无线通信信道建模与仿真23233.pdf

火箭军工程大学毕业论文 第I页 密级 毕业论文 无线通信信道建模与仿真 学员姓名 王 晗 学 号 144318223 年 级 2014 级 专 业 通 信 工 程 单 位 六 大 队 二 十 三 队 指导教员 杨文可 火箭军工程大学 2018 年 06 月 火箭军工程大学毕业论文 第II页 诚信声明 本人郑重声明，所呈交的毕业设计（论文）系在导师指导下本人独立完成的。文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上已属于其他个人或单位的任何形式的研究成果。论文作者签名：王 晗 日期 年 月 日 火箭军工程大学毕业论文 第3页 摘 要 无线电通信是当今应用最为广泛的通信手段，为了在实现任何时间，任何地点都能无损失的进行信息交流，我们对无线通信信道进行建模与仿真，对信道特征进行分析是十分有必要的，这不仅可以提高我们的通信质量，更能为我们的未来通信规划提供参考。本课题采用 simulink 对无线通信信道进行仿真，利用 matlab 代码对函数实现调用，分析出各个传播信道的特征规律，再利用 simulink 对正弦信号通过信道后产生的变化，分析出信道对信号的影响规律，为工程实践提供参考依据。关 键 词:无线通信 simulink matlab 传播信道 ABSTRACT Radio communication is the most widely used means of communication,in order to achieve in any time,any place can without loss of information communication,we carried out on the wireless communication channel modeling and simulation,analyze the channel characteristics is very necessary,it can not only improve the quality of our communication,to provide the reference for our future communication more planning。This topic of the wireless communication channel by simulink simulation,using the matlab code to function calls,analysis the characteristics of each transmission channel,using simulink to sine signal through the channel changes,after analyzing the influence law of the signal,a channel to provide reference basis for engineering practice。KEY WORD：wireless communications simulink matlab Propagation channel rule feature 火箭军工程大学毕业论文 第4页 目录 1.绪论 随着现代社会的不断发展，人们的交际需求日益增加，对通信质量的要求也越来越高。人们希望在任何时间和任何地点都能毫无损失地交换信息。实践证明，无线移动通信可以帮助人们实现这一目标。因此，无线移动通信无疑是通信领域中最活跃，最迅速发展的领域之一。1.1 无线通信发展概述 利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式叫做无线通信，通信双方有一方或两方处于运动中的通信为移动通信。意大利电气工程师 Galimo MrCONI 在 1896 年成功地利用无线电波在距离约 2 公里的地方进行无线电通信实验，这为现代无线电通信打开了大门。使用无线通信的灵活性极大地方便了用户。近年来，无线通信，特别是移动通信，经历了快速发展。ATT 在 1946 年推出了第一款使用 FM 调制并以 120 kHz 带宽传输语音信号的手机。在二十世纪六十年代中期，Bell Systems 推出了 IMTS，它使用 FM 调制在 25 到 30 kHz 的带宽上传输一个话音。在美国在 60 年代和 70 年代，世界上第一个蜂窝电话系统出现在美国，当蜂窝意味着将一个大的区域分成若干个细胞（细胞）时，相邻的蜂窝被不同的频率传输，以免相互干扰。后期，由于半导体技术的巨大发展和微处理器的出现，蜂窝系统的复杂性可以大大提高，这进一步促进了蜂窝移动通信技术的快速发展。在此期间，美国引入了 AMPS 系统，为用户提供商业服务的模拟系统。在同一时期，欧洲引入了 TACS 系统。火箭军工程大学毕业论文 第5页 在 20 世纪 80 年代初，蜂窝移动通信系统已经开始了一个真正的操作实验，并真正实现了商业蜂窝移动通信。在此基础上，90 年代初的国家推出了称为第二代的数字移动通信系统。DAMPS，GSM，IS.95 和 CDMA 系统等。自 20 世纪 90 年代中期以来，移动通信系统技术和业务实践已日趋成熟，计算机技术的迅速发展和迅速普及。用户对移动通信系统的业务功能有更高的要求。所以，第三代移动通信系统的研发在许多国家开始了。第三代无线通信系统与前两代系统相比的主要特点就是可以提供多种无线多媒体业务。它支持 144 kPs 的传输速率在高速无线环境中，在缓慢移动的无线环境中支持 384 kPS。支持 2MbPS 在静止状态；其的设计目标是提供比第二代系统更大的系统容量和更好的通信质量，但也能够实现无缝漫游，并在全球范围内为用户提供语音、数据和多媒体。对于多个服务等，还需要考虑与现有的第二代系统的良好兼容性。目前来说，美国的 CDMA2000、欧洲的WCDMA 和中国的 TD-SCDMA 是第三代移动通信系统的主流标准。在 21 世纪，人们的注意力集中在第四代移动通信系统（4G）上。4G系统能够以 100 Mbps 的速度下载，相比拨号上网来说速度快了 2000 倍，上传速度高达 20 Mbps，几乎可以满足任何用户对无线业务的需求。4G 的核心技术包括智能天线技术、MIMO 技术，OFDM 技术和软件无线电技术。图 1.无线发展通信历程 1.2 无线通信的特点 1无线通信成本廉价 电缆通信的建立是指架设电缆或挖掘电缆沟，因此需要大量的人力物火箭军工程大学毕业论文 第6页 力，而使用无线数字电台建立专用的无线数据传输方式不需要架设电缆或挖电缆沟。只需在每个终端连接无线电台，并在每个终端设置适当的高度天线。这是正确的。相比之下，利用无线数据传输模块建立专用无线数据传输模式，节省人力物力，投资相当节省。当然，在一些近距离数据通信系统中，无线通信方式并不比有线方式便宜，但有时实际的现场环境很难接线，而且客户仍然会使用无线方式来实现通信现场环境的需求。2无线通信建设工程周期短 如果从几公里到几十公里的距离的远程站点相互连接时，必须连接长距离电缆或长电缆沟槽。使用数字模块建立一个特殊的无线数据传输可能需要几个月的时间。为了建立适当的天线高度，工程周期只需几天或几周。相比之下，无线方式可以快速建立通信链路，大大缩短了工程周期。3无线通信适应性好 有线通信的限制太大了。在遇到山区，湖泊，森林地区等特殊的地理环境等特殊的应用环境时，对有线网络的布线工程会有很强的制约。线路数据传输的方式不受限制，因此建立一种无线数据传输模块的专用无线数据传输模式比有线通信更为广泛，几乎不受地理环境的限制。4无线通信扩展性好 用户建立通信网络后，往往会因为系统的需要而增加新的设备。如果使用电缆，需要重新布线，施工更麻烦，并且可能会破坏原有的通信线路，但如果使用无线数据传输站建立特殊的无线数据传输模式，系统可以通过扩展将新设备与无线数字电台连接起来。有更好的可扩展性。5无线通信设备维护上更容易实现 需要沿线检查电缆通信链路的维护情况。发生故障时，很难及时发现故障点。而使用无线数据传输模块建立专门的无线数据传输模式只需要维护号码传输模块。发生故障时，可以迅速找到原因并恢复线路的正常运行。1.3 无线信道建模与仿真的意义 无线信道是无线通信系统的重要组成部分。因此，无线通信系统的研究基础就是无线信道的研究。对无线信道本身特性的深入理解和研究是研火箭军工程大学毕业论文 第7页 究和开发无线通信系统的首要任务。如果你想开发一个无线通信系统，你必须考虑风险和成本的因素。一般情况下，仿真方法模拟的设计系统用于前一个项目的设计。因此，如果要建立信道仿真模型，则需要执行信道仿真。信道仿真和仿真结果的准确性和真实性将直接影响到前一阶段设计的无线通信系统的性能。由此可知，建设无线通信系统的信道模拟和仿真在通信系统开发过程中至关重要，不仅能了解无线信道的特性，也是系统设计和规划必不可少的。对于开发新的无线通信系统的来说建立无线通信模型的重要意义是：（）更好地传输信息。建立正确的各种无线信道模型，才可以在这个基础上找到适于不同无线信道环境下调制解调的方案和信源信道编码的方案等，以便于更好的传输信息。（）检验无线通信系统的性能更加简便有效。建立正确的各种无线信道模型，才能够以此为基础研发制造出无线信道模拟器。（）减少系统设计的盲目性。建立正确的各种无线信道仿真模型，为系统的设计和规划提供科学的依据。1.4 论文的结构安排 本文内容安排如下：第一章为绪论，介绍了无线通信系统的发展、无线通信的特点以及无线信道仿真建模的意义。第二章主要介绍了地波传播的基本概念，地波传播形式及地波基本特征，对地波传播信道进行建模与仿真。第三章主要介绍了天波传播的基本概念，天波传播形式及地波基本特征，对天波传播信道进行建模与仿真。第四章主要介绍了视距传播的基本概念，视距传播形式及地波基本特征，对视距传播信道进行建模与仿真。第五章主要对本次毕业设计及论文进行简单总结，分析本次完成毕设过程中存在的问题。火箭军工程大学毕业论文 第8页 2 地波传播信道的建模与仿真 针对课 题中提 出的 要求，对地波 传播 信道进 行建模 与仿 真，建立simulink 仿真，利用 MATLAB 代码进行函数的调用，最终实现对地波传播信道的分析，并分析典型信号通过信道后的变化。2.1 地波传播的基本概念 地球自己就是一个障碍物对有些电波来说。如果接收天线远离发射天线，则地面就像一个拱形桥，它将接收天线与发射天线分开。因此一些沿着地球拱起的电波可以传播过去，而走直线的电波就被阻挡了，这种沿着地球表面传播的电波就叫表面波，也被称为地波。利用地面波传播地球表面传播无线电波称为地波传播。地波传播的特点是信号相对稳定，但如果无线电波的频率较高，则地波随着距离的增加衰减较快。因为电波的波长越短，它就越容易被地面吸收。可以看出，只有长波和中波可以在地面上传播，因为地波不受气候的影响，传播是相对稳定和可靠的。电波的能量不断被大地吸收在传播过程里，所以传播的距离不是很远远。频率较低的电磁波可以采用地波传输，就是指在无线信道通信过程中有一定的绕射能力，可以沿弯曲的地球表面传播。地波可以传播数百甚至数千公里在其低频和其低频段。地波是沿地面传播的无线电波。假设一下，如果线架设较低并且地波沿着地面是最大的那么辐射方向，则主要的传播方式地波传播了。地波传播最重要的特点是信号相对稳定，不受天气影响。但是，随着无线电波的频率增加，它在传输过程中迅速增加。所以，地波传播更适合这种使用长波低频传输的方式。地面条件在很大程度上决定了地波的传输，主要表现为地面的不平坦性和是地面的地质情况。地面的不平坦性对电波的主要影响根据波长的不同而产生不一样的变化；而地面的地质情况对电波传播的影响是从土壤的电气性质的角度来看的。用于描述大地电磁特性的参数主要是相对介电常数 r、磁导率 和电导率。火箭军工程大学毕业论文 第9页 2.2 地波传播特征 1.受到大地吸收 当无线电波沿地面传播时，在地上产生感应电流。由于地球不是理想导体，感应电流在地面上流动，消耗能量，这是由电磁波提供的。这样，在无线电波的传播过程中，部分能量被地球吸收。大地对电波能量被大地吸收多少主要与地面导电性，电波频率和极化波的方向有关。地面的导电性能越好，对电波的能量吸收越少，则电波传播的损耗越小；若电波的频率越低，电波的损耗越小。由于地电阻与电波频率相关，因此电波的频率越高，那么感应电流就更趋于表面流动，趋肤效应使得流过电流的有效面积减小，导致损耗增大；垂直极化波与水平极化波相比衰减要小。这是由于水平极化波的电场与地面平行，从而导致地面的感生电流增大，所以水平极化波要比垂直极化波产生较大的衰减。2.地波产生波面倾斜 沿实际半导体表面传播的垂直极化波是横向磁波，即沿电磁波传播方向存在电场的纵向分量。地波传播中产生的波前倾斜现象具有很大的实际意义，可以通过使用相应的天线形式来有效地接收。3.地波具有绕射损失 电波的波长和电波的绕射能力与地形起伏有很大的关系。障碍物越低，绕射能力越强，波长越短，绕射能力越弱。在地面波通信中，超短波、短波、中波和长波的绕射能力是依次增强的。在传播的距离较远的话就要把地球曲率对电波的影响考虑进来。此时，到达接收点的地波被衍射并沿着地球表面传播。除此之外，地面的障碍物对电波的阻碍作用产生了绕射损失。4.地波的传播较稳定 由于地球表面的电性质以及地貌和地面物体的变化，沿地表传播的地波不会随着时间而快速变化，所以地波的传播可以看作基本上不会随着时间而变化时间在传播的道路上。所以，接收点的场强相对比较稳定。火箭军工程大学毕业论文 第10页 2.3 地波传播信道模型与仿真 1.地球表面电特性 地球就是形状像一个略扁球形，其平均半径是 6370km。地球从里到外可以分为三层：地核，地幔和地壳。海洋底下的地壳比较薄，最薄的地方约 5km 左右，陆地处的地壳比较厚，地壳的总体的平均厚度大概为 33km。地壳表层是电导率比较大的冲积层。地球在其内部运动和风化的作用下，在地球表面形成了江河，深谷，高山和平原等地形地貌。再加上城镇和田野这些人为创造的地形地貌。无线电波的传播在很大程度上受着各种各样的地质结构以及地形地貌的影响着。图 2.地球结构示意图 地波的传播状况取决于地面的条件的原因是因为地波的传播是沿着空气和大地交界面处，主要体现在地面的不平坦和地质的情况。从地面的不平坦上的角度来看，如果地面起伏的不平程度相当于电波波长的很小一部分可以忽略不计，这时候的地面可以看成是光滑的地面。对长、中波的来说，除了高山之外其他地面均为平坦的地面。地面的地质情况即地面的电磁特性，影响着电波的传播情况。用来描述大地电磁性质主要参数或相对介电常数，电导率以及磁导率。表 1 列出了几种常见地质的电参数。火箭军工程大学毕业论文 第11页 图 3 地面的电参数 当正弦电波在无源、线性、半导电介质和各向同性介质中传播时，地球的参数可以用复介电常数e来表示，即 反映媒质的极化特性的为大地的介电常数，是下列表达式中的实部；媒质的导电性：（/），当媒质是有耗媒质时0，。相对复介电常数 为 将 代入上式，得 0为自由空间波长。在大地土壤内同时存在位移电流和传导电流是在交变电场作用下。是位移电流密度；是传导电流密度为，是导体和电介质的分界线。ejr00errj 90110(F/m)36060rrj EE0601r 火箭军工程大学毕业论文 第12页 图 4 各种地质（）值 计算地波的场强是非常复杂的。因此，国际无线电咨询委员会（CCIR）推荐的聚类曲线可用于工程中作为计算地波场强度的方法。图 57 为沿海面及湿地表面传播时的场强曲线。使用条件是：设地面是光滑的、且地质均匀；发射天线使用的直立天线是短于/4 波长的，辐射的功率 P为 1kW；计算场强是横向电场分量 Ex1。电场强度用图中纵坐标表示，以V/m计，或以 dB（V/m）表示。1 V/m 相当于 0 dB。该曲线查出的场强值为 Ex1 的有效值。代入 PtGt=PDt 的关系式，则 Ex1 可写为 060r 1173kWmV/mkmtxPDEAd火箭军工程大学毕业论文 第13页 图 5 地波传播曲线 1（海水：=4 S/m，r=80 图 6 地波传播曲线 2（陆地：=10-2 S/m，r=4）火箭军工程大学毕业论文 第14页 图 7 地波传播曲线 3（陆地：=10-4 S/m，r=4）将 P=1kW、Dt=3 代入上式，得 在公式中，A 是地波传播的衰减因子。图 5 至图 7 中的 A 值已包含在地球的吸收损耗和球面的衍射损耗中。观测图表明，当中，长波无线电波沿地面传播时，距离超过 100km 后，场强值急剧衰减，这主要是由绕射损失增大所致。如果发射天线的方向系数不等于 3 或者发射天线的辐射功率不是1kW，也可以按照 和 的比例关系进行换算。如果地面电导率越小，那么地波传播的传输损耗越大以及接收点场强就越弱。实际地面不是平的（球面）表面，地质不均匀。只有当传播路径不长且地质参数缓慢变化时，其电学参数的平均值才能作为近似计算的平均介质而不会造成严重误差。但是，当电磁波传播路径由几个不同的电磁参数组成时，需要使用 Millington 公式计算地波场强度。让路径分成 n段。每个段的电磁参数分别为 1，r1，2，r2，3，r3，.，n，rn。相应的段的长度是 d1，d2，d3，.和 dn。地波混合路径示意如图 6 所示。15173 1 33 10mV/mmV/mkmkmxEAAddtPtD火箭军工程大学毕业论文 第15页 图 8 混合路径示意图 Eb和 Ea为发射端放在 A 或 B 端时，在另一端处计算得出的接收场强。Etot-电波沿混合路径传播时在接收点处的计算场强 取对数得 式中 Ea、Eb 单位为V/m。或写成 式中 EA=20lgEa，EB=20lgEb，单位为 dB V/m。EA和 EB的计算如下，发射端在 A，则在 B 端的接收场强为：同理，发射端在 B 端，则 A 端的接收场强为：式中，E1、E2、E3分别表示沿媒质 1、2、3传播时接收点场强，传播距离用在下注脚括号内的 d 表示。上式中场强的单位均为（dB V/m）。E1、E2En 可利用 CCIR 所提供的地波传播曲线计算。根据上述模型建立仿真如下 V/mtotabEEE10 lglgtotabEEE 1dB V/m2totABEEE 11212213123312BEE dEddEdEdddEdd343342432243143211432()()()()()()AEE ddE dE dddE ddE ddddE ddd火箭军工程大学毕业论文 第16页 图 9 地波传播信道仿真图 考虑地波信号远距离传输路径上环境媒质的多变性，所以仿真过程采用路径分割法，根据地面，电离层和地磁参数将传播路径划分为若干个水平狭窄区域，并且在每个区段中考虑每种介质的参数。（衰减率，高度增益，激励系数）是恒定的。对其传播路径进行仿真，代码如下 MediumType=2;%frequency frequency=30;%MHz%tx antenna heigth ht=30;%meter%rx antenna height hr=2;%distance distanceVec=0:30;distanceVec=10.(0.1*distanceVec);%km switch MediumType;case 1,condutividade=4;%电导率 permitivi=80;%介电常数 火箭军工程大学毕业论文 第17页 case 2,condutividade=0.01;%电导率 permitivi=20;%介电常数 case 3,condutividade=1e-3;%电导率 permitivi=4;%介电常数 case 4,condutividade=1e-7;%电导率 permitivi=6;%介电常数 end;Len=length(distanceVec);PLSim=zeros(1,Len);for sim_index=1:Len;distance=distanceVec(sim_index);sim(ground_wave_module.mdl,0 2);%PLSim(1,sim_index)=PL(end);end;figure(1);semilogx(distanceVec,PLSim,b-,linewidth,2);xlabel(distance(km);ylabel(Path Loss(dB);grid on;通过运行仿真，得到如下结果 火箭军工程大学毕业论文 第18页 图 10 地波传播信道损耗图 其横轴为传播距离，纵轴为传播路径损耗。图 11 正弦信号波形 正弦信号通过地波传播信道后，仿真结果如下 火箭军工程大学毕业论文 第19页 图 12 正弦信号通过地波信道后的波形 2.4 本章小结 通过对地波传播信道的建模与仿真，我认识到在地波传播过程中，由于地面不平坦，不同地面的媒质介电常数不同，导致地波在传播过程中受到的影响也是多样的，通过对地波传播信道进行综合仿真及分析，有利于在工程实践中更为精确的计算出信号场强。通过对正弦波信号通过地波信道打仿真结果来看，地波的传播受地形影响非常大，所以在进行通信的过程中，我们应该想办法，如增加天线高度等措施对我们的通信质量进行改善。3.天波传播信道的建模与仿真 针对课 题中提 出的 要求，对天波 传播 信道进 行建模 与仿 真，建立simulink 仿真，利用 MATLAB 代码进行函数的调用，最后实现对天波传播信道的分析，并分析典型信号通过信道后的变化。3.1 天波传播的基本概念 由上层电离层反射的传播形式通常被称为天波传播。长波、中波以及短波的传输均可以使用天波通信，天波通信的最大优点就是在传输过程中损耗小。因为电离层是一种具有各向异性、随机的以及色散的媒质，在电火箭军工程大学毕业论文 第20页 离层中传播过程中电波会产生极化面旋转、多径传输和衰落等效应。短波通信中断就是因电离层暴变等异常情况造成，所以随着高频自适应通信系统的投入使用，大大提高了短波通信的可靠性减少了其异常情况的发生。回声是由于声音在碰到墙壁或高山反射回来形成的，光线在射到镜面也同样会反射。同样的无线电波也会发生反射。在几十公里甚至几百公里的在大气层会有好几层“电离层”，这些“电离层”就是一种天然的反射体，像是一个悬空了的的金属盖子，例如天波或反射波就是电波在射到“电离层后被反射回来的电波。电离层从 60 km 起一直延伸到大约千余公里的高度是地面上空大气层的一部分，是由正、负离子、自由电子和中性分子、原子组成的等离子体介质。在所有的电波中，大多是短波有这种特性。电离层电离大气中的气体分子，这是由于紫外线和来自太阳的 X 射线（主要来源）、来自其他恒星的紫外线辐射和宇宙射线中的高速粒子碰撞。电离层是电离层。电离度由电子浓度决定。n（电子数/m3）来描述。事实上，当大气分子不断被释放时，自由电子和离子被不断地复合成中性分子或原子。动态平衡状态下的电子浓度 n 是电离层的重要参数之一。电离层不仅要反射电波还要吸收电波的。电离层对电波是反射或者是吸收主要与电波的波长有关，如果电波的频率越高，那么电离层对其的吸收就会越少，反之则会越多。所以，天波中的短波可以用于远距离通讯。除此之外，是白天或是夜晚对电离层对电波反射或是吸收也是有关系的，如果是在白天，中波几乎可以被电离层全部吸收掉，所以收音机也就只能收听当地的电台，但是在夜晚人们可以收到比较远距离的电台。对短波来说，电离层对其吸收比较少，因此短波的收音机一天 24 小时都可以接收较远的距离的电台。但是，电离层是不断变化的，所以在收听收音机时会发现听到的声音忽而大忽而小，并不是十分稳定。利用先进的探空手段以及电离层观测站的观测证实了电离层电子浓度按高度从高到低可划分为 F2 区、F1 区、E 区和 D 区。如图 1 所示各区没有十分明显的分界线，也没有非电离的空气间隙。在每区都有存在电子浓度的最大值，而 F2 区是电子浓度最大的区在整个电离层中，电子浓度会不断减少随着高度的不断增加。D 区（位于高度为 6090km），最大的电子浓度为 Nmax2.5e9(电火箭军工程大学毕业论文 第21页 子数/m3)。黑夜会导致游离源的（主要是太阳辐射）减弱，N 区会不断的减小以致于 D 区几乎会完全消失在夜晚里。E 区（在 90150km），最大电子浓度 Nmax2e11(电子数/m3)较稳定地在 110km 处，夜间电子浓度降低。F1 区（出现在夏季白天或 170220km 处），最大电子浓度 Nmax2.5e114e11(电子数/m3)。夜间及冬季消失。F2 区（在 225450km），最大电子浓度 Nmax8e112e12(电子数/m3)。F2 区电子浓度日大夜小，冬大夏小。表 1 为电离层分层结构具体参数。图 13 电离层各层主要参数 实现天波传播的基础是掌握电离层的特性和变化规律，来实现对电波的反射作用。正常变化为电离层是各向异性、色散及随机的的半导电媒质，分布高度、电子浓度和电离层厚度都是随机量都是它的参数。它的平均值却有着十分明显的四季、日夜和年变化的规律。除此之外，异常变化在电离层是不可以预测的，而且有非周期性的随机特性。正常变化有：日变化。在太阳出来以后，各区的电子浓度在不断的增加在正午时分会到达最大值，到达最大值以后又逐渐减小直到 D 区会在深夜消失。电子的浓度是变化最快的是在一天中的黄昏和黎明。季节的变化。在夏季白天 F1 区出现的比较多，F2 区冬低夏高，但是电子浓度在冬大夏小，达到最大值是在秋和春分时节。太阳黑子周期性变化。科学家把在太阳光球的表面发现黑斑称为太火箭军工程大学毕业论文 第22页 阳黑子。太阳活动的高年是太阳黑子数数量最多的年份，若太阳辐射的增强，则会喷射出大量的带电粒子，电离层的电子浓度在电离层会有明显增强的效果。电离层骚扰以及电离层暴是导致电离层异常的变化的主要原因。电离层骚扰就是太阳耀斑爆发导致极强紫外线和 X 射线被辐射出，以光速穿过高层得大气到达 D 区使得 D 区的电子浓度增大。很有可能导致短波通信的中断，因为电离层骚扰增强了吸收短波的能力。电离层骚扰可以维持几分钟甚至到几小时，而且只会在地球的日照区产生。电离层暴变是由于在太阳耀斑爆发时喷射出大量的带电离子流，进入了电离层从而导致电离层正常结构发生剧烈的变动。电子浓度的增减对到 F2 区的影响最大，当出现电子浓度上升时，频率较高的短波信号在穿透 F2 区返回到地面，不会产生短波通信的中断。为了维持通信，须降低工作频率。电离层风暴可以持续数小时到数天。由于太阳耀斑爆发所发射的带电粒子射流的狭窄空间范围运动，所以电离层扰动之后不一定发生电离层风暴。自由电子在入射电场的作用下执行简单的谐波运动在无线电波在电离层中传播的时候。因为在电离层中有大量的中性分子和离子用于不规则的热运动，所以电子必须考虑电子在运动过程中的热运动。因此，电子必须与分子碰撞，并将一些电磁能转化为电离层。热损耗导致波在电离层中传播时衰减。电子的运动速度用 v，碰撞率，碰撞率为一秒钟内一个电子与中性分子的平均碰撞次数，同时假设电子的原始动能在碰撞时被转移到中性分子或原子上，因此每单位时间由电子损失的动量是 MW，M 是电子的质量。则电子运动方程式可写成 式中 e 为自由电子的电量，由上式得 则运流电流密度 Je demmdtvE=vej mmEv=2222222eNeNeNeNejj mmmmEEEJ=-v=火箭军工程大学毕业论文 第23页 在电离区，麦氏第一方程为 已知 ，与上式相比 电离层的等效相对复介电系数；等效相对介电系数;等效电导率 可见r1,而且不等于零，具有半导电的性质。r是频率的函数，所以电离层是色散媒质。相速 vp和能速 vg不相等当电波在色散媒质中传播，同时 vp.vg=c2。在 r1 的电离层中，群速度恒小于光速但相速度大于光速。另外，从（6）中可以看出来电离层对于电波的不同频率表现出不同的电导率特性，若=，电离区最大，若，也要变小。是随高度变化的，所以其决定因素是气体的压力以及大气分子热运动的速度。D 区，=106107次/秒；E 区=105次/秒；F 区，=102103次/秒。有时候说 D 和 E 两区是吸收区，主要是因为 D 区对短波的电导率最大，所以电离层的吸收损耗主要发生在 D 区。电离层位于地球磁场中，电子也受到洛伦兹力的影响：当电子沿入射波电场方向移动时，如果电场方向与地磁场方向一致，则 FB0；如果电场方向垂直于地磁场方向，则 FB 值为最大的，力的方向垂直于 V 和 B0 所在的平面，所以电子会围绕地球磁场的磁力线的轨迹作圆周运动。所以，不同的极化形式和电波方向导致的电子运动情况也是不相同的，而展现出来的电磁效应也是各不相同。这时，电离层就具有等效介电系数、具有张量和各项异性的媒质特性的性质。02202222001e=jNeNejmjm HEJE0rrj 22201rNem rBFe vB火箭军工程大学毕业论文 第24页 总而言之：电离层是一种具有各向异性、色散性、随机性和时空变化性的半导电介质。它是一个可变参数信道。3.2 天波传播的特征 不管四季变化还是日夜交替，电离层都会产生变化以至于会影响电波的反射，所以不稳定是天波传播具有的特点。以收音机为例，在白天由于电离作用比较强，几乎所以的中波无线电波被吸收掉，所以人们在收音机里很难收听到较远地方的电台播音；相对于白天，晚上的时候电离层对短波的吸收的比较少，人们可以收听比较多的而且声音清晰的广播节目。电离层一直处于变化中，所以电波反射到地面就会有强弱之分，因此人们在听收音机时声音不是很稳定。太阳黑子的爆发引起电离层骚动以致于增加了对电波的吸收，严重的时候甚至会暂时中断短波通信。由于地球对短波的吸收非常严重，短波只能在地面上传播数十公里。电离层反射到地面的区域将不连续地出现。3.3 天波传播信道模型与仿真 频率为 3 至 30 兆赫的无线电波被称为高频电波或短波。岸基船舶在各种距离、广播和海上通信中的固定波通信大多采用短波天波传播。其两个突出优点是：电离层的传输媒质抗毁性能好 传输损耗小 缺点是：受电离层的影响较大 受电离层暴变的影响，会造成短波通信中断。从电波从发射点辐射到接收点后从电波传播的路径是传输模式。短波天线波束相对较宽，所以辐射的发散性相对较大；电离层是分层的；电波在传播时可能反射很多次，所以一条通信线路无数条不同的传播路径即多种传播模式。当波被电离层反射时离地面的距离是一跳距离。从 E 层反射，一跳距离的最远距离为 2000km；若 F 层反射，一跳距离的最远距离是 4000km。于通信电路，可能的传输模式与电离层的工作频率，通信距离和状态灯有火箭军工程大学毕业论文 第25页 关。一般情况下，如果通信距离小于 4000km，则 Type 1F 是主要的传播模式。一般采用的天波传播模式如表 2 所示。图 14 天波传播模式 1F 型也存在着射线仰角分别为1 以及2 的两条传播路径。低仰角射线：入射角大，在电离层较低的高度反射下来；高仰角射线：入射角小，在电子浓度比较高处反射回来。所以即便对应相同的发射点和接收点也同时会不同的传输模式和射线路径，这种叫做多径传输。所有这些射线的场强之和为接收点场强。根据传输损耗的各种物理原因，无线电波天波在传播过程中的基本传输损耗如下图所示。图 15 电波天波传播过程中的基本传输损耗构成 即基本传输损耗 Lb 包括 这些都是工作频率，传输模式，通信距离和时间的功能。Lg 仅在处(dB)bbfgapLLLLL火箭军工程大学毕业论文 第26页 于多跳模式时才存在。这意味着损耗是由地面上的电波反射引起的。Lg与无线电频率，仰角，极化和地质条件等因素有关。电波在入射地面是毫无章法，因为在经过电离层后电波会发生反射后极化面旋转而且是随机的变化。计算 Lg 的值是困难的，因此在工程中选择计算圆极化波来替代 Lg。假设入射波是圆极化的，也就是说，波能的能量分布在垂直极化和水平极化分量上是相等的，那么地面反射损耗是 式中 为垂直极化波的地面反射系数，为水平极化波的地面反射系数 为射线仰角；大地的复介电系数是（r-j60）。对于电离层吸收损耗 La 其损耗规律为：对于短波传播，无偏移吸收是 La 的主要成分，它是无线电波穿透 D和 E 区域所造成的损失。由于中午 D 区电子浓度非常大，与中性分子碰撞次数的总和也较大，电波衰减最大。另一方面，夜间传播的条件得到改善由于 D 区在晚上的消失，但是随之干扰信号也会增强，所以夜间的通信情况还是没有好转的迹象。22 时，由于频率的平方与衰减常数近似成反比，短波通信应选择频率较高的工作频率故从减小损耗的角度来说。地球磁场的存在影响电子运动的状态，并应尽可能接近磁旋转频率（约 1.4 MHz）。因此，在该频率下，电子的振动速度大大增加，并且电波的衰减严重。Lp 是一种综合估计被称为额外系统损失，它是通过从测量的大量电路22VH10lg(dB)2gRRLVRHR2H2sin60cossin60cosrr-jR+j2V260sin60cos60sin60cosrrrrj-jRj+j火箭军工程大学毕业论文 第27页 的天波传输损耗数据中减去 Lbf，Lg 和 La 得到的。Lp 值的大小和反射点的本地时间 T 有关，可以如下估计 由于电离层本质上是一个具有分散性，随机性和各向异性的半导体介质，其衰减必然是一个随机的量。一般来说，计算 La 和 Lp 值是基于它们的平均值。除此之外，不同的传输模式导致传输损耗也大不相同。传输模式应分开计算。以便确定对接收点场强贡献最大的传输主模式。根据上述模型建立仿真如下 图 16 天波仿真 对其传播路径进行仿真，Matlab 代码如下 sim(space_wave);figure plot(y(1:20),y(21:40)pppp18.0dB 22T0416.6dB 04T1015.4dB 10T1616.6dB 16T22LLLL火箭军工程大学毕业论文 第28页 hold on plot(y(1:20),y(41:60)hold on plot(y(1:20),y(61:80)hold on%需要设置双 final_y 轴的刻度，用到以下函数，xlabel(跳数/N);ylabel(功率误差/dB);legend(发射角 30,发射角 34,发射角 38);title(天波传播路径损耗);通过运行仿真，得到结果如下 图17 天波信道损耗 对正弦信号通过信道的变化进行仿真，代码如下 figure subplot(3,1,1);plot(y(81:200)title(正弦信号经过发射角30度的天波路径);subplot(3,1,2);火箭军工程大学毕业论文 第29页 plot(y(201:320)title(正弦信号经过发射角34度的天波路径);subplot(3,1,3);plot(y(321:440)title(正弦信号经过发射角38度的天波路径);得到结果如下 图18 典型信号通过信道后变化 3.4 本章小结 通过对天波传播信道进行仿真，发现不同的发射角度对于天波传播路径的损耗影响较大，所以在以后的天波通信过程中，天线发射角度要选择比较合适的从而得较大的传输效率。通过对正弦信号经过信道后的变化可以看出，天线发射角对于信号的影响为改变了信号在传播过程中信号的幅度变化。可以通过适当的方式对其进行改进，如提高发射信号功率的方式对通信质量进行改善。4.视距传播信道的建模与仿真 针对课 题中提 出的 要求，对视距 传播 信道进 行建模 与仿 真，建立simulink 仿真，利用 MATLAB 代码进行函数的调用，最终实现对视距传播火箭军工程大学毕业论文 第30页 信道的分析，并分析典型信号通过信道后的变化。4.1 视距传播的基本概念 超短波和微波波段由于频率高和绕射能力不强，在沿地面传播时电波会损失很多，所以不能采取地波传播的方式；而且高