VHF在超視距和不規(guī)則地形條件下多徑特性研究

騰潢龍 楊濤

【摘? 要】為了摸清VHF信號在陸地不規(guī)則地形下的多徑特性規(guī)律，進(jìn)行了兩種不規(guī)則地形的實(shí)地測量。首先介紹了多徑時(shí)延的測試方法、測試設(shè)備和原理，選取了郴州和清遠(yuǎn)兩個(gè)不規(guī)則地形，以m序列為擴(kuò)頻序列碼，進(jìn)行不同氣候條件、不同距離的VHF波段的多徑時(shí)延測量，測算多徑時(shí)延歸一化概率分布和多徑時(shí)延擴(kuò)展。經(jīng)過對數(shù)據(jù)的記錄和分析，得出了多徑時(shí)延根據(jù)地形、氣候條件和距離遠(yuǎn)近的變化趨勢情況，為進(jìn)一步研究不規(guī)則地形多徑特性提供了參考。

【關(guān)鍵詞】多徑時(shí)延;VHF;m序列;歸一化概率分布

1? ?引言

超短波（VHF，Very High Frequency）又稱甚高頻，即工作頻帶在30 MHz到300 MHz的無線電波，波長范圍為1 m到10 m。超短波通信的電子對抗性強(qiáng)，視距內(nèi)傳播穩(wěn)定性強(qiáng)，被廣泛用于民航、海事的近距離通信系統(tǒng)中。

超短波的頻率特性決定了其以空間波傳播方式為主，表面衰減快，傳播距離有限，電波容易受到對流層的影響，也受地形、地物的影響很大。但影響到底有多大，受到地表?xiàng)l件多嚴(yán)重的制約，仍缺乏比較準(zhǔn)確的模型參考。因此，摸清楚VHF波段在超視距通信條件下的傳播模型，將為軍用和民用通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供非常有益的參考。

2? ?多徑特征測試方法

多徑延時(shí)是產(chǎn)生頻率選擇性衰落的重要原因，而且還會造成明顯的碼間干擾，特別是在傳輸速率較高時(shí)會大幅降低傳輸效率和通信質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐赏ㄐ胖袛唷?/p>

從定義上看，多徑時(shí)延可以認(rèn)為是歸一化時(shí)延功率譜下降10 dB時(shí)的時(shí)延寬度。為了表征和測量這一時(shí)延寬度，通常采用雙邊多徑時(shí)延展寬來描述信道多徑時(shí)延的大小。其測量技術(shù)包括脈沖測量、擴(kuò)頻測量和頻域信道測量。經(jīng)過比較，本文采用擴(kuò)頻信道檢測進(jìn)行多徑特征參數(shù)的測量，其測量原理如圖1所示。

擴(kuò)頻信道檢測需要選擇擴(kuò)頻序列碼，本文選擇m序列。并且，本文的測量確定以下的測量指標(biāo)：

（1）探測信號波形：采用m序列擴(kuò)頻調(diào)制信號。

（2）m序列長度可根據(jù)最大多徑時(shí)延測量要求變化，最大4 095，固定碼元速率2 Mb/s，可測量1 μs～200 μs多徑時(shí)延。

（3）接收機(jī)的帶寬：由于碼元速率固定為2 Mb/s，接收機(jī)帶寬采用2.5 MHz。

（4）發(fā)射功率：大于100 W，同時(shí)為保證測試可靠性，可擴(kuò)展至1 000 W功放。

（5）測量門限電平≤-133 dBm。

3? ?VHF多徑特性測試設(shè)備

3.1? 測試設(shè)備

探測設(shè)備分為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，采用緊湊的硬件體系架構(gòu)。發(fā)射機(jī)主要由發(fā)射機(jī)主機(jī)及功放模塊組成，發(fā)射機(jī)主機(jī)包括射頻單元、基帶單元、電源單元、面板單元、數(shù)據(jù)處理終端;接收機(jī)由射頻單元、基帶單元、電源單元、面板單元、數(shù)據(jù)處理終端組成。硬件體系結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

多徑時(shí)延探測數(shù)據(jù)精確到個(gè)位。測試時(shí)，通過多徑時(shí)延檢測統(tǒng)計(jì)得到時(shí)延功率譜和多徑時(shí)延均方根值，并統(tǒng)計(jì)多徑時(shí)延功率譜與最大點(diǎn)相比下降10 dB時(shí)的多徑時(shí)延寬度值。現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)周期為10分鐘。后期統(tǒng)計(jì)周期為30分鐘，數(shù)據(jù)處理方式與現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)處理方法一致。

3.2? 測試原理

多徑測試數(shù)據(jù)記錄采用每隔4 s記錄一包基帶I/Q數(shù)據(jù)，連續(xù)測試180 s，間隔180 s，循環(huán)測試1個(gè)小時(shí)的測試方法，待電平測試結(jié)束后，重復(fù)上述測試步驟。1小時(shí)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包450包，一天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包為5 400包。

針對多徑時(shí)延數(shù)據(jù)，分析時(shí)統(tǒng)計(jì)一天多徑時(shí)延分布情況，包括多徑時(shí)延歸一化功率分布、多徑時(shí)延歸一化概率分布、多徑時(shí)延擴(kuò)展。

在計(jì)算多徑時(shí)延相關(guān)峰時(shí)，時(shí)間及相位未同步，因此以最大的相關(guān)峰為起點(diǎn)計(jì)算各徑時(shí)延，得到的最大多徑時(shí)延即為多徑時(shí)延擴(kuò)展。

4? ?測試數(shù)據(jù)及分析

本文選取了兩種典型地形：圓頂單峰的郴州和地形起伏的清遠(yuǎn)。下面分別予以介紹。

4.1? 郴州測試

郴州的圓頂單峰地形如圖4所示，測試時(shí)發(fā)射機(jī)位于圖4左下角，接收機(jī)所經(jīng)的10個(gè)測試點(diǎn)依次分布于東部偏北。發(fā)射點(diǎn)和各測試點(diǎn)之間有一座海拔900 m的山峰，該山峰與東西兩側(cè)的平原地區(qū)構(gòu)成了“圓頂單峰”地貌。

從2016年8月至2017年5月，分階段對該圓頂單峰地形傳播信道參數(shù)進(jìn)行了熱季、冷季、溫季三個(gè)氣候條件下的測試。具體如下所述。

（1）以15 km測試點(diǎn)數(shù)據(jù)為例（如圖5和圖6）。

距離15 km的測試點(diǎn)測的冷季最大多徑時(shí)延為4.818 μs，多徑時(shí)延擴(kuò)展為4.818 μs;距離15 km的測試點(diǎn)測的熱季最大多徑時(shí)延為4.036 μs，多徑時(shí)延擴(kuò)展為4.036 μs;距離15 km的測試點(diǎn)測的溫季最大多徑時(shí)延為4.427 μs，多徑時(shí)延擴(kuò)展為4.427 μs。

以上多徑時(shí)延的判斷門限為功率降為最大徑的6 dB。

因此，此地形條件下在15 km的距離，冷季6 dB多徑時(shí)延擴(kuò)展為4.818 μs，溫季6 dB多徑時(shí)延擴(kuò)展為4.427 μs，熱季6 dB多徑時(shí)延擴(kuò)展為4.036 μs。

（2）20 km接收點(diǎn)和30 km接收點(diǎn)的數(shù)據(jù)

根據(jù)測試數(shù)據(jù)可知，該地形條件下，距離為20 km的冷季6 dB多徑時(shí)延擴(kuò)展為5.208 μs;溫季6 dB多徑時(shí)延擴(kuò)展為5.469 μs;熱季6 dB多徑時(shí)延擴(kuò)展為5.078 μs。

該地形條件下，距離為30 km的冷季6 dB多徑時(shí)延擴(kuò)展為6.25 μs;溫季6 dB多徑時(shí)延擴(kuò)展為6.38 μs;熱季6 dB多徑時(shí)延擴(kuò)展為6.51 μs。

當(dāng)接收信號幅度低于-100 dBm后，無法正確對相關(guān)峰進(jìn)行判斷，便不能分析多徑時(shí)延，如圖7所示，測試點(diǎn)40 km、50 km、60 km、70 km、80 km、90 km、100 km處接收電平均低于-100 dBm，故未能進(jìn)行多徑時(shí)延分析。

4.2? 清遠(yuǎn)測試

清遠(yuǎn)測試區(qū)域?qū)儆谏絽^(qū)地形，區(qū)域內(nèi)有一座海拔600 m以上的山峰，多座300 m以上山峰，地勢的起伏非常明顯，落差大于300 m。測試時(shí)，發(fā)射點(diǎn)位于圖片的上部，測試點(diǎn)從圖片上部排列到下面，共10個(gè)測試點(diǎn)，如圖8所示。

2017年1月11日至1月21日，對本地形傳播信道參數(shù)進(jìn)行了冷季測試。所有接收點(diǎn)處的測試時(shí)間均為24小時(shí)。測試過程中詳細(xì)記錄了頻譜環(huán)境、天氣情況、測試進(jìn)程等信息。

（1）以10 km為例展示數(shù)據(jù)（如圖9和圖10所示）

10 km距離處最大多徑時(shí)延為5.339 μs，10 dB多徑時(shí)延擴(kuò)展為5.339 μs。

（2）其他測試點(diǎn)數(shù)據(jù)

此地形條件下，10km測試點(diǎn)10 dB多徑時(shí)延擴(kuò)展為5.339 μs;20 km測試點(diǎn)10 dB多徑時(shí)延擴(kuò)展為6.641 μs;30 km測試點(diǎn)4 dB多徑時(shí)延擴(kuò)展為6.380 μs;40 km測試點(diǎn)6 dB多徑時(shí)延擴(kuò)展為6.12 μs;50 km測試點(diǎn)6 dB多徑時(shí)延擴(kuò)展6.12 μs。

當(dāng)接收信號幅度低于-100 dBm后，無法正確對相關(guān)峰進(jìn)行判斷，不能分析多徑時(shí)延。測試點(diǎn)60 km、70 km、80 km、90 km、100 km處接收電平均低于-100 dBm，故無法進(jìn)行多徑時(shí)延分析。

5? ?結(jié)束語

為了弄清楚VHF波段在陸上超視距條件下典型地貌的傳播特性，本文選取了郴州、清遠(yuǎn)的兩種地形（圓頂單峰、山區(qū)起伏）進(jìn)行多徑時(shí)延的測量。從測試結(jié)果上看可以得出如下結(jié)論：

（1）本文選取的測試方案和設(shè)備是有效的，能夠承擔(dān)這個(gè)測試任務(wù)。

（2）郴州測試顯示，隨著溫度的升高，多徑時(shí)延有所下降;郴州和清遠(yuǎn)測試都顯示多徑時(shí)延隨著傳輸距離的增加而擴(kuò)大。

（3）清遠(yuǎn)山區(qū)地貌比郴州圓頂單峰地貌的地形更復(fù)雜，但因?yàn)榘l(fā)射點(diǎn)附近山峰高度不是太高，信號的多徑時(shí)延測試可以做的比郴州更遠(yuǎn)。但也因?yàn)樯絽^(qū)地貌的復(fù)雜性，清遠(yuǎn)測試的多徑時(shí)延隨距離增大呈現(xiàn)快速擴(kuò)大的趨勢。

（4）圓頂單峰地貌對信號的阻隔更嚴(yán)重，導(dǎo)致30 km以后的測試無法完成。

（5）多徑時(shí)延擴(kuò)頻探測受環(huán)境噪聲影響大，后續(xù)有待選擇更好的測試環(huán)境做進(jìn)一步的探測和分析。

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