论文部分内容阅读
摘要：为了满足对流层无线通信系统的设计和优化需要，研究了对流层波传播特性，并根据抛物面波动方程和分级波变换，开发了一种分析无线电波传播特性的软件。通过建立数字分辨率计算场景，提供基于对流层波转换的对流层波传播;然后根据提议的分析方法开发了对流层波传播特性分析软件;以及DU MATLAB.数字计算显示，分步波转换工艺优于分步傅立叶转换工艺;对流层传播损失与天线矩形的高度和角度密切相关，而传播损失与分步傅立叶转换工艺的角度较低。天线和蒸发波导环境中的传播损失小于正常大气环境中的传播损失，此外，开发一个简单而灵活的分析软件用户图形界面。
关键词：对流层散射;信道特性;损耗;衰落;多径效应
对流层扩散的好处包括远距离视野、高容量、可靠性和其他好处，并为军事和民用领域的应用提供了广阔的前景。对流层扩散的传播由于空气动力学和热力学条件、对流层折射率的时间和空间变异性以及反射的相互作用而复杂化。衍射与折射。对流层散射传播特性的研究使用数值法解决抛物面型波动方程。 拋物型波动方程由Helmholtz波动方程作旁轴近似得到。一般地，抛物型波动方程具有这些独特优势[5-8]：1）可同时处理折射效应和衍射效应，计算简单、精度高。2）可有效处理非均匀、非规则的电磁分布，适合时变、空变电磁环境下的无线传播的信道建模。3）采用迭代算法求解方程，可预测传播路径的损耗[9]。因此，抛物型波动方程非常适合折射率时变、空变的对流层传播建模。
1 对流层散射传播损耗
在对流层中广播的通信信号被传输到更远的距离，并且在传输过程中信号大量丢失，因此接收机到达的信号相对较低，并且通常使用较高的功率发射机和天线进行通信。在广播通信信号的传输路径上，传播损失主要包括广播损失、自由空间损失、大气吸收损失、天线高度损失、信号传输耦合损失和天线偏转损失。
1.1 散射传播损耗与距离的关系
影响散射传播损耗的因素较多，主要包括通信距离、频率、气候、季节等，其中，通信距离的变化对散射传播损耗的影响最为明显。通过大量实验研究数据发现，当通信距离在100～400KM范围内时，每增加1KM传输损耗增加0.5分贝。当距离超过500KM后，散射传播损耗随着距离增加而增大的速率会降低，并且，距离越长，损耗增加的速率越慢。
1.2 散射传播损耗与频率的关系
对流层广播通信是通过对流层大气中的广播器对信号的扩散效应进行的，广播传播机构是从其传输路径上的下游广播。“扩散方向图半电角的外部角.频率越高，扩散者的方向图越窄，能量越少到达接收端，其扩散损失就越大。当信号频率增加时，广播传播损失通常会增加。观测统计显示，频率变化对传输损失的影响不大，在某些情况下甚至不相关。当信号频率从1000兆赫增加到4000兆赫时，广播损失仅增加约5db。
1.3 散射传播损耗与时间的关系
散射传播损耗与季节变化有关。随着季节的不同，一年内散射传播损耗变化幅度约为15～20分贝。另外，北半球冬季的传播损耗要大于夏季。对流层散射传播损耗还存在着日变化，这种变化同样会随着季节不同而变，一般来说夏季比冬季变化要大。但总体来说，这种影响要比对短波的影响小，所以对流层散射通信不需要在昼夜更替时改变工作频率，只要在线路设计时做出一定的衰落预留即可。
1.4 大气吸收损耗
实际对流层大气不是理想的传输介质，当电磁波在对流层大气中传播时，随着频率的增加大气吸收损失增加。大气吸收损失主要是由于粒子的共振吸收和扩散。
1.5 信号传输时的耦合损耗
发送天线辐射的电磁信号通过不同的路径到达接收端，因此接收天线产生的信号由于相位差而不再是平面波，天线的利用系数也在降低。对流层广播通信通常使用大直径和高取向的天线，天线束更窄，从而减少了扩散器的体积和接收点的场强度。由于不想要的对流层大气，电波不能仅在最佳接收方向到達接收端，通过结合上述因素，信号传输的实际增益减少，理论增益大幅度减少。
2 对流层散射传播衰落
对流层散射信道存在衰落现象，这种衰落包括快衰落和慢衰落。由于对流层大气变化的随机性，所以这种衰落现象也具有随机性。接收点电平或功率短时间内出现快速变化起伏，称为快衰落，接收点电平或功率以昼夜、月、年为周期出现长期变化，称为慢衰落。这里主要对慢衰落进行分析。
慢衰落主要表现在短期信号电平中值随着时、日、月或年产生缓慢变化。一天当中，信号电平一般在午夜和早晨最强，在12～18时最弱，并且其变化幅度与距离有关，距离较远时，变化幅度较小。一月当中，电平变化幅度可达26dB，相邻两天的信号电平变化一般在3～4dB，最高可达21dB。
经济衰退缓慢主要是由于天气条件的变化。天气条件的变化导致大气平流层动荡强度和状态的变化，导致大气折射率和梯度的变化。对流层.L.折射率和对流层大气尺度与温度、湿度和大气压力相关联，在大气温度高或低的情况下对信号电平有利，在北半球，夏季的土壤湿度较高，冬季的土壤干燥度较高，而大气湿度因季节不同而变化较小，因此冬季和夏季的信号水平较高。由于太阳照射，土壤温度高于大气。因此，信号水平通常高于晚上，而且减缓与气候、大气运动和地形密切相关。地理条件（例如，海洋、山区等）各不相同，对水准的影响也各不相同。
3对流层散射传播的多径效应
对流层散射信道存在多径效应，主要体现在：多径传播时延引起信号扩展、多普勒频移引起的随机频率调制以及信号强度短时间或短距离的急剧变化等方面[4]。这种多径效应会造成信号的快衰落。快衰落是指信号电平或功率在较短时间内出现快速随机起伏，在这种情况下，慢衰落可忽略不计。其原因主要是由于信号的传输路径的不同造成的，也就是说，同一传输信号会通过不同路径到达接收端，接收信号由于相位的不同相互干涉形成多径波，最终被接收天线所接收。信号电平快衰落变化的强度取决于多径波的强度、传播时间以及传播信号带宽等。
4 结束语
从无线通信、雷达系统分析和设计优化出发，通过研究分步小波变换求解二维抛物型波动方程的数值方法，本文開发了基于Matlab的分步小波变换求解对流层电波传播特性的交互式分析软件。其中，针对分步小波变换不能自动处理有损地表面的边界条件的问题，提出了一种采用离散混合傅里叶变换的处理方法。分析结果表明：分步小波变换法比分步傅里叶变换法具有更好的收敛性;而开发的对流层电波传播特性分析软件，图形用户界面友好，操作简单、灵活，并可实现对流层电波传播特性数据的可视化输出。最后，应用开发的软件，分析了标准环境和蒸发波导两种环境下的电波传播特性，结果表明：传播损耗随传播距离增加而增加，传播损耗与天线高度和仰角密切相关，天线仰角越小，传播损耗也越小;天线高度越大，传播损耗也越小。此外，蒸发波导环境下的传播损耗比标准大气环境下的传播损耗要小。
参考文献：
[1]李立军.对流层散射链路传输损耗的工程计算[J].计算机与网络，2007（3）：92-93.
[2]薛晓清.对流层与电离层中电波传播的相关问题研究[D].西安电子科技大学，2009.
[3]李可立.基于DSP的对流层散射信道仿真[J].现代电子技术，1998（1）：1-4.
[4]顾海龙，陈树新.对流层散射通信信道建模及系统性能仿真[J].通信技术，2008，41（9）：26-28.
关键词：对流层散射;信道特性;损耗;衰落;多径效应
对流层扩散的好处包括远距离视野、高容量、可靠性和其他好处，并为军事和民用领域的应用提供了广阔的前景。对流层扩散的传播由于空气动力学和热力学条件、对流层折射率的时间和空间变异性以及反射的相互作用而复杂化。衍射与折射。对流层散射传播特性的研究使用数值法解决抛物面型波动方程。 拋物型波动方程由Helmholtz波动方程作旁轴近似得到。一般地，抛物型波动方程具有这些独特优势[5-8]：1）可同时处理折射效应和衍射效应，计算简单、精度高。2）可有效处理非均匀、非规则的电磁分布，适合时变、空变电磁环境下的无线传播的信道建模。3）采用迭代算法求解方程，可预测传播路径的损耗[9]。因此，抛物型波动方程非常适合折射率时变、空变的对流层传播建模。
1 对流层散射传播损耗
在对流层中广播的通信信号被传输到更远的距离，并且在传输过程中信号大量丢失，因此接收机到达的信号相对较低，并且通常使用较高的功率发射机和天线进行通信。在广播通信信号的传输路径上，传播损失主要包括广播损失、自由空间损失、大气吸收损失、天线高度损失、信号传输耦合损失和天线偏转损失。
1.1 散射传播损耗与距离的关系
影响散射传播损耗的因素较多，主要包括通信距离、频率、气候、季节等，其中，通信距离的变化对散射传播损耗的影响最为明显。通过大量实验研究数据发现，当通信距离在100～400KM范围内时，每增加1KM传输损耗增加0.5分贝。当距离超过500KM后，散射传播损耗随着距离增加而增大的速率会降低，并且，距离越长，损耗增加的速率越慢。
1.2 散射传播损耗与频率的关系
对流层广播通信是通过对流层大气中的广播器对信号的扩散效应进行的，广播传播机构是从其传输路径上的下游广播。“扩散方向图半电角的外部角.频率越高，扩散者的方向图越窄，能量越少到达接收端，其扩散损失就越大。当信号频率增加时，广播传播损失通常会增加。观测统计显示，频率变化对传输损失的影响不大，在某些情况下甚至不相关。当信号频率从1000兆赫增加到4000兆赫时，广播损失仅增加约5db。
1.3 散射传播损耗与时间的关系
散射传播损耗与季节变化有关。随着季节的不同，一年内散射传播损耗变化幅度约为15～20分贝。另外，北半球冬季的传播损耗要大于夏季。对流层散射传播损耗还存在着日变化，这种变化同样会随着季节不同而变，一般来说夏季比冬季变化要大。但总体来说，这种影响要比对短波的影响小，所以对流层散射通信不需要在昼夜更替时改变工作频率，只要在线路设计时做出一定的衰落预留即可。
1.4 大气吸收损耗
实际对流层大气不是理想的传输介质，当电磁波在对流层大气中传播时，随着频率的增加大气吸收损失增加。大气吸收损失主要是由于粒子的共振吸收和扩散。
1.5 信号传输时的耦合损耗
发送天线辐射的电磁信号通过不同的路径到达接收端，因此接收天线产生的信号由于相位差而不再是平面波，天线的利用系数也在降低。对流层广播通信通常使用大直径和高取向的天线，天线束更窄，从而减少了扩散器的体积和接收点的场强度。由于不想要的对流层大气，电波不能仅在最佳接收方向到達接收端，通过结合上述因素，信号传输的实际增益减少，理论增益大幅度减少。
2 对流层散射传播衰落
对流层散射信道存在衰落现象，这种衰落包括快衰落和慢衰落。由于对流层大气变化的随机性，所以这种衰落现象也具有随机性。接收点电平或功率短时间内出现快速变化起伏，称为快衰落，接收点电平或功率以昼夜、月、年为周期出现长期变化，称为慢衰落。这里主要对慢衰落进行分析。
慢衰落主要表现在短期信号电平中值随着时、日、月或年产生缓慢变化。一天当中，信号电平一般在午夜和早晨最强，在12～18时最弱，并且其变化幅度与距离有关，距离较远时，变化幅度较小。一月当中，电平变化幅度可达26dB，相邻两天的信号电平变化一般在3～4dB，最高可达21dB。
经济衰退缓慢主要是由于天气条件的变化。天气条件的变化导致大气平流层动荡强度和状态的变化，导致大气折射率和梯度的变化。对流层.L.折射率和对流层大气尺度与温度、湿度和大气压力相关联，在大气温度高或低的情况下对信号电平有利，在北半球，夏季的土壤湿度较高，冬季的土壤干燥度较高，而大气湿度因季节不同而变化较小，因此冬季和夏季的信号水平较高。由于太阳照射，土壤温度高于大气。因此，信号水平通常高于晚上，而且减缓与气候、大气运动和地形密切相关。地理条件（例如，海洋、山区等）各不相同，对水准的影响也各不相同。
3对流层散射传播的多径效应
对流层散射信道存在多径效应，主要体现在：多径传播时延引起信号扩展、多普勒频移引起的随机频率调制以及信号强度短时间或短距离的急剧变化等方面[4]。这种多径效应会造成信号的快衰落。快衰落是指信号电平或功率在较短时间内出现快速随机起伏，在这种情况下，慢衰落可忽略不计。其原因主要是由于信号的传输路径的不同造成的，也就是说，同一传输信号会通过不同路径到达接收端，接收信号由于相位的不同相互干涉形成多径波，最终被接收天线所接收。信号电平快衰落变化的强度取决于多径波的强度、传播时间以及传播信号带宽等。
4 结束语
从无线通信、雷达系统分析和设计优化出发，通过研究分步小波变换求解二维抛物型波动方程的数值方法，本文開发了基于Matlab的分步小波变换求解对流层电波传播特性的交互式分析软件。其中，针对分步小波变换不能自动处理有损地表面的边界条件的问题，提出了一种采用离散混合傅里叶变换的处理方法。分析结果表明：分步小波变换法比分步傅里叶变换法具有更好的收敛性;而开发的对流层电波传播特性分析软件，图形用户界面友好，操作简单、灵活，并可实现对流层电波传播特性数据的可视化输出。最后，应用开发的软件，分析了标准环境和蒸发波导两种环境下的电波传播特性，结果表明：传播损耗随传播距离增加而增加，传播损耗与天线高度和仰角密切相关，天线仰角越小，传播损耗也越小;天线高度越大，传播损耗也越小。此外，蒸发波导环境下的传播损耗比标准大气环境下的传播损耗要小。
参考文献：
[1]李立军.对流层散射链路传输损耗的工程计算[J].计算机与网络，2007（3）：92-93.
[2]薛晓清.对流层与电离层中电波传播的相关问题研究[D].西安电子科技大学，2009.
[3]李可立.基于DSP的对流层散射信道仿真[J].现代电子技术，1998（1）：1-4.
[4]顾海龙，陈树新.对流层散射通信信道建模及系统性能仿真[J].通信技术，2008，41（9）：26-28.