VHF通信信道資源測試及統計特性分析

溫亞萍

摘要：VHF通信信道資源豐富，同一通信平臺兼容多種信道資源可有效提升系統的通信能力。為指導兼容多種信道資源的通信系統設計，本文針對不同地域、不同距離，選取了數十條鏈路開展了典型周段的VHF頻段信道測試試驗，并以概率統計的方法對大量實測數據進行了統計分析，較全面地得出了VHF通信信道資源的統計特性，進而可指導通信系統設計。

關鍵詞：VHF；信道測試；特性分析

中圖分類號：TN926.4文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2022）15-49-4

0引言

VHF通信信道資源豐富，其中包括流星余跡、Es層、電離層散射、對流層散射和大氣波導等。從通信的角度來看，在同一VHF頻段通信平臺上兼容流星余跡、Es層和對流層散射等多種信道資源，不僅可以彌補流星余跡通信等待時間長、VHF電臺通信距離短等缺陷，還可拓展單一通信系統的通信距離，增加通信系統的平均信息通過率，提供一種兼容不同通信距離的穩定連續通信方式。

但是，電波在不同的信道資源下接收信號的特性是不同的，例如電波通過對流層散射信道時接收信號表現為單頻快衰落，特性近似為瑞利分布、存在微秒級多徑以及頻率選擇性衰落；大氣波導信號為較長持續時間（幾分鐘至二十幾小時）的突發信號，信號電平較強，存在多徑（數微秒以內）衰落。大氣波導信號接收電平比典型散射信號高出10～20 dB，甚至更多[1]。因此，為充分利用這些信道資源達到提升系統通信能力的目的，需要先了解這些信道資源的統計特性。

本文針對VHF通信信道資源，利用VHF頻段通信信道測試平臺完成了信道測試野外試驗，通過數十條通信鏈路、數千萬條實測數據，以概率統計方法找出了這些信道資源的統計特性，最終可指導通信系統設計，達到提升系統通信能力的目的。

1信道參數選擇及測量方法

信道一般分為恒參信道和變參信道，恒參信道對信號傳輸的影響是確定的或者是變化極其緩慢的，變參信道對信號的衰耗和傳輸時延是隨時間變化的[2]。綜合考慮后，本文選取傳輸損耗特性、衰落特性、多徑特性和頻率相關特性表征信道的統計特性，下面分別介紹這些信道參數的選擇理由及測量方法。

①傳輸損耗特性及衰落特性

信道的傳輸損耗反映了接收電平的變化規律，是指導通信設備余量設計的重要依據，一般用其中值描述，即50%時間的傳輸損耗瞬時值超過的值，傳輸損耗瞬時值計算方法為：

所謂衰落，一般是接收信號電平隨時間的隨機起伏，是設計接收機跟蹤信道參數的依據。衰落分為慢衰落和快衰落，慢衰落是指接收電平在較長時間間隔內的中值波動，主要是由氣象條件變化引起的；快衰落是信號在秒至分鐘時間間隔內信號的強度變化，與工作頻率、通信距離和天線參數等因素有關。傳輸損耗反映了慢衰落變化的平均參量，衰落速率是指在單位時間內信號電平以正斜率通過某個指定電平的次數，反映了快衰落的快慢程度[3]。

同時，考慮到通信系統自動增益控制的設計需要，一般還會參考衰落深度和平均衰落持續時間。衰落深度的定義是信號中值電平分貝數減去90%時間被接收信號電平超過的電平分貝數。平均衰落持續時間為在取樣時間內信號電平低于某一電平的總時間除以電平上的衰落次數[4]。

為獲得信道的傳輸損耗特性及衰落特性，本文通過發送端發送單頻信號，接收端利用電平檢測單元實現對單頻信號的檢波，獲得接收電平中值，經數據采集后處理得出信道傳輸損耗、衰落深度、衰落速率和衰落持續時間等統計特性。

②多徑特性

通信信號經過信道傳輸，到達接收端的是經過多條路徑傳輸信號的總和，各條支路接收信號的幅度、相位和時延均不相同，且隨機變化，這即為多徑效應[5]。

針對信道的多徑特性，本文采取直接序列擴頻信號匹配濾波測試法，利用其良好的自相關特性，發送端發送周期性的擴頻序列，接收端對擴頻信號進行解擴處理，達到再現信道多徑結構的目的。為便于統計，將多徑時延功率譜中與最大點相比下降10 dB時（即多徑能量低于主徑能量10 dB）的多徑時延寬度值定義為最大多徑時延展寬。

③頻率相關特性

不同頻率的信號其電平的衰落可能是不一致的，一般頻率間隔越小，相關性越強。掌握信道的頻率相關特性，對于設計通信系統是必要的。當信號帶寬小于信道的相關帶寬時，各頻率分量的衰落是基本相關的，因而不會出現明顯的頻率選擇性衰落，波形不會產生嚴重失真；反之，信號將遭受頻率選擇性衰落，波形會發生失真[6]。

對于信道的頻率相關特性，主要采用多根線狀譜同時發送測試法，即在發送端發送周期性信號，在接收端利用周期信號在頻域上為一系列獨立單頻譜線的特性，對接收信號進行FFT變換，即可得到每根獨立譜線的幅度，根據譜線的幅度信息可以計算各單頻之間的頻率相關系數。通常，工程上頻率相關系數達到0.5以下即可獲得較好的分集效果。因此，本文將頻率相關系數值小于0.5的最小頻率間隔定義為工程頻率分集距離。90%時間概率的使頻率相關系數小于0.5的頻率間隔下限即為90%時間概率的頻率分集距離。

2 VHF頻段通信信道測試平臺

VHF頻段通信信道測試平臺由2個端站組成，工作在點對點、單發單收狀態。該系統框圖如圖1所示，主要由信道測試終端、監控及數據處理計算機（安裝信道測試軟件）、固態功率放大器以及天線及架設設備等主要設備組成。

信道測試終端包含不同測試模式的基帶信號產生單元、監控接口模塊、收發信機單元和接收信號處理單元等。其中，基帶信號產生單元根據不同測試模式要求，產生零中頻的測試信號；收發信機單元中的發信機將信道測試終端輸出的零中頻信號經過I/Q調制、變頻、濾波和放大，無失真地搬移到信號傳輸所需的射頻頻率；收信機則將從天線接收的射頻信號通過低噪聲放大器、下變頻器和中放AGC等對信號進行放大、濾波和變頻，輸出中頻信號至接收信號處理單元；接收信號處理單元根據不同測試模式，完成中頻信號的檢測，并將信道測試數據通過監控接口傳送至監控及數據處理計算機。

值得注意的是，本系統發信機和收信機均采用了超外差二次變頻方式。其中，通過提高混頻器的線性，合理布局減小本振之間的串擾，以避免組合干擾直接落入高中頻內或輸出頻帶內，在射頻出口端接窄帶帶通濾波器濾除組合干擾，完成了發信機設計；為保證鏡像抑制，通過在低噪聲放大器前級兩級低噪聲放大管級間接入濾波器來實現對鏡頻的抑制，完成了收信機設計。

監控及數據處理計算機安裝了監控及數據統計軟件，該軟件為自主研發，可兼容國產操作系統，界面簡明清晰、功能完備，除可顯示設備工作狀態、修改設備參數外，具備現場短時數據實時顯示及短時（5 /10 min）統計結果顯示功能，還能將測試數據完整地存儲在計算機中，用于后續的大量統計分析。

固態功率放大器由功率放大電路、冷卻單元、控制保護電路和供電電源4部分組成，完成對發信機輸出信號的放大，為發射天線提供額定的功率電平，具有功率調節及告警指示功能。

綜合考慮設備的可操作性和維修性，信道測試終端及固態功率放大器采用后面板出線，前面板安裝把手、監控面板及操作按鍵，各功能板卡采取統一結構化設計，每一板卡單元功能獨立，同種類型板卡單元可以互換，板卡間連線采用快速插拔式連接器連接，便于進行拆裝、維修和調試。

天線采用八木天線，天線支架可手動調整高度，進而減小架設周圍環境對天線的影響。為增強天線的環境適應性和可靠性，對天線饋源裝置進行了有效的密封性設計，從而保持內部干燥，防止天線在野外環境下由于進水而降低性能或失效。

3信道測試及統計分析

綜合考慮數據的遍歷性及試驗的復雜度，利用2套VHF信道測試系統，重點針對我國西部、中部和東部地區，選取了數十條不同距離的通信鏈路開展了覆蓋春、夏、冬3季的信道測試野外試驗，完成了對傳輸損耗及衰落特性、多徑特性和頻率相關特性的測試，最終獲得大量實測數據（其數據量可達數千萬條），并通過統計分析，較全面得出了VHF通信信道資源統計特性。

分析數據可以得出，起伏地形、圓頂單峰、楔形單峰及多峰地形條件下的100 km以內的通信鏈路上，信道類型主要表現為繞射，信道傳播損耗中值近似Baltika和P1546模型，平均修正量±5 dB；以春季條件下，各接收測試點統計得到的損耗中值為標準，夏季條件下各接收測試點統計得到的衰落中值平均增加1.5dB，冬季條件下各接收測試點統計得到的衰落中值平均減少1.5dB，與距離無關；3個季度條件下，日夜衰落中值差，平均傳播損耗均方差和衰落幅度基本一致，與距離正相關。

100～400 km距離上信道類型以對流層散射為主，偶發大氣波導，整體分鐘級傳輸損耗變化范圍較大，變化范圍約44 dB，主要是由大氣波導出現時接收電平值較高導致。VHF頻段多徑常為有限的離散徑，多徑結構的變化周期在分鐘量級，一般在幾十秒量級。有限帶寬內多頻點傳輸信號存在頻率選擇性衰落。

400～1500 km距離上信道類型多樣，包含對流層散射、流星余跡、電離層散射和Es層等。其中400～800 km距離上，一般以對流層散射信道為主，占比90%以上，接收電平較高；當鏈路超過800 km后，如850 km和1500 km，信道類型以電離層散射信道為主，占比約87%，接收電平較弱，分鐘級中值傳輸損耗變化范圍甚至高達98 dB。電離層散射信道的衰落持續時間大多為幾毫秒量級，小于對流層散射信道幾十毫秒量級的衰落持續時間。同時，電離層散射信道的等待時間明顯小于流星余跡信道的等待時間，流星余跡和Es層信道占比例很低，850 km鏈路偶發分鐘量級的Es層，1 500 km鏈路偶發半小時量級的Es層。

4結束語

在完成VHF通信信道資源測試后，基于各信道資源的統計特性，研究了多模式自適應超視距容中斷伺機通信、多模式多址接入技術等關鍵技術，研制了支持散射、流余和Es層的多模式通信原理樣機，并利用該樣機在我國華北平原、華中丘陵和華南山區等多個區域、20余條鏈路上開展了春、夏、冬3季的通信能力驗證試驗。經試驗表明，該樣機利用電離層散射信道，使日平均等待時間縮短至1～2 min，最長等待時間不大于 3 min；在平原地區可實現最低4 kb/s連續通信，最高傳輸速率可達512 kb/s，具有遠距離近連續傳輸能力；在山區地形下，具有處理天波信號能力，環境適應性強，性能較好，通信效果良好。因此，可滿足不同通信距離要求的通信保障需求。

綜上所述，在同一VHF頻段通信平臺下兼容流星余跡、頻發的對流層大氣波導、長存的對流層散射和Es層等多種信道資源，具有重要的實用價值，但其各類信道資源傳輸特性復雜多樣，研究其各類信道的特性參數對通信系統設計具有重要意義。本文基于VHF頻段通信信道測試平臺，針對不同地域、不同距離，開展了典型周段和典型鏈路的信道測試試驗，較全面地掌握了VHF通信信道統計特性，并據此完成了VHF通信系統設計。經證明，該系統是一種兼容不同通信距離的穩定近連續通信系統，可為相應需求提供通信保障能力。

參考文獻

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