（通信与信息系统专业论文）短波信道传播特性和测量方法研究.pdf

摘要 摘要 对于依靠电离层反射的短波信道而言，电离层的分层结构、电离层多模式 传播和多跳传播、电离层不均匀性和不规则运动，以及电离层的吸收、反射损 耗共网决定了短波信道熬传播特性，使得短波信道的多径爨孪延、衰落、多普勒 频移和多普勒扩展在产生枧理和表现方式上区别于蜂窝售道。黪翦对短波信遵 的研究还不完备，为提高短波通信质量，需对短波信道进行深入研究。 信道测量是研究信道传播特性的有效途径。通过信道测量得到在各种传播 环境下豹实测数据，对大量数据统计分柝，可以找鑫反映传播特性鲢统计参数。 本文首先研究短波信道时延扩展和多普勒扩展参数的测量。通过贫析和仿 真，对比基于扩频滑动相关技术和基于o f d m 频域信道估计技术的信道测量方 法，以及不羼噪声f 1 限对参数测量觞影璃。仿真结果证锈，扩频滑动相关技术 利咫tp n 序歹l j 良好的叁相关性，扶褥获褥较准确的测量结果。两基于o f d m 频域信道估计的信道测量对符号间干扰和载波间干扰敏感。由于两种方法受信 道噪声的影响严重，必须采用相应的噪声抑制措施，因此，本文迸步分析和 比较了不同噪声门限对参数测量酶影响。分折和仿真结果证雳，以对延功率谱 的平均功率为参考门限抑制噪声的处理方法性能较优。 本文研究了短波m i m o 信道的相关性测量。依靠天波传输的短波信道在天 线阉阕遴有蔽、角度扩展不够、散射不充分时的信道衰落相关性，是能否将 m i m o 技术应用于短波通信的关键。本文在单天线参数测壁麴基础上，研究利 用p n 序列优选对做扩频滑动相关和基于m i m o - o f d m 频域信道估计进行信道 相关性测量的方法。分析和仿真结果证明，在最大多径时延小于循环前缀的前 提下，信道估计测量畿获得和扩频潺动相关测量雄确度相当翡信道相关性矩阵。 本文最蜃提出了静短波信道测量的实现方案。采用扩频滑动相关技术对 短波信道典型参数进行测量，研究时延扩展、多普勒扩展等时频色散参数：在 2 x 2 天线阵的配置下利用频域倍道估计测嚣短波m i m o 信道的相关性。分别给 出了测量方案的算法选型，详细分析了测量指标、系统组成、模块功能、实现 方法、数据处理流程，以及基于试验样机的资源评估和可实现性分析。 关键漏：短波，售道传播特性，信遒溺量，扩频滑动相关，频域信道估计 a b s t r a c t a b s t r a c t f o rc o n t e m p o r a r yh fr a d i oc o m m u n i c a t i o ns 羚t e r n st h ei o n o s p h e r i cc h a n n e l e x h i b i t sd i f f e r e n tm u l t i - p a t hd e l a y , f a d e s ，d o p p l e rs p r da n dd o p p l e rs h i f t u n l i k e o t h e rm e d i u m , t h ew a yb yw h i c ht h ei o n o s p h e r ea f f e c t st h et r a n s m i s s i o no fh fr a d i o w a v e si su n i q u ea n dc o m p l i c a t e d 。t h em u l t i p l ei o n i z a t i o nl a y e r sr e s u l ti n m u l t i - m o d ea n dm u l t i - h o p p e di o n o s p h e r i cp r o p a g a t i o n t h eu n s t a f i o n a r yc h a n n e l s t a t ei sd e t e n o r a t e db yt h ei o n o s p h e r i cd i s t u r b a n c ea n dt i m e - v a r y i n ge l e c t r o nd e n s i t y i r r e g u l a r i t i e s 。a d d i t i o n a l l y , s o m eo t h e rp h y s i c a lp h e n o m e n as u c h 童sa t t e n u a t i o n , r e f r a c t i o n , d i f f r a c t i o na n ds c a t t e r i n ga l s op r e v e n tt h ei m p r o v e m e n to nt h ec a p a c i t yo f l a r g ec h a n n e lo nh fl i n k s t h u s , an e e dh a sa r i s e nf o ras y s t e mc a p a b l eo fm e a s u r i n gh fc h a n n e l c h a r a c t e r i s t i c si no r d e rt oi n c r e a s et h ea v a i l a b l ed a t ar a t e so nt h eo e e u l t e n e ea n d m a g n i m d e so ft h e s ep h e n o m e n a e x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t sa l ec o m m o u l yu s e dt o s p e c i f j ，t h ed e t a i l e dc h a r a c t e r i s t i c si nt h e3 - 3 0m h zh fb a n d t h em e a s u r e m e n t s h a v eu s u a l l yb e e nm a d eo v e ra c t u a li o n o s p h e r i cl i n k s ，稔o b t a i no n - t h e - a i rd a t aa n d t oa p p l ys t a t i s t i c a lp r o c e s s i n g t h e s em e a s u r e m e n t sm o s t l ya i mf o rc o m p l e xi m p u l s e r e s p o n s e sb e c a u s et h e ya r ee s s e n t i a lt oc h a r a c t e r i z a t i o no f t h ec h a n n e l f i r s t l y , t h r o u 曲c h a n n e ls o u n d i n g , s o m ec l a s s i cd i s p e r s i o np a r a m e t e r ss u c ha s d e l a y 靼蒯a n dd o p p l e r 雩秣藤a l ee v a l u a t e d t w om e t h o d sa l ep r o p o s e d ：o l l ei s p u l s ec o m p r e s s i o ns o u n d i n gt e c h n i q u eu s i n gp ns e q u e n c ea n dc r o s s c o n e l a t i o n , t h e o t h e ri sb a s e d0 1 1o f d mp i l o t - s y m b o l - a i d e dc h a n n e le s t i m a t i o n p u l s ec o m p r e s s i o n a n dt h ei n t e g r a t i o no f m u l t i p l ep 毽l s 然w i l ly i e l dt y p i c a ls i g n a lp r o c e s s i n gg a i n so f 2 7 d b ( d e p e n d i n go nt h es e q u e n c el e n g t h ) t h ep o 懿i s 磁盘t h ea d v e n to fp n s e q u e n c e sf i n ea u t o c o r r e l a t i o np r o p e r t yt h ep u l s ec o m p r e s s i o nt e c h n i q u e p r o v i d eag o o dr e s i s t a n c ea g a i n s ti n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c ea n dn a r r o w b a n d i n t e r f e r e n c e , w h i c hw o u l ds e v e r e l ya f f e c tt h ep e r f o m a a n c eo f t h es o u n d i n gt e c h n i q u e b a s e do nc h a n n e le s t i m a t i o n o f d mc h a n n e le s t i m a t i o na l s os u f f e r sf r o m i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e h o w e v e r , t h ep e r f o r m a n c e so fb o t hm e t h o d sa r es e n s i t i v e 珏 a b s t r a c t t ow h i t en o i s e s oa w g ns u p p r e s s i o ni s a d o p t e d 4d i f f e r e n tn o i s ef l o o r sa le c a l c u l a t e dt of i l t e rn o i s e t h r o u g ha n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n ，t h en o i s ef l o o r sf i l t e r i n g e f f e c to nb o t hd e l a ya n dd o p p l e rd i s p e r s i o np a r a m e t e r sa r ec o m p a r e d i ti sp r o v e d t h a tt a k i n gt h em e a np o w e ro fp d pa st h en o i s ef l o o rh a sab e t t e rp e r f o r m a n c e i na d d i t i o n , m i m oi o n o s p h e r i cc h a n n e lm e a s u r e m e n t sd e t e r m i n et h es t a t i s t i c a l m e a s u r eo ft h ee o v a r i a n c eo f4s u b c h a r m e l sw h e nt h ea n t e n n aa r r a yi s2 2 s i n c e t h ed a t ar a t ea v a i l a b l ef o rh fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m si sc o m p a r a t i v e l yl o w , i tw o u l d b ev e r yu s e f u li ft h ec a p a c i t yi m p r o v e m e n t si n h e r e n ti nm i m oc o u l db ee x p l o i t e da t h fa p p l i c a t i o n i no r d e rt oa s s e s st h i sp o s s i b i l i t ya n di no r d e rt og a i ns o m ei n s i g h t i n t ot h eo p t i m u md e s i g no fh fm i m os y s t e m s ，t h es i g n a lc o r r e l a t i o nf o rs p a c e d a n t e n n a so ni o n o s p h e r i cl i n k sa r ee x p l o r e d s i m i l a r l y , t w om e t h o d sa r ep r o p o s e d ： o n ei sp u l s ec o m p r e s s i o ns o u n d i n gu s i n go r t h o g o n a ls e q u e n c e s ，t h eo t h e ri sb a s e do n m l m o - o f d mc h a n n e le s t i m a t i o n u n d e rs o m es p e c i f i cc o n s t r a i n t s ，t h el a t t e rc a n g e ts i m i l a rc o r r e l a t i o nm e 栅e m e n tr e s u l t sw i t ht h ea d v a n t a g eo ft h es i m p l i c i t yo f i m p l e m e n t a t i o n f i n a l l yt h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o np r o j e c to ft h e s o u n d i n gs y s t e m sc u r r e n t l yb e i n gd e v e l o p e d t h es y s t e mw i l lu s ep u l s ec o m p r e s s i o n t e c h n i q u et od e t e r m i n et h ef o l l o w i n gr e a lt i m ec h a n n e lp a r a m e t e r s ：m u l t i p a t h d i s p e r s i o n ，d o p p l e rs h i f ta n dd o p p l e rs p r e a d a n o t h e rs y s t e mw i l lm a k eu s eo f m i m o - o f d mc h a n n e le s t i m a t i o nt os p e c i f yt h ec o v a l i a n c eo f4s u b c h a n n e l so nh f m i m ol i n k s l i m i t a t i o n sa n da c c u r a c yo ft h e s em e a s u r e m e n t sa r ed i s c u s s e d c o n s i d e r i n gt h er e q u i r e m e n t st h a ta r es e tb yc h a n n e lc o n d i t i o na n dt h el i m i t a t i o ns e t b yl a b o r a t o r ym e a s u r e m e n td e v i c e s ，i m p l e m e n t a t i o no ft h et w os y s t e m sb a s e do i l f p g aa n dd s pi sp r e s e n t e dr e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：h f , i o n o s p h e r i cp r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，c h a n n e lm e a s u r e m e n t s ， p u l s ec o m p r e s s i o n ，c h a n n e le s t i m a t i o n 图目录 图圈录 睡3 1 p o o rc o n d i t i o n 信道的对延功率谱( 扩频滑动相关测量) 2 8 图3 - 2 p o o rc o n d i t i o n 信道的时延功率谱( 频域信道估计测量) 2 9 图3 - 3 “f l u t t e rf a d i n g 信道的时延功率谱( 扩频滑动相关测萋) 3 0 巨3 叠 f l u t t e rf a d i n g 傣道戆辩延功率谱( 频域信道馋计测量) 3 1 图3 5 p o o rc o n d i t i o n 信道的多普勒功率谱( 扩频滑动相关测量) 3 5 图3 - 6 p o o rc o n d i t i o n ”信道的多普勒功率谱( 频域信道估计测量) 。3 6 图3 - 7 f l u t t e rf a d i n g 信道的多普勒功率谱( 扩额滑动相关测量) 。3 7 图3 8 f l u t t e rf a d i n g 傣遘的多普勒功率谱( 频域信道 砉计溅量) 3 8 图4 _ l 信道测量的梳状导频图案4 6 图4 - 2 信道测量的块状导频图案4 7 图辱0 基于扩频滑动糖关溅量的m i m o 信道协方差阵m s e 。4 9 图4 4 基于o f d m 频域信道估计的m 删o 信道协方差阵m s e 5 0 图5 1 试验样机基带处理单元结构框图5 2 图5 - 2 短波信道典型参数测复方案发端框图5 3 图5 3 联序列声生器。5 4 图5 _ 4 发射序列结构图5 5 图5 5 短波信道典型参数测量方案收端框图5 6 图5 - 6 数字下交频模块一5 7 图5 - 7 滑动相关器5 9 图5 - 8 短波信道典型参数测量数据处理流程图6 l 图5 - 9 短波m 玎垤o 信道相关性测爱方案发端框图6 2 图5 1 0 短波m i m o 信道相关性测量方案收瑞框匿6 3 图5 1 l 短波m i m o 信道相关性测量数搌处理流程图6 5 v i 表目录 表目录 表2 1 电离层分层结构8 表2 2 短波信道衰落类型l l 表3 1 静态信道循琢相关测量的仿真绪采1 9 表3 - 2 瑞利信道循环相关测量的仿真结果1 9 表3 3r r u rr e c o m m e n d a t i o n5 2 0 仿真衰落信道参数一2 4 表3 4 扩频滑动相关和o 国m 频域信道估计的信道测量指标。2 5 表3 - 5 p o o rc o n d i t i o n ”傣道赂5 鹅黯廷扩展的仿寞测量结果弱 表3 石 p o o rc o n d i t i o n 信道s n i 峰- 5 d b 平均附加时延的仿真测量结果2 6 表3 7 p o o rc o n d i t i o n ”信道| s m 净1 0 d b 时延扩展的仿真测量结果。2 6 表3 8 p o o rc o n d i t i o n ”信道s n r - - 1 0 d b 平均附热时延的仿真测量结果。2 了 表3 - 9 “f l u t t e rf a d i n g ”信遂5 嬲婷5 d b 时延扩展的仿真测量结果辨 表3 1 0 “f l u t t e rf a d i n g ”信道s n r - - 5 c l b 平均附加时延的仿真测量结果2 7 表3 11 “f l u t t e rf a d i n g 信道s n r = 1 0 d b 时延扩展的仿真测量结果2 7 表3 1 2 “f l u t t e r 甄融岔 骞遒s n r = 1 0 d b 平均瓣翔对延的仿真测量结莱2 7 袭3 1 3 p o o rc o n d i t i o n ”信道s n r = - 5 d b 多普勃扩展的仿真测量结果3 2 表3 1 4 “p o o rc o n d i t i o n 倍道s n r = 5 d b 最大多普勒频移的仿真测量结果3 3 表3 1 5 p o o rc o n d i t i o n 信道s n r = 1 0 d b 多普勒扩展的仿真测量结果3 3 表3 1 6 p o o rc o n d i t i o n 信道s n - 1 0 d b 最大多普勒频移的仿真测量结果3 3 表3 1 7 “f l u t t e rf a d i n g 信道s n r - - 5 d b 多普勒扩展的仿真测量结果3 3 表3 1 8 “f l u t t e rf a d i n g 信道豁理净5 d b 最大多普勒频移的仿真测量结果3 3 表3 1 9 “f l u t t e r 氖融g 信道s n r = 1 0 d b 多普勒扩展盼仿真测量结果3 3 表3 2 0 “f l u t t e rf a d i n g 信道s n r = 1 0 d b 最大多普勒频移的仿真测量结果3 4 表3 2 1 p o o rc o n d i t i o n ”信道s n r = 5 d b 瞬时冲激响应的仿真测量结果3 4 表3 - 2 2 p o o rc o n d i t i o n ”信道s n r = 1 0 d b 瞬时冲激响应的仿真测量结果3 4 袁3 - 2 3 “f l u t t e rf a d i n g ”信道s n r = 5 d b 瞬时冲激确应的仿真溅量结果3 4 表3 - 2 4 “f l u t t e rf a d i n g ”傣道s n r = 1 0 d b 瞬时冲激响应的仿真测量结果3 4 袭4 - 1m i m o 信道相关系数4 8 v 表目录 袭4 - 2m i m o 子信遴参数 p o o rc o n d i t i o n ”信道。4 9 袭5 1 短波傣道典型参数测量冬选方寰5 4 袭5 2 短波m i m o 信道相关性测量方案基本参数6 3 表5 3 短波信道测麓方案d s p 资源估计6 6 v i 缩略字表 a w g n c p d 盯 d p s f f t i c i d f r 球h i s i n u m 驷m o m s e o f d 轰莲 p d p l 蝴s s n r 缩略字表 a d d i t i v e 州t eg a u s s i a nn o i s e c y c l i cp r e f i x d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n u n i o n m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t m e a ns q u a r ee r r o r o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x p o w e rd e l a yp r o f i l e r o o tm e a ns q u a r e s i g n a lt on o i s er a t i o i x 加性高斯白噪声 循环前缀 离散傅立叶变换 多普勒功率谱 快速傅立叶变换 载波间干扰 离散傅立叶逆交换 快速傅立叶逆变换 符号闯干扰 国际电信联盟 多输入多输出 均方误差 正交频分复用 功率时延谱 均方根 信号噪声比 符号表 符号表 求数学期望 求方差 求协方差 向避化算符 求相关函数 求以1 0 为底的对数 多普勒频率 多普勒扩展 最大多普勒频率 对延 平均附鸯翳对蘧 蹦s 时延扩展 默序列周麓 p n 序列长发 p n 序列鼹片宽度 测量时长 发射天线数 接收天线数 发射天线发送的信号矢量 接收天线收到的信号矢量 x 蹦州嘶嘶州厶一，f等 r羔鬈是垮x r 符号表 信道矩阵 零均值高斯白噪声矢量 接收天线相关系数阵 发射天线相关系数阵 协方差矩阵 相关系数矩阵 x i r r h n v v c r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 塞 避曼 邑期：妒多年月p 吕 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅拳本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据麾进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：辇醚导师签名虚墨习 日期：j p ，多年j 月，二e l 第一章引言 第一章引言 短波通信罴指利用波长为1 0 m - - - 1 0 0 m ，频率为3 0 m h z , - - 3 m h z 的电磁波进行 的无线电通信。发射电波经电离层反射到达接收设备，通信距离远，是远程通 信豹主要手段。由于电离层懿高度和密度容易受昼夜、季节、气候、太麓活动 等因素的影响，短波通信的稳定性较差，千扰较大。然恧短波这一言老传统的 通信方式仍然受到全世界普遍重视，仍在快速发展，其原因有三： 1 ) 短波是唯一不受网络枢钮和有源巾继体制约的远程通信手段，一但发 生战争藏灾害，备种逶信网络都可麓受到破坏，卫星也可毙受銎；攻击。 无论哪嵇通信方式，其抗毁能力和自主通信能力与短波无可相比； 2 在山区、戈壁、海洋等地区，超短波覆盖不刘，主要依靠短波； 3 ) 与卫星通信相比，短波通信运行成本低【l j 。 近年来，对短波信道传播特性的研究、自适应选频、囱适应均衡及自适应 速率控制等技术取得的一系列成果，使短波通信在克服多径衰落，改善通信质 量，提高频谱剩用率和哥遥率上取褥了突破性进步。鑫适应高速跳频、耋适应 阵列处理捆软件无线电技术大大提嵩了短波通信的抗于扰能力与互联互通性 能。短波通信进入了高质量传输信息的新阶段。 短波通信技术在世界范围内获得了长足进步。这些技术成果理应被中国这 样的短波遥信大国所用。掌握短波癌道传播特性，采用最先进豹无线通信技术 和手段，改造帮充实我国现有的短波透信平台，使容量更大、速率更离、可靠 性更强、保密性更好，满足新时代各项工作的需要，无疑是非常有意义的。 l 。1 研究背景 1 1 1 短波通信的特点 1 1 1 1 电离层反射 短波传播主要有两种形式，地波和天波。 l 电子科技大学硕+ 学位论文 地波传播的特点是波在行进过程中受地表面导电率盯和相对介电常数s 影 响产生衰减。一般仃和g 愈大，损耗愈小，因此在海上地波传输的距离将比陆 地传输远。地波传输的损耗将随频率的升高而增大，即使是在频率较低的短波 频段，发射功率不是特别大时，传输距离也只能达到几十千米。 天波是依靠电离层的一次或者多次反射而实现远距离传输的，因此电离层 反射传播是短波通信的主要方式。电离层的结构、特性、变化规律对短波通信 系统的构成、信号形式、调制样式、处理方式及应用范围都有重大影响。 电离层是地球高层大气的一部分，从离地面5 0 k m 开始一直延伸到约 1 0 0 0 k m 的高度。在此区域内存在着大量的自由电子和离子，它们能使无线电 波改变速度，发生折射，反射和散射，产生极化面旋转并吸收能量。大气的电 离层主要由太阳辐射中的紫外线和x 射线所引起，太阳高能带电粒子和银河宇 宙射线也对大气电离层产生重要影响。由于大气辐射穿透电离层不同区域的能 力不同，以及太阳辐射的昼夜、季节变化，使电离层按电子密度不同和经纬度 上存在的明显差异，形成了不同的密度层。 根据无线电波在电离层中的传播理论，频率较高的无线电波要从电子密度 较高的电离层才能反射回地面，并且能否反射还与入射角有关。因此，不同频 率的无线电波传输的路径不同，相应的地面传输距离也不同；频率太高会穿透 电离层而不能返回地面；频率太低会因为损耗太大而不能保证通信质量。即存 在最大可用频率和最低可用频率，只有处在它们之间的频率以一定的角度入射 才能正常工作。在距发射机不太远的一个环型区域内，由于入射角太大，天波 不能返回，而地波又因为距离太远达不到，从而形成所谓的寂静区。 电离层的电子和离子密度在空间各处也不相同，这种不均匀会造成无线电 波的多路径、衰落、相位起伏、多普勒频移等不利影响。但是问题的严重性并 不仅限于此。影响电离层的因素并不都具有确定的严格的规律，太阳耀斑等电 离源的突变、非平衡动力学过程、不稳定的磁流动力学过程，以及地面核试验、 高空核试验、大功率短波雷达加热等自然和人为的因素都会引起电离层的突然 扰动。这些有规律的或随机的、突发式的变化都将严重的影响短波的传输，甚 至中断通信。 总的说来，短波通信是一种在时域、频域、空域上都有变化的色散信道， 2 第一章引育 这种信道的不稳定性使短波具有频带窄、容量小、速率低、相互干扰严重的特 点。 1 1 1 2 通信距离远 利用天波传播，短波单次反射的最大地面距离可达4 0 0 0 k m ，多次反射可 达上万千米，甚至于徽繇球传播。蒋剩在低纬度缝嚣，短波通信的可燎频段变 宽，最高可用频率较高，受离子沉降事件和地磁暴蛉影响较小。另外在驻辨使 领馆、极地考察和远洋航天测量岸船通信中，短波通信也得到了广泛魔用。 1 1 1 3 顽存性强 短波通信设备目标小，架设容易，机动性强，不易被摧毁，即使遭到破坏 也容易恢复更换。又由予造价低，可以大蒸安装，所以羲存性强。 重差。l 焉信道攘揍 短波波段信道拥挤，频带窄。在这一频段有大量的民用电台释军用电台， 频带干扰严重。 1 1 1 。5 天线匹配困难 短波频段从3 m h z , - - 3 0 m h z ，相应的波长为1 0 0 m , , - 1 0 m ，覆盖了多个倍频程， 研制离效宽带的天线以满足高速全波段跳频，并保证良好的阻抗匹配有困难 f l 辩l o 1 1 2 短波信道传播特性和测量方法研究的发震历程 囱19 0 1 年m a r c o n i 成功进行了无线电波横跨大西洋的试验后， a p p l e t o n 昶b r e i t 等人叉予1 9 2 4 年剩用无线毫渡探测酌方法证实了亳离层的存在。 1 9 2 6 年，t a y l o r 帮h u l b u r t 接述了电离层隧季节变化，受纬度影响帮毫场 特性等规律，同时攒述了跳的距离和环球传播。 s i d n e yc h a p m a n 是早期电离层研究的最杰出科学家之一，1 9 3 1 年发表了一 篇论文分析电离层构成。 l a r m o r e ，l o r e n t z ，a p p l e t o n 和h a r t r e e 等人提供了在磁离子媒质巾电波传 输翡清晰解释。a p p l e t o n 和h a r t r e e 最先分祈了蟊由毫子在外麓电磁场和地磁场 3 电子科技人学硕+ 学位论文 作用下的运动，包括考虑电子与其他粒子碰撞的影响，进而分析了电子的这种 运动所产生的二次电磁场，从而得出了电离层对无线电波的复折射指数的公式， 建立了磁离子理论。上述公式被称为a p p l e t o n h a r t r e e 方程，又称色散方程【3 i 4 1 。 从发现电离层到上世纪5 0 年代中期的三十年间，围绕短波远距离通信， 开展了大量的有关电离层探测与电波传播特性的研究工作。特别是二战后，在 全球建立的垂直探测站网已具有相当规模。随着火箭、人造地球卫星的应用， 电离层特性的直接测量得到发展。1 9 6 2 年开始，又将地面垂直探测的方法应用 到卫星上，开展顶部电离层探测。 2 0 世纪5 0 年代初人们又利用电离层的天波后向散射传播机制开发出了斜 向探测电离层的方法。这种斜向返回探测系统曾被广泛用于电离层探测和短波 信道的测量【5 】【6 】。 1 9 7 0 年w a t t e r s o n 在i e e e 上发表了一篇关于短波信道建模的文章，后被国 际电信联盟( c c m ，现为i t u ) 推荐使用，成为了窄带短波信道的经典模型【7 1 。 文中w a t t e r s o n 采用了一种时频域混合的短波信道测量方法对其提出的信道模 型和参数加以验证。 1 9 8 2 年c c i r 公布了关于短波传播的系列报告，为短波通信系统的设计提 供了基本依据。1 9 8 6 年c c i r 出版了关于短波传输影响因素的所谓绿皮书和关 于在短波频段内的场强预测方法。1 9 8 7 年m a s l i n 出版了一本短波系统应用的 专著【引。 从2 0 世纪8 0 年代后期开始，人们对宽带短波通信产生了浓厚的兴趣。美 国的海军研究实验室( n r l ) 以w a g n e r 为首的科学家在1 9 8 3 1 9 8 9 年间作了 大量的宽带( 2 5 0 k h z 和1 m h z ) 短波传播的测试实验【9 】【10 1 。 2 0 世纪9 0 代初英国国防研究机构开发了一套名为d a m s o n ( d o p p l e r a n d m u l t i p a t hs o u n d i n gn e t w o r k ) 的短波信道测量系统，并同加拿大、挪威、瑞典 等国在高纬度地区做了大量测试实验【l i 】【1 2 j 。 1 2 本文主要工作 短波信道有着独特的电波传播机制，复杂的信道传播特性，对短波通信的 4 第一章引言 研究国内外差距较大，耪关文献瓷料缀少，特别是将m i m o 技术应用于短波通 信还少见报道。本文将对短波信道传播特性的研究和无线信道测量技术相结合， 研究了用于短波信遒的信道测量方法，针对不同的测量要求和应用场景完成了 多今测量方案的设计。一是在我国其俸的传播环境和气候条捧下对长距离矮波 信道的时频色散参数进行测量；二是是针对短波通信中m i m o 信道衰落相关性 的测量。 论文主要完成了以下工作： 1 ) 研究短波信道时延扩展和多普勒扩展等典型参数的测量。通过分析和 铸真，对琵基于扩频涛动相关穰基于o f d m 频域信道估计的信道测量 方法，以及不同噪声f l 限对参数测量的影响。分柝和仿真结果证嚷， 扩频滑动相关技术由于利用了p n 序列良好的自相关性，从而可以获 得较准确的测量结果。丽基予o f d m 频域信道估计的信道测蓬对符号 阑干扰辩载波闻干扰敏感。瘙于时延扩展和多普勒扩展的测量缝粜会 受到信道加性噪声的影响，必须采用相应的噪声抑制措施，因此，本 文迸一步分析和比较了不同噪声门限对参数测量的影响。分析和仿真 结果证甓，宠短时平均求得时延功率谱，再狱其平均功率为参考秘限 抑制噪声的处理方法性照较优。 2 ) 研究短波m i m o 傣道相关性测量。通过天波传输的短波信道在天线间 间距有限、角度扩展不够、散射不充分时的信道衰落相关性是能甭将 m i m o 技术应用于短波通信的关键。在单天线参数测量的基础上，研 究剩爨p n 序列优选对徽扩频浔动耀关和基予m i m o - o f d m 频域傣道 储计进行信道相关性测量的方法，并在不同信道条件下仿真比较信道 增益协方差矩阵的测量结果。分析和仿真结果证明，在最大多径时延 小于循环薪缀翁蓠提下，信道箔计测量麓获得藕扩频滑动相关测量准 确度相当的协方差矩阵。 3 ) 设计短波信道测量的实现方案。根据算法仿真结果和基于试验样机的 资源评估，采用扩频滑动相关技术对短波信道典型参数进行测量，采 用o f d m 频域信道估计技术对短波m i m o 稽道相关性进行测量，详细 给出了测量方案选型和测量指标，分析了系统组成、模块功能、实现 5 电子科技人学硕十学位论文 方法等。 1 3 论文结构及内容安排 第一章简述了论文工作的研究背景，回顾了短波信道传播特性研究的发展 历程，介绍了本文的主要工作和论文结构。 第二章研究电离层分层结构、电离层多模式传播和依靠电离层反射的短波 信道传播特性。 第三章研究短波信道时频色散参数的测量方法。通过分析和仿真，对比了 基于扩频滑动相关和基于o f d m 频域信道估计的信道测量方法，以及不同噪声 门限对参数测量的影响。 第四章研究短波m i m o 信道相关性的测量方法。分析基于p n 序列优选对 扩频滑动相关和基于m i m o o f d m 频域信道估计的信道相关性测量方法，并 在不同信道条件下仿真比较信道增益协方差矩阵的测量结果。 第五章设计短波信道测量实现方案。分别给出了信道典型参数测量和信道 相关性测量的方案选型、测量指标分析、系统组成、模块功能、实现方法、数 据处理流程，以及基于试验样机的资源评估和可实现性分析。 最后是本文结论及未来研究方向。 6 第二章短波信道的电离层传橘特性研究 第二章短波信道的电离层传播特性研究 对于依靠电离层反射的短波通信而言，主要受制于电离层传播特性。电离 层是分层、不均匀、时变的媒介，所以短波信道属于随机变参信道。短波信道 存在多径、衰落、多普勒频移和多普勒扩展等特性，虽然其它的无线信道也有 类似现象，但这些特性在短波信道中的产生机理、表现方式都有不同。目前对 短波信道的研究还不够完备，其时延、时变特性更依赖于具体的传播环境而具 有不确定性。为满足短波通信高速大容量的需求，必须研究短波信道。 2 1 电离层基本分层特性 电离层位子对流层之上，空气密度稀薄，是由围绕施球、处于不同高度的 三个导电层组成，它们分别是d 层、e 层、f 层。这些导电层对于短波传播具 有重要的影响。表2 1 示出了电离层分层结构，包括各层高度，受太阳辐射影 响在一天中的不同时刻对天波传输的作用珏j 。 从表中可以看出，d 层为吸收层，仅在自天出现，其电子密度不足以反射 短波。电波在穿过d 层时将遭受严重的衰减，频率越低，衰减越大。在d 层中 的衰减量，远大于e 层、f 层。因此，在白天，d 层决定了短波传播的距离以 及为了获得良好的传输所必需的发射机功率和天线增益。 e 层池现在太阳升起时，在中午电离达到最大值，而后逐渐减小，在太阳 降落后，e 层实际土对短波传播不起作用。在电离开始后，e 层可以反射高于 1 5 m h z 频率的电波。 f 层为反射层，高度与一天中某时刻的太阳位置和季节有关，同样在曰问， 冬季高度最低，夏季高度最高。f 层中f l 层只在白天存在，f 2 层主要出现在白 天，但是霞落蘑并不完全消失。夜闻，砭层的残留电离仍然允许传输短波段， 但是能够传输的频率比日间可用频率低许多。由此可以粗略的看出，如果要保 持昼夜短波通信，则其工作频率必须昼夜更换，而且一般情况下，夜间工作频 率低于日间。 7 电子科技大学硕+ 学侮论文 表2