王立夫 孙凤娟

（1.中国电波传播研究所，山东 青岛266107；2.湖北省武汉市珞瑜路312号，湖北 武汉430079）

引 言

短波通信通过电离层反射实现远距离通信，它具有其它通信方式不可替代的独特性，如抗摧毁能力强、灵活性高、设备简单及造价低廉等。但是，短波通信也有其固有的缺点：短波信道存在多径传播、多普勒频移和衰落等特征，使其通信质量低、误码率高。高频自适应技术则是针对短波信道的缺陷而发展起来的频率自适应技术［1－2］，其关键是通过电离层实时诊断，实时测量信道参数，并利用得到的参数来定量描述信道的状态和对传输各通信业务的能力。

目前，常用的电离层诊断技术包括垂直探测、返回散射探测和斜向探测等［3］。其中，垂直探测是将无线电波垂直向上发射，电波信号经电离层反射后返回发射地点而被其接收系统所接收的探测手段。它仅能获取探测点上空的电离层信息，即使在电离层平稳的情况下，垂测站上空的电离层状态信息也仅能扩展到一个相关半径之内。显而易见，垂直探测具有明显的区域局限性。返回散射探测是将无线电波斜投射到电离层，电波被反射到远方的地海面，由于地海面的起伏不平及其电特性的不均匀性，使信号向四面八方散射，其中有一部分电波将沿着原来的路径返回到发射点，被那里的接收机接收。它具有探测距离远、覆盖范围广的优点，但由于其包含了地海面的反射特性，接收信号特性复杂，信道参量获取难度大。由于返回散射探测技术应用于短波通信选频实现复杂，相关关键技术需要进一步攻关和优化。斜向探测时，无线电波以某一入射角进入电离层之后，经电离层的折射和反射，到达位于地面某一距离上的接收站。到达接收站的电波携带有电波经历路径上电离层的变化信息。由于斜向探测系统与短波通信系统所采用的传播路径完全相同，电离层对短波通信信号的影响完全可以利用斜向探测信号进行研究。由此可见，为短波通信链路选择最佳工作频点时，采用斜向探测方式进行电离层实时诊断最合适。因此，研究斜向探测体制下信道特征参量的提取方法以及各信道参量对通信误码率的影响对提升短波通信质量具有十分重要的指导意义。

通常表征短波信道性能的参数一般有信号能量、噪声功率、多径扩展、多普勒频移、多普勒展宽、衰落率、衰落深度等［4－8］。这些参数都从不同的侧面描述了信道的特征。为了便于研究短波各信道参量对短波通信质量的影响，中国电波传播研究所第四研究部在新乡和青岛搭建起试验平台，原理框图见图1。

图1 联合试验平台原理框图

该平台融斜测和通信于一体，其最大的优势在于斜测和通信都采用同一套硬件设备，不存在探测与通信之间设备不匹配的问题，再者信道探测和通信同时进行，也不存在探测与通信时间上的差异，这两个方面的优势保证了分析信道特征参量对短波通信质量影响的可信度。

依据上述试验平台录取数据进行了信道特征参量及通信误码率的统计计算，分析了各特征参量对误码率的影响，并总结出一些有指导意义的结论。

1 试验基本情况

本次电离层斜向探测与短波通信误码率同步测量试验开展于2010年1月到6月之间，每月进行一次试验，每次试验时间为5～10天，每天基本上涵盖日出、日落、白天、夜晚四个时段。

试验采用扫频工作方式，扫频范围6～25 MHz，步进1MHz，每个频点驻留2 048个信号重复周期，以便获取信道散射函数及通信误码率。每个扫频周期开始之前，先进行一次电离层常规探测，获取该时段的斜向探测扫频电离图，辅助辨识电离层传播模式，获取信道特征信息。

2 数据筛选及信息提取方法

2.1 数据筛选方法

此次试验的目的是分析短波信道特征参数对通信误码率的影响。为了避免干扰信号对统计结果产生影响，进行数据筛选时避开了强干扰数据源。依据接收信号时域、频域特征将强干扰频点的数据进行了剔除。

因为接收信噪比低是引起误码的重要因素。为了注重分析其余信道参量对误码的影响，主要选取了信噪比大于10dB的数据进行分析。

2.2 信息提取方法

该试验需要提取的信息包括两部分：信道特征信息和通信误码率信息。其中，通信误码率信息是通过对接收到的通信信号进行译码计算得到，而信道特征信息则是通过对斜向定频探测数据进行分析计算获得。

通信误码率信息包括每个码序列上的误码数及连续2 048个码序列的累积误码率。至于信道特征信息的提取，综合考察各个参数的影响，提取了信噪比、衰落深度、衰落率、多径散布、各模式信号幅度、群距离、主模式相位、多普勒频移及多普勒扩展等参量，具体定义及提取方法为：

1）信噪比

信号能量与噪声功率的比值。计算时首先利用没有信号到达的噪声子样计算噪声功率，然后利用该噪声功率作为门限对接收的每个信号子样进行判决，仅利用大于门限的子样进行信号能量计算。

2）衰落深度和衰落率

接收信号幅度累积分布曲线上90%与10%两点之间所对应的信号幅度之差为衰落深度；衰落率则定义为单个小m序列周期内以正斜率越过中值电平的次数。

3）多径扩展

定义模式识别后，第一个传播模式3dB上升沿与最后一个传播模式3dB下降沿之间的时延差为多径扩展，当只存在一种传播模式时，多径扩展等于该模式的时延扩展，用3dB宽度表征。

4）各模式信号幅度、群距离

模式识别后，选取每个模式幅度最大点对应的群距离和幅度值作为该模式的群距离和幅度。

5）主模式相位、多普勒频移和多普勒扩展

定义第一个能够识别的传播模式为主传播模式，其幅度最大点对应的相位为主模式瞬时相位；当接收信噪比较大时，该值表征电离层相位扰动引起的主模式相位的变化量；将相干积累时间内多个主模式相位进行周期延拓，然后用直线去拟合，得到的直线斜率便为主模式的多普勒频移，而拟合后剩余的残差项表征多普勒扩展。

3 试验数据分析

以2010年5月7日下午16点探测数据为例，分析2.2小节所提各信道参量对通信误码率的影响。该组数据发射信号参数设置为：小m码序列长度255；码元宽度100μs；每个频点连续发射2 048个码序列。

通过对该组数据20个频点上的通信信号进行分析，剔除强干扰频点及接收信噪比低于10dB的频点后，剩余11个频点数据可供分析。对照相邻的斜向探测扫频电离图［9］（如图2所示）可以发现：该时段内电离层存在较强的Es层，除前3个频点存在其余传播模式外，其余8个频点均为单Es模式。

下面将分单模式和多模式两种情况进行信道参量与通信误码率的比对分析研究。

3.1 单模数据

图3给出了9 708kHz上各个m序列接收信噪比与误码数的对照关系图。图中，蓝色曲线表征误码数随m序列积累次数的变化关系，绿色表征接收信噪比随积累次数的变化规律。对照两曲线发现，该时段内接收信噪比相对较高，均在12 dB以上，且每个m序列上的误码数与接收信噪比并无明显的依赖关系。

各个m序列上接收信号衰落深度、衰落率与误码数的对照关系如图4、图5所示。

图4显示，该时段内较高的误码均发生在衰落深度相对较大的位置（高于5.5dB）处，这表明衰落深度的变化会对通信误码率产生影响。而观测图5却发现，该时段内各个m序列上接收信号的衰落率波动不大，基本位于300附近，并未显示衰落率与通信误码数有明显的关联关系。

图6则给出了时域提取的多径扩展与误码数的对照关系。由于该频点只有一种传播模式—Es模式，此处多径扩展实为Es模式的时延扩展。观察图6不难发现：该处的多径扩展对误码几乎没有影响。

由于调相信号对电离层相位起伏的变化比较敏感。那么该频点上高的误码是否为主模式信号相位波动引起的呢？图7给出了Es模式瞬时相位与误码数的对照关系。图中，红色直线表征译码判决门限，下直线指－π／2，上直线指π／2.仔细观察后发现，该时段内相对较高的误码主要发生在译码判决门限附近，由此推断该时段内误码与主模式信号相位起伏有关。为了验证这个推断的准确性，采用主模式相位对信号进行补偿后再译码的方式，观测每个m序列上误码数及累积误码率的变化情况。图8为相位补偿前后误码数相对积累次数的变化趋势。由图可以看出经过相位补偿后，m序列上的大部分误码数明显降低。

统计得出：相位补偿后累积误码率由原来的8.778%降至2.618 2%，降低了6.169 8个百分点，这充分说明该时段内有很大一部分误码是由主模式瞬时相位的变化引起，而主模式瞬时相位的这种变化趋势可用多普勒频移和多普勒扩展来表征。通过相位延拓计算得到，此时Es模式的多普勒频移和多普勒扩展分别为0.056Hz和2.896 8Hz.

进一步对照图8中相位补偿后误码数的变化曲线与图3、图4、图5、图6中接收信噪比、衰落深度、衰落率及多径散布的变化曲线证实：衰落率和细微多径扩展对通信误码的影响很小；当接收信噪比位于15dB附近时，衰落深度过大会引起较高的误码。

此外，通过分析通信信号发现整个积累周期内均存在时域冲击干扰（图9所示），误码数曲线中底部较小的误码大多是由该干扰引起的。

综上所述，引起该积累周期内误码的主要因素为电离层相位扰动、衰落深度以及时域冲击干扰，与衰落率、多径散布关系不大。

既然已知主模式瞬时相位的变化即电离层引起的相位扰动可能会引起误码的发生，因此，对其余数据进行分析时首先判断主模式相位对误码的影响，然后分析相位补偿后剩余误码与其余信道参量的关系。图10给出了16 708kHz相位补偿后，误码数与接收信噪比、衰落深度、衰落率及细微多径扩展的对照关系。对照图中各信道参量与误码数的关系，发现前1 000个m序列中发生的误码主要是由接收信噪比相对较低而衰落深度又较大引起的，而其后的误码与该处的4个信道参量的关系并不密切，初步推断为外部干扰所致。

通过对大量单模数据分析，得出以下结论：

1）对于只存在一种传播模式的频点，如果没有干扰存在的话，引起误码的主要因素可能为电离层相位扰动和接收信噪比相对较低且衰落深度过大；

2）对于只存在一种传播模式的频点，当传输的码元宽度大于该模式的时延扩展时，细微多径散布对误码没有太大的影响；

3）对于只存在一种传播模式的频点，衰落率与误码数的关系不大。

3.2 多模数据

多模数据的分析，仍采用前面分析单模数据的方法，即首先分析主模式相位变化对误码的影响，然后分析其余信道参量与误码的对应关系。唯一不同的是，这里的信道参量除了前面提到的接收信噪比、衰落深度、衰落率、多径散布外，还重点分析了主模式幅度与其余各模式幅度和之差（主副模式比）与误码数的变化关系。

通过对2010年1月至6月连续多次试验实录多模数据的分析，初步得到以下结论：

1）通常情况下，只要积累周期内主模式信号瞬时相位接近或跨越判决门限则必定会引起一定程度的误码，这种跨越或接近的程度可用主模式信号多普勒频移和多普勒扩展进行表征。

2）没有外部干扰的情况下，当主模式信号完全占优，绝对超出其余各个传播模式和信号时，多径效应对误码的影响不大，此时引起误码的主要因素是主模式信号能量及相位，图11、图12便很好的证明了这一点。

3）没有外部干扰的情况下，当存在多个传播模式且这些传播模式幅度相当时，误码通常会很高，且有主副模式比越小误码越高的趋势。

3.3 累积误码率与信道特征参数的关系

前面2小节详细分析了从单个m序列中提取的瞬时信道参量与通信误码数的关系，并得出了一些有意义的结论。此处从累积的角度分析整个积累周期内各信道参量的均值或积累值与通信误码率的关系。该处信道参量主要为传播模式数、频域提取多径散布以及主模式多普勒频移和多普勒扩展。表1给出了各个频点上这些参量及积累误码率、相位引起误码率的对照关系。

观察表1发现：当存在多个传播模式且平均接收信噪比相对较大时，并非多径扩展越大引起的误码越大，还与主模式是否绝对占优有关，当主模式绝对占优时误码相对较小，反之则误码较大；对于单一的传播模式，除去电离层相位扰动引起的误码外，基本上存在接收信噪比越大误码越少的规律。

表1 各频点累积误码率与信道特征参量对照表

4 结 论

通过对联合平台实测数据统计分析，得出以下结论：

1）无外部干扰的情况下，当接收信噪比很低时，误码主要由接收信噪比低引起；

2）无外部干扰的情况下，对于单一传播模式，即使信噪比达到一定量值，也会由于衰落深度过大而引起误码。

3）无外部干扰的情况下，当接收信噪比达到一定量值且衰落深度不太大时，引起误码的主要因素为电离层相位扰动和多径效应，单一传播模式下细微多径扩展对误码的影响不大。

4）当多径效应引起误码时，多径扩展并非其直接反应量值，即并非多径扩展越大误码率越高，而与主模式是否绝对占优有关。

此次试验数据的分析虽然给出各信道参量对通信误码率影响程度的定性描述，得出了有意义的结论，可怎样将这个结论应用于实际通信系统，仍需要深入的研究。以后我们将进一步积累试验数据，以期创建描述各信道参数影响误码率的经验模型，能够依据实测信道参数定量评估任意电离层状态下短波通信质量的好坏。

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