VHF通信信道资源测试及统计特性分析

温亚萍

摘要：VHF通信信道资源丰富，同一通信平台兼容多种信道资源可有效提升系统的通信能力。为指导兼容多种信道资源的通信系统设计，本文针对不同地域、不同距离，选取了数十条链路开展了典型周段的VHF频段信道测试试验，并以概率统计的方法对大量实测数据进行了统计分析，较全面地得出了VHF通信信道资源的统计特性，进而可指导通信系统设计。

关键词：VHF；信道测试；特性分析

中图分类号：TN926.4文献标志码：A文章编号：1008-1739（2022）15-49-4

0引言

VHF通信信道资源丰富，其中包括流星余迹、Es层、电离层散射、对流层散射和大气波导等。从通信的角度来看，在同一VHF频段通信平台上兼容流星余跡、Es层和对流层散射等多种信道资源，不仅可以弥补流星余迹通信等待时间长、VHF电台通信距离短等缺陷，还可拓展单一通信系统的通信距离，增加通信系统的平均信息通过率，提供一种兼容不同通信距离的稳定连续通信方式。

但是，电波在不同的信道资源下接收信号的特性是不同的，例如电波通过对流层散射信道时接收信号表现为单频快衰落，特性近似为瑞利分布、存在微秒级多径以及频率选择性衰落；大气波导信号为较长持续时间（几分钟至二十几小时）的突发信号，信号电平较强，存在多径（数微秒以内）衰落。大气波导信号接收电平比典型散射信号高出10～20 dB，甚至更多[1]。因此，为充分利用这些信道资源达到提升系统通信能力的目的，需要先了解这些信道资源的统计特性。

本文针对VHF通信信道资源，利用VHF频段通信信道测试平台完成了信道测试野外试验，通过数十条通信链路、数千万条实测数据，以概率统计方法找出了这些信道资源的统计特性，最终可指导通信系统设计，达到提升系统通信能力的目的。

1信道参数选择及测量方法

信道一般分为恒参信道和变参信道，恒参信道对信号传输的影响是确定的或者是变化极其缓慢的，变参信道对信号的衰耗和传输时延是随时间变化的[2]。综合考虑后，本文选取传输损耗特性、衰落特性、多径特性和频率相关特性表征信道的统计特性，下面分别介绍这些信道参数的选择理由及测量方法。

①传输损耗特性及衰落特性

信道的传输损耗反映了接收电平的变化规律，是指导通信设备余量设计的重要依据，一般用其中值描述，即50%时间的传输损耗瞬时值超过的值，传输损耗瞬时值计算方法为：

所谓衰落，一般是接收信号电平随时间的随机起伏，是设计接收机跟踪信道参数的依据。衰落分为慢衰落和快衰落，慢衰落是指接收电平在较长时间间隔内的中值波动，主要是由气象条件变化引起的；快衰落是信号在秒至分钟时间间隔内信号的强度变化，与工作频率、通信距离和天线参数等因素有关。传输损耗反映了慢衰落变化的平均参量，衰落速率是指在单位时间内信号电平以正斜率通过某个指定电平的次数，反映了快衰落的快慢程度[3]。

同时，考虑到通信系统自动增益控制的设计需要，一般还会参考衰落深度和平均衰落持续时间。衰落深度的定义是信号中值电平分贝数减去90%时间被接收信号电平超过的电平分贝数。平均衰落持续时间为在取样时间内信号电平低于某一电平的总时间除以电平上的衰落次数[4]。

为获得信道的传输损耗特性及衰落特性，本文通过发送端发送单频信号，接收端利用电平检测单元实现对单频信号的检波，获得接收电平中值，经数据采集后处理得出信道传输损耗、衰落深度、衰落速率和衰落持续时间等统计特性。

②多径特性

通信信号经过信道传输，到达接收端的是经过多条路径传输信号的总和，各条支路接收信号的幅度、相位和时延均不相同，且随机变化，这即为多径效应[5]。

针对信道的多径特性，本文采取直接序列扩频信号匹配滤波测试法，利用其良好的自相关特性，发送端发送周期性的扩频序列，接收端对扩频信号进行解扩处理，达到再现信道多径结构的目的。为便于统计，将多径时延功率谱中与最大点相比下降10 dB时（即多径能量低于主径能量10 dB）的多径时延宽度值定义为最大多径时延展宽。

③频率相关特性

不同频率的信号其电平的衰落可能是不一致的，一般频率间隔越小，相关性越强。掌握信道的频率相关特性，对于设计通信系统是必要的。当信号带宽小于信道的相关带宽时，各频率分量的衰落是基本相关的，因而不会出现明显的频率选择性衰落，波形不会产生严重失真；反之，信号将遭受频率选择性衰落，波形会发生失真[6]。

对于信道的频率相关特性，主要采用多根线状谱同时发送测试法，即在发送端发送周期性信号，在接收端利用周期信号在频域上为一系列独立单频谱线的特性，对接收信号进行FFT变换，即可得到每根独立谱线的幅度，根据谱线的幅度信息可以计算各单频之间的频率相关系数。通常，工程上频率相关系数达到0.5以下即可获得较好的分集效果。因此，本文将频率相关系数值小于0.5的最小频率间隔定义为工程频率分集距离。90%时间概率的使频率相关系数小于0.5的频率间隔下限即为90%时间概率的频率分集距离。

2 VHF频段通信信道测试平台

VHF频段通信信道测试平台由2个端站组成，工作在点对点、单发单收状态。该系统框图如图1所示，主要由信道测试终端、监控及数据处理计算机（安装信道测试软件）、固态功率放大器以及天线及架设设备等主要设备组成。

信道测试终端包含不同测试模式的基带信号产生单元、监控接口模块、收发信机单元和接收信号处理单元等。其中，基带信号产生单元根据不同测试模式要求，产生零中频的测试信号；收发信机单元中的发信机将信道测试终端输出的零中频信号经过I/Q调制、变频、滤波和放大，无失真地搬移到信号传输所需的射频频率；收信机则将从天线接收的射频信号通过低噪声放大器、下变频器和中放AGC等对信号进行放大、滤波和变频，输出中频信号至接收信号处理单元；接收信号处理单元根据不同测试模式，完成中频信号的检测，并将信道测试数据通过监控接口传送至监控及数据处理计算机。

值得注意的是，本系统发信机和收信機均采用了超外差二次变频方式。其中，通过提高混频器的线性，合理布局减小本振之间的串扰，以避免组合干扰直接落入高中频内或输出频带内，在射频出口端接窄带带通滤波器滤除组合干扰，完成了发信机设计；为保证镜像抑制，通过在低噪声放大器前级两级低噪声放大管级间接入滤波器来实现对镜频的抑制，完成了收信机设计。

监控及数据处理计算机安装了监控及数据统计软件，该软件为自主研发，可兼容国产操作系统，界面简明清晰、功能完备，除可显示设备工作状态、修改设备参数外，具备现场短时数据实时显示及短时（5 /10 min）统计结果显示功能，还能将测试数据完整地存储在计算机中，用于后续的大量统计分析。

固态功率放大器由功率放大电路、冷却单元、控制保护电路和供电电源4部分组成，完成对发信机输出信号的放大，为发射天线提供额定的功率电平，具有功率调节及告警指示功能。

综合考虑设备的可操作性和维修性，信道测试终端及固态功率放大器采用后面板出线，前面板安装把手、监控面板及操作按键，各功能板卡采取统一结构化设计，每一板卡单元功能独立，同种类型板卡单元可以互换，板卡间连线采用快速插拔式连接器连接，便于进行拆装、维修和调试。

天线采用八木天线，天线支架可手动调整高度，进而减小架设周围环境对天线的影响。为增强天线的环境适应性和可靠性，对天线馈源装置进行了有效的密封性设计，从而保持内部干燥，防止天线在野外环境下由于进水而降低性能或失效。

3信道测试及统计分析

综合考虑数据的遍历性及试验的复杂度，利用2套VHF信道测试系统，重点针对我国西部、中部和东部地区，选取了数十条不同距离的通信链路开展了覆盖春、夏、冬3季的信道测试野外试验，完成了对传输损耗及衰落特性、多径特性和频率相关特性的测试，最终获得大量实测数据（其数据量可达数千万条），并通过统计分析，较全面得出了VHF通信信道资源统计特性。

分析数据可以得出，起伏地形、圆顶单峰、楔形单峰及多峰地形条件下的100 km以内的通信链路上，信道类型主要表现为绕射，信道传播损耗中值近似Baltika和P1546模型，平均修正量±5 dB；以春季条件下，各接收测试点统计得到的损耗中值为标准，夏季条件下各接收测试点统计得到的衰落中值平均增加1.5dB，冬季条件下各接收测试点统计得到的衰落中值平均减少1.5dB，与距离无关；3个季度条件下，日夜衰落中值差，平均传播损耗均方差和衰落幅度基本一致，与距离正相关。

100～400 km距离上信道类型以对流层散射为主，偶发大气波导，整体分钟级传输损耗变化范围较大，变化范围约44 dB，主要是由大气波导出现时接收电平值较高导致。VHF频段多径常为有限的离散径，多径结构的变化周期在分钟量级，一般在几十秒量级。有限带宽内多频点传输信号存在频率选择性衰落。

400～1500 km距离上信道类型多样，包含对流层散射、流星余迹、电离层散射和Es层等。其中400～800 km距离上，一般以对流层散射信道为主，占比90%以上，接收电平较高；当链路超过800 km后，如850 km和1500 km，信道类型以电离层散射信道为主，占比约87%，接收电平较弱，分钟级中值传输损耗变化范围甚至高达98 dB。电离层散射信道的衰落持续时间大多为几毫秒量级，小于对流层散射信道几十毫秒量级的衰落持续时间。同时，电离层散射信道的等待时间明显小于流星余迹信道的等待时间，流星余迹和Es层信道占比例很低，850 km链路偶发分钟量级的Es层，1 500 km链路偶发半小时量级的Es层。

4结束语

在完成VHF通信信道资源测试后，基于各信道资源的统计特性，研究了多模式自适应超视距容中断伺机通信、多模式多址接入技术等关键技术，研制了支持散射、流余和Es层的多模式通信原理样机，并利用该样机在我国华北平原、华中丘陵和华南山区等多个区域、20余条链路上开展了春、夏、冬3季的通信能力验证试验。经试验表明，该样机利用电离层散射信道，使日平均等待时间缩短至1～2 min，最长等待时间不大于 3 min；在平原地区可实现最低4 kb/s连续通信，最高传输速率可达512 kb/s，具有远距离近连续传输能力；在山区地形下，具有处理天波信号能力，环境适应性强，性能较好，通信效果良好。因此，可满足不同通信距离要求的通信保障需求。

综上所述，在同一VHF频段通信平台下兼容流星余迹、频发的对流层大气波导、长存的对流层散射和Es层等多种信道资源，具有重要的实用价值，但其各类信道资源传输特性复杂多样，研究其各类信道的特性参数对通信系统设计具有重要意义。本文基于VHF频段通信信道测试平台，针对不同地域、不同距离，开展了典型周段和典型链路的信道测试试验，较全面地掌握了VHF通信信道统计特性，并据此完成了VHF通信系统设计。经证明，该系统是一种兼容不同通信距离的稳定近连续通信系统，可为相应需求提供通信保障能力。

参考文献

[1]李志勇，秦建存，梁进波.对流层散射通信工程[M].北京：电子工业出版社，2017.

[2]樊昌信，张甫翊，徐炳祥，等.通信原理[M].北京：国防工业出版社，2003.

[3] SKLAR B.数字通信：基础与应用[M].2版..徐平平，宋铁成，叶芝慧，等，译.北京：电子工业出版社，2005.

[4]中国人民解放军总参谋部通信部.对流层散射远距离通信[M].北京：中国人民解放军战士出版社， 1982.

[5]张涛，刘莹，孙柏昶，等.对流层散射通信及其应用[M].北京：电子工业出版社，2020.

[6]卢坡.弹性散射通信中的速率自适应技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2012.