短波信道特征參數(shù)對(duì)通信誤碼率影響的試驗(yàn)分析

王立夫 孫鳳娟

（1.中國電波傳播研究所，山東 青島266107；2.湖北省武漢市珞瑜路312號(hào)，湖北 武漢430079）

引 言

短波通信通過電離層反射實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，它具有其它通信方式不可替代的獨(dú)特性，如抗摧毀能力強(qiáng)、靈活性高、設(shè)備簡(jiǎn)單及造價(jià)低廉等。但是，短波通信也有其固有的缺點(diǎn)：短波信道存在多徑傳播、多普勒頻移和衰落等特征，使其通信質(zhì)量低、誤碼率高。高頻自適應(yīng)技術(shù)則是針對(duì)短波信道的缺陷而發(fā)展起來的頻率自適應(yīng)技術(shù)［1－2］，其關(guān)鍵是通過電離層實(shí)時(shí)診斷，實(shí)時(shí)測(cè)量信道參數(shù)，并利用得到的參數(shù)來定量描述信道的狀態(tài)和對(duì)傳輸各通信業(yè)務(wù)的能力。

目前，常用的電離層診斷技術(shù)包括垂直探測(cè)、返回散射探測(cè)和斜向探測(cè)等［3］。其中，垂直探測(cè)是將無線電波垂直向上發(fā)射，電波信號(hào)經(jīng)電離層反射后返回發(fā)射地點(diǎn)而被其接收系統(tǒng)所接收的探測(cè)手段。它僅能獲取探測(cè)點(diǎn)上空的電離層信息，即使在電離層平穩(wěn)的情況下，垂測(cè)站上空的電離層狀態(tài)信息也僅能擴(kuò)展到一個(gè)相關(guān)半徑之內(nèi)。顯而易見，垂直探測(cè)具有明顯的區(qū)域局限性。返回散射探測(cè)是將無線電波斜投射到電離層，電波被反射到遠(yuǎn)方的地海面，由于地海面的起伏不平及其電特性的不均勻性，使信號(hào)向四面八方散射，其中有一部分電波將沿著原來的路徑返回到發(fā)射點(diǎn)，被那里的接收機(jī)接收。它具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，但由于其包含了地海面的反射特性，接收信號(hào)特性復(fù)雜，信道參量獲取難度大。由于返回散射探測(cè)技術(shù)應(yīng)用于短波通信選頻實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)需要進(jìn)一步攻關(guān)和優(yōu)化。斜向探測(cè)時(shí)，無線電波以某一入射角進(jìn)入電離層之后，經(jīng)電離層的折射和反射，到達(dá)位于地面某一距離上的接收站。到達(dá)接收站的電波攜帶有電波經(jīng)歷路徑上電離層的變化信息。由于斜向探測(cè)系統(tǒng)與短波通信系統(tǒng)所采用的傳播路徑完全相同，電離層對(duì)短波通信信號(hào)的影響完全可以利用斜向探測(cè)信號(hào)進(jìn)行研究。由此可見，為短波通信鏈路選擇最佳工作頻點(diǎn)時(shí)，采用斜向探測(cè)方式進(jìn)行電離層實(shí)時(shí)診斷最合適。因此，研究斜向探測(cè)體制下信道特征參量的提取方法以及各信道參量對(duì)通信誤碼率的影響對(duì)提升短波通信質(zhì)量具有十分重要的指導(dǎo)意義。

通常表征短波信道性能的參數(shù)一般有信號(hào)能量、噪聲功率、多徑擴(kuò)展、多普勒頻移、多普勒展寬、衰落率、衰落深度等［4－8］。這些參數(shù)都從不同的側(cè)面描述了信道的特征。為了便于研究短波各信道參量對(duì)短波通信質(zhì)量的影響，中國電波傳播研究所第四研究部在新鄉(xiāng)和青島搭建起試驗(yàn)平臺(tái)，原理框圖見圖1。

圖1 聯(lián)合試驗(yàn)平臺(tái)原理框圖

該平臺(tái)融斜測(cè)和通信于一體，其最大的優(yōu)勢(shì)在于斜測(cè)和通信都采用同一套硬件設(shè)備，不存在探測(cè)與通信之間設(shè)備不匹配的問題，再者信道探測(cè)和通信同時(shí)進(jìn)行，也不存在探測(cè)與通信時(shí)間上的差異，這兩個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)保證了分析信道特征參量對(duì)短波通信質(zhì)量影響的可信度。

依據(jù)上述試驗(yàn)平臺(tái)錄取數(shù)據(jù)進(jìn)行了信道特征參量及通信誤碼率的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，分析了各特征參量對(duì)誤碼率的影響，并總結(jié)出一些有指導(dǎo)意義的結(jié)論。

1 試驗(yàn)基本情況

本次電離層斜向探測(cè)與短波通信誤碼率同步測(cè)量試驗(yàn)開展于2010年1月到6月之間，每月進(jìn)行一次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)時(shí)間為5～10天，每天基本上涵蓋日出、日落、白天、夜晚四個(gè)時(shí)段。

試驗(yàn)采用掃頻工作方式，掃頻范圍6～25 MHz，步進(jìn)1MHz，每個(gè)頻點(diǎn)駐留2 048個(gè)信號(hào)重復(fù)周期，以便獲取信道散射函數(shù)及通信誤碼率。每個(gè)掃頻周期開始之前，先進(jìn)行一次電離層常規(guī)探測(cè)，獲取該時(shí)段的斜向探測(cè)掃頻電離圖，輔助辨識(shí)電離層傳播模式，獲取信道特征信息。

2 數(shù)據(jù)篩選及信息提取方法

2.1 數(shù)據(jù)篩選方法

此次試驗(yàn)的目的是分析短波信道特征參數(shù)對(duì)通信誤碼率的影響。為了避免干擾信號(hào)對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果產(chǎn)生影響，進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選時(shí)避開了強(qiáng)干擾數(shù)據(jù)源。依據(jù)接收信號(hào)時(shí)域、頻域特征將強(qiáng)干擾頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了剔除。

因?yàn)榻邮招旁氡鹊褪且鹫`碼的重要因素。為了注重分析其余信道參量對(duì)誤碼的影響，主要選取了信噪比大于10dB的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.2 信息提取方法

該試驗(yàn)需要提取的信息包括兩部分：信道特征信息和通信誤碼率信息。其中，通信誤碼率信息是通過對(duì)接收到的通信信號(hào)進(jìn)行譯碼計(jì)算得到，而信道特征信息則是通過對(duì)斜向定頻探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算獲得。

通信誤碼率信息包括每個(gè)碼序列上的誤碼數(shù)及連續(xù)2 048個(gè)碼序列的累積誤碼率。至于信道特征信息的提取，綜合考察各個(gè)參數(shù)的影響，提取了信噪比、衰落深度、衰落率、多徑散布、各模式信號(hào)幅度、群距離、主模式相位、多普勒頻移及多普勒擴(kuò)展等參量，具體定義及提取方法為：

1）信噪比

信號(hào)能量與噪聲功率的比值。計(jì)算時(shí)首先利用沒有信號(hào)到達(dá)的噪聲子樣計(jì)算噪聲功率，然后利用該噪聲功率作為門限對(duì)接收的每個(gè)信號(hào)子樣進(jìn)行判決，僅利用大于門限的子樣進(jìn)行信號(hào)能量計(jì)算。

2）衰落深度和衰落率

接收信號(hào)幅度累積分布曲線上90%與10%兩點(diǎn)之間所對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅度之差為衰落深度；衰落率則定義為單個(gè)小m序列周期內(nèi)以正斜率越過中值電平的次數(shù)。

3）多徑擴(kuò)展

定義模式識(shí)別后，第一個(gè)傳播模式3dB上升沿與最后一個(gè)傳播模式3dB下降沿之間的時(shí)延差為多徑擴(kuò)展，當(dāng)只存在一種傳播模式時(shí)，多徑擴(kuò)展等于該模式的時(shí)延擴(kuò)展，用3dB寬度表征。

4）各模式信號(hào)幅度、群距離

模式識(shí)別后，選取每個(gè)模式幅度最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的群距離和幅度值作為該模式的群距離和幅度。

5）主模式相位、多普勒頻移和多普勒擴(kuò)展

定義第一個(gè)能夠識(shí)別的傳播模式為主傳播模式，其幅度最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相位為主模式瞬時(shí)相位；當(dāng)接收信噪比較大時(shí)，該值表征電離層相位擾動(dòng)引起的主模式相位的變化量；將相干積累時(shí)間內(nèi)多個(gè)主模式相位進(jìn)行周期延拓，然后用直線去擬合，得到的直線斜率便為主模式的多普勒頻移，而擬合后剩余的殘差項(xiàng)表征多普勒擴(kuò)展。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

以2010年5月7日下午16點(diǎn)探測(cè)數(shù)據(jù)為例，分析2.2小節(jié)所提各信道參量對(duì)通信誤碼率的影響。該組數(shù)據(jù)發(fā)射信號(hào)參數(shù)設(shè)置為：小m碼序列長度255；碼元寬度100μs；每個(gè)頻點(diǎn)連續(xù)發(fā)射2 048個(gè)碼序列。

通過對(duì)該組數(shù)據(jù)20個(gè)頻點(diǎn)上的通信信號(hào)進(jìn)行分析，剔除強(qiáng)干擾頻點(diǎn)及接收信噪比低于10dB的頻點(diǎn)后，剩余11個(gè)頻點(diǎn)數(shù)據(jù)可供分析。對(duì)照相鄰的斜向探測(cè)掃頻電離圖［9］（如圖2所示）可以發(fā)現(xiàn)：該時(shí)段內(nèi)電離層存在較強(qiáng)的Es層，除前3個(gè)頻點(diǎn)存在其余傳播模式外，其余8個(gè)頻點(diǎn)均為單Es模式。

下面將分單模式和多模式兩種情況進(jìn)行信道參量與通信誤碼率的比對(duì)分析研究。

3.1 單模數(shù)據(jù)

圖3給出了9 708kHz上各個(gè)m序列接收信噪比與誤碼數(shù)的對(duì)照關(guān)系圖。圖中，藍(lán)色曲線表征誤碼數(shù)隨m序列積累次數(shù)的變化關(guān)系，綠色表征接收信噪比隨積累次數(shù)的變化規(guī)律。對(duì)照兩曲線發(fā)現(xiàn)，該時(shí)段內(nèi)接收信噪比相對(duì)較高，均在12 dB以上，且每個(gè)m序列上的誤碼數(shù)與接收信噪比并無明顯的依賴關(guān)系。

各個(gè)m序列上接收信號(hào)衰落深度、衰落率與誤碼數(shù)的對(duì)照關(guān)系如圖4、圖5所示。

圖4顯示，該時(shí)段內(nèi)較高的誤碼均發(fā)生在衰落深度相對(duì)較大的位置（高于5.5dB）處，這表明衰落深度的變化會(huì)對(duì)通信誤碼率產(chǎn)生影響。而觀測(cè)圖5卻發(fā)現(xiàn)，該時(shí)段內(nèi)各個(gè)m序列上接收信號(hào)的衰落率波動(dòng)不大，基本位于300附近，并未顯示衰落率與通信誤碼數(shù)有明顯的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

圖6則給出了時(shí)域提取的多徑擴(kuò)展與誤碼數(shù)的對(duì)照關(guān)系。由于該頻點(diǎn)只有一種傳播模式—Es模式，此處多徑擴(kuò)展實(shí)為Es模式的時(shí)延擴(kuò)展。觀察圖6不難發(fā)現(xiàn)：該處的多徑擴(kuò)展對(duì)誤碼幾乎沒有影響。

由于調(diào)相信號(hào)對(duì)電離層相位起伏的變化比較敏感。那么該頻點(diǎn)上高的誤碼是否為主模式信號(hào)相位波動(dòng)引起的呢？圖7給出了Es模式瞬時(shí)相位與誤碼數(shù)的對(duì)照關(guān)系。圖中，紅色直線表征譯碼判決門限，下直線指－π／2，上直線指π／2.仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn)，該時(shí)段內(nèi)相對(duì)較高的誤碼主要發(fā)生在譯碼判決門限附近，由此推斷該時(shí)段內(nèi)誤碼與主模式信號(hào)相位起伏有關(guān)。為了驗(yàn)證這個(gè)推斷的準(zhǔn)確性，采用主模式相位對(duì)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償后再譯碼的方式，觀測(cè)每個(gè)m序列上誤碼數(shù)及累積誤碼率的變化情況。圖8為相位補(bǔ)償前后誤碼數(shù)相對(duì)積累次數(shù)的變化趨勢(shì)。由圖可以看出經(jīng)過相位補(bǔ)償后，m序列上的大部分誤碼數(shù)明顯降低。

統(tǒng)計(jì)得出：相位補(bǔ)償后累積誤碼率由原來的8.778%降至2.618 2%，降低了6.169 8個(gè)百分點(diǎn)，這充分說明該時(shí)段內(nèi)有很大一部分誤碼是由主模式瞬時(shí)相位的變化引起，而主模式瞬時(shí)相位的這種變化趨勢(shì)可用多普勒頻移和多普勒擴(kuò)展來表征。通過相位延拓計(jì)算得到，此時(shí)Es模式的多普勒頻移和多普勒擴(kuò)展分別為0.056Hz和2.896 8Hz.

進(jìn)一步對(duì)照?qǐng)D8中相位補(bǔ)償后誤碼數(shù)的變化曲線與圖3、圖4、圖5、圖6中接收信噪比、衰落深度、衰落率及多徑散布的變化曲線證實(shí)：衰落率和細(xì)微多徑擴(kuò)展對(duì)通信誤碼的影響很小；當(dāng)接收信噪比位于15dB附近時(shí)，衰落深度過大會(huì)引起較高的誤碼。

此外，通過分析通信信號(hào)發(fā)現(xiàn)整個(gè)積累周期內(nèi)均存在時(shí)域沖擊干擾（圖9所示），誤碼數(shù)曲線中底部較小的誤碼大多是由該干擾引起的。

綜上所述，引起該積累周期內(nèi)誤碼的主要因素為電離層相位擾動(dòng)、衰落深度以及時(shí)域沖擊干擾，與衰落率、多徑散布關(guān)系不大。

既然已知主模式瞬時(shí)相位的變化即電離層引起的相位擾動(dòng)可能會(huì)引起誤碼的發(fā)生，因此，對(duì)其余數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)首先判斷主模式相位對(duì)誤碼的影響，然后分析相位補(bǔ)償后剩余誤碼與其余信道參量的關(guān)系。圖10給出了16 708kHz相位補(bǔ)償后，誤碼數(shù)與接收信噪比、衰落深度、衰落率及細(xì)微多徑擴(kuò)展的對(duì)照關(guān)系。對(duì)照?qǐng)D中各信道參量與誤碼數(shù)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)前1 000個(gè)m序列中發(fā)生的誤碼主要是由接收信噪比相對(duì)較低而衰落深度又較大引起的，而其后的誤碼與該處的4個(gè)信道參量的關(guān)系并不密切，初步推斷為外部干擾所致。

通過對(duì)大量單模數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：

1）對(duì)于只存在一種傳播模式的頻點(diǎn)，如果沒有干擾存在的話，引起誤碼的主要因素可能為電離層相位擾動(dòng)和接收信噪比相對(duì)較低且衰落深度過大；

2）對(duì)于只存在一種傳播模式的頻點(diǎn)，當(dāng)傳輸?shù)拇a元寬度大于該模式的時(shí)延擴(kuò)展時(shí)，細(xì)微多徑散布對(duì)誤碼沒有太大的影響；

3）對(duì)于只存在一種傳播模式的頻點(diǎn)，衰落率與誤碼數(shù)的關(guān)系不大。

3.2 多模數(shù)據(jù)

多模數(shù)據(jù)的分析，仍采用前面分析單模數(shù)據(jù)的方法，即首先分析主模式相位變化對(duì)誤碼的影響，然后分析其余信道參量與誤碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系。唯一不同的是，這里的信道參量除了前面提到的接收信噪比、衰落深度、衰落率、多徑散布外，還重點(diǎn)分析了主模式幅度與其余各模式幅度和之差（主副模式比）與誤碼數(shù)的變化關(guān)系。

通過對(duì)2010年1月至6月連續(xù)多次試驗(yàn)實(shí)錄多模數(shù)據(jù)的分析，初步得到以下結(jié)論：

1）通常情況下，只要積累周期內(nèi)主模式信號(hào)瞬時(shí)相位接近或跨越判決門限則必定會(huì)引起一定程度的誤碼，這種跨越或接近的程度可用主模式信號(hào)多普勒頻移和多普勒擴(kuò)展進(jìn)行表征。

2）沒有外部干擾的情況下，當(dāng)主模式信號(hào)完全占優(yōu)，絕對(duì)超出其余各個(gè)傳播模式和信號(hào)時(shí)，多徑效應(yīng)對(duì)誤碼的影響不大，此時(shí)引起誤碼的主要因素是主模式信號(hào)能量及相位，圖11、圖12便很好的證明了這一點(diǎn)。

3）沒有外部干擾的情況下，當(dāng)存在多個(gè)傳播模式且這些傳播模式幅度相當(dāng)時(shí)，誤碼通常會(huì)很高，且有主副模式比越小誤碼越高的趨勢(shì)。

3.3 累積誤碼率與信道特征參數(shù)的關(guān)系

前面2小節(jié)詳細(xì)分析了從單個(gè)m序列中提取的瞬時(shí)信道參量與通信誤碼數(shù)的關(guān)系，并得出了一些有意義的結(jié)論。此處從累積的角度分析整個(gè)積累周期內(nèi)各信道參量的均值或積累值與通信誤碼率的關(guān)系。該處信道參量主要為傳播模式數(shù)、頻域提取多徑散布以及主模式多普勒頻移和多普勒擴(kuò)展。表1給出了各個(gè)頻點(diǎn)上這些參量及積累誤碼率、相位引起誤碼率的對(duì)照關(guān)系。

觀察表1發(fā)現(xiàn)：當(dāng)存在多個(gè)傳播模式且平均接收信噪比相對(duì)較大時(shí)，并非多徑擴(kuò)展越大引起的誤碼越大，還與主模式是否絕對(duì)占優(yōu)有關(guān)，當(dāng)主模式絕對(duì)占優(yōu)時(shí)誤碼相對(duì)較小，反之則誤碼較大；對(duì)于單一的傳播模式，除去電離層相位擾動(dòng)引起的誤碼外，基本上存在接收信噪比越大誤碼越少的規(guī)律。

表1 各頻點(diǎn)累積誤碼率與信道特征參量對(duì)照表

4 結(jié) 論

通過對(duì)聯(lián)合平臺(tái)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，得出以下結(jié)論：

1）無外部干擾的情況下，當(dāng)接收信噪比很低時(shí)，誤碼主要由接收信噪比低引起；

2）無外部干擾的情況下，對(duì)于單一傳播模式，即使信噪比達(dá)到一定量值，也會(huì)由于衰落深度過大而引起誤碼。

3）無外部干擾的情況下，當(dāng)接收信噪比達(dá)到一定量值且衰落深度不太大時(shí)，引起誤碼的主要因素為電離層相位擾動(dòng)和多徑效應(yīng)，單一傳播模式下細(xì)微多徑擴(kuò)展對(duì)誤碼的影響不大。

4）當(dāng)多徑效應(yīng)引起誤碼時(shí)，多徑擴(kuò)展并非其直接反應(yīng)量值，即并非多徑擴(kuò)展越大誤碼率越高，而與主模式是否絕對(duì)占優(yōu)有關(guān)。

此次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析雖然給出各信道參量對(duì)通信誤碼率影響程度的定性描述，得出了有意義的結(jié)論，可怎樣將這個(gè)結(jié)論應(yīng)用于實(shí)際通信系統(tǒng)，仍需要深入的研究。以后我們將進(jìn)一步積累試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以期創(chuàng)建描述各信道參數(shù)影響誤碼率的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，能夠依?jù)實(shí)測(cè)信道參數(shù)定量評(píng)估任意電離層狀態(tài)下短波通信質(zhì)量的好壞。

［1］戴耀森.高頻時(shí)變信道［M］.北京：人民郵電出版社，1985.

［2］戴耀森.短波數(shù)字通信自適應(yīng)選頻技術(shù)［M］.杭州：浙江科學(xué)技術(shù)出版社，1990.

［3］周文瑜，焦培南 .超視距雷達(dá)技術(shù)［M］.電子工業(yè)出版社，2008.

［4］DAVIES N C，CANNON P S.DAMSON－a system to measure multipath dispersion，Doppler spread and Doppler shift on multi－mechanism communications channels［C／OL］.（1994－07－01）［2011－10－05］http：／／airex.tksc.jaxa.jp／pl／dr／19950014538／en.

［5］魯轉(zhuǎn)俠，凡俊梅，柳 文，等.短波信道時(shí)間選擇性衰落特性的實(shí)驗(yàn)研究［J］.中國電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2011，6（6）：597－602.LU Zhuanxia，F(xiàn)AN Junmei，LIU Wen，et al.Experimental study on time selective fading of the shortwave channel［J］.Journal of China Academy of Electronics and Information Technology，2011，6（6）：597－602.（in Chinese）

［6］凡俊梅，吳振森，焦培南，等.電離層不同傳播模式信號(hào)衰落特性的實(shí)驗(yàn)研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：理學(xué)版，2009，55（2）：244－248.FAN Junmei，WU Zhensen，JIAO Peinan，et al.Experimental study on the fading of ionospheric echoes of different propagation mode.Journal.Wuhan University：Nat Sci Ed，2009，55（2），244－248.

［7］凡俊梅，焦培南，吳振森，等.電離層不同傳播模式信號(hào)多普勒頻移的實(shí)驗(yàn)研究［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，23（1）：34－40.FAN Junmei，JIAO Peinan，WU Zhensen，et al.Experiment research on ionospheric Doppler shift for different propagation［J］.Chinese Journal of Radio Science，2008，23（1）：34－40.（in Chinese）

［8］凡俊梅，馬小村，李 雪，等.電離層不均勻體對(duì)短波信號(hào)影響的實(shí)驗(yàn)研究［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，23（3）：443－448.FAN Junmei，MA Xiaocun，LI Xue，et al.Experiment research on effect of ionospheric irregularities on HF signal［J］.Chinese Journal of Radio Science，2008，23（3）：443－448.（in Chinese）

［9］凡俊梅，魯轉(zhuǎn)俠，焦培南.電離層斜向傳播模式的智能判別［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24（3），471－475＋528.FAN Junmei，LU Zhuanxia，JIAO Peinan.The intelligentized recognition of oblique propagation modes［J］.Chinese Journal of Radio Science，2008，23（1）：471－475＋528.（in Chinese）