基于信道特性分析的短波遠距離地空通信?

劉滿堂

基于信道特性分析的短波遠距離地空通信?

劉滿堂

（中國西南電子技術研究所，成都610036）

短波天波信道（時變信道）的衰落特性是影響遠距離短波通信質量的主要因素，準確分析預測短波信道傳輸特性是通信成功的基礎。結合工程試驗分析了影響短波通信質量的諸多因素，選擇最佳的通信信道，成功實現了遠距離短波地空通信。分析預測-選擇信道頻率-靜態測試-短波通信的方法，對短波通信系統遠距離通信能力考核試驗具有參考價值。

短波通信；天波；電離層；時變信道；地空通信

現代航空通信系統中，短波鏈路通常作為衛星通信備用手段。但是，短波信道是典型的時變信道，電離層衰落的影響使短波遠距離通信質量不穩定，限制了短波通信的應用。近年來，短波通信技術重新被重視并獲得應用，其主要原因在于克服其自身缺陷的技術方面的發展［1］。為了進一步提高航空通信系統遠距離地空通信質量，本文提出基于信道特性分析的短波遠距離地空通信方法，并結合工程試飛試驗驗證了其有效性。實踐證明這種方法能夠提升短波遠距離數據和話音通信成功率，保障通信質量。

1 短波信道特點和計算模型

1.1 信道特點

短波信道依靠電離層反射實現遠距離通信鏈接，電波傳輸路徑上的電離層的狀態是短波鏈路鏈接的關鍵［2］。遠距離短波信道傳輸特點：

（1）信道傳輸函數模量Ke（ω，t ）具有時變特性；

（2）信號傳播時延具有時變特性；

（3）多經傳輸形成信號衰落、波形展寬產生碼間串擾、限制數據傳輸速率；

（4）電離層快速移動產生多普勒頻移，信號相位起伏導致數據錯誤接收。

1.2 信道計算模型

短波信道傳輸模型可以用圖1所示框圖來表示。其中，信道基本傳播損耗Lp可通過經典理論計算，外部輸入噪聲功率，可以通過儀器測量獲得，快衰落的防護度MR根據通信可靠性要求確定，最小信噪比γ0min指標也可實驗室測試獲得。

圖1中各參數滿足下列關系式：

式中，Ls代表信道損耗，Lp代表信道基本損耗，Gt代表發射增益，Gr代表接收增益。

當已知最小信噪比γ0min和P′n輸入噪聲總功率時，最小信號應該為

當通信線路接收端的信噪功率比γ0高于γ0min稱之為可靠通信。可靠性為99%，則表示一天內有1%的時間γ0＜γ0min。

1.3 信道頻率特性

短波遠距離傳輸信道，當短波電磁信號以角度θ投射時，其最高可用頻率［3］（MUF）用下式計算：

式中，α為地球半徑，h為電離層反射點至地面高度。

由于MUF是可返回地面的臨界頻率，且電離層參數隨時間變化，故MUF傳播條件很難長時間保持。實際工程中，通常選取比MUF低15%的頻率作為最佳信道頻率［3］。

現在，短波通信預測分析可以利用互聯網資源，如從網上獲取試驗日太陽黑子數和K指數等共享參數，利用W6ELprop短波通信預測軟件運算取得建議頻率，為遠距離短波通信提供技術支持。

2 遠距離短波信道特性分析

短波信道傳輸特性分析、預測是實現遠距離短波通信的基礎，通信試驗結果又以工程實踐的形式驗證理論分析的有效性。為獲取信道傳輸特性對短波通信質量的影響之分析結果在工程試飛中的應用價值，作者結合某機載短波系統遠距離地空通信試飛試驗進行了有益的探索，這次遠距離短波空地試驗參試系統包括機載短波系統和地面短波系統兩部分，其中地面短波系統布設A地，加裝機載短波系統的飛機布設在距離A地約1 200 km的B地機場，飛行試驗中，飛機在該機場空域巡航飛行。

遠距離短波空地通信試驗最重要的工作是在空中試飛試驗之前進行的，如與試飛準備同步開展的信道損耗、天線特性等分析，機載、地面短波天線端口噪聲電平及信號電平測試，信噪比預測等。以下分別介紹信道特性分析、天線損耗、信號電平預測分析等過程及結果。

2.1 遠距離短波鏈路損耗特性

2.1.1 信道基本損耗

預測遠距離短波信道傳輸基本損耗Lp，需要先計算自由空間損耗Lp0和電離層吸收損耗La，預估額外系統損耗。

白天進行試飛試驗，電磁波主要依靠F層電離層反射（he=330 km）。

地面短波系統與機載短波系統間自由空間傳播損耗（信道頻率14.5 MHz）為

Lp0=32.44+20 lgf+20 lgr=115.7 dB

2.1.2 電離層吸收損耗

電離層吸收損耗分為偏移吸收和非偏移吸收，偏移吸收指在反射區附近電波被吸收，通常可以忽略不計，非偏移吸收指電離層D、E層的吸收（D、E層只是白天存在）。

電離層吸收損耗用La表示，首先要明確電波通過電離層100 km處的緯度，然后根據此緯度點的磁旋頻率fH和改進型磁旋角x的值來求出吸收因子AT（0，0）和La。

本次遠距離短波地空通信，信道模式為1F，電波通過M、N點穿過E層，見圖3，La以M、N兩點之平均值較合適：

計算中，信道頻率f=10.5 MHz，χ=50°，磁旋頻率fH=1.38 MHz，改進型磁傾角χ=48°，吸收因子AT（0，0）為320～340。太陽黑子數取52.3，通信仰角取26°。

經計算電離層吸收損耗預估值La=9.12 dB。

2.1.3 額外系統損耗

額外系統損耗即自由空間傳播損耗、電離層吸收損耗、地面反射損耗之外的損耗，如極區吸收損耗、Es層附加損耗等，額外系統損耗用Yp表示。額外系統損耗定量計算較難，通常采用綜合估計值，即利用大量電路實測天波傳播損耗數據，減去自由空間傳播損耗、電離層吸收損耗、地面反射損耗后得到［4］。參考相關資料和工程試驗數據，額外系統損耗取值為Yp=5 dB。

將Lp0、La、Yp代入下式可以計算出所分析遠距離短波信道基本損耗：

短波通信的一跳距離最遠可以達到4 000 km，而本次地空短波試飛通信距離在1 200 km之內，只考慮一跳的方式傳播，不存在多跳地面反射損耗。

2.2 天線損耗

2.2.1 機載天線

機載天線采用機載斜拉鋼索天線，是典型的窄帶天線，阻抗隨頻率變化較大，實測某機載短波上天線Smith圓圖如圖4所示。

從圓圖上可看出，機載天線阻抗實部、虛部變化很大，需與機載天線調諧器配合使用才能實現端機與天線阻抗匹配。短波頻段波長較長，無法準確測量機載鋼索天線裝機狀態性能參數，通常只能定性考量其損耗。

2.2.2 地面天線

地面短波站天線采用HTDS-30-10-1可轉動式對數周期天線，其主要技術指標：頻率范圍6～

26 MHz，天線增益5～9 dBi，波瓣寬度35°～55°，承受功率大于等于1 kW，極化方式為線極化。

相對于機載天線，地面天線不受重量、機構尺寸、架設方式等條件限制，性能優于機載天線，損耗可以忽略不計。計算鏈路增益時直接采用給定的天線參數。

2.2.3 天線極化損耗

由于Faraday旋轉作用，電波離開電離層時的極化方式變為橢圓極化，用線極化天線接收橢圓極化信號［5］，天線極化損耗為Yg=3 dB。

2.3 信號電平計算分析

已知地面短波系統發射功率為60 dBm（1 000 W），天線架設在4層辦公樓頂無遮擋。機載短波系統發射功率為56 dBm（400 W），假設機載鋼索天線增益在工作頻段內為-5～-9 dBi，計算系統損耗時，機載天線和地面天線增益正負相抵消，即Gr+Gt=0。

將已知參數代入下式：

計算出機載天線和地面天線端口信號電平：

3 靜態測試

3.1 噪聲電平測試

短波頻段雖然比較擁擠，但還是可以選擇相對安靜頻點，選擇噪聲電平低、干擾信號弱的頻段進行通信試驗，才能取得比較理想的通信效果。

測試數據表明，地處中心城市短波地面系統，2～8 MHz頻段噪底約-65 dBm；8～20 MHz頻段內，噪底約-80～-97 dBm，還存在其他強輻射信號，如圖5所示。

數據還表明，飛機起降機場電磁環境明顯好于城市，故機載短波天線端口噪聲略低于地面天線端口噪聲電平，6～11 MHz頻段內噪底為-97 dBm左右，2～30 MHz內其他段噪底為-105～-112 dBm。機載系統加電狀態下短波天線端口噪聲如圖6所示。

3.2 信號電平測試

（1）最小信號電平

正常通信狀態，短波接收機端口最小信號、噪底、信噪比應滿足下式：

即

最小信噪比理論值為10 dB，為保證遠距離短波通信可靠性，需增加快衰落的防護度裕量，即MR= 4 dB，短波接收機天線端口最小信噪比取值應不小于14 dB，即Ymin=14 dB。

根據天線端口噪聲電平測試結果，取地面短波系統天線端口噪聲電平中值P′groundn=-90 dBm、機載短波系統天線端口噪聲電平中值P′airn=-100 dBm時，將天線端口噪聲值、信噪比值代入下式：

分別求得保證短波遠距離地空通信情況下，要求地面和機載短波天線端口最小信號電平值是：Prminground=-76 dBm，Prminair=-84 dBm。

顯然，地面系統天線端口信號電平預測值與Prminground相當，機載系統天線端口信號電平預測值大于Prminair，理論分析結果表明，系統技術狀態和信道傳輸特性基本滿足1 200 km地空遠距離短波通信要求。

（2）實測天線端口信號電平值

機載、地面短波系統同時加電工作，地面發射時，機載系統接收；當機載系統發射時，地面接收，實測發射方短波信號經電離層反射傳輸到達接收天線端口電平值，測試結果見圖7和圖8。

A地地面站和B地的機載短波臺互為發射源，實際測試各自接收對方的信號效果及實際電平，與分析預測結果基本相符。實際測試結果如下：

4 試驗頻率選擇和試驗驗證

4.1 試驗頻率選擇

依靠電離層反射傳輸的信道頻率特性，決定了在給定距離和方向的路徑上，只能用有限的頻段帶。當其他主要傳播影響確定后，可以預測波道頻率。相對于短波定點通信，地空遠距離試飛試驗信道頻率選擇更加重要［6］。選擇步驟如下：

（1）測試地面和機載系統經W6ELprop確定頻率范圍內噪聲電平，選取噪聲分別小于各自噪聲電平并滿足信噪比要求的頻率；

（2）將初步遴選的頻點加載至地面、機載短波系統中，飛機停放起降機場停機坪，與遠端地面短波系統各波道分別進行話音通信，選擇通信效果好的頻點進行數據通信；

（3）記錄頻點及對應通信時間、通信質量等信息，通信試驗結束后，進行綜合評估，確定通信質量好且穩定的頻點為試飛波道。

4.2 遠距離地空通信驗證

為驗證基于信道特性分析短波遠距離地空通信方法的實用性，根據A、B兩點短波天波信道特性分析結果及選取的通信實驗頻率，在信道特性分析基礎上，選擇確定短波遠距離地空通信頻率，結合某工程短波地空試飛進行遠距離地空通信試驗。試驗結果表明：話音、數據通信穩定可靠，話音質量達5分（話音通信質量以五分制評估，通信效果最好為5分）；數傳應答率達到了65%的目標值。

5 結束語

相對于傳統的依靠電離層變化預測值選擇通信頻率窗口的方法，基于信道特性分析的短波遠距離通信，在繼承傳統的基礎上，充分利用新的計算機技術、新的測試技術，使得分析預測結果更準確，能夠避免由于信道特預測失誤對通信質量的影響，提高通信成功率。但是，基于信道特性分析的短波遠距離通信方法，并不能解決信道快衰落影響通信的問題。綜合應用基于信道特性分析的頻率選擇技術、基于頻譜感知的通信頻率管理技術等，才能使短波通信適應現代航空通信系統的功能需求。

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HF Long Range Air-ground Communication Based on Channel Characteristic Analysis

LIU Man-tang
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

Fading characteristic of HF sky-wave channel is the main factor to influence long range HF communication quality.Predicting HF propagation characteristic precisely is an element for successful communication. Factors influencing HF communication quality are analysed along with engineering experiment.By choosing the best channel long range air-ground HF communication is realized.The method of predicting-frequency preference-static test-communication can provide good reference for long range communication test of HF systems.

HF communication；sky-wave；ionosphere；time-variable channel；air-ground communication

TN919.3

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.09.018

劉滿堂（1962—），男，陜西扶風人，高級工程師，主要從事航空通信系統總體技術研究。

1001-893X（2012）09-1508-05

2012-08-02；

2012-09-13

LIU Man-tang was born in Fufeng，Shaanxi Province，in 1962. He is now a senior engineer.His research concerns aeronautical communication system.

Email：lmt19602004＠126.com