VHF在超视距和不规则地形条件下多径特性研究

腾潢龙 杨涛

【摘  要】为了摸清VHF信号在陆地不规则地形下的多径特性规律，进行了两种不规则地形的实地测量。首先介绍了多径时延的测试方法、测试设备和原理，选取了郴州和清远两个不规则地形，以m序列为扩频序列码，进行不同气候条件、不同距离的VHF波段的多径时延测量，测算多径时延归一化概率分布和多径时延扩展。经过对数据的记录和分析，得出了多径时延根据地形、气候条件和距离远近的变化趋势情况，为进一步研究不规则地形多径特性提供了参考。

【关键词】多径时延;VHF;m序列;归一化概率分布

1   引言

超短波（VHF，Very High Frequency）又称甚高频，即工作频带在30 MHz到300 MHz的無线电波，波长范围为1 m到10 m。超短波通信的电子对抗性强，视距内传播稳定性强，被广泛用于民航、海事的近距离通信系统中。

超短波的频率特性决定了其以空间波传播方式为主，表面衰减快，传播距离有限，电波容易受到对流层的影响，也受地形、地物的影响很大。但影响到底有多大，受到地表条件多严重的制约，仍缺乏比较准确的模型参考。因此，摸清楚VHF波段在超视距通信条件下的传播模型，将为军用和民用通信网络规划提供非常有益的参考。

2   多径特征测试方法

多径延时是产生频率选择性衰落的重要原因，而且还会造成明显的码间干扰，特别是在传输速率较高时会大幅降低传输效率和通信质量，严重时甚至会造成通信中断。

从定义上看，多径时延可以认为是归一化时延功率谱下降10 dB时的时延宽度。为了表征和测量这一时延宽度，通常采用双边多径时延展宽来描述信道多径时延的大小。其测量技术包括脉冲测量、扩频测量和频域信道测量。经过比较，本文采用扩频信道检测进行多径特征参数的测量，其测量原理如图1所示。

扩频信道检测需要选择扩频序列码，本文选择m序列。并且，本文的测量确定以下的测量指标：

（1）探测信号波形：采用m序列扩频调制信号。

（2）m序列长度可根据最大多径时延测量要求变化，最大4 095，固定码元速率2 Mb/s，可测量1 μs～200 μs多径时延。

（3）接收机的带宽：由于码元速率固定为2 Mb/s，接收机带宽采用2.5 MHz。

（4）发射功率：大于100 W，同时为保证测试可靠性，可扩展至1 000 W功放。

（5）测量门限电平≤-133 dBm。

3   VHF多径特性测试设备

3.1  测试设备

探测设备分为发射机和接收机，采用紧凑的硬件体系架构。发射机主要由发射机主机及功放模块组成，发射机主机包括射频单元、基带单元、电源单元、面板单元、数据处理终端;接收机由射频单元、基带单元、电源单元、面板单元、数据处理终端组成。硬件体系结构如图2、图3所示。

多径时延探测数据精确到个位。测试时，通过多径时延检测统计得到时延功率谱和多径时延均方根值，并统计多径时延功率谱与最大点相比下降10 dB时的多径时延宽度值。现场统计周期为10分钟。后期统计周期为30分钟，数据处理方式与现场统计数据处理方法一致。

3.2  测试原理

多径测试数据记录采用每隔4 s记录一包基带I/Q数据，连续测试180 s，间隔180 s，循环测试1个小时的测试方法，待电平测试结束后，重复上述测试步骤。1小时产生数据包450包，一天产生的数据包为5 400包。

针对多径时延数据，分析时统计一天多径时延分布情况，包括多径时延归一化功率分布、多径时延归一化概率分布、多径时延扩展。

在计算多径时延相关峰时，时间及相位未同步，因此以最大的相关峰为起点计算各径时延，得到的最大多径时延即为多径时延扩展。

4   测试数据及分析

本文选取了两种典型地形：圆顶单峰的郴州和地形起伏的清远。下面分别予以介绍。

4.1  郴州测试

郴州的圆顶单峰地形如图4所示，测试时发射机位于图4左下角，接收机所经的10个测试点依次分布于东部偏北。发射点和各测试点之间有一座海拔900 m的山峰，该山峰与东西两侧的平原地区构成了“圆顶单峰”地貌。

从2016年8月至2017年5月，分阶段对该圆顶单峰地形传播信道参数进行了热季、冷季、温季三个气候条件下的测试。具体如下所述。

（1）以15 km测试点数据为例（如图5和图6）。

距离15 km的测试点测的冷季最大多径时延为4.818 μs，多径时延扩展为4.818 μs;距离15 km的测试点测的热季最大多径时延为4.036 μs，多径时延扩展为4.036 μs;距离15 km的测试点测的温季最大多径时延为4.427 μs，多径时延扩展为4.427 μs。

以上多径时延的判断门限为功率降为最大径的6 dB。

因此，此地形条件下在15 km的距离，冷季6 dB多径时延扩展为4.818 μs，温季6 dB多径时延扩展为4.427 μs，热季6 dB多径时延扩展为4.036 μs。

（2）20 km接收点和30 km接收点的数据

根据测试数据可知，该地形条件下，距离为20 km的冷季6 dB多径时延扩展为5.208 μs;温季6 dB多径时延扩展为5.469 μs;热季6 dB多径时延扩展为5.078 μs。

该地形条件下，距离为30 km的冷季6 dB多径时延扩展为6.25 μs;温季6 dB多径时延扩展为6.38 μs;热季6 dB多径时延扩展为6.51 μs。

当接收信号幅度低于-100 dBm后，无法正确对相关峰进行判断，便不能分析多径时延，如图7所示，测试点40 km、50 km、60 km、70 km、80 km、90 km、100 km处接收电平均低于-100 dBm，故未能进行多径时延分析。

4.2  清远测试

清远测试区域属于山区地形，区域内有一座海拔600 m以上的山峰，多座300 m以上山峰，地势的起伏非常明显，落差大于300 m。测试时，发射点位于图片的上部，测试点从图片上部排列到下面，共10个测试点，如图8所示。

2017年1月11日至1月21日，对本地形传播信道参数进行了冷季测试。所有接收点处的测试时间均为24小时。测试过程中详细记录了频谱环境、天气情况、测试进程等信息。

（1）以10 km为例展示数据（如图9和图10所示）

10 km距离处最大多径时延为5.339 μs，10 dB多径时延扩展为5.339 μs。

（2）其他测试点数据

此地形条件下，10km测试点10 dB多径时延扩展为5.339 μs;20 km测试点10 dB多径时延扩展为6.641 μs;30 km测试点4 dB多径时延扩展为6.380 μs;40 km测试点6 dB多径时延扩展为6.12 μs;50 km测试点6 dB多径时延扩展6.12 μs。

当接收信号幅度低于-100 dBm后，无法正确对相关峰进行判断，不能分析多径时延。测试点60 km、70 km、80 km、90 km、100 km处接收电平均低于-100 dBm，故无法进行多径时延分析。

5   结束语

为了弄清楚VHF波段在陆上超视距条件下典型地貌的传播特性，本文选取了郴州、清遠的两种地形（圆顶单峰、山区起伏）进行多径时延的测量。从测试结果上看可以得出如下结论：

（1）本文选取的测试方案和设备是有效的，能够承担这个测试任务。

（2）郴州测试显示，随着温度的升高，多径时延有所下降;郴州和清远测试都显示多径时延随着传输距离的增加而扩大。

（3）清远山区地貌比郴州圆顶单峰地貌的地形更复杂，但因为发射点附近山峰高度不是太高，信号的多径时延测试可以做的比郴州更远。但也因为山区地貌的复杂性，清远测试的多径时延随距离增大呈现快速扩大的趋势。

（4）圆顶单峰地貌对信号的阻隔更严重，导致30 km以后的测试无法完成。

（5）多径时延扩频探测受环境噪声影响大，后续有待选择更好的测试环境做进一步的探测和分析。

参考文献：

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