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(wú)線電波傳播前言無(wú)線電通信部門的職責(zé)是確保衛(wèi)星業(yè)務(wù)等所有無(wú)線電通信業(yè)務(wù)合理、平等、有效、經(jīng)濟(jì)地使用無(wú)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(guò)建議書。無(wú)線電通信部門的規(guī)則和政策職能由世界或區(qū)域無(wú)線電通信大會(huì)以及無(wú)線電通信全會(huì)在研究組的支持下履行。知識(shí)產(chǎn)權(quán)政策（IPR）ITU-R的IPR政策述于ITU-R第1號(hào)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(shí)施指南和ITU-R專利信息數(shù)據(jù)庫(kù)。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(dòng)、無(wú)線電定位、業(yè)余和相關(guān)衛(wèi)星業(yè)務(wù)P無(wú)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(shí)間信號(hào)和頻率標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射V詞匯和相關(guān)問(wèn)題說(shuō)明：該ITU-R建議書

3、的英文版本根據(jù)ITU-R第1號(hào)決議詳述的程序予以批準(zhǔn)。電子出版2014年，日內(nèi)瓦ã ITU 2014版權(quán)所有。未經(jīng)國(guó)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(hào)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(guó)際電聯(lián)無(wú)線電通信全會(huì)，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(jì)調(diào)

4、制方式時(shí)需要這些頻帶的電波傳播參數(shù)信息，建議在設(shè)計(jì)中低頻廣播的數(shù)字調(diào)制方式時(shí)，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(méi)有干擾的情況下，業(yè)務(wù)覆蓋范圍，主要取決于無(wú)線電噪聲的強(qiáng)度，即閃電噪聲和人為噪聲（見ITUR P.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(duì)于模擬幅度調(diào)制來(lái)說(shuō)，這些傳播方式將限制業(yè)務(wù)覆蓋的范圍，因?yàn)橛傻夭▊鞑ヅc經(jīng)常變化和相位時(shí)延的天波傳播所組合成的傳播信號(hào)干擾模式導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降。

5、由其他遠(yuǎn)距離發(fā)射源產(chǎn)生的天波信號(hào)同樣會(huì)顯著增加夜間干擾，這也會(huì)使系統(tǒng)覆蓋半徑減小，尤其是地波傳播提供足夠強(qiáng)信號(hào)的地方；在本附件內(nèi)，我們不考慮來(lái)自于其他干擾源的影響。數(shù)字調(diào)制方式還受到信號(hào)模式時(shí)延的影響，但適當(dāng)?shù)臄?shù)字調(diào)制方式設(shè)計(jì)可以減弱或者抵消這種影響。本附件給出了幾種簡(jiǎn)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(jì)。在調(diào)制方法選定之后，需要詳細(xì)的預(yù)測(cè)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(hào)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(hào)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(hào)幅度不會(huì)在小的位置變化情況下（幾百米）一成不變。2.

6、2天波傳播模型在白天時(shí)間內(nèi)，電離層的D區(qū)較低部分的信號(hào)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(huì)變薄消失，但是對(duì)于可以傳輸?shù)呐R界頻率foE，就會(huì)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(hào)，仍然可以通過(guò)電離層的E層來(lái)傳播，并且可以進(jìn)行多次反射。更高頻率的信號(hào)，尤其是在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，也可以通過(guò)電離層E層進(jìn)行反射傳播，但同時(shí)該信號(hào)也可以穿透E層在更高的F層進(jìn)行反射傳輸，用一個(gè)簡(jiǎn)單的模型來(lái)表示E反射層，如圖1，給出了中頻頻帶的三個(gè)頻率的可用信號(hào)模型與傳輸距離、日落后時(shí)間之間的關(guān)系曲線?？梢钥闯觯@些模式相比地波傳播而言時(shí)間上

7、的有時(shí)延。ITU-R P. 1147建議書，提供了天波傳播模型下的合成信號(hào)功率的預(yù)測(cè)方法，這里不再給出單個(gè)模式下相對(duì)幅度的必要信息。然而，ITUR P.684建議書提供了這些參數(shù)信息，當(dāng)然主要基于對(duì)500 kHz以下頻帶的信息。特別是，該信息給出了太陽(yáng)黑子最小條件下，基于相關(guān)建議書中所描述的試驗(yàn)和某些假設(shè)而得到的電離層反射系數(shù)值。3多徑時(shí)間時(shí)延使用上述簡(jiǎn)單的傳播模型，圖2給出了使用700 kHz和1 MHz兩種頻率時(shí)，在傳播距離為100、200和500 km三種情況下，信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的中值和相應(yīng)的時(shí)間時(shí)延。信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)對(duì)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

8、的影響，這種影響將減少在近距離內(nèi)的天波信號(hào)電平。該模型顯示在0 ms時(shí)是地波傳播，不同的場(chǎng)強(qiáng)值分別代表了5 S/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(lái)表示，該電平為太陽(yáng)黑子最小時(shí)日落后4個(gè)小時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)中值。圖1可獲得的傳播模式圖2時(shí)延擴(kuò)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(duì)于地波傳播在近1 000千米內(nèi)的傳播時(shí)延。而圖4則給出了單跳和多跳天波模式之間的相對(duì)時(shí)延。圖3天波信號(hào)相對(duì)于地波信號(hào)的相對(duì)時(shí)延圖4不同跳數(shù)的天波信號(hào)的共同時(shí)延地波和天波信號(hào)具有相似幅度時(shí)的距離范圍是很重要的

9、，因?yàn)樵谠搮^(qū)域信號(hào)衰落特別嚴(yán)重。這一區(qū)域也稱為“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(hào)隨時(shí)間發(fā)生的變化4.1.1季節(jié)變化地波的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)會(huì)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500-1 000 kHz頻率范圍內(nèi)，場(chǎng)強(qiáng)值的年平均的差異范圍（指在冬季和夏季月份內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)中值之差）。表 1北半球一月平均氣溫 (°C)401016冬季 夏季場(chǎng)強(qiáng)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(cè)得）平均緯度的場(chǎng)強(qiáng)變化范圍取決于距離和頻率（由參數(shù)q 

10、;= d · f1/2決定），其中d為距離 (km) ，f 為頻率 (MHz)。q < 500值大約說(shuō)明地波的變化特性，更大的值q > 500則涉及電離層天波。變化范圍的相應(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(shí)中值的逐日變化就均方根（RMS）值而言，在低頻頻帶，小時(shí)中值場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)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(zhǎng)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

11、依賴關(guān)系為： sL = 0.073 d0.5 + 0.00122 d                dB在中頻頻帶，對(duì)沒(méi)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 + 0.6                dB在這些等式中，L、M為

12、以dB表示的RMS，d為以km表示的距離，f為以kHz表示的頻率。4.2不同地點(diǎn)隨時(shí)間發(fā)生的信號(hào)變化在中頻頻帶，相隔一公里的地點(diǎn)的信號(hào)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(shí)際上與對(duì)數(shù)正態(tài)規(guī)律相吻合，平方根偏差為s = 3.7 dB，如圖5所示。在城市街道和地區(qū)，標(biāo)準(zhǔn)偏差亦接近4 dB。在樓群密集，特別是靠近發(fā)射機(jī)（最多為1公里）的地方，標(biāo)準(zhǔn)偏差上升至78 dB。個(gè)別情況下樓內(nèi)的附加吸收可達(dá)到20 dB。4.3信號(hào)在夜間的變化天波模式隨著長(zhǎng)期不同夜間長(zhǎng)度而變化，并且每小時(shí)中值服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其半十分位數(shù)值范圍在3.5到9&

13、#160;dB之間。不同傳播模型在各小時(shí)的衰落量也服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布；因沒(méi)有更多的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，但可以估計(jì)的是其典型值的標(biāo)準(zhǔn)方差應(yīng)該在3 dB之內(nèi)。衰減率在每小時(shí)10到30 dB。在需要考慮天波和地波傳播模式信號(hào)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(shí)，信號(hào)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(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的多普勒頻移效應(yīng)所產(chǎn)生的信號(hào)頻率偏移將會(huì)是很小的。圖 5偏差分布規(guī)律4.4LF和MF電離層信道的過(guò)載和衰減特性對(duì)于中低頻頻帶的數(shù)字調(diào)制無(wú)線電通信系統(tǒng)的分析和規(guī)劃而言，似乎對(duì)平均值和信號(hào)散射特點(diǎn)的說(shuō)明尚不夠充分。需要考慮到更詳細(xì)的過(guò)載和衰減特性，特別需要了解不同信號(hào)與干擾

14、電平上的過(guò)載和衰減持續(xù)時(shí)間的概率分布。過(guò)載和衰減的統(tǒng)計(jì)特性是在兩年期間從兩個(gè)鏈路，一個(gè)低頻鏈路（155 kHz 的1 550公里）和一個(gè)中頻鏈路（539 kHz 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(yáng)黑子活動(dòng)（SSN » 40）。在附錄2中，表3和表4列出了每個(gè)鏈路每小時(shí)過(guò)載和衰減。圖6和圖7則顯示了各鏈路中門限過(guò)載持續(xù)時(shí)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(shí)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，

15、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(hào)的幅度，e，該信號(hào)由一個(gè)穩(wěn)定的地波信號(hào)和一個(gè)對(duì)數(shù)正態(tài)分布的天波信號(hào)的功率和所合成的，如下：其中ee和ei分別表示地波信號(hào)和天波信號(hào)分量的電平值，通常用 mV/m表示。天波信號(hào)分量ei服從對(duì)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(hào)也服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，從而可以通過(guò)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)差為0 dB得到最后的結(jié)果。兩個(gè)對(duì)數(shù)正態(tài)分布合成的信號(hào)同時(shí)也服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，該正態(tài)分布的均值是這兩個(gè)信號(hào)均值之和（幅值而非分貝值），同時(shí)方差是兩個(gè)正態(tài)分布方差之和。對(duì)于對(duì)數(shù)正態(tài)分布（見ITU-R P.

16、1057建議書），其信號(hào)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(guò)以上假設(shè)分析，不難得到組合之后的分布的各信號(hào)參數(shù)值。表2給出了對(duì)數(shù)正態(tài)分布天波信號(hào)分量的標(biāo)準(zhǔn)差為3 dB時(shí)的舉例結(jié)果。表 2ei/ee相對(duì)于地波信號(hào)分量均值的均值標(biāo)準(zhǔn)差0.5 ( 6 dB)+1.3 dB0.72 dB1 (0 dB)+4.41.352 (+ 6 dB)+5.72.0附件1附錄2表 3低頻鏈路每小時(shí)過(guò)載和衰減的數(shù)量一天當(dāng)中的時(shí)段（時(shí)）門限電平 181920212223240102中間 (過(guò)載)3.74

17、.3.5十分位低端 (衰減)1.51.752.321.7十分位高端(過(guò)載) 表 4中頻鏈路每小時(shí)過(guò)載和衰減的數(shù)量一天當(dāng)中的時(shí)段（時(shí)）門限電平 18192021222324010203中間 (過(guò)載)1.832.7十分位低端 (衰減)2.1十分位高端(過(guò)載) 1.81.9中低頻帶中等過(guò)載持續(xù)時(shí)間的分布為大致了解低頻和中頻頻帶的中值過(guò)載持續(xù)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)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(shí)間的分布 伽瑪分布能夠很好地說(shuō)明十分位高低兩端衰減持續(xù)時(shí)間的概率分布： (2)其中： pG:是概率分布PG:是累計(jì)分布t:持續(xù)時(shí)間（分鐘） 和 ：選擇的參數(shù)。以下表 5 對(duì)多個(gè)門限電平的分布和參數(shù)值作了說(shuō)明。表 5多門限制的分布和參數(shù)頻帶門限電平過(guò)載或衰減分布參數(shù)LF中值過(guò)載等式 (1)b = 0.32, d = 3.0, q