VHF通信信道資源測試及統(tǒng)計特性分析

溫亞萍

摘要：VHF通信信道資源豐富，同一通信平臺兼容多種信道資源可有效提升系統(tǒng)的通信能力。為指導(dǎo)兼容多種信道資源的通信系統(tǒng)設(shè)計，本文針對不同地域、不同距離，選取了數(shù)十條鏈路開展了典型周段的VHF頻段信道測試試驗，并以概率統(tǒng)計的方法對大量實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析，較全面地得出了VHF通信信道資源的統(tǒng)計特性，進(jìn)而可指導(dǎo)通信系統(tǒng)設(shè)計。

關(guān)鍵詞：VHF；信道測試；特性分析

中圖分類號：TN926.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2022）15-49-4

0引言

VHF通信信道資源豐富，其中包括流星余跡、Es層、電離層散射、對流層散射和大氣波導(dǎo)等。從通信的角度來看，在同一VHF頻段通信平臺上兼容流星余跡、Es層和對流層散射等多種信道資源，不僅可以彌補(bǔ)流星余跡通信等待時間長、VHF電臺通信距離短等缺陷，還可拓展單一通信系統(tǒng)的通信距離，增加通信系統(tǒng)的平均信息通過率，提供一種兼容不同通信距離的穩(wěn)定連續(xù)通信方式。

但是，電波在不同的信道資源下接收信號的特性是不同的，例如電波通過對流層散射信道時接收信號表現(xiàn)為單頻快衰落，特性近似為瑞利分布、存在微秒級多徑以及頻率選擇性衰落；大氣波導(dǎo)信號為較長持續(xù)時間（幾分鐘至二十幾小時）的突發(fā)信號，信號電平較強(qiáng)，存在多徑（數(shù)微秒以內(nèi)）衰落。大氣波導(dǎo)信號接收電平比典型散射信號高出10～20 dB，甚至更多[1]。因此，為充分利用這些信道資源達(dá)到提升系統(tǒng)通信能力的目的，需要先了解這些信道資源的統(tǒng)計特性。

本文針對VHF通信信道資源，利用VHF頻段通信信道測試平臺完成了信道測試野外試驗，通過數(shù)十條通信鏈路、數(shù)千萬條實(shí)測數(shù)據(jù)，以概率統(tǒng)計方法找出了這些信道資源的統(tǒng)計特性，最終可指導(dǎo)通信系統(tǒng)設(shè)計，達(dá)到提升系統(tǒng)通信能力的目的。

1信道參數(shù)選擇及測量方法

信道一般分為恒參信道和變參信道，恒參信道對信號傳輸?shù)挠绊懯谴_定的或者是變化極其緩慢的，變參信道對信號的衰耗和傳輸時延是隨時間變化的[2]。綜合考慮后，本文選取傳輸損耗特性、衰落特性、多徑特性和頻率相關(guān)特性表征信道的統(tǒng)計特性，下面分別介紹這些信道參數(shù)的選擇理由及測量方法。

①傳輸損耗特性及衰落特性

信道的傳輸損耗反映了接收電平的變化規(guī)律，是指導(dǎo)通信設(shè)備余量設(shè)計的重要依據(jù)，一般用其中值描述，即50%時間的傳輸損耗瞬時值超過的值，傳輸損耗瞬時值計算方法為：

所謂衰落，一般是接收信號電平隨時間的隨機(jī)起伏，是設(shè)計接收機(jī)跟蹤信道參數(shù)的依據(jù)。衰落分為慢衰落和快衰落，慢衰落是指接收電平在較長時間間隔內(nèi)的中值波動，主要是由氣象條件變化引起的；快衰落是信號在秒至分鐘時間間隔內(nèi)信號的強(qiáng)度變化，與工作頻率、通信距離和天線參數(shù)等因素有關(guān)。傳輸損耗反映了慢衰落變化的平均參量，衰落速率是指在單位時間內(nèi)信號電平以正斜率通過某個指定電平的次數(shù)，反映了快衰落的快慢程度[3]。

同時，考慮到通信系統(tǒng)自動增益控制的設(shè)計需要，一般還會參考衰落深度和平均衰落持續(xù)時間。衰落深度的定義是信號中值電平分貝數(shù)減去90%時間被接收信號電平超過的電平分貝數(shù)。平均衰落持續(xù)時間為在取樣時間內(nèi)信號電平低于某一電平的總時間除以電平上的衰落次數(shù)[4]。

為獲得信道的傳輸損耗特性及衰落特性，本文通過發(fā)送端發(fā)送單頻信號，接收端利用電平檢測單元實(shí)現(xiàn)對單頻信號的檢波，獲得接收電平中值，經(jīng)數(shù)據(jù)采集后處理得出信道傳輸損耗、衰落深度、衰落速率和衰落持續(xù)時間等統(tǒng)計特性。

②多徑特性

通信信號經(jīng)過信道傳輸，到達(dá)接收端的是經(jīng)過多條路徑傳輸信號的總和，各條支路接收信號的幅度、相位和時延均不相同，且隨機(jī)變化，這即為多徑效應(yīng)[5]。

針對信道的多徑特性，本文采取直接序列擴(kuò)頻信號匹配濾波測試法，利用其良好的自相關(guān)特性，發(fā)送端發(fā)送周期性的擴(kuò)頻序列，接收端對擴(kuò)頻信號進(jìn)行解擴(kuò)處理，達(dá)到再現(xiàn)信道多徑結(jié)構(gòu)的目的。為便于統(tǒng)計，將多徑時延功率譜中與最大點(diǎn)相比下降10 dB時（即多徑能量低于主徑能量10 dB）的多徑時延寬度值定義為最大多徑時延展寬。

③頻率相關(guān)特性

不同頻率的信號其電平的衰落可能是不一致的，一般頻率間隔越小，相關(guān)性越強(qiáng)。掌握信道的頻率相關(guān)特性，對于設(shè)計通信系統(tǒng)是必要的。當(dāng)信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬時，各頻率分量的衰落是基本相關(guān)的，因而不會出現(xiàn)明顯的頻率選擇性衰落，波形不會產(chǎn)生嚴(yán)重失真；反之，信號將遭受頻率選擇性衰落，波形會發(fā)生失真[6]。

對于信道的頻率相關(guān)特性，主要采用多根線狀譜同時發(fā)送測試法，即在發(fā)送端發(fā)送周期性信號，在接收端利用周期信號在頻域上為一系列獨(dú)立單頻譜線的特性，對接收信號進(jìn)行FFT變換，即可得到每根獨(dú)立譜線的幅度，根據(jù)譜線的幅度信息可以計算各單頻之間的頻率相關(guān)系數(shù)。通常，工程上頻率相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.5以下即可獲得較好的分集效果。因此，本文將頻率相關(guān)系數(shù)值小于0.5的最小頻率間隔定義為工程頻率分集距離。90%時間概率的使頻率相關(guān)系數(shù)小于0.5的頻率間隔下限即為90%時間概率的頻率分集距離。

2 VHF頻段通信信道測試平臺

VHF頻段通信信道測試平臺由2個端站組成，工作在點(diǎn)對點(diǎn)、單發(fā)單收狀態(tài)。該系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由信道測試終端、監(jiān)控及數(shù)據(jù)處理計算機(jī)（安裝信道測試軟件）、固態(tài)功率放大器以及天線及架設(shè)設(shè)備等主要設(shè)備組成。

信道測試終端包含不同測試模式的基帶信號產(chǎn)生單元、監(jiān)控接口模塊、收發(fā)信機(jī)單元和接收信號處理單元等。其中，基帶信號產(chǎn)生單元根據(jù)不同測試模式要求，產(chǎn)生零中頻的測試信號；收發(fā)信機(jī)單元中的發(fā)信機(jī)將信道測試終端輸出的零中頻信號經(jīng)過I/Q調(diào)制、變頻、濾波和放大，無失真地搬移到信號傳輸所需的射頻頻率；收信機(jī)則將從天線接收的射頻信號通過低噪聲放大器、下變頻器和中放AGC等對信號進(jìn)行放大、濾波和變頻，輸出中頻信號至接收信號處理單元；接收信號處理單元根據(jù)不同測試模式，完成中頻信號的檢測，并將信道測試數(shù)據(jù)通過監(jiān)控接口傳送至監(jiān)控及數(shù)據(jù)處理計算機(jī)。

值得注意的是，本系統(tǒng)發(fā)信機(jī)和收信機(jī)均采用了超外差二次變頻方式。其中，通過提高混頻器的線性，合理布局減小本振之間的串?dāng)_，以避免組合干擾直接落入高中頻內(nèi)或輸出頻帶內(nèi)，在射頻出口端接窄帶帶通濾波器濾除組合干擾，完成了發(fā)信機(jī)設(shè)計；為保證鏡像抑制，通過在低噪聲放大器前級兩級低噪聲放大管級間接入濾波器來實(shí)現(xiàn)對鏡頻的抑制，完成了收信機(jī)設(shè)計。

監(jiān)控及數(shù)據(jù)處理計算機(jī)安裝了監(jiān)控及數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件，該軟件為自主研發(fā)，可兼容國產(chǎn)操作系統(tǒng)，界面簡明清晰、功能完備，除可顯示設(shè)備工作狀態(tài)、修改設(shè)備參數(shù)外，具備現(xiàn)場短時數(shù)據(jù)實(shí)時顯示及短時（5 /10 min）統(tǒng)計結(jié)果顯示功能，還能將測試數(shù)據(jù)完整地存儲在計算機(jī)中，用于后續(xù)的大量統(tǒng)計分析。

固態(tài)功率放大器由功率放大電路、冷卻單元、控制保護(hù)電路和供電電源4部分組成，完成對發(fā)信機(jī)輸出信號的放大，為發(fā)射天線提供額定的功率電平，具有功率調(diào)節(jié)及告警指示功能。

綜合考慮設(shè)備的可操作性和維修性，信道測試終端及固態(tài)功率放大器采用后面板出線，前面板安裝把手、監(jiān)控面板及操作按鍵，各功能板卡采取統(tǒng)一結(jié)構(gòu)化設(shè)計，每一板卡單元功能獨(dú)立，同種類型板卡單元可以互換，板卡間連線采用快速插拔式連接器連接，便于進(jìn)行拆裝、維修和調(diào)試。

天線采用八木天線，天線支架可手動調(diào)整高度，進(jìn)而減小架設(shè)周圍環(huán)境對天線的影響。為增強(qiáng)天線的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性，對天線饋源裝置進(jìn)行了有效的密封性設(shè)計，從而保持內(nèi)部干燥，防止天線在野外環(huán)境下由于進(jìn)水而降低性能或失效。

3信道測試及統(tǒng)計分析

綜合考慮數(shù)據(jù)的遍歷性及試驗的復(fù)雜度，利用2套VHF信道測試系統(tǒng)，重點(diǎn)針對我國西部、中部和東部地區(qū)，選取了數(shù)十條不同距離的通信鏈路開展了覆蓋春、夏、冬3季的信道測試野外試驗，完成了對傳輸損耗及衰落特性、多徑特性和頻率相關(guān)特性的測試，最終獲得大量實(shí)測數(shù)據(jù)（其數(shù)據(jù)量可達(dá)數(shù)千萬條），并通過統(tǒng)計分析，較全面得出了VHF通信信道資源統(tǒng)計特性。

分析數(shù)據(jù)可以得出，起伏地形、圓頂單峰、楔形單峰及多峰地形條件下的100 km以內(nèi)的通信鏈路上，信道類型主要表現(xiàn)為繞射，信道傳播損耗中值近似Baltika和P1546模型，平均修正量±5 dB；以春季條件下，各接收測試點(diǎn)統(tǒng)計得到的損耗中值為標(biāo)準(zhǔn)，夏季條件下各接收測試點(diǎn)統(tǒng)計得到的衰落中值平均增加1.5dB，冬季條件下各接收測試點(diǎn)統(tǒng)計得到的衰落中值平均減少1.5dB，與距離無關(guān)；3個季度條件下，日夜衰落中值差，平均傳播損耗均方差和衰落幅度基本一致，與距離正相關(guān)。

100～400 km距離上信道類型以對流層散射為主，偶發(fā)大氣波導(dǎo)，整體分鐘級傳輸損耗變化范圍較大，變化范圍約44 dB，主要是由大氣波導(dǎo)出現(xiàn)時接收電平值較高導(dǎo)致。VHF頻段多徑常為有限的離散徑，多徑結(jié)構(gòu)的變化周期在分鐘量級，一般在幾十秒量級。有限帶寬內(nèi)多頻點(diǎn)傳輸信號存在頻率選擇性衰落。

400～1500 km距離上信道類型多樣，包含對流層散射、流星余跡、電離層散射和Es層等。其中400～800 km距離上，一般以對流層散射信道為主，占比90%以上，接收電平較高；當(dāng)鏈路超過800 km后，如850 km和1500 km，信道類型以電離層散射信道為主，占比約87%，接收電平較弱，分鐘級中值傳輸損耗變化范圍甚至高達(dá)98 dB。電離層散射信道的衰落持續(xù)時間大多為幾毫秒量級，小于對流層散射信道幾十毫秒量級的衰落持續(xù)時間。同時，電離層散射信道的等待時間明顯小于流星余跡信道的等待時間，流星余跡和Es層信道占比例很低，850 km鏈路偶發(fā)分鐘量級的Es層，1 500 km鏈路偶發(fā)半小時量級的Es層。

4結(jié)束語

在完成VHF通信信道資源測試后，基于各信道資源的統(tǒng)計特性，研究了多模式自適應(yīng)超視距容中斷伺機(jī)通信、多模式多址接入技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，研制了支持散射、流余和Es層的多模式通信原理樣機(jī)，并利用該樣機(jī)在我國華北平原、華中丘陵和華南山區(qū)等多個區(qū)域、20余條鏈路上開展了春、夏、冬3季的通信能力驗證試驗。經(jīng)試驗表明，該樣機(jī)利用電離層散射信道，使日平均等待時間縮短至1～2 min，最長等待時間不大于 3 min；在平原地區(qū)可實(shí)現(xiàn)最低4 kb/s連續(xù)通信，最高傳輸速率可達(dá)512 kb/s，具有遠(yuǎn)距離近連續(xù)傳輸能力；在山區(qū)地形下，具有處理天波信號能力，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，性能較好，通信效果良好。因此，可滿足不同通信距離要求的通信保障需求。

綜上所述，在同一VHF頻段通信平臺下兼容流星余跡、頻發(fā)的對流層大氣波導(dǎo)、長存的對流層散射和Es層等多種信道資源，具有重要的實(shí)用價值，但其各類信道資源傳輸特性復(fù)雜多樣，研究其各類信道的特性參數(shù)對通信系統(tǒng)設(shè)計具有重要意義。本文基于VHF頻段通信信道測試平臺，針對不同地域、不同距離，開展了典型周段和典型鏈路的信道測試試驗，較全面地掌握了VHF通信信道統(tǒng)計特性，并據(jù)此完成了VHF通信系統(tǒng)設(shè)計。經(jīng)證明，該系統(tǒng)是一種兼容不同通信距離的穩(wěn)定近連續(xù)通信系統(tǒng)，可為相應(yīng)需求提供通信保障能力。

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