劉月亮 蔣宇中 張春雷 張 偉

（1.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，湖北 武漢430033；2.海軍91269部隊(duì)，廣東 湛江524088）

引 言

短波通信無(wú)需中轉(zhuǎn)設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，對(duì)于保障水面艦艇、潛艇遠(yuǎn)海作戰(zhàn)指揮通信十分重要.由于短波遠(yuǎn)程通信主要靠電離層反射進(jìn)行，所以，開(kāi)展短波電離層信道傳播特性探測(cè)，研究其傳播特性對(duì)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(dǎo)意義.

地面短波信道探測(cè)方法主要包括斜向探測(cè)、斜向返回探測(cè)、垂直探測(cè)、相干散射探測(cè)和非相干散射探測(cè)等［1］.文獻(xiàn)顯示，國(guó)內(nèi)外研究短波信道探測(cè)的學(xué)者很多，主要采取斜向探測(cè)［2-8］、斜向返回探測(cè)［9-15］和垂直探測(cè)［16］三種探測(cè)方式.其中，短波信道斜向探測(cè)是指高頻無(wú)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(cè)方式，一般地說(shuō)，它的接收點(diǎn)的地面距離是確定可知的［17］.斜向探測(cè)通常采用掃頻方式工作，短波斜向探測(cè)電離圖是電波斜向入射經(jīng)短波信道反射到指定地點(diǎn)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(hào)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(cè)可以對(duì)數(shù)千千米范圍內(nèi)的電離層進(jìn)行探測(cè)與研究.

為了給短波信道傳播特性的初步估計(jì)、短波無(wú)線電頻率管理、短波信道可通狀態(tài)初步評(píng)估等提供服務(wù)，特別是為現(xiàn)有短波通信服務(wù)（對(duì)其它科學(xué)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(cè)手段，設(shè)計(jì)了自動(dòng)掃頻短波信道斜向探測(cè)系統(tǒng)（ASFHFCOSS）.ASFHFCOSS是一種多站短波信道探測(cè)系統(tǒng)，收發(fā)系統(tǒng)異地，可以一發(fā)多收，實(shí)現(xiàn)對(duì)大范圍短波信道狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲取短波信道的雙時(shí)響應(yīng)、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(shí)用價(jià)值的信息.

1 ASFHFCOSS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

ASFHFCOSS系統(tǒng)主要由數(shù)字信號(hào)處理（DSP）模塊、復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）時(shí)序控制模塊、模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換（ADC/DAC）模塊、電臺(tái)工作模式和頻率控制模塊、全球定位系統(tǒng)（GPS）接收機(jī)模塊、GPS導(dǎo)航電文接收模塊、通用串行總線（USB）模塊、時(shí)鐘模塊、鎖相環(huán)（PLL）、計(jì)算機(jī)（PC）終端和短波電臺(tái)組成，系統(tǒng)的收發(fā)時(shí)間同步由GPS秒脈沖觸發(fā)實(shí)現(xiàn)，同步誤差在10-9數(shù)量級(jí)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.其中，DSP模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和傳輸，包括探測(cè)發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)、GPS導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)、電臺(tái)控制命令等的傳輸；CPLD時(shí)序控制模塊主要負(fù)責(zé)DSP與USB模塊、GPS導(dǎo)航電文接收模塊、電臺(tái)工作模式和頻率控制模塊之間通信的時(shí)序控制；ADC/DAC模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和數(shù)模轉(zhuǎn)換；GPS模塊主要負(fù)責(zé)接收GPS導(dǎo)航電文，向DSP提供同步脈沖；GPS導(dǎo)航電文接收模塊主要負(fù)責(zé)GPS導(dǎo)航電文的提取和傳輸，并在每分鐘的00秒產(chǎn)生一個(gè)脈沖供收發(fā)同步用；電臺(tái)工作模式和頻率控制模塊負(fù)責(zé)電臺(tái)控制命令的轉(zhuǎn)發(fā)；USB模塊負(fù)責(zé)PC和DSP之間的數(shù)據(jù)傳輸；時(shí)鐘模塊為DSP、單片機(jī)和USB提供工作時(shí)鐘；銣時(shí)鐘和PLL模塊為收發(fā)短波電臺(tái)和ADC/DAC提供基準(zhǔn)工作頻率源，使收發(fā)頻差低至10-4Hz數(shù)量級(jí)；PC終端作為上位機(jī)，主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)操作、數(shù)據(jù)發(fā)送與保存、控制電臺(tái)命令發(fā)送及狀態(tài)顯示等.短波電臺(tái)負(fù)責(zé)發(fā)送或接收探測(cè)信號(hào)，與一般的功放模塊沒(méi)有差異，采用現(xiàn)有短波電臺(tái)的目的主要是節(jié)省成本，縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間.

圖1 ASFHFCOSS系統(tǒng)框圖

ASFHFCOSS系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于軟件無(wú)線電思想，收、發(fā)硬件電路完全相同，通過(guò)不同的軟件實(shí)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(cè)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(duì)短波信道進(jìn)行掃頻探測(cè)，其頻率步進(jìn)可調(diào)，最小為電臺(tái)的最小步進(jìn).系統(tǒng)啟動(dòng)前，待發(fā)送數(shù)據(jù)以WAVE格式存儲(chǔ)在PC中，系統(tǒng)啟動(dòng)以后，用戶(hù)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(shí)時(shí)傳輸給DSP，經(jīng)DA轉(zhuǎn)換后由短波電臺(tái)經(jīng)天線發(fā)射出去.每個(gè)頻率點(diǎn)的散射波由天線接收后，從接收機(jī)串行輸出到ADC進(jìn)行采樣，并實(shí)時(shí)傳輸給DSP，緩存在DSP的片外存儲(chǔ)區(qū)，再由DSP經(jīng)USB實(shí)時(shí)傳輸?shù)絇C端進(jìn)行顯示和存儲(chǔ).在Matlab中，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)短波信道雙時(shí)響應(yīng)的估計(jì)、散射函數(shù)的計(jì)算等工作.

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(dǎo)航電文的接收模塊軟件、USB驅(qū)動(dòng)軟件、電臺(tái)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(kāi)發(fā)平臺(tái)，用線程實(shí)現(xiàn)PC與DSP之間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸；用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程開(kāi)發(fā)的方法在CCS5000平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)DSP端軟件程序的編寫(xiě)；USB驅(qū)動(dòng)軟件、GPS導(dǎo)航電文的接收模塊軟件、電臺(tái)工作模式和頻率控制模塊軟件在Keil C51開(kāi)發(fā)環(huán)境中用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，通過(guò)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(shí)間長(zhǎng)度為50s，由于受到硬件存儲(chǔ)容量限制，數(shù)據(jù)必須實(shí)時(shí)傳輸?shù)絇C端進(jìn)行存儲(chǔ).因此，PC與DSP之間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸軟件采用多線程技術(shù)設(shè)計(jì).由于DSP與PC終端之間的數(shù)據(jù)通信采用應(yīng)答方式的協(xié)議實(shí)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(jìn)行同步［13］：一是當(dāng)多個(gè)線程訪問(wèn)共享資源而不使資源被破壞時(shí)；二是當(dāng)一個(gè)線程需要將某個(gè)任務(wù)已經(jīng)完成的情況通知另一個(gè)或多個(gè)線程時(shí).本文屬于第二種情況，通過(guò)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(shè)計(jì)請(qǐng)參閱作者的其它文獻(xiàn)［18-19］.

圖2 線程工作算法流程圖

1.3 系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理分析

圖3 ASFHFCOSS的數(shù)字信號(hào)處理流程圖

ASFHFCOSS的數(shù)字信號(hào)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(fù)幾次，再進(jìn)行插值將其頻譜進(jìn)行壓縮（把此時(shí)的序列記為PN序列），然后通過(guò)調(diào)制進(jìn)行頻譜搬移以便其大部分能量都能從發(fā)射機(jī)發(fā)射出去，而后由DSP傳輸經(jīng)D/A變換送往短波電臺(tái)進(jìn)行發(fā)射.在接收端，短波電臺(tái)接收信號(hào)先經(jīng)A/D變換后由DSP傳給PC.在進(jìn)行脈沖壓縮之前，通過(guò)下變頻得到由I（同相）路和Q（正交）路信號(hào)組成的復(fù)數(shù)信號(hào).在脈沖壓縮過(guò)程中，復(fù)數(shù)信號(hào)與PN序列的本地復(fù)制碼做互相關(guān)運(yùn)算，即可得到短波信道沖擊響應(yīng)的估計(jì)值（τ，n），在對(duì)其在時(shí)間軸n上作自相關(guān)運(yùn)算，對(duì)得到的自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT），便可得到信道散射函數(shù)S（τ，fd）.設(shè)上變頻之后的信號(hào)為

式中x（τ）表示PN序列.將信號(hào)s（τ）與短波信道沖擊響應(yīng)相卷積后就得到了接收信號(hào)，將接收信號(hào)下變頻后得

式中：＊表示卷積運(yùn)算；h（τ，n）為短波信道的沖擊響應(yīng).將rd（τ）與x（τ）的本地復(fù)制碼作相關(guān)運(yùn)算，得

式中?表示相關(guān)運(yùn)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(jì)信道的沖擊響應(yīng)h（τ，n），即

則沖激響應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)為

2 實(shí)驗(yàn)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(gè)特點(diǎn)：1）與傳統(tǒng)斜向探測(cè)系統(tǒng)相比，其發(fā)射功率很小，可降低至數(shù)十瓦的量級(jí)；2）利用GPS進(jìn)行收發(fā)時(shí)間同步，具有較高的精度；3）采用銣時(shí)鐘和PLL為短波電臺(tái)和ADC/DAC提供基準(zhǔn)工作頻率，收發(fā)頻差幾乎為零；4）由于該系統(tǒng)一次探測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，發(fā)送序列可以設(shè)計(jì)為長(zhǎng)度較長(zhǎng)的m序列的幾個(gè)周期重復(fù)，在接收端信號(hào)處理時(shí)利用m序列的周期性，可獲取短波信道沖擊響應(yīng)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(yīng)用于實(shí)時(shí)短波信道特性研究、短波信道可通狀態(tài)評(píng)估和短波無(wú)線電頻率管理系統(tǒng)中，為短波通信服務(wù).ASFHFCOSS系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)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(cè)系統(tǒng)中的短波電臺(tái)在離散的頻點(diǎn)上跳動(dòng)工作，與其它探測(cè)設(shè)備的快速掃頻工作不同.表1中的“一次探測(cè)時(shí)間”指的是一個(gè)頻點(diǎn)的工作時(shí)間，之所以采用這么長(zhǎng)的探測(cè)時(shí)間，是為了提高相關(guān)運(yùn)算的峰值，因?yàn)榘l(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(shí)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(tái).因?yàn)槟壳八捎玫碾娕_(tái)帶寬較窄，所以技術(shù)指標(biāo)是這樣的.如果選用帶寬較寬的電臺(tái)或自己開(kāi)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(huì)相應(yīng)提高.從對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)的處理結(jié)果來(lái)看，能分辨出有兩條及以上路徑的數(shù)據(jù)中，各路徑的時(shí)延差都在1ms以上.

2011年7月20日至22日于湖北武漢（30°35′N(xiāo)，114°14′E）和河南商丘（34°24′N(xiāo)，115°37′E）利用 ASFHFCOSS系統(tǒng)自動(dòng)掃頻模式采用三種不同速率信號(hào)進(jìn)行了為期三天的短波信道探測(cè)實(shí)驗(yàn)，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(cè)信號(hào)為m序列調(diào)制的二進(jìn)制移相鍵控（BPSK）信號(hào)，三種速率信號(hào)序列重復(fù)周期分別為3、5、6，內(nèi)插倍數(shù)為8、5、4，其它參數(shù)見(jiàn)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(gè)系統(tǒng)帶寬，這時(shí)頻帶利用率最高.從信道傳播特性探測(cè)角度看，數(shù)據(jù)速率越高，群路徑的分辨率也越高.所以，實(shí)驗(yàn)時(shí)采用了三種速率信號(hào).

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖4所示為根據(jù)格林威治時(shí)間2011年7月20日12時(shí)19分短波信道探測(cè)實(shí)驗(yàn)中采集的數(shù)據(jù)畫(huà)出的信道沖擊響應(yīng)、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(shí)間2011年7月22日05時(shí)30分短波信道探測(cè)實(shí)驗(yàn)中采集的數(shù)據(jù)畫(huà)出的信道沖擊響應(yīng)、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(hào)傳播路徑只有一條，其平均延時(shí)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(hào)是由F2層反射下來(lái)的.從圖4（a）可以看出：估計(jì)得到的信道沖擊響應(yīng)并不連續(xù)，在16～22s這一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)中斷，這可能是由于信道中噪聲過(guò)大，導(dǎo)致信號(hào)傳播中斷，這也說(shuō)明短波信道是時(shí)變信道.

從圖5可以看出：信號(hào)傳播路徑有兩條，其平均延時(shí)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(yīng)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(yīng)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(duì)應(yīng)的平均時(shí)延；D為發(fā)、收兩地的直線距離.

圖4 格林威治時(shí)間2011年7月20日12時(shí)19分探測(cè)結(jié)果

圖5 格林威治時(shí)間2011年7月22日05時(shí)30分探測(cè)結(jié)果

3 結(jié) 論

為了給短波通信提供有實(shí)用價(jià)值的信息，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)掃頻短波信道斜向探測(cè)系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理流程.該系統(tǒng)以GPS秒脈沖為基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，用PLL頻率合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻率同步，利用DSP、CPLD、單片機(jī)等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與發(fā)送硬件終端，搭載短波電臺(tái)和計(jì)算機(jī)；其PC端軟件的開(kāi)發(fā)用C與C＋＋高級(jí)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，DSP和單片機(jī)等軟件的開(kāi)發(fā)用C高級(jí)語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程的方法實(shí)現(xiàn).進(jìn)行了武漢和商丘之間的短波信道斜向探測(cè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析.分析表明，探測(cè)結(jié)果能夠提供研究短波信道特性所需的信息.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)不間斷工作數(shù)日，工作穩(wěn)定，運(yùn)行良好，能夠滿足探測(cè)要求.

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