短波信道模擬的計(jì)算機(jī)仿真

1、短波信道模擬的計(jì)算機(jī)仿真Simulation of HF ChannelLI Ren-yan1, HOU Qing-song2(1. Unit 95486 of PLA, Chengdu 610041, China; 2. Telecommunication Engineering Institute, Air Force Engineering University, Xian 710077, China)： In the simulation of communication system, the approximation degree of actual channel simula

2、ted by a channel simulator affects the effectiveness of the performance parameters obtained with communication system simulation directly. Therefore, it is essential to develop the high-performance simulator for HF channel. The principle of Watterson model which is a widely used for HF ionosphere ch

3、annel is described. According to the parameters given by MIL-STD-188-141B, the implementation scheme of HF channel simulator is presented. The computer simulation demonstrates the effectiveness of the algorithm.Keywords： HF channel; Watterson model; fading channel; Matlab simulation0 引 言為使各短波波形標(biāo)準(zhǔn)間相互

4、兼容， 大多數(shù)短波波形標(biāo)準(zhǔn)都規(guī) 定了其對(duì)BER的性能要求。各短波通信設(shè)備開發(fā)商在開發(fā)產(chǎn)品 時(shí)，必須測量所開發(fā)產(chǎn)品的性能是否滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)， 而這 種測量往往需要在實(shí)際的通信環(huán)境中進(jìn)行大量的、 遠(yuǎn)距離的外場 實(shí)驗(yàn)和長時(shí)間的測試，這需要花費(fèi)大量的人力、物力，而且不能 保證相同的測試條件和信道條件，也不能人為地改變信道參數(shù)。 文獻(xiàn) 1提出了一種測試高頻系統(tǒng)性能的方法，事先對(duì)高頻信 道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集， 而后利用回放技術(shù)來測試系統(tǒng)性能。 在通信系 統(tǒng)的仿真中， 信道模擬器對(duì)真實(shí)信道的逼近程度， 直接影響到通 信系統(tǒng)仿真所得性能參數(shù)的有效性。 因而，開發(fā)性能良好的短波 信道模擬器是十分必要的。國內(nèi)外一些

5、研究單位和公司相繼研究開發(fā)了信道模擬器。 比 如國內(nèi) 1994 年浙江大學(xué)信息與電子工程系采用 Watterson 模型 開發(fā)了一種4kHz帶寬的基帶實(shí)時(shí)高頻信道模擬器；解放軍電子 工程學(xué)院 1999 年進(jìn)行半實(shí)物話音信道的模擬設(shè)計(jì)，這些模擬器 的主要不足是功耗過高，體積龐大，可控性不高。國外也有成型 短波信道模擬產(chǎn)品，如Rockwell公司的MDM-3001等，雖然模擬 結(jié)果較好，但是購買費(fèi)用昂貴 2。文獻(xiàn) 3 基于 Watterson 模型提出了一種純軟件信道模 擬算法。文獻(xiàn)4在 Watterson 信道模型的基礎(chǔ)上采用 Simulink 對(duì)短波信道進(jìn)行了仿真。文獻(xiàn)5采用Matlab的OO

6、P技術(shù)對(duì) 其進(jìn)行建模仿真。 本文詳細(xì)推導(dǎo)了被廣泛使用的短波電離層信道 模型 (Watterson 模型)的原理，通過 Matlab 編程仿真了軍標(biāo)所 給短波信道參數(shù)下直觀的時(shí)域信號(hào)波形， 較好地模擬了短波信道 的衰落特性。1 Watterson 模型原理 短波電離層信道在時(shí)間和頻率上都是非平穩(wěn)的， 但是如果只 考慮帶寬小于 10 kHz 的窄帶信道，在足夠短的時(shí)間 (比如小于 10 min) 內(nèi)，大多數(shù)信道近似于平穩(wěn)，可以用靜態(tài)模型來描述， 即 Watterson 信道模型 6，如圖 1 所示。輸入信號(hào)經(jīng)過理想 的時(shí)延線被分送到一些可調(diào)節(jié)的時(shí)延抽頭， 每路抽頭帶有可分解 的電離形式的分量； 每

7、路時(shí)延信號(hào)由一個(gè)基帶抽頭增益調(diào)制其幅 度和相位；各路調(diào)制信號(hào)與加性白高斯噪聲相加得到輸出信號(hào)。Watterson 信道模型的三個(gè)基本假設(shè)：(1) 高斯散射假設(shè)。每個(gè)抽頭函數(shù) Gi(t) 是一個(gè)可以產(chǎn)生瑞 利衰落的復(fù)高斯過程。(2) 獨(dú)立性假設(shè)。各個(gè)抽頭增益函數(shù)間是獨(dú)立的。(3) 高斯型頻譜假設(shè)。 每個(gè)抽頭增益頻譜可看成是兩個(gè)高斯 型頻率函數(shù)的總和。圖 1 Watterson 信道模型復(fù)隨機(jī)抽頭增益函數(shù) Gi(t)?丁邐?:Gi(t)=Gia(t)exp(j2 n fiat)+Gib(t)exp(j2 n fibt)(1)式中:a和b表示路徑中的兩個(gè)磁力子分量；fia和fib為兩 個(gè)磁力子分量所

8、對(duì)應(yīng)的多普勒頻移； Gia(t) 和 Gib(t) 是兩個(gè)各 態(tài)歷經(jīng)的、相互獨(dú)立的、二變量的復(fù)高斯隨機(jī)過程，它們的均值 為零，并且有相同均方根值和頻譜的獨(dú)立正交分量：Gia(t)=gia(t)+jia(t)(2)Gib(t)=gib(t)+jib(t)(3)gia(t) 和 ia(t) 是獨(dú)立實(shí)高斯過程，其單一時(shí)間聯(lián)合概率密 度函數(shù)為：pgia,ia = 1 n Ria(0)exp-g2ia + 2iaRia(0)(4)式中:Ria(0)是Gia(t)在 t=0時(shí)的自相關(guān)，表示信道中各 磁力子分量傳送的輸出功率與信道輸入功率的比值。同時(shí)，gia(t)和ia(t)? y墓p勢紫嗤？，即： FTE

9、gia(t)gia(t+ t) =FTE ia(t)ia(t+ t) (5)式中:FT? n硎靖凳媳浠弧？Gia(t)？ y 淖韻喙睪 ？數(shù)為：RGia( t)=E : Gia(t)G*ia(t+ t):=Rgiagia( t)+Riaia( t) -j : Rgia? : ?ia( t)- R?: ?iagia( t):(6)由于 gia(t) 和 ia(t) 是獨(dú)立的，有Rgiaia( t)=Riagia( t),所以 Gia(t)? y 墓 B 勢資仟?gia(t)?山酮?ia(t)? q B勢字？和，并且關(guān)于？E ?=0是偶對(duì) 稱的。正因?yàn)槿绱?，?exp(j2 n fiat)納入Gi

10、a(t)? b涂梢暈？ 該磁力子分量提供所需要的頻移 fia? A ?以此類推，對(duì)磁力子分量 b 可得到上述同樣的結(jié)論。每個(gè)復(fù)隨機(jī)分支增益函數(shù) Gi(t)? y 南喙睪 ?數(shù)為：Ri( t)=Ria(0)exp :-2 n 2 彷 2ia( t)2+j2 n fia t: + Rib(0)exp : -2 n 2 2ib( t)2+j2 n fib t :(7)利用：FTexp :- (t/ t )2 : = n t exp :- ( w t /2)2 :(8)對(duì)式 (7) 做傅氏變換得到每個(gè)復(fù)隨機(jī)分支增益函數(shù) Gi(t)? y墓 B 勢綴 ?數(shù)為：Pi(f)=Ria(0)2 n 彷 iaex

11、p-(f-fia)22彷 2ia +Rib(0)2 n(T ibexp-(f-fib)22彷 2ib(9)式中:Ria(0)和Rib(0)為各磁力子分量的衰減系數(shù);2彷ia和2 ib決定各磁力子分量的多譜勒頻展寬(衰落帶寬);fia 和 fib 為各磁力子分量的多譜勒頻移。gia(t)?山酮?ia(t)為相互獨(dú)立，是有相同均值和均方根值的獨(dú)立正交分量，只要它們具有高斯型譜，則Gia(t)? X ?從瑞利分布。 為了模擬短波信道的瑞利衰落效應(yīng)， 需要產(chǎn)生滿足以上要求的gia(t)?山酮？ia(t)。如圖 2 所示，復(fù)高斯噪聲的實(shí)部和虛部分別通過濾波器hik(t)得到 hi(t) , ? 6 ?滿

12、足:FT : hi(t) : 2=Rik(0)2 n 彷 ikexp-f22 彷 2ik=2FThik(t) 2(10)從而只需要設(shè)計(jì)具有如下功率譜的濾波器hik(t)? b純桑?FT : hik(t) : = aikexp-f22彷 2ik1/2(11)式中:aik=Rik(0)22 n彷ik1/2為磁力子分量的衰減系數(shù) (k=a,b) 。圖 2 抽頭增益產(chǎn)生2 系統(tǒng)信道模型及計(jì)算機(jī)仿真軍標(biāo)要求的誤碼率BER測量是在AWGN,CCIR Goo和CCIRPoor 三種信道條件下測量的，故實(shí)際仿真時(shí)采用了雙獨(dú)立等平 均功率瑞利衰落路徑。 由于信道帶寬窄， 只需要一個(gè)磁力子分量 來描述信道瑞利衰落。如圖3所示，G11(t)和G21(t)為相互獨(dú)立的窄帶高斯正態(tài)分布，？X直鷯賞？2的抽頭增益產(chǎn)生方法產(chǎn) 生。圖 3 信道模型圖4為一段8FSK信號(hào)通過系統(tǒng)信道(CCIR Good:多徑時(shí)延0.52 ms ，衰落帶寬 0.1 Hz ，多譜勒頻移 1 Hz) 7-8 時(shí)各階段 波形。圖4信號(hào)通過信道(CCIR Good)的波形圖4(a)和(b)為信號(hào)分別通過兩路徑后的波形，可見，每路 信號(hào)通過復(fù)隨機(jī)抽頭增益函數(shù)調(diào)制后，發(fā)生了時(shí)間選擇性衰落； 圖 4(c) 為兩路徑信號(hào)之和，可見，信號(hào)受多徑影響，發(fā)生了頻