ITU-R P1321-4

1、ITU-R P.1321-4 建議書(09/2013)影響在中低頻頻帶內(nèi)使用數(shù)字調(diào)制技術(shù)的系統(tǒng)的傳播因素 P 系列無線電波傳播前言無線電通信部門的職責(zé)是確保衛(wèi)星業(yè)務(wù)等所有無線電通信業(yè)務(wù)合理、平等、有效、經(jīng)濟地使用無線電頻譜，不受頻率范圍限制地開展研究并在此基礎(chǔ)上通過建議書。無線電通信部門的規(guī)則和政策職能由世界或區(qū)域無線電通信大會以及無線電通信全會在研究組的支持下履行。知識產(chǎn)權(quán)政策（IPR）ITU-R的IPR政策述于ITU-R第1號決議的附件1中所參引的ITU-T/ITU-R/ISO/IEC的通用專利政策。專利持有人用于提交專利聲明和許可聲明的表格可從/ITU-

2、R/go/patents/en獲得，在此處也可獲取ITU-T/ITU-R/ISO/IEC的通用專利政策實施指南和ITU-R專利信息數(shù)據(jù)庫。ITU-R系列建議書（也可在線查詢 /publ/R-REC/en）系列標(biāo)題BO衛(wèi)星傳送BR用于制作、存檔和播出的錄制；電視電影BS廣播業(yè)務(wù)（聲音）BT廣播業(yè)務(wù)（電視）F固定業(yè)務(wù)M移動、無線電定位、業(yè)余和相關(guān)衛(wèi)星業(yè)務(wù)P無線電波傳播RA射電天文RS遙感系統(tǒng)S衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)SA空間應(yīng)用和氣象SF衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)和固定業(yè)務(wù)系統(tǒng)間的頻率共用和協(xié)調(diào)SM頻譜管理SNG衛(wèi)星新聞采集TF時間信號和頻率標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射V詞匯和相關(guān)問題說明：該ITU-R建議書

3、的英文版本根據(jù)ITU-R第1號決議詳述的程序予以批準(zhǔn)。電子出版2014年，日內(nèi)瓦 ITU 2014版權(quán)所有。未經(jīng)國際電聯(lián)書面許可，不得以任何手段復(fù)制本出版物的任何部分。ITU-R P.1321-4 建議書11ITU-R P.1321-4建議書影響在中低頻頻帶內(nèi)使用數(shù)字調(diào)制技術(shù)的系統(tǒng)的傳播因素（ITU-R 第225/3號研究課題）（1997-2005-2007-2009-2013年）范圍本建議書提供有關(guān)中低頻地波和天波傳播特性的信息，這些特性可能影響到低中頻頻帶內(nèi)數(shù)字調(diào)制方法的使用。國際電聯(lián)無線電通信全會，考慮到a)用于中低頻頻帶聲音廣播的數(shù)字調(diào)制方式目前正處在研究之中；b)在設(shè)計調(diào)制方式時需要

4、這些頻帶的電波傳播參數(shù)信息，建議在設(shè)計中低頻廣播的數(shù)字調(diào)制方式時，應(yīng)考慮附件1所提供的信息。附件11引言在中低頻頻帶內(nèi)大多數(shù)的廣播業(yè)務(wù)開展都是依賴于地波傳播模型特性的（見ITU-R P.368建議書）。在白天和沒有干擾的情況下，業(yè)務(wù)覆蓋范圍，主要取決于無線電噪聲的強度，即閃電噪聲和人為噪聲（見ITURP.372建議書）和取決于系統(tǒng)正常工作需要的信噪比。在夜間，電波的天波傳播成為非常重要的方式（見ITU-R P.1147建議書）。對于模擬幅度調(diào)制來說，這些傳播方式將限制業(yè)務(wù)覆蓋的范圍，因為由地波傳播與經(jīng)常變化和相位時延的天波傳播所組合成的傳播信號干擾模式導(dǎo)致信號質(zhì)量下降。由其他遠(yuǎn)距離發(fā)射源產(chǎn)生的

5、天波信號同樣會顯著增加夜間干擾，這也會使系統(tǒng)覆蓋半徑減小，尤其是地波傳播提供足夠強信號的地方；在本附件內(nèi)，我們不考慮來自于其他干擾源的影響。數(shù)字調(diào)制方式還受到信號模式時延的影響，但適當(dāng)?shù)臄?shù)字調(diào)制方式設(shè)計可以減弱或者抵消這種影響。本附件給出了幾種簡單的多徑傳播環(huán)境，希望適用于數(shù)字調(diào)制方式的設(shè)計。在調(diào)制方法選定之后，需要詳細(xì)的預(yù)測分析方法以用于業(yè)務(wù)規(guī)劃。2傳播模型2.1地波傳播模型地波傳播的信號通常并不是一成不變的（詳見第4節(jié)）。按照ITU-R P. 368建議書所示，信號的幅度取決于傳輸?shù)木嚯x和地表電特性參數(shù)。此外，信號幅度不會在小的位置變化情況下（幾百米）一成不變。2.2天波傳播模型在白天時間

6、內(nèi)，電離層的D區(qū)較低部分的信號衰落有效地阻止了天波傳播。所以本附件只考慮夜間天波傳播比較顯著的情況。日落后，大氣電離層E層就會變薄消失，但是對于可以傳輸?shù)呐R界頻率foE，就會在中頻廣播頻帶內(nèi)，至少在前半夜是這樣的。使用臨界頻率以下頻率的信號，仍然可以通過電離層的E層來傳播，并且可以進(jìn)行多次反射。更高頻率的信號，尤其是在遠(yuǎn)距離傳輸時，也可以通過電離層E層進(jìn)行反射傳播，但同時該信號也可以穿透E層在更高的F層進(jìn)行反射傳輸，用一個簡單的模型來表示E反射層，如圖1，給出了中頻頻帶的三個頻率的可用信號模型與傳輸距離、日落后時間之間的關(guān)系曲線?？梢钥闯?，這些模式相比地波傳播而言時間上的有時延。ITU-R P

7、. 1147建議書，提供了天波傳播模型下的合成信號功率的預(yù)測方法，這里不再給出單個模式下相對幅度的必要信息。然而，ITURP.684建議書提供了這些參數(shù)信息，當(dāng)然主要基于對500 kHz以下頻帶的信息。特別是，該信息給出了太陽黑子最小條件下，基于相關(guān)建議書中所描述的試驗和某些假設(shè)而得到的電離層反射系數(shù)值。3多徑時間時延使用上述簡單的傳播模型，圖2給出了使用700 kHz和1 MHz兩種頻率時，在傳播距離為100、200和500 km三種情況下，信號場強的中值和相應(yīng)的時間時延。信號場強對于全向輻射功率e.m.r.p 為1 kW，以及不考慮發(fā)射天線的垂直輻射模式的影響，這種影響將減少在近距離內(nèi)的天

8、波信號電平。該模型顯示在0 ms時是地波傳播，不同的場強值分別代表了5S/m（海水），102（優(yōu)良傳導(dǎo)大地），和103（非優(yōu)良傳導(dǎo)大地）三種大地電導(dǎo)率情況下的情況。天波模式主要由相應(yīng)的傳播模型和相應(yīng)的電平來表示，該電平為太陽黑子最小時日落后4個小時的場強中值。圖1可獲得的傳播模式圖2時延擴展的例子如圖3，給出了一跳電離層E層和F層的天波模式相對于地波傳播在近1 000千米內(nèi)的傳播時延。而圖4則給出了單跳和多跳天波模式之間的相對時延。圖3天波信號相對于地波信號的相對時延圖4不同跳數(shù)的天波信號的共同時延地波和天波信號具有相似幅度時的距離范圍是很重要的，因為在該區(qū)域信號衰落特別嚴(yán)重。這一區(qū)域也稱為“

9、夜間衰落區(qū)域”，而且該區(qū)域往往被作為高品質(zhì)中頻廣播的范圍界限。4可變性4.1信號隨時間發(fā)生的變化4.1.1季節(jié)變化地波的信號場強會隨著冬季溫度的不同而改變。表1給出了在一月平均氣溫低于4 C的北半球地區(qū)，在500-1000kHz頻率范圍內(nèi)，場強值的年平均的差異范圍（指在冬季和夏季月份內(nèi)場強中值之差）。表 1北半球一月平均氣溫 (C)401016冬季 夏季場強差值范圍，u (dB)481315在低頻頻帶，大陸性氣候（歐洲大陸和西伯利亞地區(qū)測得）平均緯度的場強變化范圍取決于距離和頻率（由參數(shù)q=d f1/2決定），其中d為距離 (km) ，f 為頻率 (MHz)。q500則涉及電離層天波。變化范圍

10、的相應(yīng)公式為：樹林比例小的路徑：樹林比例大的路徑：這里，指標(biāo)s/w和L/w分別指所占比例小的樹林（最大約占30%）和所占比例大的樹林（50%以上）。4.1.2小時中值的逐日變化就均方根（RMS）值而言，在低頻頻帶，小時中值場強相對于月中值的偏差（L為低頻頻帶，M為中頻頻帶）取決于路徑長度，而在中頻頻帶則取決于頻率。在低頻頻帶，在樹林比例為中等的中緯度地區(qū)，此依賴關(guān)系為： sL = 0.073 d0.5 + 0.00122 ddB在中頻頻帶，對沒有季節(jié)劃分的20km至120km路徑而言，RMS偏差與頻率的關(guān)系為：M = 0.0018f + 0.6dB在這些等式中，L、M為以dB表示的RMS，d為

11、以km表示的距離，f為以kHz表示的頻率。4.2不同地點隨時間發(fā)生的信號變化在中頻頻帶，相隔一公里的地點的信號變化幅度類似于世界不同地方的標(biāo)準(zhǔn)偏差值。概率分布實際上與對數(shù)正態(tài)規(guī)律相吻合，平方根偏差為s=3.7dB，如圖5所示。在城市街道和地區(qū)，標(biāo)準(zhǔn)偏差亦接近4dB。在樓群密集，特別是靠近發(fā)射機（最多為1公里）的地方，標(biāo)準(zhǔn)偏差上升至78dB。個別情況下樓內(nèi)的附加吸收可達(dá)到20dB。4.3信號在夜間的變化天波模式隨著長期不同夜間長度而變化，并且每小時中值服從對數(shù)正態(tài)分布，其半十分位數(shù)值范圍在3.5到9dB之間。不同傳播模型在各小時的衰落量也服從對數(shù)正態(tài)分布；因沒有更多的實測數(shù)據(jù)，但可以估計的是其典

12、型值的標(biāo)準(zhǔn)方差應(yīng)該在3 dB之內(nèi)。衰減率在每小時10到30 dB。在需要考慮天波和地波傳播模式信號幅度合成的情況下，例如，在傳播模式不能在接收系統(tǒng)分開時，信號的衰落分布將在附錄1中討論。天波傳播模式由于電離層相對運動而引起的多普勒頻移效應(yīng)所產(chǎn)生的信號頻率偏移將會是很小的。圖 5偏差分布規(guī)律4.4LF和MF電離層信道的過載和衰減特性對于中低頻頻帶的數(shù)字調(diào)制無線電通信系統(tǒng)的分析和規(guī)劃而言，似乎對平均值和信號散射特點的說明尚不夠充分。需要考慮到更詳細(xì)的過載和衰減特性，特別需要了解不同信號與干擾電平上的過載和衰減持續(xù)時間的概率分布。過載和衰減的統(tǒng)計特性是在兩年期間從兩個鏈路，一個低頻鏈路（155kHz

13、 的1 550公里）和一個中頻鏈路（539kHz 的860公里）獲得的，詳見以下的附錄2。其結(jié)果涉及東半球的中地理緯度和溫和的太陽黑子活動（SSN 40）。在附錄2中，表3和表4列出了每個鏈路每小時過載和衰減。圖6和圖7則顯示了各鏈路中門限過載持續(xù)時間數(shù)量（%）的散射圖。5結(jié)論ITU-R P. 1407建議書定義了一系列的參數(shù)用以描述多徑效應(yīng)?！皶r延窗”是指包括多于98%系統(tǒng)總能量的區(qū)域，可以從圖2中小于3 ms區(qū)域得出。應(yīng)該注意的是，在某些環(huán)境下，最初的多徑分量并不伴隨最大的幅度特性。附件1附錄1下面給出了合成信號的幅度，e，該信號由一個穩(wěn)定的地波信號和一個對數(shù)正態(tài)分布的天波信號的功率和所合

14、成的，如下：其中ee和ei分別表示地波信號和天波信號分量的電平值，通常用mV/m表示。天波信號分量ei服從對數(shù)正態(tài)分布（見ITU-R P.1057建議書中公式（6）。為方便起見，可以表面上假設(shè)地波信號也服從對數(shù)正態(tài)分布，從而可以通過設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)差為0 dB得到最后的結(jié)果。兩個對數(shù)正態(tài)分布合成的信號同時也服從對數(shù)正態(tài)分布，該正態(tài)分布的均值是這兩個信號均值之和（幅值而非分貝值），同時方差是兩個正態(tài)分布方差之和。對于對數(shù)正態(tài)分布（見ITU-R P.1057建議書），其信號電平的均值和標(biāo)準(zhǔn)差可以由下式得出：其中m表示正態(tài)分布的均值，s表示標(biāo)準(zhǔn)差。通過以上假設(shè)分析，不難得到組合之后的分布的各信號參數(shù)值。表2

15、給出了對數(shù)正態(tài)分布天波信號分量的標(biāo)準(zhǔn)差為3 dB時的舉例結(jié)果。表 2ei/ee相對于地波信號分量均值的均值標(biāo)準(zhǔn)差0.5 (6dB)+1.3 dB0.72dB1 (0dB)+4.41.352 (+6dB)+5.72.0附件1附錄2表 3低頻鏈路每小時過載和衰減的數(shù)量一天當(dāng)中的時段（時）門限電平 181920212223240102中間 (過載)十分位低端 (衰減)1.51.752.321.7十分位高端(過載) 表 4中頻鏈路每小時過載和衰減的數(shù)量一天當(dāng)中的時段（時）門

16、限電平 18192021222324010203中間 (過載)1.832.7十分位低端 (衰減)2.1十分位高端(過載) 1.81.9中低頻帶中等過載持續(xù)時間的分布為大致了解低頻和中頻頻帶的中值過載持續(xù)時間的統(tǒng)計特性，可采用以下分布：(1)其中 t (min) 大于或等于 0 ，而d、 b、q 和 r 是選擇的參數(shù)。中低頻帶十分位高低兩端衰減持續(xù)時間的分布 伽瑪分布能夠很好地說明十分位高低兩端衰減持續(xù)時間的概率分布： (2)其中： pG:是概率分布PG:是累計分布t:持續(xù)時間（分鐘） 和 ：選擇的參數(shù)。以下表 5 對多個門限電平的分布和參數(shù)值作了說明。表 5多門限制的分布和參數(shù)頻帶門限電平過載或衰減分布參數(shù)LF中值過載等式 (1)b = 0.32, d = 3.0, q = 4.0, r = 3.8LF十分位低端