自动扫频短波信道斜向探测系统设计与实现

刘月亮 蒋宇中 张春雷 张 伟

（1.海军工程大学电子工程学院，湖北 武汉430033；2.海军91269部队，广东 湛江524088）

引 言

短波通信无需中转设备即可实现远程通信，对于保障水面舰艇、潜艇远海作战指挥通信十分重要.由于短波远程通信主要靠电离层反射进行，所以，开展短波电离层信道传播特性探测，研究其传播特性对提高下一代短波数字通信装备的性能具有重要的理论指导意义.

地面短波信道探测方法主要包括斜向探测、斜向返回探测、垂直探测、相干散射探测和非相干散射探测等［1］.文献显示，国内外研究短波信道探测的学者很多，主要采取斜向探测［2-8］、斜向返回探测［9-15］和垂直探测［16］三种探测方式.其中，短波信道斜向探测是指高频无线电波入射方向与电离层的等电子浓度面法线成一非零角的传播探测方式，一般地说，它的接收点的地面距离是确定可知的［17］.斜向探测通常采用扫频方式工作，短波斜向探测电离图是电波斜向入射经短波信道反射到指定地点接收的回波记录.这种记录反映了发、收两站之间，斜投射短波信号的频率与信道反射回波的群路径之间的关系.电离层斜向探测可以对数千千米范围内的电离层进行探测与研究.

为了给短波信道传播特性的初步估计、短波无线电频率管理、短波信道可通状态初步评估等提供服务，特别是为现有短波通信服务（对其它科学内容的研究较少涉及），本文力在寻求一种成本较低、性能适中的短波信道传播特性探测手段，设计了自动扫频短波信道斜向探测系统（ASFHFCOSS）.ASFHFCOSS是一种多站短波信道探测系统，收发系统异地，可以一发多收，实现对大范围短波信道状态的实时监测，获取短波信道的双时响应、散射函数（SCF）、相位起伏、扫频电离图等多种信息，为研究短波信道特性提供有实用价值的信息.

1 ASFHFCOSS系统设计

1.1 系统硬件结构设计

ASFHFCOSS系统主要由数字信号处理（DSP）模块、复杂可编程逻辑器件（CPLD）时序控制模块、模数/数模转换（ADC/DAC）模块、电台工作模式和频率控制模块、全球定位系统（GPS）接收机模块、GPS导航电文接收模块、通用串行总线（USB）模块、时钟模块、锁相环（PLL）、计算机（PC）终端和短波电台组成，系统的收发时间同步由GPS秒脉冲触发实现，同步误差在10-9数量级，系统结构框图如图1所示.其中，DSP模块主要负责数据的处理和传输，包括探测发送数据、接收数据、GPS导航电文数据、电台控制命令等的传输；CPLD时序控制模块主要负责DSP与USB模块、GPS导航电文接收模块、电台工作模式和频率控制模块之间通信的时序控制；ADC/DAC模块负责数据采集和数模转换；GPS模块主要负责接收GPS导航电文，向DSP提供同步脉冲；GPS导航电文接收模块主要负责GPS导航电文的提取和传输，并在每分钟的00秒产生一个脉冲供收发同步用；电台工作模式和频率控制模块负责电台控制命令的转发；USB模块负责PC和DSP之间的数据传输；时钟模块为DSP、单片机和USB提供工作时钟；铷时钟和PLL模块为收发短波电台和ADC/DAC提供基准工作频率源，使收发频差低至10-4Hz数量级；PC终端作为上位机，主要负责整个系统的启动操作、数据发送与保存、控制电台命令发送及状态显示等.短波电台负责发送或接收探测信号，与一般的功放模块没有差异，采用现有短波电台的目的主要是节省成本，缩短系统开发时间.

图1 ASFHFCOSS系统框图

ASFHFCOSS系统设计基于软件无线电思想，收、发硬件电路完全相同，通过不同的软件实现发和收的功能，采用脉冲压缩技术和相干多普勒积分可以使发射功率比传统探测仪降低1 000多倍的情况下而在接收端具有相同的接收效果，大大降低了发射功率.系统可在3～30MHz频段对短波信道进行扫频探测，其频率步进可调，最小为电台的最小步进.系统启动前，待发送数据以WAVE格式存储在PC中，系统启动以后，用户可根据需要选择发送数据，数据经USB模块实时传输给DSP，经DA转换后由短波电台经天线发射出去.每个频率点的散射波由天线接收后，从接收机串行输出到ADC进行采样，并实时传输给DSP，缓存在DSP的片外存储区，再由DSP经USB实时传输到PC端进行显示和存储.在Matlab中，通过编程实现短波信道双时响应的估计、散射函数的计算等工作.

1.2 系统软件设计

ASFHFCOSS系统软件包括发送端系统软件和接收端系统软件.发送端和接收端系统软件都是由PC端软件、DSP端软件、GPS导航电文的接收模块软件、USB驱动软件、电台工作模式和频率控制模块软件五部分组成.PC端软件采用Visual C＋＋6.0作为开发平台，用线程实现PC与DSP之间数据的实时传输；用C语言和汇编语言混合编程开发的方法在CCS5000平台上实现DSP端软件程序的编写；USB驱动软件、GPS导航电文的接收模块软件、电台工作模式和频率控制模块软件在Keil C51开发环境中用C语言开发，通过编译器编译生成可执行代码，利用不同的下载器将可执行代码下载到模块中.

ASFHFCOSS系统数据收发时间长度为50s，由于受到硬件存储容量限制，数据必须实时传输到PC端进行存储.因此，PC与DSP之间数据的实时传输软件采用多线程技术设计.由于DSP与PC终端之间的数据通信采用应答方式的协议实现，所以线程包括发数据线程和收数据线程，其工作算法流程图如图2所示.一般而言，线程在两种情况下需要进行同步［13］：一是当多个线程访问共享资源而不使资源被破坏时；二是当一个线程需要将某个任务已经完成的情况通知另一个或多个线程时.本文属于第二种情况，通过变量完成线程间的同步.ASFHFCOSS系统软件的PC端软件和DSP端软件的具体设计请参阅作者的其它文献［18-19］.

图2 线程工作算法流程图

1.3 系统的数字信号处理分析

图3 ASFHFCOSS的数字信号处理流程图

ASFHFCOSS的数字信号处理流程图如图3所示.在发送端，为了利用m序列的周期性，先将其周期重复几次，再进行插值将其频谱进行压缩（把此时的序列记为PN序列），然后通过调制进行频谱搬移以便其大部分能量都能从发射机发射出去，而后由DSP传输经D/A变换送往短波电台进行发射.在接收端，短波电台接收信号先经A/D变换后由DSP传给PC.在进行脉冲压缩之前，通过下变频得到由I（同相）路和Q（正交）路信号组成的复数信号.在脉冲压缩过程中，复数信号与PN序列的本地复制码做互相关运算，即可得到短波信道冲击响应的估计值（τ，n），在对其在时间轴n上作自相关运算，对得到的自相关函数进行快速傅里叶变换（FFT），便可得到信道散射函数S（τ，fd）.设上变频之后的信号为

式中x（τ）表示PN序列.将信号s（τ）与短波信道冲击响应相卷积后就得到了接收信号，将接收信号下变频后得

式中：＊表示卷积运算；h（τ，n）为短波信道的冲击响应.将rd（τ）与x（τ）的本地复制码作相关运算，得

式中⊗表示相关运算.如果序列x（τ）的相关特性足够好（理想情况下为δ函数），则有

因此，可以用相关函数C（τ，n）去估计信道的冲击响应h（τ，n），即

则冲激响应的自相关函数为

2 实验安排与结果分析

ASFHFCOSS系统是自行研制的，它具有以下几个特点：1）与传统斜向探测系统相比，其发射功率很小，可降低至数十瓦的量级；2）利用GPS进行收发时间同步，具有较高的精度；3）采用铷时钟和PLL为短波电台和ADC/DAC提供基准工作频率，收发频差几乎为零；4）由于该系统一次探测时间长，发送序列可以设计为长度较长的m序列的几个周期重复，在接收端信号处理时利用m序列的周期性，可获取短波信道冲击响应和散射函数的二维、三维视图以及等高线图.因此，ASFHFCOSS系统可以应用于实时短波信道特性研究、短波信道可通状态评估和短波无线电频率管理系统中，为短波通信服务.ASFHFCOSS系统的主要技术指标如表1所示.

表1 ASFHFCOSS系统的技术参数

ASFHFCOSS系统的常规工作模式是扫频模式.这里的扫频是指探测系统中的短波电台在离散的频点上跳动工作，与其它探测设备的快速扫频工作不同.表1中的“一次探测时间”指的是一个频点的工作时间，之所以采用这么长的探测时间，是为了提高相关运算的峰值，因为发射功率较小，信噪比较低.从表1可以看出：群路径的分辨率较低，时延差较大的两条路径可以分辨出，较小的分辨不出，这主要受制于所采用的短波电台.因为目前所采用的电台带宽较窄，所以技术指标是这样的.如果选用带宽较宽的电台或自己开发宽带调制、解调、功放等电路模块，则群路径的分辨率会相应提高.从对实际数据的处理结果来看，能分辨出有两条及以上路径的数据中，各路径的时延差都在1ms以上.

2011年7月20日至22日于湖北武汉（30°35′N，114°14′E）和河南商丘（34°24′N，115°37′E）利用 ASFHFCOSS系统自动扫频模式采用三种不同速率信号进行了为期三天的短波信道探测实验，其中，发射站位于武汉，接收站位于商丘，两站间的直线距离约为440km，探测信号为m序列调制的二进制移相键控（BPSK）信号，三种速率信号序列重复周期分别为3、5、6，内插倍数为8、5、4，其它参数见表2所示.从信息论的角度考虑，数据速率越高，占据带宽越宽.如果数据正好占据整个系统带宽，这时频带利用率最高.从信道传播特性探测角度看，数据速率越高，群路径的分辨率也越高.所以，实验时采用了三种速率信号.

表2 实验参数

图4所示为根据格林威治时间2011年7月20日12时19分短波信道探测实验中采集的数据画出的信道冲击响应、散射函数和散射函数的等高线图，载波频率为6.3MHz，数据速率为1 000BD.图5所示为根据格林威治时间2011年7月22日05时30分短波信道探测实验中采集的数据画出的信道冲击响应、散射函数和散射函数的等高线图，载波频率为6.26MHz，数据速率为2 000BD.

从图4可以看出：信号传播路径只有一条，其平均延时约为2.125ms，多普勒频移为-0.02Hz，短波信道反射有效高度约为231km，据此反射高度可知，这一信号是由F2层反射下来的.从图4（a）可以看出：估计得到的信道冲击响应并不连续，在16～22s这一段时间内出现中断，这可能是由于信道中噪声过大，导致信号传播中断，这也说明短波信道是时变信道.

从图5可以看出：信号传播路径有两条，其平均延时分别约为1.75ms、2.875ms，多普勒频移分别为-0.01Hz、0.026Hz.第一条路径信道有效反射高度约为143km，相应的传播模式为1F1；第二条路径信道有效反射高度约为185km或371km，相应的传播模式分别为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为自由空间中电磁波传播速度；τc为散射函数中心频率处所对应的平均时延；D为发、收两地的直线距离.

图4 格林威治时间2011年7月20日12时19分探测结果

图5 格林威治时间2011年7月22日05时30分探测结果

3 结 论

为了给短波通信提供有实用价值的信息，设计并实现了自动扫频短波信道斜向探测系统，分析了系统的数字信号处理流程.该系统以GPS秒脉冲为基准实现时间同步，用PLL频率合成技术实现频率同步，利用DSP、CPLD、单片机等实现数据采集与发送硬件终端，搭载短波电台和计算机；其PC端软件的开发用C与C＋＋高级语言实现，DSP和单片机等软件的开发用C高级语言和汇编语言混合编程的方法实现.进行了武汉和商丘之间的短波信道斜向探测实验，对探测结果进行了分析.分析表明，探测结果能够提供研究短波信道特性所需的信息.在实验过程中，所设计系统不间断工作数日，工作稳定，运行良好，能够满足探测要求.

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