短波信道特征參數對通信誤碼率影響的試驗分析

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，湖北 武漢430079）

引 言

短波通信通過電離層反射實現遠距離通信，它具有其它通信方式不可替代的獨特性，如抗摧毀能力強、靈活性高、設備簡單及造價低廉等。但是，短波通信也有其固有的缺點：短波信道存在多徑傳播、多普勒頻移和衰落等特征，使其通信質量低、誤碼率高。高頻自適應技術則是針對短波信道的缺陷而發展起來的頻率自適應技術［1－2］，其關鍵是通過電離層實時診斷，實時測量信道參數，并利用得到的參數來定量描述信道的狀態和對傳輸各通信業務的能力。

目前，常用的電離層診斷技術包括垂直探測、返回散射探測和斜向探測等［3］。其中，垂直探測是將無線電波垂直向上發射，電波信號經電離層反射后返回發射地點而被其接收系統所接收的探測手段。它僅能獲取探測點上空的電離層信息，即使在電離層平穩的情況下，垂測站上空的電離層狀態信息也僅能擴展到一個相關半徑之內。顯而易見，垂直探測具有明顯的區域局限性。返回散射探測是將無線電波斜投射到電離層，電波被反射到遠方的地海面，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射點，被那里的接收機接收。它具有探測距離遠、覆蓋范圍廣的優點，但由于其包含了地海面的反射特性，接收信號特性復雜，信道參量獲取難度大。由于返回散射探測技術應用于短波通信選頻實現復雜，相關關鍵技術需要進一步攻關和優化。斜向探測時，無線電波以某一入射角進入電離層之后，經電離層的折射和反射，到達位于地面某一距離上的接收站。到達接收站的電波攜帶有電波經歷路徑上電離層的變化信息。由于斜向探測系統與短波通信系統所采用的傳播路徑完全相同，電離層對短波通信信號的影響完全可以利用斜向探測信號進行研究。由此可見，為短波通信鏈路選擇最佳工作頻點時，采用斜向探測方式進行電離層實時診斷最合適。因此，研究斜向探測體制下信道特征參量的提取方法以及各信道參量對通信誤碼率的影響對提升短波通信質量具有十分重要的指導意義。

通常表征短波信道性能的參數一般有信號能量、噪聲功率、多徑擴展、多普勒頻移、多普勒展寬、衰落率、衰落深度等［4－8］。這些參數都從不同的側面描述了信道的特征。為了便于研究短波各信道參量對短波通信質量的影響，中國電波傳播研究所第四研究部在新鄉和青島搭建起試驗平臺，原理框圖見圖1。

圖1 聯合試驗平臺原理框圖

該平臺融斜測和通信于一體，其最大的優勢在于斜測和通信都采用同一套硬件設備，不存在探測與通信之間設備不匹配的問題，再者信道探測和通信同時進行，也不存在探測與通信時間上的差異，這兩個方面的優勢保證了分析信道特征參量對短波通信質量影響的可信度。

依據上述試驗平臺錄取數據進行了信道特征參量及通信誤碼率的統計計算，分析了各特征參量對誤碼率的影響，并總結出一些有指導意義的結論。

1 試驗基本情況

本次電離層斜向探測與短波通信誤碼率同步測量試驗開展于2010年1月到6月之間，每月進行一次試驗，每次試驗時間為5～10天，每天基本上涵蓋日出、日落、白天、夜晚四個時段。

試驗采用掃頻工作方式，掃頻范圍6～25 MHz，步進1MHz，每個頻點駐留2 048個信號重復周期，以便獲取信道散射函數及通信誤碼率。每個掃頻周期開始之前，先進行一次電離層常規探測，獲取該時段的斜向探測掃頻電離圖，輔助辨識電離層傳播模式，獲取信道特征信息。

2 數據篩選及信息提取方法

2.1 數據篩選方法

此次試驗的目的是分析短波信道特征參數對通信誤碼率的影響。為了避免干擾信號對統計結果產生影響，進行數據篩選時避開了強干擾數據源。依據接收信號時域、頻域特征將強干擾頻點的數據進行了剔除。

因為接收信噪比低是引起誤碼的重要因素。為了注重分析其余信道參量對誤碼的影響，主要選取了信噪比大于10dB的數據進行分析。

2.2 信息提取方法

該試驗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接收到的通信信號進行譯碼計算得到，而信道特征信息則是通過對斜向定頻探測數據進行分析計算獲得。

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

1）信噪比

信號能量與噪聲功率的比值。計算時首先利用沒有信號到達的噪聲子樣計算噪聲功率，然后利用該噪聲功率作為門限對接收的每個信號子樣進行判決，僅利用大于門限的子樣進行信號能量計算。

2）衰落深度和衰落率

接收信號幅度累積分布曲線上90%與10%兩點之間所對應的信號幅度之差為衰落深度；衰落率則定義為單個小m序列周期內以正斜率越過中值電平的次數。

3）多徑擴展

定義模式識別后，第一個傳播模式3dB上升沿與最后一個傳播模式3dB下降沿之間的時延差為多徑擴展，當只存在一種傳播模式時，多徑擴展等于該模式的時延擴展，用3dB寬度表征。

4）各模式信號幅度、群距離

模式識別后，選取每個模式幅度最大點對應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展

定義第一個能夠識別的傳播模式為主傳播模式，其幅度最大點對應的相位為主模式瞬時相位；當接收信噪比較大時，該值表征電離層相位擾動引起的主模式相位的變化量；將相干積累時間內多個主模式相位進行周期延拓，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表征多普勒擴展。

3 試驗數據分析

以2010年5月7日下午16點探測數據為例，分析2.2小節所提各信道參量對通信誤碼率的影響。該組數據發射信號參數設置為：小m碼序列長度255；碼元寬度100μs；每個頻點連續發射2 048個碼序列。

通過對該組數據20個頻點上的通信信號進行分析，剔除強干擾頻點及接收信噪比低于10dB的頻點后，剩余11個頻點數據可供分析。對照相鄰的斜向探測掃頻電離圖［9］（如圖2所示）可以發現：該時段內電離層存在較強的Es層，除前3個頻點存在其余傳播模式外，其余8個頻點均為單Es模式。

下面將分單模式和多模式兩種情況進行信道參量與通信誤碼率的比對分析研究。

3.1 單模數據

圖3給出了9 708kHz上各個m序列接收信噪比與誤碼數的對照關系圖。圖中，藍色曲線表征誤碼數隨m序列積累次數的變化關系，綠色表征接收信噪比隨積累次數的變化規律。對照兩曲線發現，該時段內接收信噪比相對較高，均在12 dB以上，且每個m序列上的誤碼數與接收信噪比并無明顯的依賴關系。

各個m序列上接收信號衰落深度、衰落率與誤碼數的對照關系如圖4、圖5所示。

圖4顯示，該時段內較高的誤碼均發生在衰落深度相對較大的位置（高于5.5dB）處，這表明衰落深度的變化會對通信誤碼率產生影響。而觀測圖5卻發現，該時段內各個m序列上接收信號的衰落率波動不大，基本位于300附近，并未顯示衰落率與通信誤碼數有明顯的關聯關系。

圖6則給出了時域提取的多徑擴展與誤碼數的對照關系。由于該頻點只有一種傳播模式—Es模式，此處多徑擴展實為Es模式的時延擴展。觀察圖6不難發現：該處的多徑擴展對誤碼幾乎沒有影響。

由于調相信號對電離層相位起伏的變化比較敏感。那么該頻點上高的誤碼是否為主模式信號相位波動引起的呢？圖7給出了Es模式瞬時相位與誤碼數的對照關系。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.仔細觀察后發現，該時段內相對較高的誤碼主要發生在譯碼判決門限附近，由此推斷該時段內誤碼與主模式信號相位起伏有關。為了驗證這個推斷的準確性，采用主模式相位對信號進行補償后再譯碼的方式，觀測每個m序列上誤碼數及累積誤碼率的變化情況。圖8為相位補償前后誤碼數相對積累次數的變化趨勢。由圖可以看出經過相位補償后，m序列上的大部分誤碼數明顯降低。

統計得出：相位補償后累積誤碼率由原來的8.778%降至2.618 2%，降低了6.169 8個百分點，這充分說明該時段內有很大一部分誤碼是由主模式瞬時相位的變化引起，而主模式瞬時相位的這種變化趨勢可用多普勒頻移和多普勒擴展來表征。通過相位延拓計算得到，此時Es模式的多普勒頻移和多普勒擴展分別為0.056Hz和2.896 8Hz.

進一步對照圖8中相位補償后誤碼數的變化曲線與圖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：衰落率和細微多徑擴展對通信誤碼的影響很小；當接收信噪比位于15dB附近時，衰落深度過大會引起較高的誤碼。

此外，通過分析通信信號發現整個積累周期內均存在時域沖擊干擾（圖9所示），誤碼數曲線中底部較小的誤碼大多是由該干擾引起的。

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

既然已知主模式瞬時相位的變化即電離層引起的相位擾動可能會引起誤碼的發生，因此，對其余數據進行分析時首先判斷主模式相位對誤碼的影響，然后分析相位補償后剩余誤碼與其余信道參量的關系。圖10給出了16 708kHz相位補償后，誤碼數與接收信噪比、衰落深度、衰落率及細微多徑擴展的對照關系。對照圖中各信道參量與誤碼數的關系，發現前1 000個m序列中發生的誤碼主要是由接收信噪比相對較低而衰落深度又較大引起的，而其后的誤碼與該處的4個信道參量的關系并不密切，初步推斷為外部干擾所致。

通過對大量單模數據分析，得出以下結論：

1）對于只存在一種傳播模式的頻點，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和接收信噪比相對較低且衰落深度過大；

2）對于只存在一種傳播模式的頻點，當傳輸的碼元寬度大于該模式的時延擴展時，細微多徑散布對誤碼沒有太大的影響；

3）對于只存在一種傳播模式的頻點，衰落率與誤碼數的關系不大。

3.2 多模數據

多模數據的分析，仍采用前面分析單模數據的方法，即首先分析主模式相位變化對誤碼的影響，然后分析其余信道參量與誤碼的對應關系。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）與誤碼數的變化關系。

通過對2010年1月至6月連續多次試驗實錄多模數據的分析，初步得到以下結論：

1）通常情況下，只要積累周期內主模式信號瞬時相位接近或跨越判決門限則必定會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多普勒頻移和多普勒擴展進行表征。

2）沒有外部干擾的情況下，當主模式信號完全占優，絕對超出其余各個傳播模式和信號時，多徑效應對誤碼的影響不大，此時引起誤碼的主要因素是主模式信號能量及相位，圖11、圖12便很好的證明了這一點。

3）沒有外部干擾的情況下，當存在多個傳播模式且這些傳播模式幅度相當時，誤碼通常會很高，且有主副模式比越小誤碼越高的趨勢。

3.3 累積誤碼率與信道特征參數的關系

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

觀察表1發現：當存在多個傳播模式且平均接收信噪比相對較大時，并非多徑擴展越大引起的誤碼越大，還與主模式是否絕對占優有關，當主模式絕對占優時誤碼相對較小，反之則誤碼較大；對于單一的傳播模式，除去電離層相位擾動引起的誤碼外，基本上存在接收信噪比越大誤碼越少的規律。

表1 各頻點累積誤碼率與信道特征參量對照表

4 結 論

通過對聯合平臺實測數據統計分析，得出以下結論：

1）無外部干擾的情況下，當接收信噪比很低時，誤碼主要由接收信噪比低引起；

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

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

4）當多徑效應引起誤碼時，多徑擴展并非其直接反應量值，即并非多徑擴展越大誤碼率越高，而與主模式是否絕對占優有關。

此次試驗數據的分析雖然給出各信道參量對通信誤碼率影響程度的定性描述，得出了有意義的結論，可怎樣將這個結論應用于實際通信系統，仍需要深入的研究。以后我們將進一步積累試驗數據，以期創建描述各信道參數影響誤碼率的經驗模型，能夠依據實測信道參數定量評估任意電離層狀態下短波通信質量的好壞。

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