無線通信信道建模與仿真

火箭軍工程大學(xué)畢業(yè)論文密級 無線通信信道建模與仿真學(xué)員姓名王晗學(xué)號144318223年級2014級專業(yè)通信工程火箭軍工程大學(xué)第I頁火箭軍工程大學(xué)畢業(yè)論文誠信聲明本人鄭重聲明，所呈交的畢業(yè)設(shè)計(論文)系在導(dǎo)師指導(dǎo)下本人獨立完成的。文 第II頁火箭軍工程大學(xué)畢業(yè)論文摘要無線電通信是當(dāng)今應(yīng)用最為廣泛的通信手段，為了在實現(xiàn)任何時間，任何地點都能無損失的進行信息交流，我們對無線通信信道進行建模與仿真，對信道特征進行分析是十分有必要的，這不僅可以提高我們的通信質(zhì)量，更能為我們的未來通信規(guī)劃提供參考。本課題采用simulink對無線通信信道進行仿真，利用matlab代碼對函數(shù)實現(xiàn)調(diào)用，分析出各個傳播信道的特征規(guī)律，再利用simulink對正弦信號通過信道后產(chǎn)生的變化，分析出信道對信號的影響規(guī)律，為工程實踐提供參考依據(jù)。關(guān)鍵詞:無線通信simulinkmatlab傳播信道ABSTRACTRadiocommunicationisthemostwidelyusedmeansofcommunication,inordertoachieveinanytime,anyplacecanwithoutlossofinformationcommunication,wecarriedoutonthewirelesscommunicationchannelmodelingandsimulation,analyzethechannelcharacteristicsisverynecessary,itcannotonlyimprovethequalityofourcommunication,toprovidethereferenceforourfuturecommunicationmoreplanning。Thistopicofthewirelesscommunicationchannelbysimulinksimulation,usingthematlabcodetofunctioncalls,analysisthecharacteristicsofeachtransmissionchannel,usingsimulinktosinesignalthroughthechannelchanges,afteranalyzingtheinfluencelawofthesignal,achanneltoprovidereferencebasisforengineeringpractice。KEYWORD：wirelesscommunicationsPropagationchannelsimulinkrulefeaturematlab火箭軍工程大學(xué)畢業(yè)論文1.緒論隨著現(xiàn)代社會的不斷發(fā)展，人們的交際需求日益增加，對通信質(zhì)量的要求也越來越高。人們希望在任何時間和任何地點都能毫無損失地交換信息。實踐證明，無線移動通信可以幫助人們實現(xiàn)這一目標(biāo)。因此，無線移動通信無疑是通信領(lǐng)域中最活躍，最迅速發(fā)展的領(lǐng)域之一。1.1無線通信發(fā)展概述利用電磁波信號可以在自由空間中傳播的特性進行信息交換的一種通信方式叫做無線通信，通信雙方有一方或兩方處于運動中的通信為移動通意大利電氣工程師GalimoMrCONI在1896年成功地利用無線電波在距離約2公里的地方進行無線電通信實驗，這為現(xiàn)代無線電通信打開了大門。使用無線通信的靈活性極大地方便了用戶。近年來，無線通信，特別是移動通信，經(jīng)歷了快速發(fā)展。音信號的手機。在二十世紀(jì)六十年代中期，BellSystems推出了IMTS，它使用FM調(diào)制在25到30kHz的帶寬上傳輸一個話音。在美國在60年代和70年代，世界上第一個蜂窩電話系統(tǒng)出現(xiàn)在美國，當(dāng)蜂窩意味著將一個大的區(qū)域分成若干個細胞(細胞)時，相鄰的蜂窩被雜性可以大大提高，這進一步促進了蜂窩移動通信技術(shù)的快速發(fā)展。在此期間，美國引入了AMPS系統(tǒng)，為用戶提供商業(yè)服務(wù)的模擬系統(tǒng)。在同一時期，歐洲引入了TACS系統(tǒng)?；鸺姽こ檀髮W(xué)畢業(yè)論文在20世紀(jì)80年代初，蜂窩移動通信系統(tǒng)已經(jīng)開始了一個真正的操作實驗，并真正實現(xiàn)了商業(yè)蜂窩移動通信。在此基礎(chǔ)上，90年代初的國家推出了稱為第二代的數(shù)字移動通信系統(tǒng)。DAMPS，GSM，IS.95和CDMA系統(tǒng)等。自20世紀(jì)90年代中期以來，移動通信系統(tǒng)技術(shù)和業(yè)務(wù)實踐已日趨成熟，計算機技術(shù)的迅速發(fā)展和迅速普及。用戶對移動通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能有更高的要求。所以，第三代移動通信系統(tǒng)的研發(fā)在許多國家開始了。第三代無線通信系統(tǒng)與前兩代系統(tǒng)相比的主要特點就是可以提供多種無線多媒體業(yè)務(wù)。它支持144kPs的傳輸速率在高速無線環(huán)境中，在緩慢移動的無線環(huán)境中支持384kPS。支持2MbPS在靜止?fàn)顟B(tài)；其的設(shè)計目標(biāo)是提供比第二代系統(tǒng)更大的系統(tǒng)容量和更好的通信質(zhì)量，但也能夠?qū)崿F(xiàn)無縫漫游，并在全球范圍內(nèi)為用戶提供語音、數(shù)據(jù)和多媒體。對于多個服務(wù)等，還需要考慮與CDMA歐洲的WCDMA和中國的TD-SCDMA是第三代移動通信系統(tǒng)的主流標(biāo)準(zhǔn)。，人們的注意力集中在第四代移動通信系統(tǒng)(4G)上。4G系統(tǒng)能夠以100Mbps的速度下載，相比撥號上網(wǎng)來說速度快了2000倍，上傳速度高達20Mbps，幾乎可以滿足任何用戶對無線業(yè)務(wù)的需求。4G的核心技術(shù)包括智能天線技術(shù)、MIMO技術(shù)，OFDM技術(shù)和軟件無線電技術(shù)。圖圖1.無線發(fā)展通信歷程1.2無線通信的特點1．無線通信成本廉價電纜通信的建立是指架設(shè)電纜或挖掘電纜溝，因此需要大量的人力物火箭軍工程大學(xué)畢業(yè)論文力，而使用無線數(shù)字電臺建立專用的無線數(shù)據(jù)傳輸方式不需要架設(shè)電纜或挖電纜溝。只需在每個終端連接無線電臺，并在每個終端設(shè)置適當(dāng)?shù)母叨忍炀€。這是正確的。相比之下，利用無線數(shù)據(jù)傳輸模塊建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸模式，節(jié)省人力物力，投資相當(dāng)節(jié)省。當(dāng)然，在一些近距離數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，無線通信方式并不比有線方式便宜，但有時實際的現(xiàn)場環(huán)境很難接線，而且客戶仍然會使用無線方式來實現(xiàn)通信現(xiàn)場環(huán)境的需求。2．無線通信建設(shè)工程周期短如果從幾公里到幾十公里的距離的遠程站點相互連接時，必須連接長距離電纜或長電纜溝槽。使用數(shù)字模塊建立一個特殊的無線數(shù)據(jù)傳輸可能需要幾個月的時間。為了建立適當(dāng)?shù)奶炀€高度，工程周期只需幾天或幾周。相比之下，無線方式可以快速建立通信鏈路，大大縮短了工程周期。3．無線通信適應(yīng)性好在遇到山區(qū)，湖泊，森林地區(qū)等特殊的地理環(huán)境等特殊的應(yīng)用環(huán)境時，對有線網(wǎng)絡(luò)的布線工程會有很強的制約。線路數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞讲皇芟拗?，因此建立一種無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的專用無線數(shù)據(jù)傳輸模式比有線通信更為廣泛，幾乎不受地理環(huán)境的限制。4．無線通信擴展性好因為系統(tǒng)的需要而增加新的設(shè)備。如果使用電纜，需要重新布線，施工更麻煩，并且可能會破壞原有的通信線路，但如果使用無線數(shù)據(jù)傳輸站建立特殊的無線數(shù)據(jù)傳輸模式，系統(tǒng)可以通過擴展將新設(shè)備與無線數(shù)字電臺連接起來。有更好的可擴展性。5．無線通信設(shè)備維護上更容易實現(xiàn)很難及時發(fā)現(xiàn)故障點。而使用無線數(shù)據(jù)傳輸模塊建立專門的無線數(shù)據(jù)傳輸模式只需要維護號碼傳輸模塊。發(fā)生故障時，可以迅速找到原因并恢復(fù)線路的正常運行。1.3無線信道建模與仿真的意義無線信道是無線通信系統(tǒng)的重要組成部分。因此，無線通信系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)就是無線信道的研究。對無線信道本身特性的深入理解和研究是研火箭軍工程大學(xué)畢業(yè)論文究和開發(fā)無線通信系統(tǒng)的首要任務(wù)。如果你想開發(fā)一個無線通信系統(tǒng)，你必須考慮風(fēng)險和成本的因素。一般情況下，仿真方法模擬的設(shè)計系統(tǒng)用于前一個項目的設(shè)計。因此，如果要建立信道仿真模型，則需要執(zhí)行信道仿真。信道仿真和仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實性將直接影響到前一階段設(shè)計的無線通信系統(tǒng)的性能。由此可知，建設(shè)無線通信系統(tǒng)的信道模擬和仿真在通信系統(tǒng)開發(fā)過程中至關(guān)重要，不僅能了解無線信道的特性，也是系統(tǒng)設(shè)計和規(guī)劃必不可少的。對于開發(fā)新的無線通信系統(tǒng)的來說建立無線通信模型的重要意義是： (1)更好地傳輸信息。建立正確的各種無線信道模型，才可以在這個基礎(chǔ)上找到適于不同無線信道環(huán)境下調(diào)制解調(diào)的方案和信源信道編碼的方案等，以便于更好的傳輸信息。(2)檢驗無線通信系統(tǒng)的性能更加簡便有效。建立正確的各種無線信道模型，才能夠以此為基礎(chǔ)研發(fā)制造出無線信道模擬器。(3)減少系統(tǒng)設(shè)計的盲目性。建立正確的各種無線信道仿真模型，為系統(tǒng)的設(shè)計和規(guī)劃提供科學(xué)的依據(jù)。1.4論文的結(jié)構(gòu)安排本文內(nèi)容安排如下：第一章為緒論，介紹了無線通信系統(tǒng)的發(fā)展、無線通信的特點以及無線信道仿真建模的意義。第二章主要介紹了地波傳播的基本概念，地波傳播形式及地波基本特征，對地波傳播信道進行建模與仿真。第三章主要介紹了天波傳播的基本概念，天波傳播形式及地波基本特征，對天波傳播信道進行建模與仿真。第四章主要介紹了視距傳播的基本概念，視距傳播形式及地波基本特征，對視距傳播信道進行建模與仿真。第五章主要對本次畢業(yè)設(shè)計及論文進行簡單總結(jié)，分析本次完成畢設(shè)過程中存在的問題?；鸺姽こ檀髮W(xué)畢業(yè)論文2地波傳播信道的建模與仿真simulink仿真，利用MATLAB代碼進行函數(shù)的調(diào)用，最終實現(xiàn)對地波傳播信道的分析，并分析典型信號通過信道后的變化。2.1地波傳播的基本概念地球自己就是一個障礙物對有些電波來說。如果接收天線遠離發(fā)射天線，則地面就像一個拱形橋，它將接收天線與發(fā)射天線分開。因此一些沿著地球拱起的電波可以傳播過去，而走直線的電波就被阻擋了，這種沿著地球表面?zhèn)鞑サ碾姴ň徒斜砻娌?，也被稱為地波。利用地面波傳播地球表面?zhèn)鞑o線電波稱為地波傳播。地波傳播的特點是信號相對穩(wěn)定，但如果無線電波的頻率較高，則地波隨著距離的增加衰減較快。因為電波的波長越短，它就越容易被地面吸收?？梢钥闯觯挥虚L波和中波可以在地面上傳播，因為地波不受氣候的影響，傳播是相對穩(wěn)定和可靠的。電波的能量不斷被大地吸收在傳播過程里，所以傳播的距離不是很遠遠。頻率較低的電磁波可以采用地波傳輸，就是指在無線信道通信過程中有一定的繞射能力，可以沿彎曲的地球表面?zhèn)鞑?。地波可以傳播?shù)百甚至數(shù)千公里在其低頻和其低頻段。地波是沿地面?zhèn)鞑サ臒o線電波。假設(shè)一下，如果線架設(shè)較低并且地波沿著地面是最大的那么輻射方向，則主要的傳播方式地波傳播了。地波傳播最重要的特點是信號相對穩(wěn)定，不受天氣影響。但是，隨著無線電波的頻率增加，它在傳輸過程中迅速增加。所以，地波傳播更適合這種使用長波低頻傳輸?shù)姆绞?。地面條件在很大程度上決定了地波的傳輸，主要表現(xiàn)為地面的不平坦性和是地面的地質(zhì)情況。地面的不平坦性對電波的主要影響根據(jù)波長的不同而產(chǎn)生不一樣的變化；而地面的地質(zhì)情況對電波傳播的影響是從土壤的電氣性質(zhì)的角度來看的。用于描述大地電磁特性的參數(shù)主要是相對介電常火箭軍工程大學(xué)畢業(yè)論文2.2地波傳播特征1.受到大地吸收當(dāng)無線電波沿地面?zhèn)鞑r，在地上產(chǎn)生感應(yīng)電流。由于地球不是理想導(dǎo)體，感應(yīng)電流在地面上流動，消耗能量，這是由電磁波提供的。這樣，在無線電波的傳播過程中，部分能量被地球吸收。大地對電波能量被大地吸收多少主要與地面導(dǎo)電性，電波頻率和極化波的方向有關(guān)。地面的導(dǎo)電性能越好，對電波的能量吸收越少，則電波傳播的損耗越??；若電波的頻率越低，電波的損耗越小。由于地電阻與電波頻率相關(guān)，因此電波的頻率越高，那么感應(yīng)電流就更趨于表面流動，趨膚效應(yīng)使得流過電流的有效面積減小，導(dǎo)致?lián)p耗增大；垂直極化波與水平極化波相比衰減要小。這是由于水平極化波的電場與地面平行，從而導(dǎo)致地面的感生電流增大，所以水平極化波要比垂直極化波產(chǎn)生較大的衰減。2.地波產(chǎn)生波面傾斜沿實際半導(dǎo)體表面?zhèn)鞑サ拇怪睒O化波是橫向磁波，即沿電磁波傳播方向存在電場的縱向分量。地波傳播中產(chǎn)生的波前傾斜現(xiàn)象具有很大的實際意義，可以通過使用相應(yīng)的天線形式來有效地接收。3.地波具有繞射損失電波的波長和電波的繞射能力與地形起伏有很大的關(guān)系。障礙物越低，繞射能力越強，波長越短，繞射能力越弱。在地面波通信中，超短波、短波、中波和長波的繞射能力是依次增強的。在傳播的距離較遠的話就要把地球曲率對電波的影響考慮進來。此時，到達接收點的地波被衍射并沿著地球表面?zhèn)鞑?。除此之外，地面的障礙物對電波的阻礙作用產(chǎn)生了繞射損失。4.地波的傳播較穩(wěn)定由于地球表面的電性質(zhì)以及地貌和地面物體的變化，沿地表傳播的地波不會隨著時間而快速變化，所以地波的傳播可以看作基本上不會隨著時的道路上。所以，接收點的場強相對比較穩(wěn)定。表表1列出了幾種常見地質(zhì)的電參數(shù)?；鸺姽こ檀髮W(xué)畢業(yè)論文2.3地波傳播信道模型與仿真1.地球表面電特性地球就是形狀像一個略扁球形，其平均半徑是6370km。地球從里到外可以分為三層：地核，地幔和地殼。海洋底下的地殼比較薄，最薄的地方約5km左右，陸地處的地殼比較厚，地殼的總體的平均厚度大概為33km。地殼表層是電導(dǎo)率比較大的沖積層。地球在其內(nèi)部運動和風(fēng)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。再加上城鎮(zhèn)和田野這些人為創(chuàng)造的地形地貌。無線電波的傳播在很大程度上受著各種各樣的地質(zhì)結(jié)構(gòu)以及地形地貌的影響著。圖2.地球結(jié)構(gòu)示意圖圖2.地球結(jié)構(gòu)示意圖氣和大地交界面處，主要體現(xiàn)在地面的不平坦和地質(zhì)的情況。從地面的不平坦上的角度來看，如果地面起伏的不平程度相當(dāng)于電波波長的很小一部分可以忽略不計，這時候的地面可以看成是光滑的地面。對長、中波的來說，除了高山之外其他地面均為平坦的地面。地面的地質(zhì)情況即地面的電磁特性，影響著電波的傳播情況。用來描述大地電磁性質(zhì)主要參數(shù)或相對介電常數(shù)，電導(dǎo)率以及磁導(dǎo)率。火箭軍工程大學(xué)畢業(yè)論文圖3地面的電參數(shù)當(dāng)正弦電波在無源、線性、半導(dǎo)電介質(zhì)和各向同性介質(zhì)中傳播時，地球的參數(shù)可以用復(fù)介電常數(shù)εe來表示，=je反映媒質(zhì)的極化特性的為大地的介電常數(shù)，是下列表達式中的實部；媒質(zhì)的導(dǎo)電性：(σ/ω)，當(dāng)媒質(zhì)是有耗媒質(zhì)時σ≠0，。相對復(fù)介電常r數(shù)為r=e=jrr0011rr0λ0為自由空間波長。在大地土壤內(nèi)同時存在位移電流和傳導(dǎo)電流是在交變電場作用下。E是位移電流密度；E是傳導(dǎo)電流密度為，=60入=10r是導(dǎo)體和電介質(zhì)的分界線?；鸺姽こ檀髮W(xué)畢業(yè)論文圖4各種地質(zhì)(60入)值0r計算地波的場強是非常復(fù)雜的。因此，國際無線電咨詢委員會(CCIR)推薦的聚類曲線可用于工程中作為計算地波場強度的方法。圖5~7為沿海面及濕地表面?zhèn)鞑r的場強曲線。使用條件是：①設(shè)地面是光滑的、且地質(zhì)均勻；②發(fā)射天線使用的直立天線是短于λ/4波長的，輻射的功率P為1kW；Σ③計算場強是橫向電場分量Ex1。電場強度用圖中縱坐標(biāo)表示，以μV/m值為Ex1的有效值。代入PtGt=PE=Dt的關(guān)系式，則Ex1可寫為Σ火箭軍工程大學(xué)畢業(yè)論文圖5地波傳播曲線1圖6地波傳播曲線2(陸地：σ=10-2S/m，εr=4)火箭軍工程大學(xué)畢業(yè)論文圖7地波傳播曲線3(陸地：σ=10-4S/m，εr=4)將P=1kW、Dt=3代入上式，得Σ在公式中，A是地波傳播的衰減因子。圖5至圖7中的A值已包含在地球的吸收損耗和球面的衍射損耗中。觀測圖表明，當(dāng)中，長波無線電波沿地面?zhèn)鞑r，距離超過100km后，場強值急劇衰減，這主要是由繞射損失增大所致。1kW，也可以按照D1kW，也可以按照tt和的比例關(guān)系進行換算。如果地面電導(dǎo)率σ越小，那么地波傳播的傳輸損耗越大以及接收點場強就越弱。實際地面不是平的(球面)表面，地質(zhì)不均勻。只有當(dāng)傳播路徑不長且地質(zhì)參數(shù)緩慢變化時，其電學(xué)參數(shù)的平均值才能作為近似計算的平均介質(zhì)而不會造成嚴(yán)重誤差。但是，當(dāng)電磁波傳播路徑由幾個不同的電磁參數(shù)組成時，需要使用Millington公式計算地波場強度。讓路徑分成n相應(yīng)的段的長度是d1，d2，d3，...和dn。地波混合路徑示意如圖6所示。頁火箭軍工程大學(xué)畢業(yè)論文圖8混合路徑示意圖baE---電波沿混合路徑傳播時在接收點處的計算場強E和EbaE---電波沿混合路徑傳播時在接收點處的計算場強totE=E.E(V/m)totab取對數(shù)得totab式中Ea、Eb單位為μV/m。或?qū)懗蒃=1(E+E)(dBV/m)tot2AB式中EA=20lgEa，EB=20lgEb，單位為dBμV/m。EA和EB的計算如下，發(fā)射端在A，則在B端的接收場強為：E=E(d)+E(d+d)E(d)+B1121221E(d+d+d)E(d+d)+3123312同理，發(fā)射端在B端，則A端的接收場強為：E=E(d+d)E(d)+E(d+d+d)A343342432243143211432式中，E1、E2、E3…分別表示沿媒質(zhì)1、2、3…傳播時接收點場強，V/m)。E1、E2…En可利用CCIR所提供的地波傳播曲線計算。根據(jù)上述模型建立仿真如下火箭軍工程大學(xué)畢業(yè)論文圖9地波傳播信道仿真圖考慮地波信號遠距離傳輸路徑上環(huán)境媒質(zhì)的多變性，所以仿真過程采用路徑分割法，根據(jù)地面，電離層和地磁參數(shù)將傳播路徑劃分為若干個水平狹窄區(qū)域，并且在每個區(qū)段中考慮每種介質(zhì)的參數(shù)。(衰減率，高度增益，激勵系數(shù))是恒定的。對其傳播路徑進行仿真，代碼如下MediumType=2;%frequencyfrequency=30;%MHz%txantennaheigthht=30;%meter%rxantennaheighthr=2;%distancedistanceVec=[0:30];distanceVec=10.^(0.1*distanceVec);%kmswitchMediumType;case1,condutividade=4;%電導(dǎo)率permitivi=80;%介電常數(shù)火箭軍工程大學(xué)畢業(yè)論文case2,condutividade=0.01;%電導(dǎo)率permitivi=20;%介電常數(shù)case3,condutividade=1e-3;%電導(dǎo)率permitivi=4;%介電常數(shù)case4,condutividade=1e-7;%電導(dǎo)率permitivi=6;%介電常數(shù)end;Len=length(distanceVec);PLSim=zeros(1,Len);forsim_index=1:Len;distance=distanceVec(sim_index);sim('ground_wave_module.mdl',[02]);%PLSim(1,sim_index)=PL(end);end;figure(1);semilogx(distanceVec,PLSim,'b-','linewidth',2);xlabel('distance(km)');ylabel('PathLoss(dB)');gridon;通過運行仿真，得到如下結(jié)果火箭軍工程大學(xué)畢業(yè)論文圖10地波傳播信道損耗圖其橫軸為傳播距離，縱軸為傳播路徑損耗。圖11正弦信號波形正弦信號通過地波傳播信道后，仿真結(jié)果如下火箭軍工程大學(xué)畢業(yè)論文圖12正弦信號通過地波信道后的波形2.4本章小結(jié)通過對地波傳播信道的建模與仿真，我認(rèn)識到在地波傳播過程中，由于地面不平坦，不同地面的媒質(zhì)介電常數(shù)不同，導(dǎo)致地波在傳播過程中受到的影響也是多樣的，通過對地波傳播信道進行綜合仿真及分析，有利于在工程實踐中更為精確的計算出信號場強。通過對正弦波信號通過地波信道打仿真結(jié)果來看，地波的傳播受地形影響非常大，所以在進行通信的過程中，我們應(yīng)該想辦法，如增加天線高度等措施對我們的通信質(zhì)量進行改3.天波傳播信道的建模與仿真simulink仿真，利用MATLAB代碼進行函數(shù)的調(diào)用，最后實現(xiàn)對天波傳播信道的分析，并分析典型信號通過信道后的變化。3.1天波傳播的基本概念由上層電離層反射的傳播形式通常被稱為天波傳播。長波、中波以及短波的傳輸均可以使用天波通信，天波通信的最大優(yōu)點就是在傳輸過程中損耗小。因為電離層是一種具有各向異性、隨機的以及色散的媒質(zhì)，在電火箭軍工程大學(xué)畢業(yè)論文離層中傳播過程中電波會產(chǎn)生極化面旋轉(zhuǎn)、多徑傳輸和衰落等效應(yīng)。短波通信中斷就是因電離層暴變等異常情況造成，所以隨著高頻自適應(yīng)通信系統(tǒng)的投入使用，大大提高了短波通信的可靠性減少了其異常情況的發(fā)生。回聲是由于聲音在碰到墻壁或高山反射回來形成的，光線在射到鏡面也同樣會反射。同樣的無線電波也會發(fā)生反射。在幾十公里甚至幾百公里的在大氣層會有好幾層“電離層”，這些“電離層”就是一種天然的反射體，像是一個懸空了的的金屬蓋子，例如天波或反射波就是電波在射到“電離層’后被反射回來的電波。電離層從60km起一直延伸到大約千余公里的高原子組成的等離子體介質(zhì)。在所有的電波中，大多是短波有這種特性。電離層電離大氣中的氣體分子，這是由于紫外線和來自太陽的X射線 (主要來源)、來自其他恒星的紫外線輻射和宇宙射線中的高速粒子碰撞。電離層是電離層。電離度由電子濃度決定。n(電子數(shù)/m3)來描述。事實上，當(dāng)大氣分子不斷被釋放時，自由電子和離子被不斷地復(fù)合成中性分子或原子。動態(tài)平衡狀態(tài)下的電子濃度n是電離層的重要參數(shù)之一。電離層不僅要反射電波還要吸收電波的。電離層對電波是反射或者是吸收主要與電波的波長有關(guān)，如果電波的頻率越高，那么電離層對其的吸除此之外，是白天或是夜晚對電離層對電波反射或是吸收也是有關(guān)系的，如果是在白天，中波幾乎可以被電離層全部吸收掉，所以收音機也就只能說，電離層對其吸收比較少，因此短波的收音機一天24小時都可以接收較現(xiàn)聽到的聲音忽而大忽而小，并不是十分穩(wěn)定。利用先進的探空手段以及電離層觀測站的觀測證實了電離層電子濃度按高度從高到低可劃分為F2區(qū)、F1區(qū)、E區(qū)和D區(qū)。如圖1所示各區(qū)沒有十分明顯的分界線，也沒有非電離的空氣間隙。在每區(qū)都有存在電子濃度的最大值，而F2區(qū)是電子濃度最大的區(qū)在整個電離層中，電子濃度會不斷減少隨著高度的不斷增加。maxe火箭軍工程大學(xué)畢業(yè)論文子數(shù)/m3)。黑夜會導(dǎo)致游離源的(主要是太陽輻射)減弱，N區(qū)會不斷的減小以致于D區(qū)幾乎會完全消失在夜晚里。②E區(qū)(在90~150km)，最大電子濃度Nmax≈2e11(電子數(shù)/m3)較穩(wěn)定地在110km處，夜間電子濃度降低。③F1區(qū)(出現(xiàn)在夏季白天或170~220km處)，最大電子濃度Nmax≈2.5e11~4e11(電子數(shù)/m3)。夜間及冬季消失。④F2區(qū)(在225~450km)，最大電子濃度Nmax≈8e11~2e12(電子數(shù)/m3)。F2區(qū)電子濃度日大夜小，冬大夏小。表1為電離層分層結(jié)構(gòu)具體參圖13電離層各層主要參數(shù)實現(xiàn)天波傳播的基礎(chǔ)是掌握電離層的特性和變化規(guī)律，來實現(xiàn)對電波的反射作用。正常變化為電離層是各向異性、色散及隨機的的半導(dǎo)電媒質(zhì)，分布高度、電子濃度和電離層厚度都是隨機量都是它的參數(shù)。它的平均值卻有著十分明顯的四季、日夜和年變化的規(guī)律。除此之外，異常變化在電離層是不可以預(yù)測的，而且有非周期性的隨機特性。正常變化有：①日變化。在太陽出來以后，各區(qū)的電子濃度在不斷的增加在正午時分會到達最大值，到達最大值以后又逐漸減小直到D區(qū)會在深夜消失。電子的濃度是變化最快的是在一天中的黃昏和黎明。②季節(jié)的變化。在夏季白天F1區(qū)出現(xiàn)的比較多，F(xiàn)2區(qū)冬低夏高，但是電子濃度在冬大夏小，達到最大值是在秋和春分時節(jié)。③太陽黑子周期性變化?？茖W(xué)家把在太陽光球的表面發(fā)現(xiàn)黑斑稱為太火箭軍工程大學(xué)畢業(yè)論文陽黑子。太陽活動的高年是太陽黑子數(shù)數(shù)量最多的年份，若太陽輻射的增強，則會噴射出大量的帶電粒子，電離層的電子濃度在電離層會有明顯增強的效果。電離層騷擾以及電離層暴是導(dǎo)致電離層異常的變化的主要原因。電離層騷擾就是太陽耀斑爆發(fā)導(dǎo)致極強紫外線和X射線被輻射出，以光速穿過高層得大氣到達D區(qū)使得D區(qū)的電子濃度增大。很有可能導(dǎo)致短波通信的中斷，因為電離層騷擾增強了吸收短波的能力。電離層騷擾可以維持幾分鐘甚至到幾小時，而且只會在地球的日照區(qū)產(chǎn)生。電離層暴變是由于在太陽耀斑爆發(fā)時噴射出大量的帶電離子流，進入了電離層從而導(dǎo)致電離層正常結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈的變動。電子濃度的增減對到F2區(qū)的影響最大，當(dāng)出現(xiàn)電子濃度上升時，頻率較高的短波信號在穿透F2區(qū)返回到地面，不會產(chǎn)生短波通信的中斷。為了維持通信，須降低工作頻率。電離層風(fēng)暴可以持續(xù)數(shù)小時到數(shù)天。由于太陽耀斑爆發(fā)所發(fā)射的帶電粒子射流的狹窄空間范圍運動，所以電離層擾動之后不一定發(fā)生電離層風(fēng)暴。自由電子在入射電場的作用下執(zhí)行簡單的諧波運動在無線電波在電離層中傳播的時候。因為在電離層中有大量的中性分子和離子用于不規(guī)則的熱運動，所以電子必須考慮電子在運動過程中的熱運動。因此，電子必須與分子碰撞，并將一些電磁能轉(zhuǎn)化為電離層。熱損耗導(dǎo)致波在電離層中傳播時衰減。電子的運動速度用v，碰撞率ν，碰撞率為一秒鐘內(nèi)一個電子與中性分子的平均碰撞次數(shù)，同時假設(shè)電子的原始動能在碰撞時被轉(zhuǎn)移到中性分子或原子上，因此每單位時間由電子損失的動量是MW，M是電子的質(zhì)量。則電子運動方程式可寫成dte自由電子的電量，由上式得jm+mv則運流電流密度JeJeNevj火箭軍工程大學(xué)畢業(yè)論文在電離區(qū)，麥?zhǔn)系谝环匠虨镠=jEJejNemE已知j，與上式相比rr00r——電離層的等效相對復(fù)介電系數(shù)；r——等效相對介電系數(shù);r所以電離層是色散媒質(zhì)。相速vp和能速vg不相等當(dāng)電波在色散媒質(zhì)中傳播，同時vp.vg=c2。在εr＜1的電離層中，群速度恒小于光速但相速度大于光速。另外，從(6)中可以看出來電離層對于電波的不同頻率表現(xiàn)出不同似為零，反之，若ν>>ω，σ也要變小。Ν是隨高度變化的，所以其決定因素是氣體的壓力以及大氣分子熱運動的速度。D區(qū)，ν=106~107次/秒；E區(qū)ν=105次/秒；F區(qū)，ν=102~103次/秒。有時候說D和E兩區(qū)是吸收區(qū)，主要是因為D區(qū)對短波的電導(dǎo)率最大，所以電離層的吸收損耗主要發(fā)生在D區(qū)。電離層位于地球磁場中，電子也受到洛倫茲力的影響：B當(dāng)電子沿入射波電場方向移動時，如果電場方向與地磁場方向一致，則FB＝0；如果電場方向垂直于地磁場方向，則FB值為最大的，力的方向垂直于V和B0所在的平面，所以電子會圍繞地球磁場的磁力線的軌跡作圓周運動。所以，不同的極化形式和電波方向?qū)е碌碾娮舆\動情況也是不相同的，而展現(xiàn)出來的電磁效應(yīng)也是各不相同。這時，電離層就具有等效介電系數(shù)、具有張量和各項異性的媒質(zhì)特性的性質(zhì)?；鸺姽こ檀髮W(xué)畢業(yè)論文總而言之：電離層是一種具有各向異性、色散性、隨機性和時空變化性的半導(dǎo)電介質(zhì)。它是一個可變參數(shù)信道。3.2天波傳播的特征不管四季變化還是日夜交替，電離層都會產(chǎn)生變化以至于會影響電波的反射，所以不穩(wěn)定是天波傳播具有的特點。以收音機為例，在白天由于電離作用比較強，幾乎所以的中波無線電波被吸收掉，所以人們在收音機里很難收聽到較遠地方的電臺播音；相對于白天，晚上的時候電離層對短波的吸收的比較少，人們可以收聽比較多的而且聲音清晰的廣播節(jié)目。電離層一直處于變化中，所以電波反射到地面就會有強弱之分，因此人們在聽收音機時聲音不是很穩(wěn)定。太陽黑子的爆發(fā)引起電離層騷動以致于增加了對電波的吸收，嚴(yán)重的時候甚至?xí)簳r中斷短波通信。由于地球?qū)Χ滩ǖ奈辗浅?yán)重，短波只能在地面上傳播數(shù)十公里。電離層反射到地面的區(qū)域?qū)⒉贿B續(xù)地出現(xiàn)。3.3天波傳播信道模型與仿真頻率為3至30兆赫的無線電波被稱為高頻電波或短波。岸基船舶在各種距離、廣播和海上通信中的固定波通信大多采用短波天波傳播。其兩個突出優(yōu)點是：①電離層的傳輸媒質(zhì)抗毀性能好②傳輸損耗小缺點是：①受電離層的影響較大②受電離層暴變的影響，會造成短波通信中斷。從電波從發(fā)射點輻射到接收點后從電波傳播的路徑是傳輸模式。短波天線波束相對較寬，所以輻射的發(fā)散性相對較大；電離層是分層的；電波在傳播時可能反射很多次，所以一條通信線路無數(shù)條不同的傳播路徑即多種傳播模式。當(dāng)波被電離層反射時離地面的距離是一跳距離。從E層反射，一跳距離的最遠距離為2000km；若F層反射，一跳距離的最遠距離是寸000km。于通信電路，可能的傳輸模式與電離層的工作頻率，通信距離和狀態(tài)燈有火箭軍工程大學(xué)畢業(yè)論文關(guān)。一般情況下，如果通信距離小于4000km，則Type1F是主要的傳播模一般采用的天波傳播模式如表2所示。圖14天波傳播模式1F型也存在著射線仰角分別為Δ1以及Δ2的兩條傳播路徑。低仰角射線：入射角大，在電離層較低的高度反射下來；高仰角射線：入射角小，在電子濃度比較高處反射回來。所以即便對應(yīng)相同的發(fā)射點和接收點也同時會不同的傳輸模式和射線路徑，這種叫做多徑傳輸。所有這些射線的場強之和為接收點場強。根據(jù)傳輸損耗的各種物理原因，無線電波天波在傳播過程中的基本傳輸損耗如下圖所示。圖15電波天波傳播過程中的基本傳輸損耗構(gòu)成即基本傳輸損耗Lb包括L=L+L+L+L(dB)bbfgap這些都是工作頻率，傳輸模式，通信距離和時間的功能。Lg僅在處火箭軍工程大學(xué)畢業(yè)論文于多跳模式時才存在。這意味著損耗是由地面上的電波反射引起的。Lg與無線電頻率，仰角，極化和地質(zhì)條件等因素有關(guān)。電波在入射地面是毫無章法，因為在經(jīng)過電離層后電波會發(fā)生反射后極化面旋轉(zhuǎn)而且是隨機的變化。計算Lg的值是困難的，因此在工程中選擇計算圓極化波來替代Lg。假設(shè)入射波是圓極化的，也就是說，波能的能量分布在垂直極化和水平極化分量上是相等的，那么地面反射損耗是式中R為垂直極化波的地面反射系數(shù)，RH為水平極化波的地面反射V系數(shù) rrΔ為射線仰角；大地的復(fù)介電系數(shù)是(εr-j60λσ)。對于電離層吸 收損耗La其損耗規(guī)律為：①對于短波傳播，無偏移吸收是La的主要成分，它是無線電波穿透D和E區(qū)域所造成的損失。由于中午D區(qū)電子濃度非常大，與中性分子碰撞次數(shù)的總和也較大，電波衰減最大。另一方面，夜間傳播的條件得到改善由于D區(qū)在晚上的消失，但是隨之干擾信號也會增強，所以夜間的通信情況還是沒有好轉(zhuǎn)的跡象。選擇頻率較高的工作頻率故從減小損耗的角度來說。③地球磁場的存在影響電子運動的狀態(tài)，并應(yīng)盡可能接近磁旋轉(zhuǎn)頻率 (約1.4MHz)。因此，在該頻率下，電子的振動速度大大增加，并且電波的衰減嚴(yán)重。Lp是一種綜合估計被稱為額外系統(tǒng)損失，它是通過從測量的大量電路火箭軍工程大學(xué)畢業(yè)論文的天波傳輸損耗數(shù)據(jù)中減去Lbf，Lg和La得到的。Lp值的大小和反射點的本地時間T有關(guān)，可以如下估計pp由于電離層本質(zhì)上是一個具有分散性，隨機性和各向異性的半導(dǎo)體介質(zhì)，其衰減必然是一個隨機的量。一般來說，計算La和Lp值是基于它們的平均值。除此之外，不同的傳輸模式導(dǎo)致傳輸損耗也大不相同。傳輸模式應(yīng)分開計算。以便確定對接收點場強貢獻最大的傳輸主模式。根據(jù)上述模型建立仿真如下圖16天波仿真對其傳播路徑進行仿真，Matlab代碼如下sim('space_wave');figureplot(y(1:20),y(21:40))火箭軍工程大學(xué)畢業(yè)論文holdonplot(y(1:20),y(41:60))holdonplot(y(1:20),y(61:80))holdon%需要設(shè)置雙final_y軸的刻度，用到以下函數(shù)，xlabel('跳數(shù)/N');ylabel('功率誤差/dB');legend('發(fā)射角30','發(fā)射角34','發(fā)射角38');title('天波傳播路徑損耗');通過運行仿真，得到結(jié)果如下圖17天波信道損耗對正弦信號通過信道的變化進行仿真，代碼如下figuresubplot(3,1,1);plot(y(81:200))title('正弦信號經(jīng)過發(fā)射角30度的天波路徑');subplot(3,1,2);火箭軍工程大學(xué)畢業(yè)論文plot(y(201:320))title('正弦信號經(jīng)過發(fā)射角34度的天波路徑');subplot(3,1,3);plot(y(321:440))title('正弦信號經(jīng)過發(fā)射角38度的天波路徑');得到結(jié)果如下圖18典型信號通過信道后變化3.4本章小結(jié)通過對天波傳播信道進行仿真，發(fā)現(xiàn)不同的發(fā)射角度對于天波傳播路徑的損耗影響較大，所以在以后的天波通信過程中，天線發(fā)射角度要選擇比較合適的從而得較大的傳輸效率。通過對正弦信號經(jīng)過信道后的變化可以看出，天線發(fā)射角對于信號的影響為改變了信號在傳播過程中信號的幅度變化。可以通過適當(dāng)?shù)姆绞綄ζ溥M行改進，如提高發(fā)射信號功率的方式對通信質(zhì)量進行改善。4.視距傳播信道的建模與仿真simulink仿真，利用MATLAB代碼進行函數(shù)的調(diào)用，最終實現(xiàn)對視距傳播火箭軍工程大學(xué)畢業(yè)論文信道的分析，并分析典型信號通過信道后的變化。4.1視距傳播的基本概念超短波和微波波段由于頻率高和繞射能力不強，在沿地面?zhèn)鞑r電波會損失很多，所以不能采取地波傳播的方式；而且高空電離層也不能把超短波和微波波段反射回地面，所以也不能利用天波傳播方式，通常是采用視距傳播的方式。在發(fā)射天線與接收天線之間的距離中，直接從發(fā)射點傳播到接收點的波(有時包括地面反射波)被稱為視距傳播。視距傳播按收發(fā)天線所處空間位置的不同分為以下三類：①地面上的視距傳播。以中繼通信、電視以及地面上的移動通信為例。②指地面與空中目標(biāo)之間的視距傳播③空間飛行體之間的視距傳播。不管是地面上或是地對空的視距傳播，至少部分的傳播路徑都在對流層中；由于可能會受到的地表面自然的或人為的障礙物的影響，電波在低空大氣層中傳播的時候會引起電波的散射、反射或者繞射現(xiàn)象。因此，電波不能在真空中傳播?？茖W(xué)家們將“自由空間傳播”的理想狀況放在真空中，作為研究實際交流問題的出發(fā)點。輸電磁能量起主要作用的空間區(qū)域。電波如果在這個區(qū)域里符合自由空間傳播的條件，那么就可以認(rèn)為電波在自由空間內(nèi)是可傳播的。Huygens首先提出，波在傳播的過程中波面上的每點都是進行下一次輻射球面波(子波)的波源，下一個波面為前一個波面所輻射的子波波面的包絡(luò)面。在后期，F(xiàn)resnel發(fā)展了這一原則。他認(rèn)為，在波傳播過程中，空間中任何點的輻射場是由次級波源發(fā)射的子波，它圍繞波源的任何閉合表面上的所有點。這一點的相干疊加結(jié)果。著名的Huygens-Fresnelprinciple原理由此誕生了。2222222242圖19Fresnel的波段示意圖由上圖可知第一Fresnel帶，Z1小凸圓面，從小凸圓面的中心與其邊緣到達P點的波程差是λ/2，從它輻射到P的場強，看成是許多幅度相同、相位由零到π依次變化的諸矢量之和?？偸噶康拈L度與一個半圓弧由起點至終點的長度B1相等。第二Fresnel帶用同樣的方法求出，Z2輻射場的矢量長度B2。因為相鄰Fresnel帶在P點所產(chǎn)生的輻射場相位相反，因此在Z2的作用產(chǎn)生后P點的場強被削弱。各帶上二次波源在P點產(chǎn)生的場強，與角度α及射線行程(r0+nλ/2)有關(guān)系，α為各環(huán)帶面元法線與該點至P點的射線間的夾角。S面環(huán)帶的半徑越小，則P點產(chǎn)生的場強振幅就越大，所以B2>B1。每個環(huán)區(qū)的效果都是類推的。盡管相鄰的兩個環(huán)區(qū)在點P處具有場強180度的相位差，并且幅度也具有小的差異，但是兩個環(huán)區(qū)的場強不能完全抵消。P點的場強是波動性變化的，環(huán)帶數(shù)目減少波動的幅度增大。用n項收斂級數(shù)之和可以來表示所有Fresnel帶在P點產(chǎn)生的總場強B=B-B+B-B+B-B0123456=1+|1-B+3=1+|1-B+3|+|3-B+5|+假定無限大平面S插入PQ的兩點之間，這兩個點垂直于PQ線。這相當(dāng)于使用無限球體來包圍波源Q。因此可在S面上劃分菲Fresnel， F火箭軍工程大學(xué)畢業(yè)論文F圖20.平面上菲涅爾帶λ/2=常數(shù)。如果S平面被平移，那么以Q和P為焦點的橢球體就是這些點的軌跡，而菲涅耳區(qū)域是由旋轉(zhuǎn)橢球圍繞的空間。n=1、2、…對應(yīng)稱為第一Fresnel區(qū)、第二Fresnel區(qū)、…Fresnel區(qū)，與S面相截就在該平面上出現(xiàn)相應(yīng)的第一Fresnel帶、第二Fresnel在工程領(lǐng)域，傳播主區(qū)是指把第一Fresnel區(qū)和S面上所截面積為第一Fresnel帶面積1/3的那個相應(yīng)的空間區(qū)域的Fresnel區(qū)作為對電波傳播起主要作用的空間區(qū)域。第一Fresnel區(qū)的半徑為F，則有1111122(F)2d(F)2d=121d031F=0.577F=d01d上述公式中各量單位相同。d一定時，λ越小那么傳播主區(qū)的半徑越小，菲涅爾橢球區(qū)越長，直到退化為一直線。4.2視距傳播特征視距傳播研究的主要內(nèi)容有：地面和地面物體的衍射，反射和散射；在對流層附近大氣的折射，反射，吸收和散射；大氣水汽凝結(jié)物的吸收和散射，以及沙塵暴，塵埃，鳥類等懸浮物的吸收和散射，這些描述了由傳播機制引起的信號幅度衰落，多徑延遲，到達角波動和去極化。大氣折射梯度的隨機變化導(dǎo)致電路中空隙的隨機變化，導(dǎo)致接收信號的隨機變化以及障礙物和衰落的形成。克服障礙物褪色的方法是確保在大氣折射率梯度的極度負折射(通常對應(yīng)于K=2/3或78.5N單位/km)的情況下有足夠的空間。影響視距傳播的主要因素是大氣的折射，在高于10GHz的頻率下，大氣和大氣中的水蒸氣凝結(jié)物和懸浮固體的吸收和散射是重要的。地-空和空-空的傳播在廣義講也屬于視距傳播。在地-空和空-空的傳播方式中，主要是考慮大氣層中沉降物以及大氣傳播方式的影響。由于地面、地物和近地對流層的影響相對于地面視距來說傳播阻礙較小，有時忽略不計。4.3視距傳播信道模型與仿真4.3.1地面對電波傳播所產(chǎn)生的影響1.視線距離地球是一個球體所以凸起的地面阻擋了視線。視線距離是視線可以到達的最大距離，視線稱為dv，dv=d1+d2。假設(shè)地球半徑：r0=6370km，h1rr圖21視線距離式中h的單位為m。根據(jù)接收天線和發(fā)射天線之間的距離，它可以劃分為三個區(qū)域，即D＜0.7dV，0.7的亮區(qū)。dv<d<(1.2~1.4)dv的半陰影區(qū)，陰影區(qū)則是d>(1..2~1.4)dv的區(qū)域，實際的視距傳播就應(yīng)該滿足亮區(qū)條件以達到減少繞射損失。2.地面反射的影響在傳播過程中，無線電波會遇到兩種不同介質(zhì)的光滑界面。如果界面尺寸遠大于波長，則會出現(xiàn)鏡面反射。天線輻射實際上是球面波，但是如果波源和反射區(qū)的距離比較遠的話，到達反射區(qū)的電波可看做平面波運用平面波反射定律?？梢园训孛嬉暈槠矫娴禺?dāng)通信距離較近。當(dāng)滿足h、h>>λ,d>>λ以12及d>>(h+h)等條件時，可應(yīng)用于計算地面上有效的反射區(qū)的大小。假設(shè)這個區(qū)域的地面是光滑的，那么按光滑平面地的情況來處理并根據(jù)地質(zhì)電參數(shù)及電波的入射角，計算反射波場強的大小和相位。根據(jù)電磁理論，當(dāng)平面波從空氣投射到半導(dǎo)電介質(zhì)時，可以反射和投影無線電波。反射波根據(jù)入射光線、反射器和反射器的正常表面的方向傳播，反射角等于入射角。反射波場強為E=RER=r②對于垂直極化波②對于垂直極化波 R=rr火箭軍工程大學(xué)畢業(yè)論文圖22(a)海水的反射系數(shù)和(b)中等干燥地面上的反射系數(shù)反射系數(shù)的相位滯后且反射系數(shù)模值總小于1。垂直極化波的延遲相