超短波视距通信性能评估计算机高级编程算法研究

�、、吵曰� 、万 中困洋 六学会无线 !枯移动通信委员会学犬年会 咚, 尸 超短波视距通信∀注能评沾计算机 高级编程算法研究 中船 重公集团第七二 二 研 究所 黄崇敬 裴 佩 集 摘 要 # 本文仅给 出超短波 ∃视距 %通信性 能评估 、指标计算 , 引 出 了应 用计算机高级 语言编制超短波 ∃视距 %通信 性能评估 、 工程计算软件 的依据及方 法 。 关键词 # 视距通信性能评 估 高级编程算法 折射指数 传输损耗 。 & ∋( )∗ + , ) # − ./( 0 + 0 1 ∗ 2 /3 1 ( ). 1 4 1 ). 5 6 ( 5 7 − 8 1 5 4 4 9 : /1 + )/5 : ;1 ∗75 ∗4 + : 1 1 1 3 + <9 + = )/5 : + : 6 /: 6 1 > 1 5 4 ;9 )+ )/5 : ! − .1 : /) 2 /3 1 ( ) .1 75 9 : 6 + )/5 : + : 6 4 1 ).5 6 ( 5 7 − 8 1 5 4 4 9 : /= 1 +)/5 : ;1 ∗ 75 ∗4 + : 1 1 1 3 + <9 + )/5 : + : 6 1 : 2 /: 1 1 ∗/: 2 1 5 4 0 9 )+ ) /5 : ( 5 7)? + ∗ 1 ! ≅ 1Α? 5 ∗ 6 ( # ;− 8 1 5 4 4 9 : /1 + )/5 : 0 1 ∗ 75 ∗∗: + : 1 1 1 3 + <9 + )/5 : , . /2 . 0 ∗ 5 2 ∗ + 4 4 /: = Β + <2 5 ∗/). 4 ∗ 1 7∗ + 1 ) /: 6 1 > : 9 4 ∋ 1 ∗ , 6 1 .+ 9 ( ) ! 概述 超短波通信电路性能评估软件是为解决超短波通信电路工程计算 中繁琐的公式计 算问题而编制的 。 软件的编制成功极大的降低了工程计算的劳动强度 , 提高了计算 效率 , 提供了多种的分析手段 。 采用计算机进行通信电路性能评估 , 与人工计算有很大 不同 Χ通过借鉴多种通信电路工程计算机算法 , 在软件实现了一 种有效 、可靠的计算机工 程计算方法 , 为超短波通信工程设计提供参考依据 。 Δ 超短波 ∃视距 %通信电路的计算机算法 Δ ! Ε 平坦地形计算 第一步 , 输人各种计算所需参数 。 概括如下 # 工作参数 # 起始频率—调 幅系数调制类型等效地球半径系数—≅ , 等效地球半径 + , 一 Φ Γ �Η≅折射指数— Ι 、 , 可用 于计算等效地球半径系数 ≅ # ∃Ε % Ε Ε 一 ϑ ! ΗΚ Φ Φ Λ 1 > ;∃ϑ ! ΗΗΛ Λ � � Ι # % ∃Δ % 一Δ Δ Λ ! 中国通信学会无线及移动通信委员会学术年会 再代人公式 ∃Γ %即可计算出等效地球半径 海拔高度—. # , 可用于计算折射指数 Ι“Ι ( Μ Γ ΕΛ 1 > ;∃一 ϑ ! ΕΔ Β . , % ∃Γ % 再依次代人公式 ∃Δ % 、 ∃Ε %即可计算出等效地球半径 久 Δ ! Ε ! Ε 通信距离 #有两种方法给出或计算 第一种是直接输人通信距离 6 , 单位 ≅ 4 第二种是通过给出的收发点经纬度计算 # 设发点的纬度 、经度分别为 Ν < 、 Ο < Χ 收点为 Ν Π 、 Ο Π , 则大园弧角 ΠΕ 由下式确定 # Δ Ε Θ (艺: ∃Ν <% Ν (/: ∃Ν Π% Ρ , 5 ( ∃Ν <% Ν , 5 (∃Ν Π% Ν , 5 ( ∃Ο Σ一 Ο Π % ∃Κ % 6 Μ Φ Γ � ϑ Ν + ∗ 1 , 5 ( ∃Δ Ε % ∃Λ % Δ ! Ε ! Δ 发射机参数 # 天线架高—馈线损耗—Τ ? > , 单位 6 Υ发射功率—发射机输 出功率 ; , 单位 ς ∃瓦 % , 若已知的是辐射功率 ; > , 则只需把Ω > 、Τ > 设为 5 即可 , 因为 Ε ϑ Β Ε。∃; > % Μ Εϑ Β Ε。∃;% Ρ Ω > 一 Τ ? > 。 Δ ! Ε ! Γ 接收机参数 # 天线架高 , 天线增益 , 馈线损耗 , 接收机带宽 Δ ! Ε ! Κ 所需信噪比参数 Ξ : ∗ # 用于计算所需发射功率 Ψ > , 单位 6 Υ Δ ! Ε ! Λ 地域参数 # 通过选择设定 , 有 “城市” 、 “郊区” 、 “乡村”这几项 , 用于计算接收点人为噪声 Χ若接收 点是海洋上行驶的船只 , 可考虑选择“城市”项 。 盆‘�汾���、 喃牙弓,、,! 怜代三毛恢 寺! 翻∀勺块含二。苗,�寺#咭 论文集 钾一粉步,∃% 其可乎通信距 离’ , 判断通信模式“确 定要计算”传‘损耗 。& ∋ & ∋ ( 等效视距 )∗ 计算 风 + 冰蔺吸办丁% 办万, 、 −., & ∋ & ∋ & 视距通信及传输损耗计算 / 当通信距离 )0 )∗ 时 , 为视距通信模式 总传输损耗 1 −单位 )2, 通过以下公式计算 1 一 1 34 十 1! − 5 , 1一地面反射损耗& ∋ & ∋ 6 行程差及相位差计算 应用镜像原理和初等几何可 以很容易地得到程差△ ! 的足够精确的近似表达式 / △ !幻 &中& ) 7 ) 8 9 ) − : , 在计算机程序里 , 采用试探法来确定地面反射点位置 , 为此设计了计数次数尽量少 的计算程序 。 由几何方法获知 / ; ( ) 7<= 沪7 幻 ∋梦 一 万丁 ”“ ( 乙“ 亡 − > , 。 & & . 。 补· . , 6 。)&∗ 沪# 七 于 一 万于+ Π ‘ “ 尸 中国通信学会无线及移动询言委员会学术年会 Ζ铂 Θ 一 Θ Θ 衬一!一一 Θ !妇飞∃Ε ϑ % 代军Θ 一·了 百立 心<乌诬闷言 渔今 �亡告二寺卜工 、�、今 论文集 利用这两个关系式来寻找地面反射点位置 。 & ∋ & ∋ ? 绕射损耗 1 ≅ 计算 平坦地面上的绕射损耗与距离 、天 线架高 、地面电磁参数 、 地球半 径和工作频率有 关 , 可通过下式计算 / 1 ≅ + Α − Β 。 , 一 Χ − Β , , 一 Χ − Β / , 一 Δ 7 − Ε , 万, − ( ( , 只要再计算出 Χ − Β 7 , 、 Χ − Β 8 , 、 Δ 7 − Ε , 3 “ , 、 2 − Ε , 3 ‘ , , 即可求出 1 ≅ 。 最后把这些计算出的参数代人公式 − ( (, 就求出了绕射损耗 1 , 。 & ∋ 6 第三步 , 计算接收点信号场 强 、功率 , 噪声功率以及信噪比 。 & ∋ 6 ∋ ( 信号场强 、功率 、电平计算 Φ! 一 ΦΓ 一 1 − ( & , & ∋ 6 ∋ & 噪声功率及信噪比计算 在超短波计算中 , 噪声只考虑人为噪声计算 。 通过对人为噪声系数图表的曲线插 值 , 获得相关公式 。 最后 , 用如下公式计算噪声功率 / Η 。 + ΧΙ % 7ϑ = 7ϑ 2 一 &Γ ? − Κ 2Λ , − ( 6 , 2—接收机带宽 , 单位 Μ ΝΧ—工作频率 , 单位 Λ Μ /信噪比则按下面公式计算 Ο Π + Η! % Α ! 一 1 Θ !一 ΗΠ − ( ? , & ∋ ? 第四步 , 性能参数计算以及所需发射功 率计算 。 当调制类型是模拟方式时 , 性能参数为接收机输出信噪比 , 当调制类型是数字方式 时 , 性能参数为误码率 。 计算方法如下 / 模拟语音传输考虑 Ρ Ο 2 、 1Ο 2 及 Σ Λ 、 ΧΛ 这 四种调制解调方式 , Α 是调制增 益 。 不同类型调制解调方式的 Α 定义如下 / Α <�邓 + Α 1ΤΤ + Υ Α ς Λ + 8Ω Ι 8 9 − Ω Ι 8 % & , Α Ξ 2 ΧΛ + 6 那么输出信噪比 Ψ Γ + Ο Π % (Γ (Γ > (。Α − ( Ψ , 数字数据传输考虑相干 ΧΟΕ 、非相干 ΧΟΕ 、相干 ΗΟ Ε 以及相干 Κ Η ΟΕ 这四种调制解 调方式在衰落信道下的传输 , 定义 / Ζ—信噪比 ) 2 值 [—误码率指数 , 则计算公式如下 / 相干 ΧΟ Ε / 一 Γ ∋ Γ Γ ( 6 Ζ & 一 Γ ∋ Γ Ψ 5 : Ζ 一 Γ ∋ 一 Γ ∋ ( Γ 5 Ζ 一 Γ ∋ (.∋ · ·⋯ . 6∋ · · ⋯ Ζ − 巧以2 Ζ ∴ (Ψ ) 2 ∋ & & 5 ∋ 中国通信学会无线及移动通信委员会学术年会 一 ϑ ! ΗΗ ΕΦ Ν Π 一 ϑ ! ϑ Λ Δ Λ Ν 一 ϑ ! Κ ⋯ ⋯ Ν 镇 Ε Λ6 ΥΟ 一 哎 一 ϑ ! Εϑ � Ν Ρ ϑ ! Δ卜 · ·⋯ Ν [ ΕΛ 6 Υ 相干 ;Ξ ≅ # Ο = 相干 一 ϑ ! ϑ ϑ ΕΛ Ν Δ 一 ϑ ! ϑ Φ ϑ � Ν 一 ϑ ! ∴ Γ ⋯⋯ Ν 琢 Ε Λ6 Υ 一 ϑ ! Εϑ � Ν 一 ϑ ! Κ Ε⋯⋯ Ν [ Ε Λ 6 Υ ] ;Ξ ≅ # 一 ϑ ! ϑ ϑ ΕΦ Ν Δ 一 ϑ ! ϑ Κ Φ Δ Ν 一 ϑ ! � Γ ⋯⋯Ν ∃ Ε Λ6Υ 翔泞、毛含卜⊥勺乏�金,恤味咦导笼勺, [ ] 一 Γ ∋ Υ ⊥ 5 Ζ 一 Γ ∋ ( .∋ · ·⋯ Ζ ∴ ( Ψ ) 2 那么误码率为 ,叼,诏洲‘、,派从 Η∗ + ( Γ[ + Σ 又 (Γ 2 − ( . , Σ— ( Γ 的 [ 取余数次幂2—[ 取整所需发射功率 _ Β 指的是要在接收点达到所的信号等级 − 以所需信噪比表示 , 所必须的发点的发射功率 。 计算公式如下 / Η< Β 一 从 ! % 乃王% 1 % (双』Β 一 −玩 − (5 , 月。口济,一卜Π台试,夕Δ一 & ∋ Ψ 不平坦地形计算 论文集 不平坦地形条件下超短波通信性能计算步骤与平坦地形条件下的计算基本相同 , 都 要经过计算参数输人 、通信模式判断 、传输损耗计算 、场强信噪 比计算 、性能参数及所需 发射功率计算等 。 所不同的是 , 参数输人多了地形图导人 , 传输损耗计算方法不同 , 不进 行最佳天线架高计算等 。 & ∋ Ψ ∋ ( 第一步 , 参数输人 。 输人的参数基本与平坦地形计算相同 , 参考平坦地形计算中第一步的定义 。 不同的 地方是要求提供地形高度参数图文件 。 & ∋ Ψ ∋ & 第二步 , 从地形图中选择发射点和接收点 。 & ∋ Ψ ∋ 6 第三步 , 根据地形图数据计算通信距离 , 通信电路上的地面高度 。 下面就地形图数据库的建立以及有关距离 、高度的计算做说明 。 & ∋ . 地形数据库建立 采用网格法建立地形数据库文件 。 将预测区域划分成许多小方格 , 格子的大小依具 体情况而定 , 最小 Υ Ε Ω Β Υ Ε Ω , 最大 (Γ Ε Ω Ζ (Γ Ε Ω ∀ 在每一格子中间取一地形高度值 。 为了使所作出的地形剖面能反映实际地形特征 , 地形高度值的读数应按下列人式得到 / Ι ∋ 读出格子中的山峰 , 或盆地 、或谷地 、或高地的海拔高度 , 如有树木也应标出 ∀ 3 ∋ 若在格子中没有上述的地形特征 , 则取格子中地形最高和最低值的算术平均值 。 按照这样 的方法就可 以得 出一系列的地形高度数据每一个数据是地形数据库的一 。& & : 。 中国通信学会无线及移动通信委员去学术年会 个基本元素 , 相当于一个矩阵元素 。 将得出的地形特征矩阵数据用计算机制成地形数据 存储 , 便成为供计算机调用的地形数据库 。 Δ ! � 距 离高度计算 在建立 了地形数据库之后 , 只要给出发射天线的坐标位置 ∃− , _ %和接收天线的位发 ∃Ψ , Ξ % , 以此两点连结成一直线 , 即得电波传播的直射路径 。 为 了求出路径 上各点距发 射天线的距离以及相应的海拔高度 , 需要利用数据库中的地形参数 , 进行线性插人的处 理 。 本文采用 了两种线性插人方法 。 一种为行内插法 , 取路径两边的同一列相邻两格子的高度值 , 在其间做线性插人 。 吮_、, 寺、 知工、傀认忿仁、、 ‘, 乍⎯�,∃ 论文集 ∋∋∋∋∋ ∋∋∋ ⊥⊥⊥ ∋∋∋ 了 −8乙,, ‘几几ααα凡布夕夕夕夕夕 不, ,,, ∋∋∋∋∋ ∋∋∋ ∋∋∋ 材材产产 Γ βββ∋∋∋∋∋∋∋∋∋∋∋∋∋ ‘孔Υ,,, ⊥⊥⊥⊥⊥ ⊥⊥⊥ 口口 滩。。 ∋∋∋ ∋∋∋ ∋∋∋∋∋ ⊥⊥⊥ 杯杯 χχχ ⊥⊥⊥ ∋∋∋∋∋∋∋∋∋∋∋∋∋∋∋∋∋∋ ∋∋∋∋∋ ’ 洲洲八 ’’ ⊥⊥⊥ ⊥⊥⊥ ⊥⊥⊥ ∋∋∋∋∋ 999 ⊥⊥⊥ 公公 ⊥⊥⊥ ⊥ β βββ 代代劝劝 _ 试公公公公公 护晚刀刀 图 ? 行 内插法 此时 , 路径上任一点离发射点的距离为 / , δ 一 _ 、口二 + Ω 入 ε 9 Δ ⊥ Ο Ι # + Ι ! Δ故刀 气干下, 一一不 夕曰 — ⊥ − ( : , Β + ) 二 Τ ∃Π ϑ一 ΙΧ Χ 取整数且 ‘兰∃卫旦一 ( 0 Χ 镇 ‘兰∃卫夕 式中 , Σ − φ , γ ,表示在坐标 − φ , γ ,处的海拔高度 。 φ , γ 均取整数 , 且由下式决定 。 另一种方法为列内插法 , 在路径左右同一行相邻两格子间进行线性插人 。 ∋ & & > ∋ 中国通信学会无线及移动通信委员会学术年会 ‘‘肠肠 !!! ΗΗΗ ΒΒΒ 君君 志,,不不不不不切切切切 ϑϑϑ ⎯⎯⎯ !!! 口口 ��� ΖΖΖ !!!口口勺阅阅阅阅阅 Θ ‘ΗΗΗ 公 ! 口口 以以以以以以刀刀刀 ϑϑϑϑϑ ϑϑϑ 《‘声∀∀∀ 一矛矛 !!! !!!∃∃∃王州】】】 产 一 ’’ Ζ 诀]]]]]]] ΗΗΗΗΗ ΗΗΗ 厂厂∗⎯ =555 !!! !!!!!!!! Η= 只只八八 !!! ΗΗΗ !!! !!!!! 泣泣 , Θ ΗΗΗ ΗΗΗ !!! !!! 峨峨户乳叼叼 介寸泞∀ 笋笋笋笋笋 Κ户7! <%%% 马�心、亏、 、叱李亡� 策亡�奋二� 气、君舍,、兰仁狱亏派喊怡之二净< 图 Ψ 列内插法 月∗认勺;⎯‘翎奋�了之 论 、 , 一 , 、 η 。 β , , , ∋ 。 。 β , δ 一 _ 、竺 计算公式为 / 成 一 二 Β Ι9 Τ∃ Πϑ ∗ 一 Ι! ι奴Π− 子∀ ]]∋ , , − (> ,文 ‘ ’ η 一、η ’ 一” 一 ‘ ’ 一 ‘ 一“ ‘] ] ]一 η ’ Ρ 一 Ο’集 & ∋ : 第四步 , 计算可视通信距 离 , 判 断通信模式以确定要计算的传输损耗 。 等效视距 ) ∗ 计算参考公式 − . , , 然后根据通信距离 ) 与 ) ∗ 的关系确定是视距通信 还是超视距通信 , 再依此计算传输损耗 。 & , : ∋ ( 视距通信损耗计算 不平坦地形条件下的视距通信总传输损耗是以下这几部分之和 / 自由空间传播损耗 1 .α −计算按公式 : , , 菲涅尔余隙及遮挡损耗与 。 下面就菲涅尔余隙及遮挡损耗 1 了的计 算做说明 / 图 . 传播余隙 如图 . , ) 为通信距离 , )4 则是通信沿路各点至发点距离 , Μ4 是相应各距离点上的地 一& 6 Γ ∋ << , ,才一、� 中国通信学会无线及移动通信委员会学大年会 形剖面高度 隙 。 , 而 ,α 是各地形高度与相应的收发天线视线连接点高度之差 , 称为传播余嘴二 为了定量判别通信电路类型及计算损耗 , 引进一个新物理量 βα ∃菲涅尔积分综量 % # β α 一 χα Δ6久6 , ∃6 一 6α% 通过对通信电路沿途各高度点的 βα 值进行计算 , 、‘艺, 口咤=、之、 � 垂 姜知,ϕ ,卜� 然后根据下表判定电路类型 / 电路类型 κ 4簇一 Γ ∋ : κ ∃ 簇 Γ 可视电路 开电路 一⊥ , :0 κ4 − ⊥ κ4 ∴ ⊥ κ4 ∴ Γ 非视电路 半开电路 闭电路 咎<、、‘。弓论文集 对于开电路 , 不存在遮挡和阻碍 , 就没有菲涅尔余隙或遮挡损耗 ∀ 对于半开电路和闭电路 , 存在遮挡和阻碍 , 就可按下面公式计算菲涅尔余隙及遮挡 损耗 1 厂 / 一‘备‘, 故 ϕ − & Γ ,仑 :产∗∗4λ Ν/ , 一 & Γ (Γ > (。 Υ毕乙 不平坦地形的绕射损耗就可按下式计算 / 1 , + Α − Β 。 , 一 Χ − Β , , 一 Χ − Β / , 一瓦 − Ε , , & , 3‘ , 瓦− Ε , , / , 占’ , + μ Β ( Δ , − Ε , , 占‘ , % Β 8 Δ 7 − Ε / , 占’ ,〕9 − Β , % Β / , Β , 一 2 ϑ7 ) ‘ Β 8 , 一 2 ϑ8 ) 1∋ Β 。 一 2 、) ν % 2 乍) , % Β 7 % Β 8 2 、 η 厂‘6几2 − Ε 二 , 万, Β + ( , & , < , / 其中 , 万 的计算按照平坦地形计算方法中的公式计算 , Δ Υ − Ε 7 , / , 3ϑ , Χ− Β 7 , Χ − Β / , 的计算也按照平坦地形计算方法通过线性 内插值方法实现 。 & ∋ > 第五步 , 计算接收点信号场 强 、功率 , 噪声功率以及信噪 比 。 略 , 参考平坦地形第三步计算 。 & ∋ (Γ 第六步 , 性能参数计算以及所需发射功率计算 。 略 , 参考平坦地形第四步计算 。 − & ( , 、 2 − Ε 二 , 3‘ , 、 6 结束语 本文给出了超短波 − 视距 ,无线通信性能及指标 的评估计算 、经验公式和理论公式 , 据此 , 应用计算机高级语言设计评估计算软件 , 从而方便地对超短波无线 电通信性能进 行评估及工程设计计算 , 大大提高了超短波通信工程的设计计算效率 。 ∋ & 6 ( ] 中国通信学会无线及移动通信委员会学术年会 电波传播工程计算 ! 西安电子科技大学出版社 ΕΒ ∴ Β Δ 冯锡生 田秀占 叶林云编著 ! 短波通信电路设计 ! 国防工业出版社 , Ε ΒΒ Β Γ ! 王一平 肖景明 ! 微波传播 ! 人民邮电出版社 , Ε Β∴ � Κ ! 陈能卿 ! 海上超短波的通信计算 ! Δ ϑ ϑ Γ 作者简介 黄崇敬 高级工程师 研究方向为通信工程 裴佩 工程师 研究方向为通信工程 加�。、几;卜、�乏�亩,泛从喊牙名 。工心从含笼伙匕,Ι二言∃。、二认, ‘ �∋。夏论文集 一& 6 & ∋