CN108039931B - 一种基于地理信息的中高频通信信道的模拟测试系统 - Google Patents

一种基于地理信息的中高频通信信道的模拟测试系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于地理信息的中高频通信信道的模拟测试系统，包括人机接口模块、地理信息处理器、地波信号模拟处理模块、天波信号模拟处理模块、数字地图、环境噪声生成模块、时间生成器以及模拟信号合成器；根据地波传输路径和天波传输路径分别模拟地波传输信号和天波传输信号，最后将地波模拟信号、天波模拟信号和环境噪声信号进行合成后送至中高频接收机。本发明提供的基于地理信息的中高频通信信道的模拟测试系统，能够降低中高频通信系统和设备的测试成本，快速模拟任意地点一年中各时间段内中高频接收机实际可能接收到的信号，大大提高中高频通信系统和设备的测试速度。

Description

一种基于地理信息的中高频通信信道的模拟测试系统
技术领域
本发明涉及一种通信信道的模拟测试系统，尤其涉及一种基于地理信息的中高频通信信道的模拟测试系统。
背景技术
中高频通信是远程通信的重要手段，中频(又称中波，MF)通信主要通过地波进行传输，距离可达数百公里；而高频(又称短波，HF)通信通过天波和地波进行传输，即通过电离层的反射后，把发射信号送到远距离的接收设备，距离可达数千公里。
中高频通信系统传输方式包括天波和地波等传输方式，传输信道是中高频通信系统的重要组成部分，传输信道的特性直接影响着通信的性能。地波，即地表面波沿地球表面传播，其传输的特点是随着地形的变化而变化。天波传播是指电波经高空电离层反射而达到地面接收点的一种传播方式，由于电离层是分层、不均匀、时变的媒介，所以天波信道属于随机变参信道，其会随着一天中日照的变化和一年中季节的变化而变化。此外，接收机所处的地理位置还存在无线电噪声，这种噪声的来源如下：
1)雷电放电的辐射(雷电引起的大气噪声)；
2)电气机械、电气和电子设备、电力传输线路或外燃引擎点火(人类噪声)引起的集合无意辐射；
3)大气气体和水象的发射；
4)天线波束内的地面或其它障碍；
5)天体无线电来源的辐射。
大气噪声是地球大气中自然电力活动(雷暴)的结果，在很长的距离上传播。这种噪音的水平很大程度上取决于一年中的季节，以及一天中的时间以及接收机的地理位置。
由上可见，中高频传输信道具有极高的复杂性和随机性。在中高频通信设备和系统开发过程中，为了测试通信设备的性能，不得不搭建远距离的通信测试系统。发射和接收机距离可达数百甚至数千公里，在实际环境中进行长时间的测试，这不但需要花费大量的人力、物力和财力，而且不能保证完全覆盖到实际应用的信道条件，也不能人为地改变信道参数。
现有的通信系统对信道的仿真测试主要无线信道模拟器，现有的无线信道模拟器可在实验室的条件下模拟几种常用的信道特征，包括路径损耗、阴影衰落、多普勒效应和多径衰落进行模拟，不能适应对中高频通信传输信道仿真测试的要求，主要缺点包括：
1)没有考虑发射机和接收机的地理位置；
2)没有考虑发射机和接收机之间传输路径，以及陆地、湖泊、海洋等不同路径对地波传输的影响；
3)没有考虑天波传输中电离层类型及电离层对信号的影响，以及电离层随时间变化的因素；
4)没有考虑到环境无线电噪声随时间、季节和地理位置变化而变化的因素。
为了解决目前中高频通信信道的模拟测试与实际使用环境存在较大差异，对地波和天波传输信道考虑较少的问题，有必要提供一种基于地理信息的中高频通信信道的模拟测试系统，可用于中高频通信信道的仿真、模拟和信道模拟器开发。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于地理信息的中高频通信信道的模拟测试系统，能够降低中高频通信系统和设备的测试成本，快速模拟任意地点一年中各时间段内中高频接收机实际可能接收到的信号，大大提高中高频通信系统和设备的测试速度。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种基于地理信息的中高频通信信道的模拟测试系统，包括：
人机接口模块：输入发射机和接收机的频率、地理坐标、时间范围、通信可用度、发射机和接收机的调制方式、发射机输出功率、发射机天线高度、发射机天线类型、接收机天线高度、接收机天线类型和信道多径参数，控制模拟过程的启动和结束；
地理信息处理器：用于计算发射机和接收机之间的通信信号传输路径，所述传输路径包括地波传输路径和天波传输路径；
地波特征计算模块：根据各种地波传输路径的地面特性信息组成，计算混合路径下的衰减和时延，并控制可变功率衰减器和时延模块对发射信号进行调校；
地波多径衰落仿真模块：通过人机接口模块读取的信道多径参数，对时延模块输出的信号进行多径衰落仿真模拟，生成地波传输信号；
天波特征计算模块：根据各种天波传输路径的信息组成，计算电离层反射路径下的衰减和时延，并控制可变功率衰减器和时延模块对发射信号进行调校；
天波多径衰落仿真模块：通过人机接口模块读取的信道多径参数，对时延模块输出的信号进行多径衰落仿真模拟，模拟生成天波传输信号；
数字地图：存储全球或区域的地理特征信息，用于向地理信息处理器提供地面特性信息；
环境噪声生成模块：用于产生接收机端的环境噪声信号；
时间生成器：用于控制整个模拟系统的时间，时间生成器从人机接口模块读取时间范围，当模拟启动后，时间生成器输出起始时间给地理信息处理器、地波信号模拟处理模块、天波信号模拟处理模块和环境噪声生成模块，并连续更新时间直至结束；
模拟信号合成器：用于将模拟生成的地波传输信号、天波传输信号和环境噪声信号进行合成。
上述的基于地理信息的中高频通信信道的模拟测试系统，其中，对于地波传输路径，所述地理信息处理器读取数字地图，提取传输路径的地面特性信息，输出给地波信号模拟处理模块，所述地面特性信息包括低盐分海水、平均盐分海水、淡水、湿地面、中等干燥地面、干燥地面、很干燥地面以及淡水冰。
上述的基于地理信息的中高频通信信道的模拟测试系统，其中，对于天波传输路径，所述地理信息处理器读取数字地图，提取天波传输路径信息，输出给天波信号模拟处理模块，所述天波传输路径信息包括地磁、海洋、电离层类型和高度信息。
上述的基于地理信息的中高频通信信道的模拟测试系统，其中，所述地波信号模拟处理模块和天波信号模拟处理模块中的可变功率衰减器通过功率衰减器和中高频发射机相连，先将中高频发射机输出的大功率无线电信号衰减至小功率，扣除功率衰减器的衰减量后，再通过可变功率衰减器控制模拟传输信号的衰减量。
上述的基于地理信息的中高频通信信道的模拟测试系统，其中，所述模拟信号合成器包括第一合成器和第二合成器，所述第一合成器将多径衰落输出的模拟地波传输信号和模拟天波传输信号进行信号矢量合成，所述第二合成器将第一合成器输出的信号和环境噪声生成模块输出的环境噪声信号进行信号合成后送至中高频接收机。
上述的基于地理信息的中高频通信信道的模拟测试系统，其中，所述人机接口模块还输入模拟速度参数，所述模拟速度参数表示模拟系统时间和仿真时间的比值，所述时间生成器根据模拟的速度，连续更新时间，直至结束时间或接收到结束指令。
上述的基于地理信息的中高频通信信道的模拟测试系统，其中，所述环境噪声生成模块根据接收机天线类型、位置坐标和时间范围参数计算外部噪声因子中值。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的基于地理信息的中高频通信信道的模拟测试系统，通过模拟不同的地理位置上、不同时间段内中高频接收机实际可能接收到的信号，从而可以降低中高频通信系统和设备的测试成本，快速模拟一年中各时间段内中高频接收机实际可能接收到的信号，大大提高中高频通信系统和设备的测试速度。
附图说明
图1为本发明基于地理信息的中高频通信信道的模拟测试系统架构示意图。
图中：
1 人机接口模块 2 地理信息处理器 3 数字地图
4 地波特征计算模块 5 天波特征计算模块 6 时间生成器
7 环境噪声生成模块 8 地波衰减模块 9 天波衰减模块
10 地波延时模块 11 天波延时模块 12 中高频发射机
13 功率衰减器 14 第一合成器 15 第二合成器
16 中高频接收机 17 信号分配器 18 地波多径衰落仿真模块
19 天波多径衰落仿真模块
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
图1为本发明基于地理信息的中高频通信信道的模拟测试系统架构示意图。
请参见图1，本发明提供的基于地理信息的中高频通信信道的模拟测试系统，包括：
人机接口模块：输入发射机和接收机的频率、地理坐标、时间范围、通信可用度(90％或95％)、输入发射机和接收机的调制方式、发射机输出功率、发射机天线高度、发射机天线类型、接收机天线高度和接收机天线类型、信道多径参数，控制模拟过程的启动和结束。信道多径参数包括多个路径的延时、增益、多普特频率、多普勒扩展等参数；
地理信息处理器：用于计算发射机和接收机之间的通信信号传输路径，所述传输路径包括地波传输路径和天波传输路径；
地波特征计算模块：根据各种地波传输路径的地面特性信息组成，计算混合路径下的衰减和时延，控制可变功率衰减器和地波延时模块对发射信号进行调校；
地波衰减模块：采用可变功率衰减器；
地波延时模块：采用可变射频信号延迟器；
地波多径衰落仿真模块：通过人机接口模块读取的信道参数，对时延模块输出的信号进行多径衰落仿真模拟，生成地波传输信号；
天波特征计算模块：根据各种天波传输路径的信息组成，计算混合路径下的衰减和时延，控制可变功率衰减器和地波延时模块对发射信号进行调校；
天波衰减模块：同地波衰减模块，采用可变功率衰减器；
天波延时模块：同地波延时模块，采用可变射频信号延迟器；
天波多径衰落仿真模块：同地波多径衰落仿真模块，生成地波传输信号；
数字地图：存储全球或区域的地理特征信息，用于向地理信息处理器提供地面特性信息；
环境噪声生成模块：用于产生接收机端的环境噪声信号；
时间生成器：用于控制整个模拟系统的时间，时间生成器从人机接口模块读取时间范围，当模拟启动后，时间生成器输出起始时间给地理信息处理器、地波特征计算模块、天波特征计算模块和环境噪声生成模块，并连续更新时间直至结束；
模拟信号合成器：用于将模拟生成的地波传输信号、天波传输信号和环境噪声信号进行合成。
本发明根据中高频发射机和接收机的信号特征、实际工作地理位置和时间范围等参数计算地波、天波传输特征和接收机环境噪声，这些参数包括输入发射机和接收机的频率、调制方式、发射机输出功率、发射机天线高度、发射机天线类型、接收机天线高度、接收机天线类型、位置坐标、时间范围、信道多径等参数。根据计算结果，控制中高频信道模拟器的工作，模拟在不同的地理位置上、不同时间段内接收机实际可能接收到的信号。各主要模块的功能及实现如下：
人机接口模块1：用于输入发射机和接收机的频率、调制方式、发射机输出功率、发射机天线高度、发射机天线类型、接收机天线高度、接收机天线类型、位置坐标、时间范围、信道多径等参数。人机接口模块具有启动和结束模拟功能，并可以控制模拟的速度。人机接口模块可以是计算机、平板电脑或其他输入设备。
地理信息处理器2：用于计算发射机和接收机之间的通信信号传输路径，地理信息处理器可以分别计算地波和天波的传输路径。对于地波传输路径，地理信息处理器读取数字地图，提取传输路径的地面特性的信息，如低盐分海水、平均盐分海水、淡水、湿地面、中等干燥地面、干燥地面、很干燥地面、淡水冰等，输出给地波特征计算模块。对于天波传输路径，地理信息处理器读取数字地图，提取传输路径的地磁、海洋、电离层类型和高度等信息，输出给天波特征计算模块。
数字地图3：存储了全球或区域的地理特征信息，用于向地理信息处理器提供地面特性的信息。
地波特征计算模块4：计算地理信息处理器2中所述的各种地波传输路径的地面特性的信息组成的混合路径下的衰减L1和时延D1。地波传输计算主要参考了ITU-R P.368-9建议书《频率在10kHz和30MHz间的地波传播曲线》中提出的计算方法，该标准推荐使用计算机程序GRWAVE计算传输曲线。计算机程序GRWAVE只能计算单一的地面特征情况，即电导率和相对介电常数保持不变，实际的传输路线是混合路径，电导率和相对介电常数变化。所述的地波特征计算模块首先自动计算在混合路径下的每一段相同的地面特性的路径的长度，然后根据每一段相同的地面特性的电导率和相对介电常数计算衰减和时延，最后综合计算混合路径下总体的衰减和时延。
天波特征计算模块5：计算地理信息处理器2中所述的各种天波传输路径的信息组成的混合路径下的衰减L2和时延D2。对于频率小于1700kHz的中波信号，路径长度在50和12000公里之间的天波传输主要参考了ITU-R P.1147-4建议书《频率约在150和1 700kHz之间的天波场强的预测》。区别在于线增益因子、海洋增益、以小时计的损耗因子、太阳活动综合影响的损耗因子、夜间场强的每日变化和短期变化、过极化耦合损耗等，由读曲线图改进为拟合曲线、计算机自动计算，磁偏角和磁倾角读图改进为从数字地图3自动获取。对于频率在2～30MHz之间的天波传播的预测，主要参考了ITU-R P.533-13建议书《HF电路性能的预测方法》。区别在于对于该建议书中的图表进行了拟合处理，使得计算自动完成。
时间生成器6：用于控制整个模拟系统的时间，时间生成器从人机接口读取时间范围，时间范围的输入格式是起始时间：“月-日-小时”，结束时间：“月-日-小时”，最小模拟范围是是指定月份和日期的某几个小时，最大模拟范围是一整年。时间生成器从人机接口读取模拟的速度参数k，该参数表示模拟系统时间和仿真时间的比值，即k＝模拟系统时间/仿真时间。当k＝60，表示模拟系统工作1分钟相当于仿真1小时。当模拟启动后，时间生成器输出起始时间“月-日-小时”给地波特征计算模块、天波特征计算模块和环境噪声生成模块，并根据模拟的速度，连续和不断更新“月-日-小时”，直至结束时间或接收到结束指令。
环境噪声生成模块7：用于产生接收机端的环境噪声；环境噪声生成模块从人机接口获取接收机位置坐标、通信可用度(90％或95％)和时间范围等参数。根据ITU-R P.372建议书，调用ITU NOISEDAT软件计算外部噪声因子中值Fam、偏离中值的高十分位数Du等参数。
对与所需要的可用度相对应的外部噪声因子应利用方程(1)来计算上界值Fa：
Figure BDA0001502462940000071
高于k T0 B的dB (1)
其中：
Fam：外部噪声因子中值
Ds：对于所要求的时间百分比预期的信号电平变化，它相当于由IMO规定作为衰落余量的3dB因子
Dt：对于所要求的时间百分比预期的噪声电平变化。
如通信可用度为90％，则Dt＝Du；
如通信可用度为95％，则Dt＝Du+3；
k：波耳兹曼常数＝1.38×10–23J/K；
T0：参考温度(K)为290K；
B:接收噪声1Hz功率带宽(Hz)；
环境噪声生成模块7最后生成接收机端的环境噪声Fr。
地波衰减模块8是程序控制的可变功率衰减器，其控制来自于地波特征计算输出的L1；天波衰减模块9是程序控制的可变功率衰减器，其控制来自于天波特征计算输出的L2；地波时延模块10是程序可控的射频信号延时器，其控制来自于地波特征计算输出的D1；天波时延模块11是程序可控的射频信号延时器，其控制来自于天波特征计算输出的D2。
地波多径衰落仿真模块18是无线多径信道仿真仪，其控制来自于人机接口模块1人工输入的信道多径参数，信道多径参数包括多个路径的延时、增益、多普特频率、多普勒扩展等参数。无线多径信道仿真仪可以是专用的无线信道仿真仪设备，也可以是基于软件无线电平台的设备。
天波多径衰落仿真模块19也是无线多径信道仿真仪，其控制来自于人机接口模块1人工输入的信道多径参数。
中高频发射机12是被测的设备，输出中高频无线电信号，功率衰减器13是大功率衰减器，用于将中高频发射机输出的大功率无线电信号衰减至小功率，以避免损坏地波衰减和天波衰减模块；信号分配器17用于区分天波发射信号和地波发射信号。地波衰减和天波衰减时必须扣除功率衰减器的衰减量。第一合成器14将由地波多径衰落输出的地波传输的信号和由天波多径衰落输出的天波传输信号进行信号矢量合成，第二合成器15将第一合成器14输出的信号和环境噪声生成模块7输出的接收机环境噪声Fr进行信号合成。中高频接收机16是被测设备，接收来自第二合成器15输出的信号。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (5)

1.一种基于地理信息的中高频通信信道的模拟测试系统，其特征在于，包括：
人机接口模块：输入发射机和接收机的频率、地理坐标、时间范围、通信可用度、发射机和接收机的调制方式、发射机输出功率、发射机天线高度、发射机天线类型、接收机天线高度、接收机天线类型和信道多径参数，控制模拟过程的启动和结束；
地理信息处理器：用于计算发射机和接收机之间的通信信号传输路径，所述传输路径包括地波传输路径和天波传输路径；
地波特征计算模块：根据各种地波传输路径的地面特性信息组成，计算混合路径下的衰减和时延，并控制可变功率衰减器和时延模块对发射信号进行调校；
地波多径衰落仿真模块：通过人机接口模块读取的信道多径参数，对时延模块输出的信号进行多径衰落仿真模拟，生成地波传输信号；
天波特征计算模块：根据各种天波传输路径的信息组成，计算电离层反射路径下的衰减和时延，并控制可变功率衰减器和时延模块对发射信号进行调校；
天波多径衰落仿真模块：通过人机接口模块读取的信道多径参数，对时延模块输出的信号进行多径衰落仿真模拟，模拟生成天波传输信号；
数字地图：存储全球或区域的地理特征信息，用于向地理信息处理器提供地面特性信息；
环境噪声生成模块：用于产生接收机端的环境噪声信号；
时间生成器：用于控制整个模拟系统的时间，时间生成器从人机接口模块读取时间范围，当模拟启动后，时间生成器输出起始时间给地理信息处理器、地波信号模拟处理模块、天波信号模拟处理模块和环境噪声生成模块，并连续更新时间直至结束；
模拟信号合成器：用于将模拟生成的地波传输信号、天波传输信号和环境噪声信号进行合成；
对于地波传输路径，所述地理信息处理器读取数字地图，提取传输路径的地面特性信息，输出给地波信号模拟处理模块，所述地面特性信息包括低盐分海水、平均盐分海水、淡水、湿地面、中等干燥地面、干燥地面、很干燥地面以及淡水冰；
对于天波传输路径，所述地理信息处理器读取数字地图，提取天波传输路径信息，输出给天波信号模拟处理模块，所述天波传输路径信息包括地磁、海洋、电离层类型和高度信息。
2.如权利要求1所述的基于地理信息的中高频通信信道的模拟测试系统，其特征在于，所述地波信号模拟处理模块和天波信号模拟处理模块中的可变功率衰减器通过功率衰减器和中高频发射机相连，先将中高频发射机输出的大功率无线电信号衰减至小功率，扣除功率衰减器的衰减量后，再通过可变功率衰减器控制模拟传输信号的衰减量。
3.如权利要求2所述的基于地理信息的中高频通信信道的模拟测试系统，其特征在于，所述模拟信号合成器包括第一合成器和第二合成器，所述第一合成器将多径衰落输出的模拟地波传输信号和模拟天波传输信号进行信号矢量合成，所述第二合成器将第一合成器输出的信号和环境噪声生成模块输出的环境噪声信号进行信号合成后送至中高频接收机。
4.如权利要求1所述的基于地理信息的中高频通信信道的模拟测试系统，其特征在于，所述人机接口模块还输入模拟速度参数，所述模拟速度参数表示模拟系统时间和仿真时间的比值，所述时间生成器根据模拟的速度，连续更新时间，直至结束时间或接收到结束指令。
5.如权利要求1所述的基于地理信息的中高频通信信道的模拟测试系统，其特征在于，所述环境噪声生成模块根据接收机天线类型、位置坐标和时间范围参数计算外部噪声因子中值。
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