤碼率等性能指標(biāo)，在實際數(shù)據(jù)和先驗知識較少的情況下進行通信系統(tǒng)效能評估。

［1］Simon Haykin.Communications Systems［M］.Beijing：Publishing House of Electronic Industry，2004.

［2］紹國培，曹志俊.電子對抗效能分析［M］.北京：解放軍出版社，1997.

［3］張業(yè)榮，竺南直，程勇.蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化［M］.北京：電子工業(yè)出版，2003.

［4］張朝柱.海上近距短波通信系統(tǒng)技術(shù)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2002.

［5］沈琪琪，朱德生.短波通信［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

［6］GB13617－92，中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)短波無線電收信臺（站）電磁環(huán)境要求［S］.

［7］熊皓.無線電波傳播 ［M］.北京：電子工 業(yè) 出 版社，2000.