一種短波通信信道探測技術

摘 要： 在短波通信系統設計和應用中，人們需要充分考慮短波信道傳播特性、信道路徑損耗和電離層結構特征等信息，但目前這方面信息十分有限，且多數為理論依據或早期的粗劣數據。在國產測高儀的基礎上設計了一種短波信道探測系統，該系統能夠實時地、精確地獲得短波通信鏈路上信道鏈路損耗和頻率特性曲線，這對短波通信應用和系統設計有重要的輔助意義，試驗結果也證實了這一結論。

關鍵字： 短波信道探測； 國產測高儀； 信道損耗； 頻率特性曲線

中圖分類號： TN925?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）15?0017?03

A technology of shortwave communication channel detection

LEI Bing?quan， ZHANG Hong， LI Rui， XIN Guo?liang

（China Research Institute of Radio Wave Propagation， Qingdao 266107， China）

Abstract： In the design and application of the shortwave communication system， the characteristic of shortwave channel propagation， channel loss， characteristic of ionosphere structure should be adequately considered. But the information in this aspect is too old or not exact， and most of them are only theoretical foundation. A system of short wave channel detection based on height indicator made in China was designed， which can measure the channel link loss and frequency characteristic of the shortwave communications link timely and accurately. It has important auxiliary significance for the design and application of shortwave communication system， and the experiment results verify this conclusion.

Keywords： shortwave channel detection； domestic height indicator； channel loss； frequency characteristic

0 引 言

在通信系統設計中，需要進行通信鏈路計算，以決定發射功率、接收靈敏度及天線設計增益，而鏈路計算中，非常重要的一個參數即是鏈路損耗，在短波通信鏈路中，電波的自由空間損耗和電離層吸收損耗是組成短波通信鏈路損耗的主要參量[1]，電離層吸收損耗隨日落、日出及太陽風暴等其他因素變化劇烈[2]，在短波通信鏈路損耗中占主導地位，因此獲得短波通信鏈路損耗非常重要。而在實際工作中，通常會選擇一個參考值來計算，但該值的選擇隨著空間和時間的變化各不相同，因此設計的短波通信系統可靠性不高，這也是制約短波通信應用的一個重要因素。

電離層垂直探測儀，也叫測高儀，是一種專門用于電離層研究的工具，它垂直向上發射可連續變化頻率的高頻無線電波，當無線電波到達電離層后，由于電離層具有反射高頻無線電波的特性，所以有部分電波能量將反射回地面，測高儀接收系統接收該電磁波，通過測量電波能量、返回時間來獲得電離層探測鏈路損耗和電離層對高頻無線電波的頻率選擇特性（電離層對不同頻率的電磁波反射高度和吸收程度不同），電離層反射高度與頻率的關系曲線就是電離層頻高圖[2]，該圖譜為電離層研究的原始參考資料，在該圖譜中加入回波能量幅度，即為三維頻高圖。

將垂直探測儀收發裝置放置于兩地，則電離層頻高圖就演變為兩地間短波鏈路測試圖譜，該圖譜反映了在兩地間短波傳播的模式及可用頻率等信息，如果是三維頻高圖則可以獲得短波鏈路損耗，但是電離層垂直探測儀對回波能量測量精度有限，將該值直接應用于短波通信系統鏈路計算，也不能提高短波通信系統可靠性。而提高電離層回波能量測量的精度，獲得精確的電離層損耗是本文的主要工作。

1 工作原理

1.1 電離層環境與短波通信

大氣層之上，高度60～500 km以上的區域，一部分空氣分子被太陽紫外線電離產生電離氣體。這些電離氣體稱為等離子體，這一區域稱為電離層。由于太陽輻射光線穿透大氣層不同區域時的能力不同，以及電離層受到輻射的晝夜變化，使電離層電子密度的分布存在著明顯的隨高度和經緯度而不同的空間結構變化，以及隨晝夜、季節與太陽活動周期而不同的時間變化。

電波傳播理論中的阿普頓?哈特里公式指出，不計碰撞和地磁場的影響，對應于電離層中某一高度的電子密度值[N，]各有一個頻率[fN]值。根據這一理論，短波通信系統的高頻無線電信號通過天線向電離層輻射時，其頻率等于[fN]時，電波就從與[N]相對應的高度反射回來[2]。這即是短波通信的基本原理。當無線電波垂直向上進入電離層時：

[Ne=πme2f2=πme2f2N]

上式將相應物理常數代入后，則得：

[Ne=1.24×104f2]

式中：[f]為探測信號頻率，也是經電離層返回信號頻率（單位：MHz）；[Ne]為電子濃度（單位：個/cm3）。

由于電子濃度有最大值，當無線電波大于一定的頻率以后，電波將不再被反射回地面，這個頻率叫做最高可用頻率。當電波斜向入射到電離層時，其最高可用頻率和垂直入射最高可用頻率存在以下關系：

[f0=fvsecφ0]

式中：[f0]為斜向探測電波頻率；[fv]為垂直探測電波頻率；[φ0]為入射角。

1.2 國產TYC測高儀

國產TYC測高儀（見圖1）是一種數字式電離層垂直探測設備，是中國電波傳播研究所的第五代研制成果，它由發射機、接收機、天線、頻率合成器、控制器和計算機組成，各分系統在控制器的控制下同步工作。首先，控制器控制合成器產生1～32 MHz連續變化的高頻信號，該信號通過探測儀發射系統，垂直向上向電離層輻射電波，當垂直入射電波信號頻率[f]與某高度電離層電子濃度[Ne]所對應的等離子頻率[fN]相等時，電波就會從該高度反射折回地面。垂直接收系統接收返回信號，記錄電離層的特征信息，并形成電離層能反射的頻率與其相對應的等效反射高度的關系圖（簡稱頻高圖），并反映出各層電子濃度分布。

1.3 短波信道探測系統

1.3.1 系統設計

充分利用國產TYC測高儀成熟技術，改造高頻接收機，增加信號采集與處理模塊，將接收機中頻信號進行高速采集，再用專用信號處理器DSP對信號進行處理分析，提取回波信號能量、時延。短波信道探測系統設計如圖2所示。

圖1 國產TYC測高儀

圖2 系統設計框圖

1.3.2 接收機設計

由于需要精確測量電離層回波能量，因此接收機必須具備較好的線形增益和動態范圍，在本次設計中，接收機增益設計為64 dB，動態范圍設計為90 dB。這是本次系統設計的難點也是重點。

由于數字接收機信號輸入幅度要求≤2 Vp?p（10 dBm），因此接收機工作在線性范圍內的最大輸入信號幅度表示為：

[AMAX=10 dBm-64 dBm=-54 dBm]

當信號幅度大于[AMAX]時，接收機工作在非線性放大區，此時接收機的線性動態范圍為：

[線性動態范圍=AMAX-靈敏度=56 dB]

設計程控衰減器來拓寬接收機線性動態范圍，程控衰減器設計為0～40 dB可控衰減，當信號大于[AMAX]時，啟動衰減器，減小輸入信號，使接收機工作在線性范圍內，因此接收機實際線性動態范圍為：

[實際線性動態范圍=56 dB+40 dB=96 dB]

2 實例分析和討論

利用以上設計系統，對北京?青島短波通信鏈路進行了測試，獲得了以下數據：

圖3給出了6.15 MHz通信信號探測圖譜，圖中橫坐標為采樣點，起始距離為600 km，每個采樣點對應5 km探測距離，縱坐標為回波信號幅度，該通信頻率有三個反射點，分別在E層、F1層和F2層，信號發射功率為1 kW，回波功率如圖3所示（接收機增益為64 dB），經計算可得，在6.15 MHz，該通信鏈路的E層、F1層、F2層損耗分別是126.04 dB，120.02 dB，127.98 dB。如設計短波電臺接收靈敏度為-100 dBm，則該短波系統發射功率只需-100 dBm +120.02 dB =20 dBm，即0.1 W（一般短波系統均有一定的冗余設計，實際發射功率略大于該值）。

圖3 6.15 MHz通信信號探測圖譜

將1～20.2 MHz頻率間隔為30 kHz的整個短波波段探測數據合成，得到如圖4所示圖譜，從該圖譜上不但可以獲得每個頻點的鏈路損耗值，也可以得到信道隨頻率變化的趨勢。

圖4 北京?青島短波信道探測圖譜

3 結 語

以上介紹了在國產TYC測高儀的基礎上，設計短波通信信道探測系統，該系統能夠實時地獲得多個頻點高精度短波通信鏈路損耗信息，這對短波通信系統的設計和應用具有非常重要的意義，也可以在此基礎上展開短波通信選頻及頻譜管理研究。

參考文獻

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