自動掃頻短波信道斜向探測系統設計與實現

劉月亮 蔣宇中 張春雷 張 偉

（1.海軍工程大學電子工程學院，湖北 武漢430033；2.海軍91269部隊，廣東 湛江524088）

引 言

短波通信無需中轉設備即可實現遠程通信，對于保障水面艦艇、潛艇遠海作戰指揮通信十分重要.由于短波遠程通信主要靠電離層反射進行，所以，開展短波電離層信道傳播特性探測，研究其傳播特性對提高下一代短波數字通信裝備的性能具有重要的理論指導意義.

地面短波信道探測方法主要包括斜向探測、斜向返回探測、垂直探測、相干散射探測和非相干散射探測等［1］.文獻顯示，國內外研究短波信道探測的學者很多，主要采取斜向探測［2-8］、斜向返回探測［9-15］和垂直探測［16］三種探測方式.其中，短波信道斜向探測是指高頻無線電波入射方向與電離層的等電子濃度面法線成一非零角的傳播探測方式，一般地說，它的接收點的地面距離是確定可知的［17］.斜向探測通常采用掃頻方式工作，短波斜向探測電離圖是電波斜向入射經短波信道反射到指定地點接收的回波記錄.這種記錄反映了發、收兩站之間，斜投射短波信號的頻率與信道反射回波的群路徑之間的關系.電離層斜向探測可以對數千千米范圍內的電離層進行探測與研究.

為了給短波信道傳播特性的初步估計、短波無線電頻率管理、短波信道可通狀態初步評估等提供服務，特別是為現有短波通信服務（對其它科學內容的研究較少涉及），本文力在尋求一種成本較低、性能適中的短波信道傳播特性探測手段，設計了自動掃頻短波信道斜向探測系統（ASFHFCOSS）.ASFHFCOSS是一種多站短波信道探測系統，收發系統異地，可以一發多收，實現對大范圍短波信道狀態的實時監測，獲取短波信道的雙時響應、散射函數（SCF）、相位起伏、掃頻電離圖等多種信息，為研究短波信道特性提供有實用價值的信息.

1 ASFHFCOSS系統設計

1.1 系統硬件結構設計

ASFHFCOSS系統主要由數字信號處理（DSP）模塊、復雜可編程邏輯器件（CPLD）時序控制模塊、模數/數模轉換（ADC/DAC）模塊、電臺工作模式和頻率控制模塊、全球定位系統（GPS）接收機模塊、GPS導航電文接收模塊、通用串行總線（USB）模塊、時鐘模塊、鎖相環（PLL）、計算機（PC）終端和短波電臺組成，系統的收發時間同步由GPS秒脈沖觸發實現，同步誤差在10-9數量級，系統結構框圖如圖1所示.其中，DSP模塊主要負責數據的處理和傳輸，包括探測發送數據、接收數據、GPS導航電文數據、電臺控制命令等的傳輸；CPLD時序控制模塊主要負責DSP與USB模塊、GPS導航電文接收模塊、電臺工作模式和頻率控制模塊之間通信的時序控制；ADC/DAC模塊負責數據采集和數模轉換；GPS模塊主要負責接收GPS導航電文，向DSP提供同步脈沖；GPS導航電文接收模塊主要負責GPS導航電文的提取和傳輸，并在每分鐘的00秒產生一個脈沖供收發同步用；電臺工作模式和頻率控制模塊負責電臺控制命令的轉發；USB模塊負責PC和DSP之間的數據傳輸；時鐘模塊為DSP、單片機和USB提供工作時鐘；銣時鐘和PLL模塊為收發短波電臺和ADC/DAC提供基準工作頻率源，使收發頻差低至10-4Hz數量級；PC終端作為上位機，主要負責整個系統的啟動操作、數據發送與保存、控制電臺命令發送及狀態顯示等.短波電臺負責發送或接收探測信號，與一般的功放模塊沒有差異，采用現有短波電臺的目的主要是節省成本，縮短系統開發時間.

圖1 ASFHFCOSS系統框圖

ASFHFCOSS系統設計基于軟件無線電思想，收、發硬件電路完全相同，通過不同的軟件實現發和收的功能，采用脈沖壓縮技術和相干多普勒積分可以使發射功率比傳統探測儀降低1 000多倍的情況下而在接收端具有相同的接收效果，大大降低了發射功率.系統可在3～30MHz頻段對短波信道進行掃頻探測，其頻率步進可調，最小為電臺的最小步進.系統啟動前，待發送數據以WAVE格式存儲在PC中，系統啟動以后，用戶可根據需要選擇發送數據，數據經USB模塊實時傳輸給DSP，經DA轉換后由短波電臺經天線發射出去.每個頻率點的散射波由天線接收后，從接收機串行輸出到ADC進行采樣，并實時傳輸給DSP，緩存在DSP的片外存儲區，再由DSP經USB實時傳輸到PC端進行顯示和存儲.在Matlab中，通過編程實現短波信道雙時響應的估計、散射函數的計算等工作.

1.2 系統軟件設計

ASFHFCOSS系統軟件包括發送端系統軟件和接收端系統軟件.發送端和接收端系統軟件都是由PC端軟件、DSP端軟件、GPS導航電文的接收模塊軟件、USB驅動軟件、電臺工作模式和頻率控制模塊軟件五部分組成.PC端軟件采用Visual C＋＋6.0作為開發平臺，用線程實現PC與DSP之間數據的實時傳輸；用C語言和匯編語言混合編程開發的方法在CCS5000平臺上實現DSP端軟件程序的編寫；USB驅動軟件、GPS導航電文的接收模塊軟件、電臺工作模式和頻率控制模塊軟件在Keil C51開發環境中用C語言開發，通過編譯器編譯生成可執行代碼，利用不同的下載器將可執行代碼下載到模塊中.

ASFHFCOSS系統數據收發時間長度為50s，由于受到硬件存儲容量限制，數據必須實時傳輸到PC端進行存儲.因此，PC與DSP之間數據的實時傳輸軟件采用多線程技術設計.由于DSP與PC終端之間的數據通信采用應答方式的協議實現，所以線程包括發數據線程和收數據線程，其工作算法流程圖如圖2所示.一般而言，線程在兩種情況下需要進行同步［13］：一是當多個線程訪問共享資源而不使資源被破壞時；二是當一個線程需要將某個任務已經完成的情況通知另一個或多個線程時.本文屬于第二種情況，通過變量完成線程間的同步.ASFHFCOSS系統軟件的PC端軟件和DSP端軟件的具體設計請參閱作者的其它文獻［18-19］.

圖2 線程工作算法流程圖

1.3 系統的數字信號處理分析

圖3 ASFHFCOSS的數字信號處理流程圖

ASFHFCOSS的數字信號處理流程圖如圖3所示.在發送端，為了利用m序列的周期性，先將其周期重復幾次，再進行插值將其頻譜進行壓縮（把此時的序列記為PN序列），然后通過調制進行頻譜搬移以便其大部分能量都能從發射機發射出去，而后由DSP傳輸經D/A變換送往短波電臺進行發射.在接收端，短波電臺接收信號先經A/D變換后由DSP傳給PC.在進行脈沖壓縮之前，通過下變頻得到由I（同相）路和Q（正交）路信號組成的復數信號.在脈沖壓縮過程中，復數信號與PN序列的本地復制碼做互相關運算，即可得到短波信道沖擊響應的估計值（τ，n），在對其在時間軸n上作自相關運算，對得到的自相關函數進行快速傅里葉變換（FFT），便可得到信道散射函數S（τ，fd）.設上變頻之后的信號為

式中x（τ）表示PN序列.將信號s（τ）與短波信道沖擊響應相卷積后就得到了接收信號，將接收信號下變頻后得

式中：＊表示卷積運算；h（τ，n）為短波信道的沖擊響應.將rd（τ）與x（τ）的本地復制碼作相關運算，得

式中?表示相關運算.如果序列x（τ）的相關特性足夠好（理想情況下為δ函數），則有

因此，可以用相關函數C（τ，n）去估計信道的沖擊響應h（τ，n），即

則沖激響應的自相關函數為

2 實驗安排與結果分析

ASFHFCOSS系統是自行研制的，它具有以下幾個特點：1）與傳統斜向探測系統相比，其發射功率很小，可降低至數十瓦的量級；2）利用GPS進行收發時間同步，具有較高的精度；3）采用銣時鐘和PLL為短波電臺和ADC/DAC提供基準工作頻率，收發頻差幾乎為零；4）由于該系統一次探測時間長，發送序列可以設計為長度較長的m序列的幾個周期重復，在接收端信號處理時利用m序列的周期性，可獲取短波信道沖擊響應和散射函數的二維、三維視圖以及等高線圖.因此，ASFHFCOSS系統可以應用于實時短波信道特性研究、短波信道可通狀態評估和短波無線電頻率管理系統中，為短波通信服務.ASFHFCOSS系統的主要技術指標如表1所示.

表1 ASFHFCOSS系統的技術參數

ASFHFCOSS系統的常規工作模式是掃頻模式.這里的掃頻是指探測系統中的短波電臺在離散的頻點上跳動工作，與其它探測設備的快速掃頻工作不同.表1中的“一次探測時間”指的是一個頻點的工作時間，之所以采用這么長的探測時間，是為了提高相關運算的峰值，因為發射功率較小，信噪比較低.從表1可以看出：群路徑的分辨率較低，時延差較大的兩條路徑可以分辨出，較小的分辨不出，這主要受制于所采用的短波電臺.因為目前所采用的電臺帶寬較窄，所以技術指標是這樣的.如果選用帶寬較寬的電臺或自己開發寬帶調制、解調、功放等電路模塊，則群路徑的分辨率會相應提高.從對實際數據的處理結果來看，能分辨出有兩條及以上路徑的數據中，各路徑的時延差都在1ms以上.

2011年7月20日至22日于湖北武漢（30°35′N，114°14′E）和河南商丘（34°24′N，115°37′E）利用 ASFHFCOSS系統自動掃頻模式采用三種不同速率信號進行了為期三天的短波信道探測實驗，其中，發射站位于武漢，接收站位于商丘，兩站間的直線距離約為440km，探測信號為m序列調制的二進制移相鍵控（BPSK）信號，三種速率信號序列重復周期分別為3、5、6，內插倍數為8、5、4，其它參數見表2所示.從信息論的角度考慮，數據速率越高，占據帶寬越寬.如果數據正好占據整個系統帶寬，這時頻帶利用率最高.從信道傳播特性探測角度看，數據速率越高，群路徑的分辨率也越高.所以，實驗時采用了三種速率信號.

表2 實驗參數

圖4所示為根據格林威治時間2011年7月20日12時19分短波信道探測實驗中采集的數據畫出的信道沖擊響應、散射函數和散射函數的等高線圖，載波頻率為6.3MHz，數據速率為1 000BD.圖5所示為根據格林威治時間2011年7月22日05時30分短波信道探測實驗中采集的數據畫出的信道沖擊響應、散射函數和散射函數的等高線圖，載波頻率為6.26MHz，數據速率為2 000BD.

從圖4可以看出：信號傳播路徑只有一條，其平均延時約為2.125ms，多普勒頻移為-0.02Hz，短波信道反射有效高度約為231km，據此反射高度可知，這一信號是由F2層反射下來的.從圖4（a）可以看出：估計得到的信道沖擊響應并不連續，在16～22s這一段時間內出現中斷，這可能是由于信道中噪聲過大，導致信號傳播中斷，這也說明短波信道是時變信道.

從圖5可以看出：信號傳播路徑有兩條，其平均延時分別約為1.75ms、2.875ms，多普勒頻移分別為-0.01Hz、0.026Hz.第一條路徑信道有效反射高度約為143km，相應的傳播模式為1F1；第二條路徑信道有效反射高度約為185km或371km，相應的傳播模式分別為2F1或1F2.

以上分析中，短波信道的有效反射高度是由下式［20］估算得到的，即

式中：c為自由空間中電磁波傳播速度；τc為散射函數中心頻率處所對應的平均時延；D為發、收兩地的直線距離.

圖4 格林威治時間2011年7月20日12時19分探測結果

圖5 格林威治時間2011年7月22日05時30分探測結果

3 結 論

為了給短波通信提供有實用價值的信息，設計并實現了自動掃頻短波信道斜向探測系統，分析了系統的數字信號處理流程.該系統以GPS秒脈沖為基準實現時間同步，用PLL頻率合成技術實現頻率同步，利用DSP、CPLD、單片機等實現數據采集與發送硬件終端，搭載短波電臺和計算機；其PC端軟件的開發用C與C＋＋高級語言實現，DSP和單片機等軟件的開發用C高級語言和匯編語言混合編程的方法實現.進行了武漢和商丘之間的短波信道斜向探測實驗，對探測結果進行了分析.分析表明，探測結果能夠提供研究短波信道特性所需的信息.在實驗過程中，所設計系統不間斷工作數日，工作穩定，運行良好，能夠滿足探測要求.

［1］朱正平.電離層垂直探測中的觀測模式研究［D］.武漢：中國科學院武漢物理與數學研究所，2006.ZHU Zhengping.Studies of Observation Mode in Ionospheric Vertical Sounding［D］.Wuhan：Wuhan Institute of Physics and Mathematics ＆Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，2006.（in Chinese）

［2］AFANAS'YEV N T，GROZOV V P，NOSOV V E，et al.The Structure of a chirp signal in the randomly inhomogeneous earth-ionosphere channel［J］.Radiophysics and Quantum Electronics，2000，43（11）：847-857.

［3］BLAGOVESHCHENSKY D V，VYSTAVNOI V M，SERGEEVA M A.HF radio propagation through the auroral oval during substorms［J］.Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics，2005，67（16）：1618-1625.

［4］VERTOGRADOV G G，URYADOV V P，VERTOGRADOVA E G.Calculation of optimal operating frequencies of a communication radio line according to oblique ionosphere sounding［J］.Radiophysics and Quantum Electronics，2008，51（1）：9-19.

［5］BLAGOVESHCHENSKY D V，ANDREYEV M Y，MINGALEV V S，et al.Physical and model interpretation of HF radio propagation on the St.Petersburg-Longyearbyen（Svalbard）path［J］.Advances in Space Research，2009，43（12）：1974-1985.

［6］BLAGOVESHCHENSKY D V，KALISHIN A，MACDOUGALL J.Effects of a"day-time"substorm on the ionosphere and radio propagation［J］.Advances in Space Research，2009，44（9）：1008-1012.

［7］KRASHENINNIKOV I V，EGOROV I B.IRI-2001 model efficiency in ionospheric radiowave propagation forecasting［J］.Advances in Space Research，2010，45（2）：268-275.

［8］周 晨，趙正予，楊國斌，等.電離層高頻信道互易性研究：中緯度電離層斜向探測實驗［J］.電子與信息學報，2011，33（1）：142-145.ZHOU Chen，ZHAO Zhengyu，YANG Guobin，et al.Research on the reciprocity of ionospheric HF channel：an mid-latitude ionospheric oblique sounding experiment［J］.Journal of Electronics＆Information Technology，2011，33（1）：142-145.（in Chinese）

［9］陳雪濤，趙正予，劉進華，等.電離層斜向返回探測系統軟件結構［J］.電波科學學報，2003，18（6）：673-678.CHEN Xuetao ZHAO Zhengyu LIU Jinhu，et al.Research of the software structure for novel oblique backscatter ionosond［J］.Chinese Journal of Radio Science，2003，18（6）：673-678.（in Chinese）

［10］聶學東，趙正予，時 雨，等.新型電離層斜向返回探測系統接收機設［J］.電波科學學報，2005，51（1）：95-99.NIE Xuedong，ZHAO Zhengyu，SHI Yu，et al.Design of the HF receiver for the new type ionospheric oblique backscattering sounding system［J］.Chinese Journal of Radio Science，2005，51（1）：95-99.（in Chinese）

［11］陳 曦，趙正予，時 雨，等.電離層斜向返回探測系統的主控制器研制［J］.電波科學學報，2005，20（5）：598-603.CHEN Xi，ZHAO Zhengyu，SHI Yu，et al.Design and implement of main-controller in ionospheric oblique backscattering sounding system［J］.Chinese Journal of Radio Science，2005，20（5）：598-603.（in Chinese）

［12］石書祝，趙正予，李 婷，等.武漢電離層斜向返回探測系統波形發生器設計［J］.深圳大學學報理工版，2009，26（4）：415-419.SHI Shuzhu，ZHAO Zhengyu，LI Ting，et al.Design of the waveform generator for Wuhan ionospheric oblique backscattering sounding system［J］.Journal of Shenzhen University Science and Engineering，2009，26（4）：415-419.（in Chinese）

［13］王 烽，趙正予，李 婷.單站電離層探測系統自動跳頻探測模式的設計與實現［J］.電波科學學報，2009，24（4）：604-609.WANG Feng，ZHAO Zhengyu，LI Ting.Design and implementation of auto hopped frequency sound mode in monostatic ionospheric sounding system［J］.Chinese Journal of Radio Science，2009，24（4）：604-609.（in Chinese）

［14］楊國斌，趙正予，李世鵬.新體制電離層探測系統中頻接收模塊設計［J］.電波科學學報，2009，31（4）：816-821.YANG Guobin，ZHAO Zhengyu，LI Shipeng.Design of the IF receiving module in a new type of iono-spheric sounding system［J］.Chinese Journal of Radio Science，2009，31（4）：816-821.（in Chinese）

［15］石書祝，趙正予，黃 碩，等.小功率便攜式電離層斜向返回探測雷達設計［J］.中南大學學報：自然科學版，2010，41（4）：1429-1434.SHI Shuzhu，ZHAO Zhengyu，HUANG Shuo，et al.A low-power portable ionospheric oblique backscattering sounding radar design［J］.Journal of Central South University：Science and Technology，2010，41（4）：1429-1434.（in Chinese）

［16］BLAGOVESHCHENSKY D V，MACDOUGALL J W，ROGOV D D.Study of the ionosphere during a magnetospheric storm using data on the ground and in space［J］.Advances in Space Research，2011，47（1）：105-114.

［17］周文瑜，焦培南.超視距雷達技術［M］.北京：電子工業出版社，2008：360-385.

［18］劉月亮，蔣宇中，張 偉.短波信道探測系統DSP端軟件設計與實現［J］.電子技術應用，2011，37（12）：133-136.LIU Yueliang，JIANG Yuzhong，ZHANG Wei.DSP software design and implementation of IOSS［J］.Wireless Communication Technology，2011，37（12）：133-136.（in Chinese）

［19］劉月亮，蔣宇中，張書南.短波信道探測系統PC端軟件設計與實現［J］.無線通信技術，2011，20（4）：28-32.LIU Yueliang，JIANG Yuzhong，ZHANG Shunan.PC terminal software design and implementation of IOSS Wireless Communication Technology，2011，20（4）：28-32.（in Chinese）

［20］SUTHERLAND D A J.Software Implementation of A Wideband HF Channel Transfer Function［R］.Colorado：NTIA，1998.