CN107294620A - 基于最小相位系统的临近空间毫米波信道测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于最小相位系统的临近空间毫米波信道测量方法。本发明提出一种将最小相位系统条件应用于临近空间的信道测试方法，解决了传统频域测量方法受线缆长度、测试环境等限制因素的问题。本发明的核心思想是将最小相位系统条件应用于临近空间，特别是60GHz频段附近的信道测量。

Description

基于最小相位系统的临近空间毫米波信道测量方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于最小相位系统的临近空间毫米波信道测量方法。

背景技术

临近空间(Near space)是指介于普通航空飞行器最高飞行高度和天基卫星最低轨道高度之间的空域。天基卫星的最低轨道约为200km，航空飞机的最大飞行高度约为20km，但从应用上讲，由于100km以下为临近空间飞行器的主要活动区域，故在国内一般定义临近空间为离地球表面约20-120km的空域，美军定义为20-100km的空域。过去所称的“近空间”、“亚轨道”、“空天过渡区”、“亚太空”、“超高空”或“高高空”等区域，都是指临近空间。

从传统意义上讲，临近空间位于天基卫星平台和航空飞机平台之间的地球大气空域，处于稠密大气层到稀薄大气太空层的过渡区，长期以来没有像中低空(对流层)和太空那样得到充分重视和应用，对其认识、研究和应用相对落后。临近空间在军事应用上具有巨大的潜在价值，这部分空间的大气密度比较稀薄，世界上绝大部分的固定翼飞机和地空导弹都无法到达如此高度，处于临近空间的飞行器受到攻击的可能性较低；同时由于这部分空间的高度远低于一般卫星的运行高度，给情报侦查、收集和通讯提供了有利条件。近年来，各军事大国纷纷对临近空间及其飞行器的研制、部署及作战使用开展了相应研究。2005年1月，美军确定了在临近空间飞行器的10个应用方向，开始了试验工作。俄、英、德、日等国家在飞艇研制和新概念临近空间飞行研制方面也积累了一些技术和经验。为此，分析探讨临近空间环境及其对飞行器、仪器设备的影响意义重大。综上所述，临近空间是一块非常重要和有利用价值的空域，研究临近空间对于未来军事和民事应用的意义重大。

最高至1000GHz频率上的无线电波在大气中的特征衰减主要由于干燥空气和水汽所造成，在任何压力、任何温度和任何湿度下，采用累加氧气和水汽各自谐振线的方法，可以相当准确地计算无线电波在大气气体中的特征衰减。这一方法同时也考虑了一些其他相对影响较小的因素，如10GHz以下氧气的非谐振的Debye频谱，100GHz以上的主要由大气压力造成的氮气衰减和计算实验上的发现的过多水汽吸收的潮湿连续带。

根据ITU-R P.676-10建议书，无线电波在大气气体中的衰减，通过在1-1000GHz频率范围内有效的、对独立吸收线进行仿真计算得到的大气衰减进行评估，可以相当准确地计算无线电波在大气气体中的特征衰减。

在ITU-R P.676-10建议书中，提供了计算无线电波在大气气体中的特征衰减的方法，其中的干燥空气压力P(单位为hPa)、水汽压力E(单位为hPa)、温度T(单位为K)，可在当地用无线电探空仪等设备测量得出，得到准确的测量数据，如果缺乏当地的准确资料，可采用ITU-R P.835-5建议书中的参考标准大气数据，也可以大致准确地得到干燥空气压力P(单位为hPa)、水汽压力E(单位为hPa)、温度T(单位为K)这三个参数。ITU-R P.835-5建议书提供计算地对空路径上气体衰减所需的参考标准大气的表达式和数据，本文采用的是平均年度全球参考大气，反应的全球取平均时的年度平均分布，参考标准大气是基于美国1976年的标准大气，在该标准中，大气被分为7个连续的层，随温度线性变化，分别是0-11km、11-20km、20-32km、32-47km、47-51km、51-71km和71-85km共七个连续的层。对应每个层，都有具体的公式可以算出具体高度的压力，但是需要注意的是在高度85km以上时，大气的热动力学方程开始被破坏，作为ITU-R P.835-5建议书里面公式基础的流体静力学方程不再成立。同时，ITU-R P.835-5建议书里面在全球平均参考大气这种情形下，也给出了计算水蒸气压力的计算方法。本文选取的是60GHz附近毫米波频段。

无线信道的衰落可分为大尺度衰落和小尺度衰落两种。大尺度传播描述了长距离(几百米甚至更长)内接收信号强度的缓慢变化，这些变化是由发射天线和接收天线之间传播路径上的山坡或湖泊以及建筑物等造成的。小尺度衰落的主要特性是多径传播。

信道测量是研究信道衰落特性的有效手段。信号在无线信道中的传播特的基本方式为反射、绕射和散射三种方式。在信道特性研究方面，早在1990年，S.J.Howard等采用基于网络分析仪的宽带静态信道测量平台对室内GSM信道进行测量与分析。1975年，A.G.Emslie等采用基于网络分析仪的测量平台测量了煤矿隧道的环境下超高频无线信道的传输损耗。2004年A.Benzakour采用网络分析仪测量了车内环境中无线信道的时延扩展。2007年,J.Karedal和S.Wyne等使用矢量网络分析仪和虚拟阵列技术在两个不同的工业环境中测量了超宽带无线信道的小尺度特性。2009年，H.Kremo和I.Seskar采用矢量网络分析仪测量搭建的测量系统了室外环境无线信道的时延特性。同年，K.Takizawa采用网络分析仪搭建的测量系统测量了矿洞环境中无线信道的路径损耗和时延功率。

主流的信道测量技术包括直接射频脉冲测量、扩频滑动相关器信道测量、以及频域信道测量三种。本文也是基于频域测量方法，传统的频域测量方法能提供信道的幅度和相位信息，对信道描述是十分有利的，但是传统的频域测量方法受线缆长度的限制，适合室内信道测量和室外短距离测量，对于室外长距离测量和高空中信道测量环境则不太适合。

发明内容

本发明所要解决的，就是针对上述问题，为了克服传统频域测量方法的限制，提供一种将最小相位系统条件应用于临近空间的信道测试方法，解决了传统频域测量方法受线缆长度、测试环境等限制因素的问题。本发明的核心思想是将最小相位系统条件应用于临近空间，特别是60GHz频段附近的信道测量。

为了方便理解，首先介绍本发明使用的最小相位条件：

最小相位系统又称最小相位延时系统，基本性质如下：

1.在傅里叶变换相同的所有系统中，最小相位系统具有最小的相位滞后，即它有负的相位，相位绝对值也是最小。

2.按照帕塞瓦定理由于傅里叶变换幅度相同的各系统的总能量应当相同，但最小相位延时系统h_min(n)的能量集中在n＝0附近，一般系统h(n)的能量则集中在n>0处，也就是说，如果h_min(n)，h(n)是N+1点有限长序列(n＝0，1，…，N)，则有：

所以，对相同傅里叶变换幅度的各序列，最小相位序列的h_min(n)最大(可用初值定理加以证明)：

h_min(0)>h(0) (3)

其中h_min(n)是最小相位系统的冲激响应，h(n)是一般系统的冲激响应。

3.在幅度响应相同的系统中，只有唯一的一个最小相位延时系统

4.利用级联全通函数的办法，可将最小相位系统的零点反射到单位圆外，而构成幅度响应相同的非最小相位延时系统

5.最小相位系统是一个所有零极点都在单位圆内的系统

6.给定H(z)为稳定的因果系统，当且仅当H(z)为最小相位系统时，其逆系统才是稳定和因果的

通过最小相位系统条件，可以通过幅度信息得到相位信息，具体步骤如下：

1.假设系统冲激响应h(n)是因果的，即当n<0时，h(n)＝0，那么系统频域响应H(jw)的实部H_R(jw)可以通过虚部H_I(jw)确定：

H(jw)＝H_R(jw)+jH_I(jw)＝H_R(jw)+jψ[H_R(jw)] (4)

其中，ψ[·]代表希尔伯特变换，H_R(jw)是实部，H_I(jw)是虚部；

2.系统频域响应也可以通过幅度谱和相位谱得出：

H(jω)＝|H(jω)|e^j[argH(jω)] (5)

3.两边取对数：

lnH(jω)＝ln|H(jω)|+j[argH(jω)] (6)

4.考虑一个因果序列(即当n<0时，)，和互为傅里叶变换对，那么由步骤1可知：

argH(jω)＝ψ[ln|H(jω)|] (7)

这样就利用最小相位假设，通过幅度信息得到完整的频域响应。

本发明的技术方案是，基于最小相位系统的临近空间毫米波信道测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取目标空间处的干燥空气压力P、水汽压力E和温度T；

S2、根据ITU-R P.676-10建议书，通过在1-1000GHz频率范围内有效的、对独立吸收线进行仿真计算得到的大气衰减进行评估，获得无线电波在大气气体中的特征衰减曲线；

S3、根据获得的特征衰减曲线，得到传输一定距离的幅度谱，再基于最小相位假设，通过希尔伯特变换得到相位谱，最终得到完整的频域响应，具体为：

a)通过步骤S2中得到的特征衰减曲线γ,得到传输距离为x km时的幅度谱，

其中是传输x km距离时的幅度谱，P_T是发射功率‘’

b)将进行归一化得到H_m(jω)，通过归一化可以更直观地观察传输x km时的信道特性；

c)利用归一化幅度信息H_m(jω)，利用如下可以得到相位信息：

argH(jω)＝ψ[ln|H_m(jω)|]

进而得到频域响应为：

H(jω)＝H_m(jω)e^jarg[H(jω)]

其中，ψ[·]代表希尔伯特变换，H_R(jw)是实部，H_I(jw)是虚部；

S4：根据频域响应，通过等效基带傅里叶反变换，获得时域冲激响应：

h(n)＝IFFT(H(jω))。

本发明的有益效果为，本发明提供一种将最小相位系统条件应用于临近空间毫米波的信道频域测试方法，解决了传统频域测量方法受线缆长度、测试环境等限制因素的问题。本发明的核心思想是将最小相位系统条件应用于临近空间毫米波的信道测量。

附图说明

图1为在50-70GHz频带内不同海拔高度(km)的衰减率；

图2为以60GHz为中心，带宽为200MHz，传输距离为100km的归一化冲激响应；

图3为验证最小相位条件结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案，具体步骤如下：

S1、获取目标空间处的温度T、干燥空气压力P和水汽压力E；可以通过在当地用无线电探空仪等设备测量得到准确的测量数据根，也可以根据ITU-R P.835-5建议书，参考标准大气的表达式和数据获得上述参数，方法为：

a)温度T

在高度h处的温度T用下式表示：

T(h)＝T_i+L_i(h-H_i)K (8)

其中：

T_i＝T(H_i) (9)

而L_i是以高度H_i为起点的温度梯度，并在表1中给出。

表1 L_i与H_i梯度关系

下标i	高度Hi(km)	温度梯度Li(K/km)
			0	0	-6.5
1	11	0.0
			2	20	+1.0
3	32	+2.8
			4	47	0.0
5	51	-2.8
			6	71	-2.0
7	85

b)干燥空气压力P

当温度梯度L_i≠0时，压力由下式给出：

当温度梯度L_i＝0时，从以下公式来求出压力：

地平面上的标准温度和压力为：

T₀＝288.15 K (12)

P₀＝1013.25 hPa (13)

注意，在高度约85km以上时，大气的热动力学方程开始被破坏，因此，作为上列公式基础的流体静力学方程不再成立。

c)水汽压力E

通常，大气中水蒸气的分布变化很大，但是可以由下式近似获得：

ρ(h)＝ρ₀exp(-h/h₀)g/m³ (14)

其中标高h₀＝2km，而标准地平面水蒸气密度为：

ρ₀＝7.5g/m³ (15)

用下列公式可以根据密度求出水蒸气压力：

在混合比e(h)/P(h)＝2×10^-6的高度以下，水蒸气密度随高度增加而呈指数减小。在这一高度以上，假定混合比为常数。

S2、通过步骤S1得到的P、T、e参数值和ITU-R P.676-10建议书中特征大气衰减值的计算方式，可以通过在1-1000GHz频率范围内有效的、对独立吸收线进行仿真得到大气衰减结果，将其进行评估，获得无线电波在大气气体中的特征衰减曲线，如图1所示，具体为：

特征大气衰减值γ的计算方法如下：

γ＝γ₀+γ_ω＝0.1820×f×N″(f)dB/km (17)

其中：γ₀(单位dB/km)是干燥空气条件下的特征衰减(仅指氧气条件下，由于大气压力造成的氮和非谐振Debye衰减)。γ_ω(单位dB/km)是在一定水汽密度条件下的特征衰减。f(单位GHz)是频率。N″(f)是该频率相关的复合折射率的假设部分。

S_i是第i线的强度，F_i是曲线形状因子以及总和扩展至所有线(对于高于118.750343GHz氧气线的f频率而言，只应将高于60GHz复合率的氧气线包括在总结中)，总和应始于：i＝38，而不是i＝1；N″_D(f)是大气压力造成的氮气吸收和Debye频谱的干燥连续带；

线强度为：

S_i＝a₁×10^-7pθ³exp[a₂(1-θ)] 对于氧气

＝b₁×10^-1eθ^3.5exp[b₂(1-θ)] 对于水汽 (19)

其中：

P：干燥空气压力，单位为hPa

E：水汽压力，单位为hPa(总大气压力p_tot＝p+e)

θ＝300/T

T：温度，单位为K。

其中，通过表2可得到氧气中衰减的系数值a₁、a₂，从表3中得到水汽中衰减的系数值b₁、b₂

表2在氧气中衰减的谱线数据

表3在水汽中衰减的谱线数据

曲线形状因子计算如下：

其中f_i是线的频率，△f是线的宽度：

由于多普勒效应，线宽度△f修正为：

由于在氧气线中的干扰影响，δ是修正因子：

δ＝(a₅+a₆θ)×10^-4(p+e)θ^0.8 对于氧气

＝0 对于水汽 (23)

S3、根据步骤S2获得的特征衰减曲线，得到传输一定距离的幅度谱，再基于最小相位假设，通过希尔伯特变换得到相位谱，最终得到完整的频域响应，具体为：

d)通过步骤S2中得到的特征衰减曲线γ,得到传输距离为x km时的幅度谱，

其中是传输x km距离时的幅度谱，P_T是发射功率

e)将进行归一化得到H_m(jω)，通过归一化可以更直观地观察传输x km时的信道特性

f)利用归一化幅度信息H_m(jω)，利用公式(7)可以得到相位信息

argH(jω)＝ψ[ln|H_m(jω)|] (25)

进而得到频域响应

H(jω)＝H_m(jω)e^jargH(jω)] (26)

S4：根据步骤S3获得的频域响应H(jω)，通过等效基带傅里叶反变换，获得时域冲激响应，如图2所示

h(n)＝IFFT(H(jω)) (27)

S5:验证是否满足最小相位条件，步骤如下：

a)依据最小相位系统的性质：给定H(z)为稳定的因果系统，当且仅当H(z)为最小相位系统时，其逆系统才是稳定和因果的。

b)验证方法如下：

定义一个系统的冲激响应为：

定义傅里叶变换为：

则该系统的频率响应为：

如果对于所有的w都有：

那么该系统存在一个逆系统：

通过验证公式(31)左右两端的大小就可以判定是否满足最小相位条件，如图3所示，观察可知是满足条件的。

Claims (1)

1.基于最小相位系统的临近空间毫米波信道测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取目标空间处的干燥空气压力P、水汽压力E和温度T；

S2、根据ITU-R P.676-10建议书，通过在1-1000GHz频率范围内有效的、对独立吸收线进行仿真计算得到的大气衰减进行评估，获得无线电波在大气气体中的特征衰减曲线；

S3、根据获得的特征衰减曲线，得到传输一定距离的幅度谱，再基于最小相位假设，通过希尔伯特变换得到相位谱，最终得到完整的频域响应，具体为：

a)通过步骤S2中得到的特征衰减曲线γ,得到传输距离为xkm时的幅度谱，

<mrow> <msub> <mover> <mi>H</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mi>m</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msqrt> <mfrac> <msub> <mi>P</mi> <mi>T</mi> </msub> <msup> <mn>10</mn> <mfrac> <mrow> <mi>x</mi> <mi>&amp;gamma;</mi> </mrow> <mn>10</mn> </mfrac> </msup> </mfrac> </msqrt> </mrow>

其中是传输xkm距离时的幅度谱，P_T是发射功率‘’

b)将进行归一化得到H_m(jω)，通过归一化可以更直观地观察传输x km时的信道特性；

c)利用归一化幅度信息H_m(jω)，利用如下可以得到相位信息：

argH(jω)＝ψ[ln|H_m(jω)|]

进而得到频域响应为：

H(jω)＝H_m(jω)e^jarg[H(jω)]

其中，ψ[·]代表希尔伯特变换，H_R(jw)是实部，H_I(jw)是虚部；

S4：根据频域响应，通过等效基带傅里叶反变换，获得时域冲激响应：

h(n)＝IFFT(H(jω))。