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(zhuǎn)設備即可實現(xiàn)遠程通信，對于保障水面艦艇、潛艇遠海作戰(zhàn)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(shù)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(nèi)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(jīng)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(fā)、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(guān)系.電離層斜向探測可以對數(shù)千千米范圍內(nèi)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(tài)初步評估等提供服務，特別是為現(xiàn)有短波通信服務（對其它科學內(nèi)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(tǒng)（ASFHFCOSS）.ASFHFCOSS是一種多站短波信道探測系統(tǒng)，收發(fā)系統(tǒng)異地，可以一發(fā)多收，實現(xiàn)對大范圍短波信道狀態(tài)的實時監(jiān)測，獲取短波信道的雙時響應、散射函數(shù)（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(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設計

ASFHFCOSS系統(tǒng)主要由數(shù)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(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換（ADC/DAC）模塊、電臺工作模式和頻率控制模塊、全球定位系統(tǒng)（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(huán)（PLL）、計算機（PC）終端和短波電臺組成，系統(tǒng)的收發(fā)時間同步由GPS秒脈沖觸發(fā)實現(xiàn)，同步誤差在10-9數(shù)量級，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.其中，DSP模塊主要負責數(shù)據(jù)的處理和傳輸，包括探測發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)、GPS導航電文數(shù)據(jù)、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(shù)據(jù)采集和數(shù)模轉(zhuǎn)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(chǎn)生一個脈沖供收發(fā)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(zhuǎn)發(fā)；USB模塊負責PC和DSP之間的數(shù)據(jù)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(fā)短波電臺和ADC/DAC提供基準工作頻率源，使收發(fā)頻差低至10-4Hz數(shù)量級；PC終端作為上位機，主要負責整個系統(tǒng)的啟動操作、數(shù)據(jù)發(fā)送與保存、控制電臺命令發(fā)送及狀態(tài)顯示等.短波電臺負責發(fā)送或接收探測信號，與一般的功放模塊沒有差異，采用現(xiàn)有短波電臺的目的主要是節(jié)省成本，縮短系統(tǒng)開發(fā)時間.

圖1 ASFHFCOSS系統(tǒng)框圖

ASFHFCOSS系統(tǒng)設計基于軟件無線電思想，收、發(fā)硬件電路完全相同，通過不同的軟件實現(xiàn)發(fā)和收的功能，采用脈沖壓縮技術(shù)和相干多普勒積分可以使發(fā)射功率比傳統(tǒng)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(fā)射功率.系統(tǒng)可在3～30MHz頻段對短波信道進行掃頻探測，其頻率步進可調(diào)，最小為電臺的最小步進.系統(tǒng)啟動前，待發(fā)送數(shù)據(jù)以WAVE格式存儲在PC中，系統(tǒng)啟動以后，用戶可根據(jù)需要選擇發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)USB模塊實時傳輸給DSP，經(jīng)DA轉(zhuǎn)換后由短波電臺經(jīng)天線發(fā)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(qū)，再由DSP經(jīng)USB實時傳輸?shù)絇C端進行顯示和存儲.在Matlab中，通過編程實現(xiàn)短波信道雙時響應的估計、散射函數(shù)的計算等工作.

1.2 系統(tǒng)軟件設計

ASFHFCOSS系統(tǒng)軟件包括發(fā)送端系統(tǒng)軟件和接收端系統(tǒng)軟件.發(fā)送端和接收端系統(tǒng)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(qū)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(fā)平臺，用線程實現(xiàn)PC與DSP之間數(shù)據(jù)的實時傳輸；用C語言和匯編語言混合編程開發(fā)的方法在CCS5000平臺上實現(xiàn)DSP端軟件程序的編寫；USB驅(qū)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(fā)環(huán)境中用C語言開發(fā)，通過編譯器編譯生成可執(zhí)行代碼，利用不同的下載器將可執(zhí)行代碼下載到模塊中.

ASFHFCOSS系統(tǒng)數(shù)據(jù)收發(fā)時間長度為50s，由于受到硬件存儲容量限制，數(shù)據(jù)必須實時傳輸?shù)絇C端進行存儲.因此，PC與DSP之間數(shù)據(jù)的實時傳輸軟件采用多線程技術(shù)設計.由于DSP與PC終端之間的數(shù)據(jù)通信采用應答方式的協(xié)議實現(xiàn)，所以線程包括發(fā)數(shù)據(jù)線程和收數(shù)據(jù)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(jīng)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(tǒng)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(tǒng)的數(shù)字信號處理分析

圖3 ASFHFCOSS的數(shù)字信號處理流程圖

ASFHFCOSS的數(shù)字信號處理流程圖如圖3所示.在發(fā)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(diào)制進行頻譜搬移以便其大部分能量都能從發(fā)射機發(fā)射出去，而后由DSP傳輸經(jīng)D/A變換送往短波電臺進行發(fā)射.在接收端，短波電臺接收信號先經(jīng)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(shù)信號.在脈沖壓縮過程中，復數(shù)信號與PN序列的本地復制碼做互相關(guān)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(guān)運算，對得到的自相關(guān)函數(shù)進行快速傅里葉變換（FFT），便可得到信道散射函數(shù)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(guān)運算，得

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

因此，可以用相關(guān)函數(shù)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(guān)函數(shù)為

2 實驗安排與結(jié)果分析

ASFHFCOSS系統(tǒng)是自行研制的，它具有以下幾個特點：1）與傳統(tǒng)斜向探測系統(tǒng)相比，其發(fā)射功率很小，可降低至數(shù)十瓦的量級；2）利用GPS進行收發(fā)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(fā)頻差幾乎為零；4）由于該系統(tǒng)一次探測時間長，發(fā)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(shù)的二維、三維視圖以及等高線圖.因此，ASFHFCOSS系統(tǒng)可以應用于實時短波信道特性研究、短波信道可通狀態(tài)評估和短波無線電頻率管理系統(tǒng)中，為短波通信服務.ASFHFCOSS系統(tǒng)的主要技術(shù)指標如表1所示.

表1 ASFHFCOSS系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)

ASFHFCOSS系統(tǒng)的常規(guī)工作模式是掃頻模式.這里的掃頻是指探測系統(tǒng)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(guān)運算的峰值，因為發(fā)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(shù)指標是這樣的.如果選用帶寬較寬的電臺或自己開發(fā)寬帶調(diào)制、解調(diào)、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(shù)據(jù)的處理結(jié)果來看，能分辨出有兩條及以上路徑的數(shù)據(jù)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(tǒng)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(fā)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(diào)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(nèi)插倍數(shù)為8、5、4，其它參數(shù)見表2所示.從信息論的角度考慮，數(shù)據(jù)速率越高，占據(jù)帶寬越寬.如果數(shù)據(jù)正好占據(jù)整個系統(tǒng)帶寬，這時頻帶利用率最高.從信道傳播特性探測角度看，數(shù)據(jù)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(shù)

圖4所示為根據(jù)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(shù)據(jù)畫出的信道沖擊響應、散射函數(shù)和散射函數(shù)的等高線圖，載波頻率為6.3MHz，數(shù)據(jù)速率為1 000BD.圖5所示為根據(jù)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(shù)據(jù)畫出的信道沖擊響應、散射函數(shù)和散射函數(shù)的等高線圖，載波頻率為6.26MHz，數(shù)據(jù)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(jù)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(xù)，在16～22s這一段時間內(nèi)出現(xiàn)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(shù)中心頻率處所對應的平均時延；D為發(fā)、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(jié)果

圖5 格林威治時間2011年7月22日05時30分探測結(jié)果

3 結(jié) 論

為了給短波通信提供有實用價值的信息，設計并實現(xiàn)了自動掃頻短波信道斜向探測系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的數(shù)字信號處理流程.該系統(tǒng)以GPS秒脈沖為基準實現(xiàn)時間同步，用PLL頻率合成技術(shù)實現(xiàn)頻率同步，利用DSP、CPLD、單片機等實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與發(fā)送硬件終端，搭載短波電臺和計算機；其PC端軟件的開發(fā)用C與C＋＋高級語言實現(xiàn)，DSP和單片機等軟件的開發(fā)用C高級語言和匯編語言混合編程的方法實現(xiàn).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(jié)果進行了分析.分析表明，探測結(jié)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(tǒng)不間斷工作數(shù)日，工作穩(wěn)定，運行良好，能夠滿足探測要求.

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