魯轉(zhuǎn)俠，凡俊梅，柳 文，婁 鵬

(中國電波傳播研究所青島研發(fā)中心電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)重點實驗室，山東 青島 266107)

0 引言

短波信道是一種時變的信道。電離層的運動所引起的多普勒頻移造成了短波信道的頻率擴散，而信道的頻率擴散則產(chǎn)生了接收信號頻譜的擴散，即造成時間選擇性衰落。描述信道時間選擇性衰落特性的參數(shù)較多，但是，最常用的有信號電平幅度衰落的累積分布、衰落率、衰落深度、基本相關(guān)時間、基本不相關(guān)時間、多普勒展寬和相位起伏等，它們對利用短波信道工作的探測系統(tǒng)設(shè)計是特別有意義的。

早在20世紀30年代Ratcliffe等人就開展了有關(guān)于電離層傳播信號衰落特性的研究[1];許多學者已對垂直探測路徑上的電離層衰落特性進行了大量研究[2～4];1965年至20世紀80年代中期，中國電波傳播研究所利用短波授時臺信號及國際通信電臺信號在大圓距離(范圍為700～19602 km)不等的多條電路上進行了短波信道時間選擇性衰落測試實驗[5]，但未進行分模式統(tǒng)計分析，其結(jié)果體現(xiàn)的是混合模式下的整體特性。1995年寧百齊等人[6]對混合模式下短波一跳天波多普勒頻移和展寬開展了研究;近年來，凡俊梅等學者分析了不同傳播模式電波信號的衰落特性[7～9]，研究結(jié)果表明1000 km左右單程電路單跳模式的時域信號幅度衰落并非瑞利分布，亦非正態(tài)分布，但頻域信號幅度衰落滿足正態(tài)分布。

以上研究證明，對于收發(fā)固定的短波斜向探測電路，即使工作頻率相同，同一種傳播模式在不同電離層狀態(tài)下的衰落特性也不相同;而同一電離層條件下，不同傳播模式信號的衰落特性也存在較大差異。

本文在以上研究的基礎(chǔ)上對短波信道的時間選擇性衰落特性開展了進一步的研究，具體分析了六個常用于描述短波信道時間選擇性衰落特性的參數(shù):信號電平幅度衰落的累積分布、衰落深度、衰落率、基本相關(guān)時間、基本不相關(guān)時間和多普勒展寬。

本文針對一組電離層穩(wěn)定狀態(tài)下的試驗數(shù)據(jù)還進行了不同積累時間積累效果(頻譜)的分析。

1 試驗情況及理論分析

1.1 試驗情況

2009年12月本課題組對大圓距離約770 km的斜向探測電路的電離層傳播模式特性的變化進行了觀測。試驗方法為先掃頻探測，獲取固定電路的電離層傳播模式狀態(tài)信息，然后進行長時間固定頻點的連續(xù)觀測。信號形式有調(diào)頻信號和編碼信號兩種，每幀輸出為經(jīng)匹配濾波器處理之后的探測結(jié)果。掃頻探測數(shù)據(jù)可為定頻探測頻譜上傳播模式的識別提供重要參考，定頻探測數(shù)據(jù)不只可獲得固定頻點不同傳播模式的頻譜信息，還能夠獲取不同傳播模式的幅度和相位信息。

1.2 理論分析

(1)幅度衰落的累積分布

短波信道中可用初等函數(shù)來表示的幅度衰落分布，有[10，11]:瑞利分布、正態(tài)分布、威布爾分布、極值分布及指數(shù)分布等，其概率密度函數(shù)分別為:

a)瑞利分布

其中η(大于0)為尺度參數(shù);γ為位置參數(shù);β為形狀參數(shù)。威布爾分布是一種具有廣泛通用性的分布概型，指數(shù)、瑞利、正態(tài)等分布均為威布爾分布中的特例。

(2)衰落深度

通常定義累積分布曲線上90%與10%兩點之間所對應的信號電平之差為衰落深度，其可充分地反映信號幅度衰落變化的范圍。衰落深度與電路距離、電路地理位置、工作頻率和工作時間等因素有關(guān)。

(3)衰落率

衰落率是描述信號電平變化快慢的參量，通常定義單位時間內(nèi)以正(或負)斜率越過中值電平的次數(shù)為衰落率。像衰落深度一樣，衰落率與電路距離、地理位置、工作時間和工作頻率有密切的關(guān)系。

(4)基本相關(guān)時間及不相關(guān)時間

幅度衰落的自相關(guān)分析能較好地反映信號電平隨時間變化的關(guān)聯(lián)程度。

若用S( t)代表信號幅度隨時間變化的函數(shù)，那么信號幅度衰落的自相關(guān)函數(shù)可用R(τ)表示，其由下述關(guān)系式確定:

信號幅度間線性聯(lián)系的密切程度可用相關(guān)系數(shù)描述，其表達式為

式中，mS(t)為信號幅度序列均值。

通常，稱對應于 ρ( τ1)=0.9的時間 τ1為“基本相關(guān)時間”，而稱對應于 ρ( τ2)=1/e的時間 τ2為“基本不相關(guān)時間”，ρ( τM)=0.5所對應的時間 τM為自相關(guān)半徑。它們的物理意義是:在[0，τ1]時間區(qū)間的任一時間間隔上，前后兩時刻的接收信號電平的衰落是基本相關(guān)的，而在[τ2，+∞)時間區(qū)間的任一時間間隔上，前后兩時刻的接收信號電平的衰落是基本不相關(guān)的。

(5)多普勒展寬

多普勒展寬即信道的頻率擴散量，它是反映信道頻率色散的重要參量。從理論上講，信號的多普勒展寬與衰落率成正比，并與基本不相關(guān)時間成反比。因此，當測得信道的時間選擇性衰落的幅度分布和相關(guān)特性時，可用衰落率或基本不相關(guān)時間等統(tǒng)計參數(shù)來對多普勒展寬參數(shù)進行理論估計。

2 試驗數(shù)據(jù)分析及結(jié)果

本文對此次試驗的11組不同頻率(4～13 MHz)、不同時間(11:00～19:00)的定頻試驗數(shù)據(jù)進行了不同傳播模式(E(Es)、F2L、F2OH和F2XH)的時間選擇性衰落特性分析?？紤]到時域(匹配濾波后的結(jié)果)和頻域(對某段時間上的樣本頻譜分析的結(jié)果)不同的信號特性，選取了4組群距離變化較穩(wěn)定的實驗數(shù)據(jù)(如圖1～圖4所示)從時域進行統(tǒng)計。頻域信號提取時，定義最小信噪比為10 dB。時域信號提取時，首先在頻譜圖上搜尋每個傳播模式信號最強的點所在的距離門，然后在時域不同脈沖上提取出該距離門對應的信號幅度。

圖1 10.29 MHz時的實驗數(shù)據(jù)

(1)幅度衰落累積分布特性的分析

多普勒域(頻域)體現(xiàn)的是較長時間的積累效果;時域則不同，是短時的變化特性。因此二者的幅度衰落特性也不盡相同。本文從多普勒域和時域兩方面考慮，結(jié)合以上五種分布類型，分析了不同傳播模式信號的幅度衰落特性。此次試驗數(shù)據(jù)的幅度衰落累積分布特性分析結(jié)果，見表1。

表1 多普勒域不同模式信號幅度累積分布及幅度分布的平均衰落深度

(2)衰落深度和衰落率的分析

衰落深度和衰落率可充分地反映信號幅度衰落變化的范圍及快慢。此次試驗數(shù)據(jù)的衰落深度和衰落率分析結(jié)果，見表2。

表2 時域不同模式信號幅度累積分布及幅度分布的平均衰落深度、衰落率

(3)基本相關(guān)時間及不相關(guān)時間的分析

幅度衰落的自相關(guān)分析能較好地反映信號電平隨時間變化的關(guān)聯(lián)程度。此次試驗數(shù)據(jù)的基本相關(guān)時間及不相關(guān)時間分析結(jié)果，見表3。

表3 不同模式幅度衰落自相關(guān)的特征值

(4)多普勒展寬的分析

分析時，首先對匹配濾波后的數(shù)據(jù)用FFT算法進行多普勒譜分析，其獲得頻譜的多普勒分辨率為0.0186 Hz，時間分辨率為54 s;然后，多普勒展寬D按傳統(tǒng)的均方根寬度定義[11]測量，其中心代表平均的多普勒頻移，表達式為

式中，Bi為頻譜的幅度值，它對應的頻移用fi表示;是平均的多普勒頻移，表達式為

此次試驗數(shù)據(jù)多普勒展寬及多普勒展寬的變化范圍分析結(jié)果，見表4。

表4 不同頻率、不同模式的平均多普勒展寬

(5)不同積累時間頻譜的分析

對匹配濾波后的數(shù)據(jù)采用FFT算法分析獲得的多普勒譜與電離層狀態(tài)、傳播模式及積累時間等因素有關(guān)。這里定義頻譜圖上峰值以下4 dB處無多峰現(xiàn)象就為電離層有效積累，對應的積累時間為有效積累時間。本文對這次試驗數(shù)據(jù)進行了電離層有效積累時間的分析，其中，E(Es)模式最短的有效積累時間約為20 s，電離層狀態(tài)較穩(wěn)定時可達6 min左右(如8.25 MHz定頻數(shù)據(jù)E(Es)模式，如圖5～圖7所示，圖中虛線為峰值以下4 dB位置)。由于試驗期間F層傳播模式群距離變化均較快，根據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果，無法給出關(guān)于有效積累時間的定量描述。

為了進行不同積累時間下的信號幅度比較，這里利用不同積累時間的積累點數(shù)對積累后的頻譜進行了歸一化。對8.25 MHz定頻數(shù)據(jù)E(Es)模式的不同積累時間下幅度的分析結(jié)果，如圖8所示，歸一化后幅度整體趨勢上減小。

圖8 E(Es)模式不同積累時間信號幅度的變化

3 結(jié)語

穩(wěn)定的電離層狀態(tài)是利用短波信道工作的系統(tǒng)實施有效探測的重要條件。通過以上試驗數(shù)據(jù)的分析，可獲得如下對后繼工作具有參考意義的結(jié)論。

(1)幅度衰落特性

不同傳播模式，多普勒域幅度衰落66%較為符合正態(tài)分布(見表1)，時域幅度衰落73%較為符合維布爾分布(見表2)。

(2)衰落深度和衰落率

多普勒域F2層低角模式的衰落深度小于E(Es)模式，但均達10 dB以上。

時域E(Es)模式衰落深度均達10 dB以上;所選8.25 MHz定頻數(shù)據(jù)F2層在等時間間隔的短時樣本中，高角的衰落深度遠小于低角;F2層低角模式衰落率小于E(Es)模式，F(xiàn)2層高角模式衰落率最大。

(3)基本相關(guān)時間及不相關(guān)時間

8.25MHz定頻探測數(shù)據(jù)E(Es)模式的基本相關(guān)時間最長，約達3 min，基本不相關(guān)時間和自相關(guān)半徑也最長，而且自相關(guān)半徑較為接近基本不相關(guān)時間，這主要是由于此組數(shù)據(jù)衰落率較小、電離層較穩(wěn)定的原因。

(4)多普勒展寬

E(Es)模式和F2層低角模式的多普勒展寬及變化范圍沒有明顯的大小之分，但二者基本都大于F2層高角。

(5)不同積累時間積累效果

有效積累時間:不同電離層狀態(tài)下，其有效積累時間也不同，此次試驗最長的有效積累時間約為6 min，最短的只有不到20 s，甚至更短。

積累效果:有效積累時間內(nèi)，積累時間越長，多普勒分辨力越高，信號更加銳化，峰值以下4 dB展寬越小;積累時間大于有效積累時間時，相干性變差，出現(xiàn)明顯的多峰現(xiàn)象，隨著積累時間增長，多峰現(xiàn)象加重，積累效果惡化。

幅度:隨著積累時間增長，歸化后幅度大多數(shù)趨勢上呈整體減小，這與電離層信道狀態(tài)和相關(guān)性有關(guān)。

(6)探測頻率的選擇

本次試驗較低頻率(如 4.365 MHz、4.1 MHz)的探測效果絕大多數(shù)較差，通過此次試驗數(shù)據(jù)的分析，建議利用短波信道工作的系統(tǒng)應盡量選擇模式少、穩(wěn)定的較高頻率。

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