（通信与信息系统专业论文）基于watterson模型的短波信道模拟器设计与实现.pdf

基于w a t t e r s o n 模型的短波信道模拟器设计与实现 摘要 无线远距离通信越来越深入日常生活中，相比商用蜂窝通信与卫星通信，短波天波 通信作为一种抗毁性强、成本低的远距离通信方式一直起着不可替代的作用。短波天波 信道是典型的随参色散信道，电离层的不稳定造成了对短波通信信号严重的衰落，影响 了通信的质量。相对于室外测试的复杂，实验室环境下模拟与测试短波通信是必要而经 济的。现有短波信道模拟器往往是窄带和非实时仿真的，对于宽带短波通信及实时信号 仿真输出的实现有着一定的瓶颈。基于此本课题提出设计并实现硬件短波信道模拟器， 并着重解决实时处理问题。 首先，本文提出基于w a t t e r s o n 模型设计并实现一种短波信道模拟器的软硬件方案。 在硬件方案上提出以f p g a 为核心处理器、d s p 作为协处理器的核心处理单元，有针对 性地利用f p g a 的流水线运算结构实现实时信号仿真输出功能。借鉴软件无线电的思 想，设计了外围高速采集、输出器件及基于“m c u + d d s 的混频器，配合核心处理单 元，构建了短波信道模拟硬件平台并加以实现。 其次，软件方案上提出流水线处理结构的实时短波信道模拟算法框架，利用f p g a 的并行处理能力实现多径方案。在每径的时延线中，提出基于双口r a m 一对多编址方 式生成的有限任意长f i f o 为数字时延线的方案并加以验证。为了多普勒频移功能的实 现，本文提出利用捕获时钟相位噪声的办法生成真随机数流，并以之驱动d d s 生成随 机游动多普勒频移信号的办法，实现多普勒频移模拟的步进与速率可调。各径衰减因子 的生成采用b o x m u l l e r 算法通过m a t l a b 零均值的平稳高斯过程，生成后存放进d s p 的r a m 中进行读取；高斯白噪声的模拟则利用m a t l a b 生成的白噪声序列进行模数 转换输出。 最后，本文完成了短波信道模拟器软硬件方案工程实现，在此基础上进行了短波模 拟的测试，从白噪声输出、多普勒频移输出及两径、三径多径传输等方面进行测试，测 试结果证明方案达到了3 m s 时延间隔与1 h z s 的随机多普勒频移的设计要求，在一定程 度上可以很好的模拟短波信道对无线信号的影响。 关键词：短波信道模拟器；w a t t e r s o n 模型；多径时延；实时处理 基于w a t t e r s o n 模型的短波信道模拟器设计与实现 a bs t r a c t w i r e l e s sl o n gd i s t a n c ec o m m u n i c a t i o ni sm o r ea n dm o r ed o s et oh u m a n sd a i l yl i v e s c o m p a r et ot h ec o m m e r c i a lc e l lc o m m u n i c a t i o n sa n ds a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n s ，s h o r t w a v e c o m m u n i c a t i o n si sa l w a y su n r e p l a c e a b l ea saw e l la n t i d e s t r o ya n dl o w - c o s tp r o p a g a t i o nf o r m s h o r t - s k y w a v ec h a n n e li s at y p i c a l r a n d o m - p a r a m e t e ra n dd i s p e r s i v ec h a n n e l u n s t a b l e i o n o s p h e r eh a sas e r i o u sf a d i n g e f f e c tt ot h es h o r t w a v es i g n a l st h a tc a u s e sab a d c o m m u n i c a t i o nq u a l i t i e s c o m p a r et oc o m p l e xo u t d o o re x p e r i m e n t s ，s h o r t w a v es i m u l a t i o n a n dt e s ti nl a b o r a t o r ye n v i r o n m e n ti sn e c e s s a r ya n de c o n o m i c a l n o wm o s ts h o r t w a v ec h a n n e l s i m u l a t o r sw e r en o n - r e a l t i m ea n dn a r r o w b a n d ，w h i c hh a dab o t t l e n e c ki nw i d e b a n do r r e a l t i m es i g n a ls i m u l a t i o no u t p u t b a s e do nt h ea b o v er e a s o n ，t h i sp a p e rp r o p o s e sar e s e a r c h a n di m p l e m e n t a t i o no fh a r d w a r es h o r t w a v ec h a n n e ls i m u l a t o r , a n de m p h a s i so ns o l v i n gt h e r e a l - t i m ep r o c e s sp r o b l e m f i r s t ，r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o na th a r d w a r ea n ds o f t w a r ep r o j e c to ft h es h o r t w a v e c h a n n e ls i m u l a t o rb a s e do nw a t t e r s o nm o d e lw a sp r o p o s e di nt h i sp a p e r a tt h eh a r d w a r ep a r t , as i m u l a t i o nm e t h o dw a sg i v e na n di m p l e m e n t e d , w h i c hc o n f i g u r a t i o ni sb a s e do nac o r e p r o c e s su n i tw i t hf p g a a sh o s tp r o c e s s o ra n dd s pa sc o p r o c e s s o r w i t ha p e r t i n e n c et os o l v e t h er e a l t i m es i m u l a t i o ns i g n a l so u t p u t ，t h i sp a p e ru t i l i z e st h ep i p e l i n ec o n f i g u r a t i o no ff p g a b a s e do nt h es o f t w a r er a d i ot h e o r y , ap e r i p h e r a ls y s t e mi n c l u d i n gh i g hs p e e ds a m p l ea n d o u t p u td e v i c e sa n da “m c u + d d s ”m i x e rw a sd e s i g n e d w i t ht h ea d d e rp e r i p h e r a la sa c o o p e r a t e rf o rt h ec o r ep r o c e s su n i t ，ah a r d w a r es h o r t w a v ec h a n n e ls i m u l a t o rp l a t f o r mw a s c o n c e i v e da n di m p l e m e n t e d s e c o n d , a tt h es o f t w a r ep a r t ，ar e a l t i m ea r i t h m e t i cw i t hp i p e l i n ep r o c e s ss t r u c t u r ef o rt h e s h o r t w a v ec h a n n e ls i m u l a t o rw a sp r o p o s e d t h es o f t w a r ep r o j e c ti m p l e m e n t sm u l t i p a t hb y m a k i n gu s eo ft h ep a r a l l e lp r o c e s sa b i l i t yo ff p g a am e t h o dt os i m u l a t ed i g i t a ld e l a yl i n e s w a sp r o p o s e da n dv a l i d a t e dt h a tu s i n gf i n i t er a n d o ml e n g t hh f o g e n e r a t e db ys e t t i n g1 - n a d d r e s sd u a l - p o r tr a mi ne a c hp a t h a i m i n ga tt h ep r o j e c to f d o p p l e rs h i f ti nm i x e rs i g n a la t b a c k - e n d ，am e t h o dt h a tu s i n gp e r f e c tr a n d o mb i tf l o w sc a p t u r e df r o mc l o c kp h a s en o i s e d r i v i n gd d s t os y n t h e s i z ear a n d o ms w a r md o p p l e rs h i f ts i g n a lw a sd e s i g n e da n dv a l i d a t e d 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 i nt h i sp a p e rt h i sm e t h o dr e a l i z e sa na d j u s t a b l es h i f ts t e pa n ds p e e d f a d ef a c t o r si saz e r o m e a nv a l u ea n ds t a t i o n a r yn o r m a ld i s t r i b u t i o n p r o c e s sg e n e r a t e db ym a t i _ a bt h r o u g h b o x m u l l e ra r i t h m e t i ca n dt h e s ef a d en u m b e rs e q u e n c es t o r e di nd s pr a mf o rr e a d i n g g a u s s i a nw h i t en o i s es i m u l a t i o ni su s i n gc o n v e r t i n gg a u s s i a nd i s t r i b u t i o nn u m b e rs e q u e n c e g e n e r a t e db ym a t l a b t od a o u t p u t a tl a s tt h es h o r t w a v es i m u l a t i o nt e s t sb a s e do nt h ei m p l e m e n t a t i o no fh a r d w a r ea n d s o f t w a r eo ft h ec h a n n e ls i m u l a t o rw a si n t r o d u c e d e x p e r i m e n t sa r ee x e c u t e da b o u tt h ep a r t so f w h i t en o i s eo u t p u t ，d o p p l e rs h i f to u t p u t ，t w o p a t h sa n dt h r e e - p a t h s p r o p a g a t i o ne t c r e s u l t s s h o wt h a tt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep r o j e c ta c h i e v e st h e3 3 m sd e l a ys p a c ea n d1 h z s r a n d o md o p p l e rs h i f tr e q u e s t a tac e r t a i ne x t e n t ，t h ed e s i g nc a ns i m u l a t et h ee f f e c tw e l lt h a t w i r e l e s ss i g n a l sh a di ns h o r t w a v ec h a n n e l k e yw o r d s ：s h o r t w a v ec h a n n e ls i m u l a t o r ；w a t t e r s o nm o d e l ；m u l t i - p a t hd e l a y ；r e a i t i m e 第1 章绪论 第1 章绪论 无线通信技术发展到今天，已经成为人们生活中无法离开的一种技术。在生活、工 作、生产、科研甚至是战争中无线通信都以其灵活、方便、可靠的特点成为主要的沟通 或识别手段。近年来在城域距离范围内大有取代有线通信的趋势。无线通信的主要影响 因素是其信道的随参特性，本课题基于短波无线信道的特点，设计并实现一款短波信道 模拟器，以模拟短波信道对通信信号的影响，实现在实验室环境下的通信验证。 1 1 课题研究的背景 移动通信发展至今，通信方式已经从最初的电报信号发展到了4 g 移动通信，频段 范围也从千赫兹( k h z ) 发展到了吉赫兹( g i - i z ) 。短波波段的通信只占其中的一小部 分频带资源，但却一直是不可替代的一种通信波段。短波是指3 m h z 一3 0 m h z 的无线电 波波段( 一般也有认为频率下限可以延伸至1 5 m h z ) ，短波通信适用于近、中、远距 离的军用和民用通信，能为用户提供各种语音和数据通信，可满足不同的通信需求。尤 其在军事部门，通信系统的生存能力是非常重要的方面，短波通信始终承担着重要的任 务，是不可缺少的通信手段。电离层是短波天然的中继系统，虽然人为或自然原因有可 能使它中断，但中断出现的次数和持续时间都是非常有限的。相对于其它通信手段而言， 短波这种稳定性使之成为人们在恶劣条件和战时的首选。另外在进行远距离通信时，短 波通信仅需要不大的发射功率，并且建设费用低，建设周期短。短波通信设备比较简单， 可以根据需求安装在某一固定地点进行定点通信；也可以装入移动平台进行移动通信。 使用灵活，组网方便。 因为地波传播方式的传播损耗随频率的升高而递增，受地面吸收而衰减的程度随频 率的升高而增大，因此短波通信虽然可以利用地波传播，但主要是利用天波传播。由于 大气层本身的特性，天波信道是变参信道，信道特性不稳定。电离层变化使信号产生衰 落。另外，天波信道还存在着严重的多径效应，多径延时使接收信号在时间上扩散，严 重的限制了短波高速数据传输。在各种通信技术的设计和发展时，对信道的估计都是不 可或缺的关键一环。可以说多数情况下的技术往往都是为了解决信道的不良特性而发展 起来的。 对移动信道进行研究一般有三种基本方法：理论分析、现场电波传播实测和计算机 模拟。计算机模拟具有很强的计算能力，能模拟实际信道中的多径和多普勒频移等情况， 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 并能快速灵活的模拟各种移动环境。但是，计算机仿真只能帮助人们了解短波信道的特 点，指导短波通信系统的研制，不能很方便地对已研制好的短波通信系统的实际性能， 直接进行测试。现场实测成本高周期长，难以实现实验室现场调试和修改。 而物理仿真，是在计算机仿真的基础上，结合高性能i c 和数字信号处理技术，在硬 件平台上实现通信信道的仿真。硬件信道模拟器不仅能实时反映信道的各种特性，也能 够对通信进行现场检测，给研究开发者提供了可靠便利的各种实时数据。在实验室中， 通过修改模拟器参数，可以模拟多个外场环境，多次检验系统的性能。这都是传统仿真 手段所难以实现的。因此设计一款能够对短波与超短波实际移动信道进行模拟的硬件模 拟平台十分必要。 1 2 信道模拟器研究现状 经过几十年的发展，对短波通信天波信道电离层的研究也取得了很多成就。国 外对于短波信道模型的建立及其模拟设备的研制很早就有起步，国内相对起步较晚，但 是随着微电子及计算机技术的快速发展，也获得一定进步。 1 2 1 短波信道数学模型的发展历程 信道数学模型的发展研究经历了由窄带到宽带的发展过程。 1 9 7 0 年，w a t t e r s o n 在i e e e 上发表了一篇短波信道建模的文章【1 】，后来被国际电信联 盟( i n t e r n a t i o n a lr a d i oc o n s u l t a t i v ec o m m i t t e e ，c c m ；现为i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ，简称丌u ) 推荐使用，成为了窄带短波信道的经典模型，并 长期为系统设计者使用。到目前为止，大量的窄带信道仿真器均以该模型为基础研制而 成。w a t t e r s o n 信道模型以一条1 3 0 0 公里的中纬度信道的采样数据进行了有效性的验证。 实测信道的带宽分别为2 5 k h z ，8 k h z ，和1 2 1 d - i z ，电离层处于平静期。该模型使用的前 提是信道每一传播模式( 路径) 内时延扩展足够小，与码元宽度相比可以忽略不计。因 此，w a t t e r s o n 模型采用的是一种抽头延迟线仿真结构，其使用范围也是有条件的，但是 在大多数情况下还是适用的。 1 9 8 2 年，c c i r 公布了关于短波传播的系列报告，为短波通信系统的设计提供了基 本依据。 1 9 8 6 年，c c i r 出版了关于短波传输影响因素的所谓绿皮书和关于在短波频段内的 场强预测方法。 2 第1 章绪论 1 9 8 7 年，m a s l i n 出版了一本短波系统应用的专著【引。 宽带短波信道建模的提出比较早，但是研究起步要晚于窄带短波。早在6 0 年代晚期， b e l k n a p 第一次提出了宽带短波的概念【3 1 ，并用宽带线性频率调制信道探测技术获得的数 据来自动补偿信道由电离层引起的畸变。从2 0 世纪8 0 年代后期开始，人们才对宽带短波 通信的研究产生了浓厚的兴趣。 1 9 8 3 年至1 9 8 9 年，美国海军研究实验室( n r l ) 以w a g n e f 为首的科学家做了大量的 宽带( 2 5 0 k h z 和1 m h z ) 短波传播的测试实验，试图建立宽带短波信道的模型1 4 5 1 。根据 n r l 的测试数据v o g l e r 和h o f f m e y e r 等人提出了一种宽带短波信道的初步模型 6 1 。 1 9 9 7 年，美国电信科学协会( i t s ) 组织的m a s t r a n g e l o 等人在m e e _ l 发表了一篇迄 今为止最为权威的宽带短波信道仿真器的实现方法的论文n 被称为i t s 模型，此后多年 再无重大进展。但是i t s 模型并没有像w a t t e r s o n 短波信道模型那样被1 1 u 推荐为标准模 型，因为尚有很多关键的问题没有得到很好的解决。 为了克服经验型模型的局限性，2 0 0 3 年v e c h e r m 等人提出了一种新的基于电离层。 物理模型的短波宽带信道模型，并以该模型为理论基础建立了软件信道模拟器【8 ，9 1 。 此外还有其他改进的宽带短波信道模型可以见于其他文献。 1 9 9 7 年，l v a nd e rp e r r e 等人提出了子带并行模型，用多路d s p 处理方式实现了一款 。 宽带短波信道仿真器1 1 0 l 。 1 9 9 8 年，l a c a z e 提出了一种w 甜er ：n 加高斯随机延迟的模型1 1 1 】。 2 0 0 0 年，m i l s o n 提出了一种w a t t e r s o n 后接抛物线相位响应、平坦幅度响应的群延迟 滤波器的模型【1 2 1 。 1 2 2 短波信道模拟器的研究现状 基于w a t t e r s o n 等短波信道模型，信道模拟器的研制也获得了一定发展。物理信道 模拟器的实时性要求比较高。传统的短波信道模拟器多是采用几个处理器分别对小尺度 衰落的各个频带进行仿真，硬件的复杂度很高。随着数字信号处理技术和大规模集成电 路的发展，出现了一系列基于d s p 或f p g a 的短波信道模拟器，这些信道模拟器能够 模拟短波信道的小尺度衰落特性，且输入模式可配置为基带或射频。 目前，国外对短波信道模拟器的研究已趋于成熟，这些模拟器主要针对音频信号( 带 宽为3 k h z 左右) 的衰落进行模拟，价格昂贵。具有代表性的设备有罗德与施瓦茨公司 a m u 2 0 0 a 基带信号发生器兼实时衰落模拟器，最多4 0 个路径的衰落模拟，主要是针 3 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 对城域内多个高大反射物的射频通信进行模拟，因此快衰落应该是其主要的模拟指标。 国内对信道模拟器的研究起步较晚，但也有一定成效。多是以d s p 为核心处理器来实 现窄带短波信道模拟器。如用定点d s p 芯片t m s 3 2 0 l c 5 4 9 实现的带宽为1 0 k h z 的短 波信道模拟器；基于p c i 配置的宽带短波信道仿真器掣1 3 。1 8 】。 甚高频( v h f ) 频段的信道模拟器国内尚无相关的报道，国外的成果有p r o p s i m c 8 信道模拟器( 带宽为3 5 0 m h z 一6 g h z ) 等。另外中兴、普天、海信和伊莱克特罗比特等 公司都有一些有关信道模拟器的专利报道。 1 2 3 现有信道模拟器存在的问题 早期的信道仿真器多数采用模拟器件实现，它实时性好，没有量化误差，但设备复 杂，体积庞大，操作也不灵活，参数设置困难。随着数字信号处理技术的发展，出现了 以数字处理i c ( 多数为f p g a 和d s p ) 为中心处理单元的信道物理模拟器，现有的一 些仿真器具有以下一些缺点： ( 1 ) 实时性差 多数的信道仿真器都是采用存储运算式的结构，其特点就是对采集的信号进行先存 储再运算，不能够达到实时即收即发的目的； ( 2 ) 适应频率低 适应带宽窄，多是针对基带信号的，系统的采样频率不高，而且这些基带信号多是 音频信号，带宽只在3 k h z 左右，而对宽带载波信号，无法直接进行信道仿真。而针对 中频的通用信道模拟机也仅仅停留在m h z 以下的级别，对于载频几十m h z 的宽带射频 信号无能为力； ( 3 ) 通用性差 多数专利型号都是针对其特定需要进行设计开发，虽然有的在频段和带宽上指标更 优，但是难以适应多数需要，并且成本高昂； ( 4 ) 结构落后 过去的信道模拟器没有采用软件无线电的思想，其结构往往复杂且难以调试，而采 用软件无线电则可以实现功能上的多次重新配置，真正实现了一机多用； ( 5 ) 仿真信道的参数简单 传统信道机只是考虑了短波与超短波环境中主要的多径效应和多普勒效应，但是对 于大气的周期性变化、湿地干土海洋森林等复杂地形吸收、单跳传输和多条传输区别等 4 第1 章绪论 因素略去； ( 6 ) 单用户 现有的信道模拟器都是一入一出的单用户模式，而实际的短波与超短波信道是很拥 挤的，除了噪声干扰，也存在有各用户之间的互调干扰等。 1 3 本文研究重点及章节安排 针对上述问题，软件无线电是一个很好的解决办法，配合高性能的数字芯片和数字 信号处理算法，可以有效地改善上述缺点。本文结合软件无线电的思想，提出设计并实 现一款物理短波信道模拟器。 1 3 1 研究内容的提出 虽然在实际的信道中存在有无数条路径，且每条路径的变化都是随机的，但是在信 道模拟机的设计中，要将能量集中的主要路径模拟出来。这样设计中就存在着多径径数、 时延深度、多普勒频移、衰减等参量。为了解决这些参量在硬件设备中的体现和模拟效 果，本文提出如下几点研究内容： ( 1 ) 以f p g a + d s p 为处理核心的硬件模拟平台方案设计与实现。 ( 2 ) 在硬件平台的基础上，设计以f p g a 为处理核心的软件算法，设计并对比以 d s p 为处理核心的模拟算法方案，选择一种进行具体实现。 “ ( 3 ) 针对仿真结果实时输出这一问题，提出并行流处理的硬件程序结构，设计并。 实现基于任意长度f i f o 的数字时延线以模拟时延深度，以此改变数据存储中损失的性 能和寻址中带来的算法复杂性，实现数据处理中的实时性。 ( 4 ) 提出多普勒频移真随机化方案，设计并实现以真随机数生成以驱动d d s 模拟 多普勒频移的解决办法，着手将过去放置在中频处理的多普勒频移模拟算法移至混频 端，减小硬件开销并去掉算法中的迭代运算，进一步改善实时性。 1 3 2 章节安排 本文的章节安排如下： 第2 章短波信道传输特性及数学模型。首先介绍了短波通信的信道特性和具体指 标，包括电离层的变化特性、传输与反射损耗、多径效应、多普勒频移及各种形式的噪 声，随后研究介绍了三种短波信道的数学模型。 哈尔滨1 = 程大学硕十学位论文 第3 章短波信道模拟器硬件平台的设计和实现。首先提出了短波信道模拟器整体 设计方案，给出了设计指标。分析了硬件化实现的资源要求，设计了短波信道模拟器的 硬件平台，包括中频信号的核心处理母板，高速采集与输出模块，混频与滤波模块等。 给出了各个模块单元的硬件框架与电路结构。 第4 章短波信道模拟器软件算法的设计和实现。在硬件设计的基础上，编写模拟 信道参数的软件算法程序，包括硬件底层模块的驱动程序，白噪声模块，信号时延模块， 抽头相加与衰减模块。提出了基于有限任意长f i f o 的时延线模拟算法和基于相位噪声 l s b 提取的多普勒频移实现方案。给出了各个软件模块的核心流程。 第5 章短波信道模拟器硬件实现平台的测试与性能分析。对短波信道模拟器实现 平台的模拟效果进行测试与分析，分别对单独的白噪声模拟输出、多普勒频移输出、两 径及三径短波信号传输进行模拟仿真与测试，其中三径传输的测试结果与m a t l a b 仿 真结果进行对比。随后给出了结果分析。 6 第2 章短波信道传输特性及数学模型 第2 章短波信道传输特性及数学模型 短波信道在近距离( 一般是几十公里以内) 主要依靠地波传输，地波传输环境的参 数比较稳定，随时问变化不大，在中远距离传输时必须依靠电离层发射进行天波传输， 但是天波的参数比较复杂。本章将首先介绍短波天波通信的各种影响因素和具体指标， 随后介绍短波信道的数学模型，最后讨论w a t t e r s o n 模型的硬件实现化设计。 2 1 短波通信信道特性 短波的地波传输在行进过程中受地表面电导率s 和介电常数e 影响而产生衰减，一 般e 和s 越大，损耗越小，因此在海上的传输距离比陆地的远。天波传输需经过一次或 多次反射进行传播，一次跳跃的距离最远可达4 0 0 0 k m ，多跳可传输上万米甚至环球传播。 不同频率的短波段电波传输的路径有所不同，频率高会有部分能量穿透电离层，频率低 又会造成传输损耗过大。总的来说，短波天波信道是一种在时域、频域、空域上都有变 化的色散信道，这种信道的特点使得短波通信具有频带窄、容量小、速率低、相互干扰 严重等特点。 2 1 1 电离层特性 巳i 是，5 ，乡广j t i j l ! 地哦j5 0 k m i1 0 0 0 k m 一f 岛 复【i ： 单跳 多跳 低波 m 模式 n 模式 非常渡 牧0 机 图2 1 电离层分布情况与短波几种可能出现的传播途径 电离层分布和电离层反射模式如图2 1 所示。由低到高可分为d 层、e 层、f 层。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 其中f 层为短波通信的主要反射层。各层的高度和状态( 主要是电子浓度) 随昼夜( 电 离层的昼夜变化见图2 2 ) 、季节、太阳黑子的周期以及太阳和地磁活动而变化，同时也 与所处的地理位置和地磁情况有关。 n c m 1 ( a ) 白天( b ) 夜间 图2 2 电离层昼夜变化图 实际通信中，能被电离层反射回地面的电波的最高频率称为m u f 。若是选用的工 作频率超过m u f ，则电波传出电离层射入太空。远距离通信中，电波都是斜射至电离 层的，令此时最大的反射频率为厶，则在已知通信距离长度和反射点高度的情况下， 可以从下式求得厶： 厶ls e t u p l ( 2 1 ) 式中：f ，是电波垂直投射时的最高反射频率，也称为临界频率；伊是电波斜射至电离层 的入射角；d 是通信距离的长度；h 是电波反射点处电离层的高度。 在一定通信距离下，可以得到一组f ，一h 曲线，见图2 3 ( a ) 的实线部分。然后在 给定的通信路径上测量，可以得到该线路的频高图，即实测的f ，。h 曲线( 见图2 3 的 虚线线部分) 。从图中可以看出，这两条曲线有许多交点，所有这些交点表示了在给定 的斜射频率上，可能存在的传播路径。例如厶为1 4 m h z ，对f 2 层来讲，可能存在着两 条传播路径，它们的反射点在图2 3 上分别标为1 和1 。反射点1 的高度为3 8 0 k i n ，而 另一点1 的高度为6 8 0 k i n 。通过反射点1 反射而到达接收端的信号要比反射点1 7 反射来 的信号强，这是因为这两条路径所受到的衰减不同。反射点1 7 所通过的路径，除了由于 通过d 、e 、f l 层而遭到衰减外，和反射点1 的路径相比，在f 2 层内传播更长的距离， 因而多了一定的附加衰减。同样地，若斜射频率改为1 8 m h z ，仍然存在两个反射点和 两条传播路径，反射高度分别为3 4 0 k m 和4 6 0 k m 。和这个斜射频率相应的f ，一h 曲线， 和频高图中e 、f 1 层曲线不存在交点，这表明l 。= 1 8 m h z 时，电波已不可能利用f l 层 和e 层反射，而只是穿过它们，由f 2 层反射。同样的，2 点反射的信号较2 点反射的信 8 第2 章短波信道传输特性及数学模型 号在接收端处强一些，但由于两者的反射高度相差不大，所以其场强的差别将小于 厶- 1 4 m h z 时的情况。 - _ 量一 - 7 汝 彤形多 。 磁殇铬 彭 n 口4 1 2 l z 口 2 4 l ( m m ) i - 在给定的频事上可能存在的传播路径 ( b ) m u f 随时间变化曲线及建设日、夜叛事 图2 3m u f 和可能存在的传播路径关系与其随时间变化曲线及建议日、夜频率 当继续升高斜射频率时，如当厶；2 0 m h z ，只存在f 2 层的一个反射点3 ，反射高 度h = 3 7 0 k i n 。也就是说此时该短波信号只有一条传播路径，如果继续升高斜射频率， 曲线族将和实测频高线不再存在交点，说明电波穿出f 2 层，不再返回地面。由此可见，分。 反射点3 是斜射电波能否返回地面接收站的临界点。 基于以上讨论可知： ( 1 ) m u f 是指给定通信距离下的最高可用频率。若通信距离改变了，计算所得的 曲线族和实测的频高图都将发生变化，从而使临界点的的位置发生变化，对应的m u f 值也将改变。 e ( 2 ) 当通信线路选用m u f 作为工作频率时，由于只有一条传播路径，所以在一般 情况下有可能获得最佳接收。 ( 3 ) 考虑到为获得长期而稳定的接收，在确定线路的m u f 时，不是取其预报的 m u f 值，而是取低于m u f 的f o t 频率，f o t 称为最佳工作频率，一般而言 f o t 一0 8 5 m u f ，选用f o t 之后，能保证线路有9 0 的可铜铝，但是相应的接收点场 强也损失了1 0 2 0 d b ，付出了一定的代价。图2 3 ( b ) 给出了m u f 随时间的变化曲线， 一般而言不用频繁的更换通信频率，图2 3 ( b ) 中也给出了建议使用的日、夜频率，日 频为9 m h z ，夜频可以选择4 5 m h z 。 讨论m u f 对短波通信而言具有重要的意义，m u f 对分析多径传输路径、时延及传 输损耗等因素具有指导性的作用。当然m u f 也会随电离层的随机变化而变化，但是电 离层的变化仍具有一定的统计规律。现将各层的物理特性进行总结，具体见表2 1 。 9 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 表2 1 电离层各层情况 层号距地距离出现时间反射与吸收情况 电子密度低，不足以反射短波，短 6 0 k i n 9 0 k m ，最 日出 波穿过d 层将受到严重的衰减，即d d大电子浓度在8 0 k m 至日落 层为吸收层，d 层决定了短波传输的 处距离。最近研究表明，在白天d 层 有可能发射2 m h z 5 m h z 的短波。 能反射较低频率，偶发e 层( 即 9 0 k m 1 3 0 k m ，最 日出 e s 层) 能发射较高频率的短波甚至 e大浓度在1 1 0 k i n 处 至日落 是频率更高的无线电波。因其的存在 且基本不变具有一定的不确定性，因此利用e s 层工作的短波通信存在中断的风险。 f 层是短波通信中最为依赖的大气电离层，其在白天分裂为f l 和f 2 层， 晚上又合并到一起 1 7 0 k m - 2 2 0 k m ， f 1随季节和一天中的夏季白天主要的反射层 f 时间不同而改变 2 2 5 k m - 4 5 0 k m ， 主要的反射层，由于夜间比白天 在冬季的白天高度 f 2昼夜存在电子密度低一个数量级，夜间反射的 最低而在夏季的白 天最高 频率也比白天低 2 1 2 短波传输中的多径传播 由上一节的介绍可知，电离层的电子浓度分布在不同的距地高度和不同的时间内有 所差别，加之地面对短波的反射作用，发射源的电波信号经过不同的传播路径到达接收 端，形成短波信号的多径传播，其对信号造成的影响称之为多径效应。多径效应是引起 信号失真的重要原因，同时也是短波信道的核心特征之一。 2 1 2 1 多径的传播路径与时延 如图2 1 所示，短波信号在多径传输时通常包括的基本传输路径有六种模式，分别 是单跳与多跳组合、多跳与多跳组合、寻常波( 反射波) 与非常波( 散射波) 组合、高 波与低波组合、m 模式、n 模式。在实际的传输过程中还有这六种模式的组合。 1 0 第2 章短波信道传输特性及数学模型 电 层电崖 接收发射接收 ( a ) 租多径效应( b ) 细多径效应 图2 4 两种多径效应 多径效应是指信号在各径传输时以不同的时间延迟到达远方的接收端的现象。这些 信号因时延不同而使得相位互不一致，并且在传输途径中的衰减损耗也各不相同。多径 传输中的最大时延差称之为多径时延。 虽然在发射端发射的电波只有一径，但是经过多跳后，接收端收到了不同路径到来 信号的组合，这种效应称之为“粗多径效应 ，如图2 4 ( a ) 所示。由于电离层的的不 匀性对于信号来说呈现为多个散射体，单束电波射入时经过多次散射而出现了多个反射 波，这时在接收端收到多个来自同一发射源电波的现象称为“细多径效应 。如图2 4 ( b ) 所示。在短波电离反射信道上，多径路数和多径时延差有一定的统计特征，见表2 2 。 表2 2 多径效应特性 2 4 条路径占8 5 ；3 条最多；2 、4 条次之；5 条以上由于能 多径路数 量很小可以忽略 多径时延随着工作偏离m u f ( 最高可用频率) 的增大而增大 多径时延随时间变化，在黎明时变化最大 多径 多径时延和通信距离有关，2 0 0 - 3 0 0 k i n 时延最严重，最大可达 8 m s ，在2 0 0 0 8 0 0 0 k i n 范围内时延变小，距离进一步增加时时延又 时延差 变大 一般来说小于等于5 m s 占9 9 5 ，等于或大于2 4 m s 占5 0 ， 超过5 m s 的仅占0 5 ，见图2 5 ( a ) 多径时延与m u f 关系密切，频率越高，电波越易穿透电离层，所以当工作频率接 近m u f 时，可能出现的传播路径就会变少，各径的传输时延差也会变少。同样的由于 通信距离与m u f 的关系，则多径时延与通信距离也密切关联，其具体变化曲线见图2 5 ( b ) 。另外，因为黎明时刻大气变化剧烈，m u f 急剧变化，使得此时的多径时延变化 达到全天的最大值。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 、 、 、 、 、 稠重僵酮白骨瓤( )通信距离( k i n ) ( i ) 多径传播时延差的统计分布 ( ”多径时延和通信距离的关系曲线 图2 5 多径传播时延差的统计分布及多径时延和通信距离的关系曲线 2 1 2 2 多径衰落 粗多径效应和细多径效应均会在接收端形成干涉区，造成多径干涉，形成干涉衰落， 也称为多径衰落。由于各路径分量无法保持固定的相位差，合成信号幅度发生随机起伏。 多径衰落属于快衰落，是衰落中最主要的因素。 多径衰落具有以下特征： ( 1 ) 在电离层的平静时期，信号的快衰落主要就是多径衰落。长期观察表明，遭 受快衰落的电波，其电场强度振幅服从瑞利分布。在瑞利分布条件下，达到或超过某给 定电场强度值的时间百分数丁可由下式计算： t ；1 0 m 嘲( e 峨) 2 ( 2 2 ) 式中：e 为给定的电场强度值，e 为电场强度的中值。 如图2 6 所示，电场强度达到或超过中值e m 的时间为整个观察时间的5 0 ，该图曲 线在短波线路设计中十分有用，可以用它来计算为提高线路可通率增加的额外功率。例 如已经得出5 0 可通率需要的发射功率为1 0 0 w ，现要求9 0 的可通率( 即要求保证在 9 0 的时间内能保持原有的通信质量) ，从图2 8 中曲线可以查得电场强度e 将跌落至中 值乜的0 3 9 倍，接收功率跌至中值的0 3 9 2 一o 1 5 倍，所以要保持原有的通信质量，发 射功率应该增加到原来的1 + 0 1 5 6 6 倍，即弓一6 6 0 w 。称增加的功率倍数为功率裕量， 也称对快衰落的防护度，也即为了保证9 0 的可通率，留有的功率裕量为： p 1 0 l g 二三笠堑= 1 0 1 9 6 6 。8 2 d b ( 2 3 ) 。 若要求可通率达到9 9 3 ，则对应的功率裕量达到2 0 d b ，即功率增加1 0 0 倍，达到 1 0 0 0 0 w 。可知由于多径衰落的巨大影响，短波的可通率受到一定限制，且单纯增加功 1 2 第2 章短波信道传输特性及数学模犁 率的做法极不经济，应该广泛采用分集接收技术来对抗多径效应。 ( 2 ) 多径衰落具有明显的频率选择性。即对某单频信号或一个窄带信号将产生影 响，在一个受调制的宽带信号内，其某些频率分量也将产生信号失真，甚至是严重的衰 落。同时实践也证明，两个频移差值大于4 0 0 h z 后，它们的衰落特性的相关性就很小了。 通常把两个不同频率的信号，衰落特性不再相关的最小频率间隔称为相干带宽，也可认 为是两个相邻场强均为最大值( 即两信道保持强相关) 时的最大频率间隔。相干带宽是 信道频率选择性的测度。相干带宽与信号带宽之比越小，信道的频率选择性越强；反之， 相干带宽与信号带宽之比越大，信道的频率选择性越弱。相干带宽可写成，其与最 大时延差k 。的关系为： 吃一；亡 q 4 ， 、 、 m 。l i 1 ， 图2 6 瑞利衰落下接收端电场强度额概率分布曲线 ( 3 ) 根据大量的测量值表明，多径衰落的速率大约为1 0 次分2 0 次分，衰落深 度可达4 0 d b ，偶尔可达到8 0 d b 。衰落持续时间通常在4m s 一2 0 m s ，它和吸收衰落有明 显的差别。持续时间的长短可以用来判别是吸收衰落还是多径衰落。 2 1 3 短波传输中的衰落 在短波通信中，接收端信号电平总是呈现出忽大忽小的随机变化，这种现象称为“衰 落。产生衰落的原因有三种：多径效应、吸收变化、极化变化。2 1 2 2 节已经详细介 绍了多径衰落，后两者主要是慢衰落。 慢衰落主要由d 层衰减特性的慢变化引起的，其信号幅度的变化比较缓慢，并且对 短波整个波段的影响程度是相同的。克服慢衰落，除了正确的调换发射频率外，只能靠 加大发射功率来补偿电离层的吸收。在太阳耀斑突然造成电离层突然骚动时，其造成的 信号中断也可以归为吸收衰落。 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 极化衰落由电离层反射引起的极化方向改变导致，发射到电离层的线性极化波，经 电离层反射后，由于地磁场的作用，到达接收点就成了椭圆极化波。椭