超短波信噪比模型研究

孟 凯，党大鹏，黄晓飞

（1.解放军91913部队，大连116023；2.解放军91550部队，大连116041）

0 引 言

随着科技的飞速发展，信息化作战的要求不断提高。信息系统效能评估也日益成为各国军队重视的课题。信噪比是信号功率电平与噪声功率的比值［1］。在通信系统效能评估的指标体系中，信噪比是非常重要的指标之一，也是计算语音可懂度或误码率的基础。

超短波电波传播的理论已比较成熟。电波传播的场强预测模型也已有多种，这些模型大多都是根据各个国家在不同区域和地形条件下，测得大量现场实测数据，并经过数值统计的方法获得的。其中有的是由一些经验公式组成，有的是由系列经验曲线组成，例如CCIR模型就是由国际无线电咨询委员会（CCIR）推荐的一簇曲线，它适合短波和超短波较远距离的传播情况场强预测，其模型较简单，具有国际通用性。传播损耗不仅和频率、距离有关，还和收、发天线的高度有关，更和地形、地物有关，精确计算非常困难。工程中常采用插值查表的方法求得接收场强。但这种方法在通信系统效能评估中并不适用，工程中使用的具体查表求值法很难在计算机仿真中实现。超短波电波传播损耗的计算已有一些经验公式，但设计一个简洁有效的适用于通信系统效能评估的计算流程并不多见。本文利用现有理论成果，通过合理地选用和优化各种电波传播模型，研究一种完整而简洁的超短波信噪比计算模型。

1 场强的计算

在完全理想的条件下超短波传播的最远距离，即视距传输距离为：

通常依据接收点离开发射天线的距离r的大小分为3个区域：亮区，r＜0.7r0；半阴影区，0.7r0＜r＜1.3r0；阴影区，r＞1.3r0。

一般来说场强的衰减可由基本衰减和一个衰减因子组合表示。目前场强预测模型较多，如Lonley－Rice模型、Okumura－Hata模型等。其中Lonley－Rice最适合海上场强预测。但是该模型较为复杂，以下直接给出了简化后的场强预测模型。

1.1 亮区场强的计算

亮区指传输距离r＜0.7r0的区域。当传输距离较近（r＜0.3r0）时，地面可看作平面地［2］。当满足时，有则：

相应的路径损耗为：

式中：｜R｜和φ分别为地面反射点处反射系数的模值和相角。

垂直极化波的地面反射系数为：

式中：rh，rv和φh，φv分别为水平极化和垂直极化反射系数的模值和相角；θ为入射角；而＾ε为反射点平面的复相对介电常数，＾εr＝εr－j60σλ，其中εr为反射点平面的相对介电常数，σ为电导率，λ为波长。

当传输距离0.3r0＜r＜0.7r0时，必须考虑地球曲率的影响。为了使上述公式适应于曲地面的情况，必须对公式中的天线高度作适当修正，即用等效高度h′1和h′2来代替h1和h2。若以地球半径6 370km计算，可以推出，在标准大气折射条件下，等效高度为：

需注意当天线高度用等效高度计算时，通信传输距离的范围不能扩大到最大传输距离，通常使用范围仅为最大传输距离的50%～70%。也就是说在天线架设较高、传输距离相当大、通信距离又特别远时，进行天线高度的修正才是合适的。在通信距离不甚远、地球曲率影响不太大的战术通信中，往往不需要对天线进行高度修正，可直接代入天线高度求得场强。

1.2 阴影区场强及传输损耗的计算

当电波传播大于视距时必须考虑绕射的影响。所谓绕射，是指电波绕过传播道路上障碍物的现象。绕射过程中会产生较大的衰减。电波沿光滑球面的绕射场的计算是非常复杂的。在工程上，对于阴影区的场强可以用福克斯公式近似计算：

按照《关于节能新能源车船享受车船税优惠政策的通知》(财税〔2018〕74号)相关要求，工信部官方网站对《享受车船税减免优惠的节约能源使用新能源汽车车型目录》(第一批)名单进行了公示。本次将排量小于1.6L的车型纳入车船税减半政策适用范围，在满足排量要求的同时，车辆还需符合综合工况油耗的相应标准，所以并不是所有1.6L排量以下的车型都可以享受此政策。此外，对于符合新能源产品技术标准以及相关质量要求的纯电动商用车、插电式(含增程式)混合动力汽车、燃料电池商用车，免征车船税，目前市场中绝大部分插电式混合动力车型均在免征范围内，主要包括中国生产的自主、合资车，而进口插混车型不在此范围内。

式中：F为衰减因子，这里已经转化为倍数，可由下式求得：

式中：x1，y1，y2分别为发射天线与接收天线的相对距离及相对高度，它们可由下式求得：

式中：rH为标准距离；hH为标准高度；K为地球等效半径系数，在标准大气压下K＝K0＝4／3；式中长度单位皆为m。

由求得的x，y1，y2，用以下拟合公式就可得到：

阴影区的传输损耗为：

1.3 半阴影区场强和传输损耗的计算

半阴影区的计算更为复杂，通常是用过渡曲线法。即分别求出亮区、阴影区的场强，然后用平滑曲线将它们连接起来，用这些过渡曲线就可以确定半阴影区的电场强度。

以上讨论是假定电波在光滑地面上以视距传播方式传播且接收天线和发射天线同为高架或低架时的场强和路径损耗计算。在实际中会遇到另外一种情况，即收发天线中只有一方是高架。例如地空通信、升空干扰设备对地面设备的干扰、升空侦察设备对地面设备的侦收等，此时只有一方满足高架条件。当视线距离通路离开障碍物0.6个以上菲涅尔区间隙时，其路径损耗就可认为是自由空间损耗所决定，信号场强大小主要取决于自由空间的电波传播特性，从而可按自由空间条件计算。

2 大气噪声的计算

无线电干扰分为外部干扰和内部干扰。内部干扰指设备本身产生的噪声，外部干扰是指接收天线从外部接收的各种噪声，分为大气噪声、工业干扰、宇宙噪声。海上超短波通信受工业干扰较小，而海上宇宙噪声的噪声系数也比较低，这里不予考虑。大气噪声是影响海上超短波通信质量的主要因素 ，研究海上超短波通信必须考虑大气噪声影响。

大气噪声场强计算模型一般采用查图计算的方法获得。步骤如下［4－5］：

（1）根据工作时间（季节和当地时间）找到相应时区的噪声图［5］；

（2）在1MHz的Fam图中找到接收点所对应的经纬度位置，并从等Fam线上读出接收点1MHz下的Fam值；

（3）在噪声频率变化图中找到已查出的1MHz下的Fam值的曲线，在该曲线上找到对应于工作频率f的Fam；

（4）在大气无线电噪声随机变化特征图中找到对应于工作频率f的Du，σFam及σDu的分贝数；

（5）将工作频率f所对应的Fam，Du，σFam及σDu的值代入公式（18）可得该时区噪声系数Fa：

（6）将有关数值代入下式求出大气噪声场强：

表1、表2中列出了《短波无线电收信台（站）电磁环境要求 GB13617－1992》提供的部分数据［6］。为便于工程实现，本模型在计算噪声系数Fa时直接查表1、表2，省去了查图计算的繁琐。

表1 我国冬季大气噪声系数

表2 我国夏季大气噪声系数

在分别求出传输信号场强和大气噪声场强后可由下式直接求出信噪比［7］：

3 结束语

本文主要利用现有理论成果，在对比几种电波传播衰减模型的基础上，给出一种完整且易于工程实现的超短波场强计算模型，并研究了利用噪声系数表计算大气噪声场强的方法，在此基础上建立了超短波信噪比计算模型。通过该模型可以进一步得出语音可懂度或误码率等性能指标，在实际数据和先验知识较少的情况下进行通信系统效能评估。

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

［2］绍国培，曹志俊.电子对抗效能分析［M］.北京：解放军出版社，1997.

［3］张业荣，竺南直，程勇.蜂窝移动通信网络规划与优化［M］.北京：电子工业出版，2003.

［4］张朝柱.海上近距短波通信系统技术研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2002.

［5］沈琪琪，朱德生.短波通信［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2002.

［6］GB13617－92，中华人民共和国国家标准短波无线电收信台（站）电磁环境要求［S］.

［7］熊皓.无线电波传播 ［M］.北京：电子工 业 出 版社，2000.