（通信与信息系统专业论文）短波信道建模与仿真技术研究.pdf

摘要 摘要 无线信道特性是设计及测试任何一种通信系统必须考虑的因素之一。对于短 波电离层信道来说，由于电离层随时间地点的不同而不断变化，电离层信道特性 十分复杂，要充分测试一种新的短波通信系统变得十分困难。因此，短波信道仿 真因具有成本低、准确性高、可重复实验等优点而得到广泛的应用。 目前被广泛使用的短波信道模型仅能仿真窄带信道条件。当信号带宽达到 1 m h z 量级的时候，需要一种新的信道模型来更准确的反映电离层对整个信号频带 的散射特性。本文对现有宽带短波信道模型进行了合理的改进，并提出了仿真实 现方案。 宽带短波信道建模的一个核心问题是如何描述每一传播路径内时延功率扩 展。i t s 短波信道模型提供了一种时延功率分布函数形式。针对其难于计算及仿真 实现的问题，本文提出了一种改进的时延功率分布函数，新提出的分布函数有闭 合表达形式且与i t s 模型有相近的统计特性。 以改进的宽带短波信道理论模型为基础，本文进一步提出了一种短波电离层 信道仿真实现模型，并且给出了具体的参数计算方法，分析了仿真实现模型的统 计特性。 在进行宽带短波信道仿真中，需要生成大量不相关有色高斯随机过程，本文 提出了一种新的正弦和仿真模型的参数计算方法。与现有方法相比，新提出的方 法不仅统计特性与理论模型更加接近，而且大幅提升了仿真效率。 最后，本文分析了短波航空信道的信道特性。分别给出了短波空空、空一地信 道仿真模型。 关键词：宽带短波信道，信道模型，信道衰落，多径信道，短波航空信道 a b s t r a c t r a d i oc h a n n e lc h a r a c t e r i s a t i o ni s a n yc o m m u n i c a t i o ns y s t e m a sf o r a b s t r a c t a l le s s e n t i a le l e m e n ti nt h ed e s i g na n dt e s t i n go f h fi o n o s p h e r i cc h a n n e l ，b e c a u s eo ft h eg r e a t v a r i a t i o no fi o n o s p h e r ew i 也d i f f e r e n tt i m e sa n dl o c a t i o n s ，i ti sm o r ed i f f i c u l tt o a d e q u a t e l yt e s to u tn e wh fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h u s ，d u et oi t sa d v a n t a g e so f a c c u r a c y , r e p e a t a b i l i t ya n dl o wc o s t , h fc h a n n e ls i m u l a t i o nh a sb e e nc o m m o n l y r e c o g n i z e da sa l le f f e c t i v em e a nf o rt h ee v a l u a t i o no fh fs y s t e mp e r f o r m a n c e 。 c u r r e n t l y , t h em o s tw i d e l ya c c e p t e dh fc h a n n e lm o d e li so n l yv a l i df o rn a r r o w b a n d w i d t h h o w e v e r , w h e nd e a l i n g 、v i t l lw i d eb a n ds y s t e m su pt o1m h zi nb a n d w i d t h ， t h ed i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei o n o s p h e r i cc o n d i t i o n sm u s tb em o d e l l e di naw a y t h a ta l l o w sc o m p l e t er e p r e s e n t a t i o no ft h e i re f f e c ta c r o s st h ew h o l eb a n d w i d t h d y n a m i c a l l y t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sam o d i f i e dw i d e b a n dh f ( w b h f ) c h a n n e l m o d e la n da r c h i t e c t u r ef o rt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h i sm o d e l c e n t r a lt ot h ew i d e b a n ds i m u l a t i o ni st h ed e s c r i p t i o no ft h ed e l a yp o w e rp r o f i l e ( d p p ) o fe a c hp r o p a g a t i o nm o d eo rp a t h i t sw b i - i fc h a n n e lm o d e lh a sp r o v i d e da f o r mo fd p p , w h i l ei t st o oc o m p l e xf o ri m p l e m e n t a t i o n g i v e nt h ed i f f i c u l t i e so f s p e c i f y i n ga n di m p l e m e n t i n gt h ep r o p o s e dd e l a yp r o f i l e ，ap r o p e r l ym o d i f i e dd p p i s p r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n , w h i c hh a sac l o s e - f o r me x p r e s s i o na n das i m i l a rs t a t i s t i c a l c h a r a c t e r i s t i cw i t hi t sm o d e l b a s e do nt h et h e o r yc h a n n e lm o d e l ，a na r c h i t e c t u r ef o rs i m u l a t i o ni m p l e m e n t a t i o n i sf u r t h e rs t u d i e d ，t h ea l g o r i t h mf o rd e t e r m i n a t i o no ft h ep a r a m e t e r si n t h i sn e w l y p r e s e n t e di m p l e m e n t a t i o nm o d e li sa l s od i s c u s s e d t h eg e n e r a t i o no fm u l t i p l eu n c o r r e l a t e dc o l o u r e dg a u s s i a nr a n d o mp r o c e s s e si s d e m a n d e df o rs i m u l a t i n gw i d e b a n dh fc h a n n e l ，i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a ni m p r o v e d d e t e r m i n i s t i c s u m - o f s i n u s o i d s ( s o s ) c h a n n e ls i m u l a t o r w i t han e wp a r a m e t e r c o m p u t a t i o nm e t h o di sp r o p o s e dt os i m u l a t eal a r g en u m b e ro fu n c o r r e l a t e dc o l o u r e d g a u s s i a nr a n d o mp r o c e s s e s c o m p a r e dw i t ht h ee x i s t i n gs o sc h a n n e ls i m u l a t o r s ，t h e p r o p o s e dd e t e r m i n i s t i cs o sm o d e ly i e l d sam u c hb e t t e rs i m u l a t i o ne f f i c i e n c ya n dw h i l e s t i l lp r e s e r v i n gs a t i s f a c t o r ya p p r o x i m a t i o n st ot h ed e s i r e ds t a t i s t i c a lp r o p e r t i e so ft h e i i a b s t r a c t r e f e r e n c em o d e l f i n a l l y , h fa e r o n a u t i c a lc h a n n e lc h a r a c t e r i s a t i o ni sd i s c u s s e d t h eh f a i r - a i ra n d a i r - g r o u n da e r o n a u t i c a lc h a n n e lm o d e la r ep r e s e n t e dr e s p e c t i v e l y k e y w o r d s ：w i d e b a n di - i fc h a n n e l ，c h a n n e lm o d e l ，c h a n n e lf a d i n g s ，m u l t i p a t h c h a n n e l ，h fa e r o n a u t i c a lc h a n n e l i i i 图目录 图目录 图2 1 短波传播示意图6 图2 2 天波传播示意图9 图2 3 引起衰落的原因( a ) 粗多径效应( b ) 细多径效应1 1 图3 1 时延功率分布17 图3 2s w o 5 时的时延扩展误差率2 1 图3 - 3 时延扩展误差率( a ) s v - - o 4 ( b ) s v = o 3 ( c ) s v = o 2 ( d ) s v = o 1 2 1 图3 4 短波信道单一传播模式仿真实现结构2 3 图3 5 抽头时延间隔不满足条件的频率自相关函数包络2 7 图3 - 6 仿真模型均方根时延扩展与抽头数的关系2 8 图3 7 多模式短波信道仿真结构2 9 图4 1 有色高斯随机过程生成方法( a ) 滤波法( b ) 正弦和法3 1 、 图4 - 2 露，f ( f ) 的自相关函数均方误差( o - 0 = 1 ) _ 3 7 图4 3 a j ，= 0 2 时自相关函数3 8 图4 4 相互补偿后复高斯过程的自相关函数3 9 图4 5 厦( f ) 的自相关函数均方误差( o - 0 = 1 ) 4 0 图4 6s o s 仿真模型复高斯过程包络分布4 1 图4 7 复高斯随机序列相关统计特性4 2 图5 1 短波空一空信道示意图4 3 图5 2 电离层反射信号与直射信号功率比值4 9 图5 3 不同类型地面反射信号与直射信号功率比4 9 图5 4 地面反射信号中镜面反射分量与散射分量功率比5 0 图5 5 视距内短波空空信道仿真模型51 图5 - 6 短波空空电离层信道每一传播模式仿真结构5 2 图5 7 短波空地信道传播示意图5 3 v l 表目录 表目录 表2 1 电离层的分层状况8 表2 2 不同距离可能存在的传播模式9 v i i 缩略语说明表 d p p d s p h f i p m i t s l o s m c m m e a m e d m e d s m n i e d s m s e m s e m 姗 o f d m o w f s o s t d l w b h f w s s u s 缩略语说明表 d e l a yp o w e rp r o f i l e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r h i g hf r e q u e n c y i o n o s p h e r i cp a r a m e t e r sm o d e l i n s t i t u t ef o rt e l e c o m m u n i c a t i o ns c i e n c e s l i n eo f s i g h t m o n t e c a r l om e t h o d m e t h o do fe q u a la r e a s m e t h o do fe q u a ld i s t a n c e s m e t h o do fe x a c td o p p l e rs p r e a d m o d i f i e dm e t h o do fe x a c td o p p l e rs p r e a d m e a ns q u a r ee r r o r m e a ns q u a r ee r r o rm e t h o d m a xu s a b l ef r e q u e n c y o r t h o g o n a lf r e q u e n c y m u l t i p l e x i n g o p t i m a lw o r k i n gf r e q u e n c i e s s u mo fs i n u s o i d s t a p p e dd e l a yl i n e w i d eb a n dh i g hf r e q u e n c y w i d e s e n s e s t a t i o n a r y s c a t t e r i n g v i i i d i v i s i o n u n c o r r e l a t e d 时延功率分布 数字信号处理器 高频 电离层参数模型 ( 美国) 电信科学协会 视线 蒙特卡罗法 等面积法 等距离法 精确多普勒扩展法 改进的精确多普勒 扩展法 均方误差 均方误差法 最高可用频率 正交频分复用 最佳工作频率 正弦和 抽头延迟线 宽带短波通信 广义平稳不相关散 射 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名： 醐叼年f 膨日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 繇碎 签名：雹l 遗 导师签名： 醐2 7 删日 第一章引言 1 1 短波通信概论 短波按照国际无线电咨询委员会( c c i r ) 的划分，使用c c i r 划分的九个无线电 频段中的第七个频段一高频频段( 波长为1 0 0 m 1 0 m ，频率为3 m h z - 3 0 m h z ) 。利用 短波进行的无线通信称为短波通信，又称为高频( h f ) 通信。在实际应用中，人们 为了能够充分地利用短波近距离通信的优点，也把中波的高频段( 1 5 m h z - 3 m h z ) 划归到短波波段中，因此短波通信实际使用的频率范围扩展为1 5 m h z - 3 0 m h z 。 短波通信可以利用地波传播，但主要是利用天波传播。短波的地波传播方式 受地面吸收而衰减的程度比长波及中波要大。地波的传播损耗随频率的升高而递 增，即使在频率较低的短波波段，发射功率不是特别大的的情况下，传输距离也 只有几十千米。因此短波地波仅适用于近距离传播。天波是依靠电离层的一次或 多次反射而实现远距离传输的。通常，倾斜投射到电离层的电磁波经电离层反射 后可以传到几千公里外【l 】。因而电离层反射传播是短波通信的主要传播方式。天波 传播因为受到电离层不稳定性影响，信道参数不断变化。因此短波天波信道为变 参信道。正因为如此，电离层的结构、特性、变化规律对短波通信系统的构成、 信号形式、调制方式及应用范围产生重大影响。 1 2 短波通信的主要优缺点1 1 1 2 1 与其它通信手段相比较，短波通信有着许多显著的优点，其主要优点包括： ( 1 ) 短波通信系统利用天然中继电离层反射实现远距离通信，因而系统建设费 用低，建设周期短。 ( 2 ) 短波通信设备比较简单，可以根据需求安装在某一固定地点进行定点通 信；也可以装入移动平台进行移动通信。使用灵活，组网方便。 ( 3 ) 短波是进行远距离及区域性广播的良好手段。通信卫星虽然可以提供新闻 通信业务作为远距离广播使用，但是接收设备复杂并且使用成本较高。在山区、 戈壁、海洋等地区，超短波覆盖不到，主要依靠短波。 ( 4 ) 短波是唯一不受有源中继体制约的远程通信手段，一但发生战争或灾害， 各种通信网络都可能受到破坏，卫星也可能受到攻击。因此，短波系统的抗毁性 电子科技大学硕士学位论文 较强。特别在战争时期，短波通信的抗毁性优势相当明显。 这些相对于其它通信系统的优点是短波通信被长期保留，至今仍然被广泛使 用的主要原因。与此同时，短波通信也存在着一些明显的缺点： ( 1 ) 可供短波通信频率带宽比较窄，通信容量小。短波电台很多，特别是1 0 m h z 以下的频率十分拥挤。邻近电台之间干扰严重，这一问题大大限制了短波通信的 发展。 ( 2 ) 短波天波信道是变参信道，信道特性不稳定。电离层变化使信号产生衰落。 另外，天波信道还存在着严重的多径效应，多径延时使接收信号在时间上扩散， 严重的限制了短波高速数据传输。 ( 3 ) 大气无线电噪声和人为噪声干扰严重。在无线电频谱的低端这类干扰强度 很高。在短波频段，这类噪声虽然比长波与中波波段低得多，但仍然十分严重。 1 3 短波信道研究现状 在通信系统中，信道是一个重要的组成部分，短波信道也不例外。如前所述， 短波信号主要依靠电离层反射进行传播。因此，长期以来，国内外许多研究机构 对短波电离层反射信道的特性以及信道模型的确立进行了大量研究工作。 二十世纪中后期，随着电离层物理理论的逐步完善以及电离层探测技术的不 断发展，短波电离层反射信道模型的研究取得了较大的进步。在电离层实测数据 及理论分析的基础上，该领域的学者们提出了一系列适用于不同条件下的短波信 道模型。 上世纪七十年代，w a t t e r s o n 在i e e e 学报上发表了一篇关于短波信道建模的 文章【3 】。提出了一种短波窄带信道模型，并被国际电信联盟( i t u ) 推荐使用1 4 j 。到目 前为止，大量的窄带信道仿真器均以该模型为基础研制而成。w a t t e r s o n 信道模型 以一条1 3 0 0 公里的中纬度信道的采样数据进行了有效性的验证。实测信道的带宽 分别为2 5 k h z ，8 k h z ，和1 2 k h z ，电离层处于平静期。该模型使用的前提是信道 每一传播模式( 路径) 内时延扩展足够小，与码元宽度相比可以忽略不计。因此， w a t t e r s o n 模型采用的是一种抽头延迟线仿真结构，每一时延抽头代表短波信道中 一个传播模式。并且w a t t e r s o n 模型具有以下几个特征。 ( 1 ) 每一传播路径内，信号幅度服从瑞利衰落。因此，每一时延抽头的抽头增 益q ( f ) 为复高斯随机过程。这一假设在观测时间为1 0 分钟这一量级的时间段内 已经被证明是成立的1 5 儿6 】。在较长的观测时间内( 小时量级) 一般认为衰落幅度的概 2 第一章引言 率密度服从对数正态分布 r l 。w a t t e r s o n 模型的使用前提为仿真时间小于1 0 分钟， 因此瑞利衰落的假设是成立的。 ( 2 ) 不同传播模式内的衰落相互独立。对于这一假设至今仍存在着一定的疑 问。文献【8 】中指出，经过同一电离层反射的传播模式一般具有较大相关性。而对 于“扰动 电离层条件，已经有实测数据证明不同时延的信号分量受到的衰落相 互独立【3 6 1 。 ( 3 ) 每一传播模式内的多普勒功率谱密度具有高斯分布函数形式。 ( 4 ) 虽然w a t t e r s o n 发表的论文中并没有明确提出，但是一般认为这种模型的 离散路径数( 不同传播模式) 比较少，一般小于8 。多数情况下为3 条离散路径。因 此，w a t t e r s o n 模型中的时延抽头数小于8 个。 在w a t t e r s o n 发表其论文之后的2 0 多年间，该模型被认为是短波信道仿真的 基本参考模型。时至今日仍然有大量的短波信道仿真器是基于该模型开发的。之 所以该模型能够得到广泛的应用并且被国际电联推荐，主要是由于该模型结构简 单，易于实现。同时，在满足限制条件的窄带短波信道中，该模型也能够比较准 确的反映窄带短波信道传播特性。 随着宽带短波通信系统的应用，特别是短波扩频技术的不断发展，w a t t e r s o n 窄带短波信道模型逐渐暴露出它在短波通信系统仿真中的限制与不足。在2 0 世纪 8 0 年代以前，由于技术条件的限制，没有宽带短波信道实测数据来支持宽带短波 信道特性及信道模型的研究。从8 0 年代中期开始，美国海军研究实验室( n r l ) 研 制出宽带短波信道测量设备，并进行了大量宽带短波信道( 2 5 0 k h z 和1 m h z ) 的测试 实验1 9 1 1 1 0 l ，并以这些数据为基础建立了新的宽带短波信道模型，一般称之为电离层 参数模型( i p m 模型) 【1 1 】。i p m 模型是以信道散射函数为基础进行建模的。该模型与 w a t t e r s o n 模型的最大区别是考虑了每一传播模式内的时延扩展，除了采用高斯型 多普勒功率形状以外，该模型又提出了一种新的指数相关的洛伦兹型功率谱。但 是文献 1 1 1 并没有给出每种谱的使用条件。从定性的角度看，洛伦兹型谱多数情况 下与实测数据更接近。但是到目前为止，两种多普勒功率谱的使用条件还没有权 威表述。该模型的适用带宽达到了1 m h z ，能仿真更广泛的短波信道条件。该模型 同样适用于窄带短波信道的仿真。这一传播模型会在第三章给出详细的分析，此 处不作详细描述。 在1 9 9 7 年，美国电信科学协会( i t s ) 的m a s t r a n g e l o 等人以i p m 模型为基础， 研制出宽带短波信道仿真器，并将该仿真器的实现方法发表于i e e e 学报上i 1 2 j ，该 仿真器除了采用口m 信道模型作为传播模型以外，还考虑了宽带短波信道的各种 3 电子科技大学硕士学位论文 加性干扰。能够更有效的模拟宽带短波信道特性。但是，由于该模型仍有很多问 题没能得到有效的解决，比如存在着参数设置复杂，难于获取等问题，虽然该模 型正在被国际电信联盟考虑，但是到目前为止还没有得到推荐。 根据不同的使用条件，人们也陆续提出了一些其它的宽带短波信道仿真模型。 1 9 9 7 年l v a n d e rp e r r e 等人用多路d s p 处理方式实现了一款宽带短波信道仿 真器【1 3 1 。除此之外，还存在着一类在w a t t e r s o n 模型基础之上改进得到的宽带短波 信道模型。l a c a z e 提出了一种在w a t t e r s o n 模型加高斯随机延迟的短波信道模型【l 引。 之后，m i l s o m 同样地以w a t t e r s o n 模型为基础，在w a t t e r s o n 模型后接抛物线相位 响应群延迟滤波器的仿真模型【l5 1 。这些模型在其各自不同的条件限制下，同样能 够有效的仿真宽带短波信道特性。文献 1 6 】对这几种模型的优缺点进行了详细的对 比分析。 以上提到的模型均属于经验型信道模型。这类信道是通过对实际测量数据统 计分析，加以数学抽象得到的。经验模型的优点是结构比较简单，但是仿真参数 不能与具体信道条件准确对应。为了克服上述经验型模型的这一缺点，v e g h e r m 提出了一种基于电离层物理模型的短波宽带信道模型l l ，并以该模型为理论依据 设计了软件信道模拟器【l 引。因为该模型纯粹基于信道的物理模型而得到的，因此 能够更准确的仿真各种信道条件，能够模拟具体链路的信道条件。但是其仿真原 理相对复杂。 短波在航空通信中也具有十分重要的作用。在文献 5 7 中，b e l l o 通过理论推 导的方式提出了卫星飞行器间信道模型，得到了一些有价值的结果。之后，人们 陆续的提出了各种航空信道模型，文献【6 1 】讨论了在超短波波段的各种场景下的航 空信道模型。到目前为止，还没有公开发表的文献对短波航空信道模型进行系统 的描述。本文将综合现有研究成果，结合短波信号传播特征，对短波航空信道特 性及仿真模型进行初步的探讨。 1 4 本文的研究内容和结构安排 在对短波通信系统设计和开发时，由于考虑到风险和代价等因素，前期的方 案设计通常要以计算机模拟的方法来进行系统设计，因此需要建立相应的信道模 型并进行信道模拟。 本文通过对现有宽带短波信道模型的特点分析，选择以i t s 信道模型为基础 提出新的信道仿真模型，新模型针对i t s 模型计算复杂度高的缺点，提出了改进 4 第一章引言 方案。并且研究了仿真实现模型的结构、参数计算方法，复随机序列的生成方法。 最后，本文对短波航空信道特性进行了分析，并提出了仿真模型。 本文的结构安排如下： 第一章为引言，介绍短波通信的特点以及短波信道建模的研究现状。 第二章分析短波电离层信道的传播特性。 第三章以i t s 模型为基础，提出了改进的时延功率分布函数仿真实现模型。研 究了仿真实现模型参数的计算方法，并且分析了参数计算方法的有效性。 第四章针对目前仿真生成大量复高斯随机序列中遇到的困难，提出了一种新 的生成高斯型功率谱的复高斯随机序列的仿真实现算法，新方法具有仿真开销小、 统计特性好的特点。并且给出了短波信道中具有洛伦兹型功率谱高斯随机序列的 仿真实现方法。 第五章对短波航空信道特性进行了分析。通过理论推导的方式得到不同传播 路径的功率分布情况。最后，提出了短波航空信道仿真模型。 最后一章对全文进行了总结。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章短波信道传播特性 短波的传播方式有两种：一种是地波传播；另一种是天波传播。地波又由地 表面波、直接波和地面反射波三种分量构成【2 1 。地表面波沿地球表面传播，直接波 为视距传播，地面反射波经地面反射传播。天波传播是指电波经电离层反射到地 面接收点的传播方式，短波天波的传播距离可达到几百到上千公里。短波传播示 意图如图2 1 。 2 2 地波传播 图2 1 短波传播示意图 沿大地与空气的分界面传播的电波叫地表面波，简称地波。地波传播的通信 距离在很大程度上取决于传输介质的电特性。地波在传播过程中，由于能量逐渐 被大地吸收，信号功率很快减弱( 波长越短，减弱越快) ，一般传播距离不远。但地 波传播基本不受气候影响，可靠性高。因此，地波传播的信号比较稳定。但随着 电波频率的增高，传输损耗迅速增大。所以地波传播方式特别适用于短波的低端 频率。短波地波传播的频率范围大约是1 5 5 m h z t 2 。 受到不同传输介质电气特性的影响，短波采用地波方式沿海面传播时，传播 距离最远可达1 0 0 0 公里甚至更远。在电气特性较差的陆地上传播时，通信距离一 般只有几十公里【l j 。利用短波地波进行传输不需要象天波传输时要根据电离层的变 化而不断的改变通信频率。地波传播信号的频率色散与时间色散均比较小。其传 播信号强度衰减容易预测。这是短波地波传播的主要优点。根据上面的讨论可以 6 第二章短波信道传播特性 看出，短波地波通信一般应用于海上岸舰及舰船之间的通信。同时也可以应用于 陆地短距离通信的应用场景。 同时，短波地波传播容易受到大气噪声和人为噪声的干扰，与地波同时存在 的天波信号也会对地波信号产生干扰，在信号接收端产生衰落。 2 3 电离层的基本特性 地球高层大气的分子和原子，在太阳紫外线、x 射线和高能粒子的作用下电 离，产生自由电子和( 正、负) 离子，形成等离子体区域即电离层。根据高度的不同 进行划分，电离层在垂直方向上呈分层结构。由于短波天波信号由电离层反射传 播，因此电离层的基本特性对短波电波传播有重要影响，接下来分别对电离层各 层特性进行介绍。 2 3 1 电离层d 层 d 层处在电离层分层结构的最底层，其高度约为离地面5 0 公里到9 0 公里的 区域。这里主要是波长为1 2 1 5 纳米的赖曼q 氢光谱线的光电离一氧化氮。最大 电子密度发生距离地面7 0 公里左右的高度。频率1 0 m h z 以下的电磁波会被d 层 吸收，随着电磁波频率的升高该层对于电磁波的吸收率下降。在夜间电子大量消 失，因此可以近似认为在夜间d 层对短波传播不起作用。由于电离层d 层的电子 密度较低，因此d 层一般不能对短波波段的电磁波进行反射。短波信号以天波进 行传播时射线会穿透d 层。射线在穿过d 层的时候信号功率会受到比较严重的吸 收衰减。无线电波中的短波在该层受到较大的吸收。太阳活动最高年的吸收几乎 是最低年的两倍。研究表明这种吸收衰减随着频率的降低而增大，夜间吸收率最 低，中午最高。所以在很多文献当中往往也将电离层d 层称为吸收层。 2 3 2 电离层e 层 e 层在电离层分层结构中处于中间位置。一般出现在距离地面9 0 公里1 2 0 公 里的高度，其位置比较稳定。e 层的电离主要是软x 射线和远紫外线对氧气分子 的电离。在中纬度地区，e 层电子密度峰值的高度通常位于1 1 0 1 2 0 公里，而在低 纬地区约为1 0 0 1 2 0 公里。在短波链路设计时，通常以1 1 0 公里高度作为e 层的 反射高度。 除此之外，在距离地面1 2 0 公里处偶尔出现小的、强烈电离的云。一般称之 7 电子科技大学硕士学位论文 为偶发e 层i e s 层。e s 层虽然只是偶尔存在，但是由于它具有很高的电子密度， 能够反射的信号频率也较高。它可以反射频率在2 5 至2 2 5 m h z 之间的电磁波。因 此在短波通信应用中，人们往往希望采用偶发e 层作为反射层。 上3 3 电离层f 层 f 层存在于距离地面1 2 0 至4 0 0 公里的高度。f 层对于短波通信来说是最重要 的反射层。f 层在白天和晚上都存在。在白天它被太阳辐射电离，在晚上它被宇宙 射线电离。由于f 层在所有电离层中处于最高层。经f 层单跳反射距离最远可以 达到4 0 0 0 公里。因此在多数情况下，远距离短波链路均采用f 层作为反射层。 在白天，f 层分成f l 层和f 2 层。f 2 层处于f l 层之上，夜间f l 层消失，f 层合 并为一个层。f l 层对于短波通信是重要的，f l 层是被大气强烈吸收的那部分远紫 外辐射所产生的。f 1 层只是在白天存在，距地面高度为1 7 0 公里2 2 0 公里左右。f 层的第二部分是f 2 层。一般所指f 层主要是指f 2 层。f 2 层位于地面高度2 2 5 公里 - 4 5 0 公里，它有明显的电子密度峰值，峰值出现在3 0 0 公里左右高度。f l 层与f 2 层的高度均一天中时间与季节发生变化。同样在白天，冬季高度最低，夏季高度 最高。与其它层不同的是，f 2 层在夜间并不会完全消失，短波波段仍然可以通过 残留电离进行通信。但是残留电离能够反射的信号频率比白天要低。由此我们不 难看出要保持昼夜不间断地利用天波进行短波通信，需要在昼夜间变换收发信机 的工作频率以适应电离层对信号反射特性的变化。 表2 1 给出了电离层分层状况【2 l 表2 1 电离层的分层状况 层名d 层e 层 f 】层f 2 层 区域范围( k m ) 6 0 9 09 0 - 1 5 01 5 0 2 0 02 0 0 10 0 0 最大电子密度处高 7 01 1 01 8 0 2 0 03 0 0 度( k m ) 最大电子密度 1 0 3 1 0 41 0 3 1 0 51 0 51 0 5 1 0 6 中性分子个数 4 1 0 1 31 0 1 57 1 0 1 0 1 0 1 38 5 1 0 9 - 1 0 12 x 1 0 s 1 0 9 ，( 个c m 3 ) 大气成分 n 2 、0 2 、少量n on 2 、0 2 、o n 2 、0 2 、o n 2 、0 2 、o x 射线和赖曼q 射 电离成因线的光电离：宇宙 x 射线及紫外 凡- - ( 2 0 0 8 0 0 ) x 1 0 。1 0 m 的紫外 线的光电离 线 射线的碰撞电离 电子密度白天 f 1 层夜间消失，常出现于夏季： 基本特点夜间消失 f 2 层电子密度白天大夜间小，冬 大夜间小 季大夏季小 8 第二章短波信道传播特性 2 4 短波在电离层中的传播特性 2 4 1 传播模式 如前文所述，电离层呈多层结构，同时短波设备天线波束较宽，发射的电波 射线发散性较大，导致一条通信链路可能有几种传播路径，称为多径传播或多模 式传播。每一种在时延上可区分的传播路径称为一个传播模式。短波地波属于绕 射传播模式，而天波传播模式情况比较复杂。通常以m x n y 形式来表示某一种类 的传播模式，x 、y 代表反射层，r n 、n 分别表示不同层反射次数，例如经电离层 f 层反射两次的传播模式可以表示成2 f 。天波传播示意图如图2 2 。 图2 2 天波传播示意图 当电波沿地球表面切线传播时可以得到单跳距离最长的通信链路。不同的通 信距离可能有不同的传播模式，相同的通信距离也可能有多种不同的传播模式存 在，对于一条短波通信链路来说，通常是一条路径损耗最小的传播模式起主要传 输作用。表2 2 中给出了在不同通信距离时，可能存在的传播模式【2 】。 表2 2 不同距离可能存在的传播模式 通信距离k m可能存在的传播模式 2 0 0 0l e ，1 f ，2 e 2 0 0 0 - - 4 0 0 02 e ，1 f ，2 f ，l e 2 f 4 0 0 0 - - 6 0 0 03 e ，4 e ，2 f ，3 f ，4 f ，1 e 1 f ，2 e 1 f 6 0 0 0 8 0 0 04 e ，2 f ，3 f ，4 f ，1 e 2 f ，2 e 2 f 2 4 2 可用频率 由电离层传播理论可知，并非所有频率的电磁波均能被电离层反射回地面。 9 电子科技大学硕士学位论文 对于一定电子密度电离层及一定的通信距离，能反射回地球表面的电波有一个频 率最大值，称为最高可用频率( m u f ) ，当工作频率超过该频率时，发射出去的电磁 波将穿过电离层，不能被反射回地面( 如图2 2 ) 。因此，短波通信中最高可用频率 是一个非常重要的参数。最高可用频率取决于电离层电子密度的最大值e 一及电 磁波投射到电离层的入射角岛。 当垂直入射( 皖= 0 。) 时，能从电离层反射的最高频率称为临界频率，记五，并 且可以通过式( 2 1 ) 来计算【i j 兀= , 8 0 8 c 一 ( 2 1 ) 一般情况下，电波都是斜射到电离层的。在这种情况下，文献 2 1 】给出了m u f 与临界频率磊的关系的计算方法。 m u f = f os e c 8 0 = 石 ( 2 2 ) 其中d 为收发信机间的距离，吃为反射电离层等效反射高度。 由于电离层会不断的变化，如果通信双方采用m u f 频率进行通信，那么只要 电离层结构稍有变化，电磁波就有可能穿出电离层而不反射回地面。因此，一般 采用o 8 5 m u f 作为通信频率来保证稳定通信链路。这个频率值称为最佳可用频率。 用英文缩写o w f 来表示。选用o w f 之后，可以保证通信链路有9 0 的可通率1 2 。 2 4 3 多径传播 由于电离层具有垂直分层结构，并且在地磁场的作用下具有各向异性特性。 加之地面能够反射短波波段的电磁波使得短波天波信道存在着经地面反射的多跳 传播模式。与此同时，短波链路收发双方天线都具有一定的波束宽度，以上条件 就导致了短波电离层信道中存在多径效应。 通常情况下，不同传播路径有不同的长度，其到达接收端的传播延时，相位 变化、幅度衰落及传输损耗均不相同。短波信道多径效应十分严重，与移动信道 条件有所不同的是，短波信道中存在两种形式的多径现象：一种是分离的多径， 由不同跳数的射线( 比如单跳、多跳传播模式) 、高仰角与低仰角射线、寻常波与非 寻常波等形成，其多径传播时延差较大。一般说来，多径时延等于或大于0 5 m s 的占9 9 5 ，等于或大于1 4 m s 的占5 0 ，超过5 m s 的占0 5 t 2 0 1 1 2 1 1 。文献 2 0 】中 也将这种多径现象称为“粗多径效应 。由此可见，每一个这样的多径传播路径也 1 0 第二章短波信道传播特性 就是一种传播模式。据统计，短波通信中2 4 条路径约占8 0 ，3 条最多，2 条、 4 条次之，5 条以上可以忽略【2 0 1 。 电离层 区 电离层 发射 接收发射接收 ( a )( b ) 图2 3 引起衰落的原因( a ) 粗多径效应( b ) 细多径效应 短波天波信道中的另一种多径现象为微分多径，主要由电离层不均匀体所引 起，其多径传播时延差连续，不能区分。电离层不均匀性对信号来说表现为多个 散射体，电波射入时经过多个散射体反射出现了多个反射波，产生电波的漫反射 现象。与上文中提到的“粗多径效应 相对应，我们也将这种多径现象称为“细 多径效应 ，也称为模式内多径。图2 3 给出了两种类型多径传播示意图。这种在 短波传播路径内的多径效应通常采用均方根时延扩展来进行定量的衡量多径效应 的严重程度。这一统计量会在第三章的分析中用到。此处不作过多讨论。 2 4 4 衰落 与其它的无线通信方式类似，在短波通信中，信号经过电离层传播之后，接 收端信号振幅随机起伏变化，称为“衰落”。信号场强的快速随机变化称为快衰落， 持续时间仅几分之一秒到数十秒。信号场强的缓慢随机变化称为慢衰落。持续时 间比较长，可达几分钟甚至几小时。造成信号衰落的主要原因有多径干涉，极化 变动，电离层吸收变化和电离层运动等。 慢衰落主要是由于电离层d 层吸收变化所引起的。它是由电离层电子密度及 高度的变化有关。这种慢衰落的持续时间从数分钟到几小时不等。日变化、季节 变化均属于慢衰落。吸收衰落对整个短波频段会产生相同的影响。在电离层没有 其它骚扰的情况下，衰落深度可达平均值以下1 0 d b 。 快衰落主要是由于极化衰落和多径传播所引起的。快衰落信号的幅度有的服 从瑞利分布，有的服从对数正态分布。如前文所述，由于电离层呈现出垂直分层 结构特性，并且电离层的密度与高度随机变化，导致经过不同传播路径到达接收 端的信号不能保持稳定的相位差，不稳定的相位差会造成信号幅度的快衰落。这 电子科技大学硕士学位论文 种衰落主要是由于不同路径信号的干涉所造成的，因此，一般也称其为“干涉衰 落 。干涉衰落具有明显的频率选择性。并且由于短波信道的均方根时延扩展一般 较大，因此相关带宽较小。从较短的观察周期来看，信号的幅度衰落服从瑞利分 布。在进行短波信道仿真的时候，一般认为信道为瑞利衰落信道。信号衰落时， 信号场强变化高达3 0 d b ，有时可达6 0 8 0 d b t l l 。衰落时，接收端信噪比恶化，系 统误码率升高，给短波通信带来很大的影响。 短波信道还存在极化衰落。由于地磁场干扰，经电离层传播的平面极化波会 分裂为两个椭圆极化波。当电离层的电子密度随机起伏时，每个椭圆极化波的椭 圆主轴方向也随改变，在接收天线上的感应电势产生随机起伏。极化衰落也属于 快衰落。一般占全部衰落的1 0 1 5 左右【引。 2 4 5 多普勒( d o p p l e r ) 频移 利用短波信道传播信号时，电离层高度会不断变化，在多普勒效应的作用下， 接收端的信号频率会发生一定的漂移。这种漂移称为多普勒频