短波信道模擬的計算機仿真

1、短波信道模擬的計算機仿真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準間相互

4、兼容， 大多數(shù)短波波形標準都規(guī) 定了其對BER的性能要求。各短波通信設備開發(fā)商在開發(fā)產(chǎn)品 時，必須測量所開發(fā)產(chǎn)品的性能是否滿足標準規(guī)定的指標， 而這 種測量往往需要在實際的通信環(huán)境中進行大量的、 遠距離的外場 實驗和長時間的測試，這需要花費大量的人力、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 1提出了一種測試高頻系統(tǒng)性能的方法，事先對高頻信 道進行數(shù)據(jù)采集， 而后利用回放技術來測試系統(tǒng)性能。 在通信系 統(tǒng)的仿真中， 信道模擬器對真實信道的逼近程度， 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帶寬的基帶實時高頻信道模擬器；解放軍電子 工程學院 1999 年進行半實物話音信道的模擬設計，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 結果較好，但是購買費用昂貴 2。文獻 3 基于 Watterson 模型提出了一種純軟件信道模 擬算法。文獻4在 Watterson 信道模型的基礎上采用 Simulink 對短波信道進行了仿真。文獻5采用Matlab的OO

6、P技術對 其進行建模仿真。 本文詳細推導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 編程仿真了軍標所 給短波信道參數(shù)下直觀的時域信號波形， 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。輸入信號經(jīng)過理想 的時延線被分送到一些可調(diào)節(jié)的時延抽頭， 每路抽頭帶有可分解 的電離形式的分量； 每

7、路時延信號由一個基帶抽頭增益調(diào)制其幅 度和相位；各路調(diào)制信號與加性白高斯噪聲相加得到輸出信號。Watterson 信道模型的三個基本假設：(1) 高斯散射假設。每個抽頭函數(shù) Gi(t) 是一個可以產(chǎn)生瑞 利衰落的復高斯過程。(2) 獨立性假設。各個抽頭增益函數(shù)間是獨立的。(3) 高斯型頻譜假設。 每個抽頭增益頻譜可看成是兩個高斯 型頻率函數(shù)的總和。圖 1 Watterson 信道模型復隨機抽頭增益函數(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表示路徑中的兩個磁力子分量；fia和fib為兩 個磁力子分量所

8、對應的多普勒頻移； Gia(t) 和 Gib(t) 是兩個各 態(tài)歷經(jīng)的、相互獨立的、二變量的復高斯隨機過程，它們的均值 為零，并且有相同均方根值和頻譜的獨立正交分量：Gia(t)=gia(t)+jia(t)(2)Gib(t)=gib(t)+jib(t)(3)gia(t) 和 ia(t) 是獨立實高斯過程，其單一時間聯(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時的自相關，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，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?。縂ia(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，并且關于？E ?=0是偶對 稱的。正因為如此，將 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，對磁力子分量 b 可得到上述同樣的結論。每個復隨機分支增益函數(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)對式 (7) 做傅氏變換得到每個復隨機分支增益函數(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)為相互獨立，是有相同均值和均方根值的獨立正交分量，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， 需要產(chǎn)生滿足以上要求的gia(t)?山酮？ia(t)。如圖 2 所示，復高斯噪聲的實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)從而只需要設計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)信道模型及計算機仿真軍標要求的誤碼率BER測量是在AWGN,CCIR Goo和CCIRPoor 三種信道條件下測量的，故實際仿真時采用了雙獨立等平 均功率瑞利衰落路徑。 由于信道帶寬窄， 只需要一個磁力子分量 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信號通過系統(tǒng)信道(CCIR Good:多徑時延0.52 ms ，衰落帶寬 0.1 Hz ，多譜勒頻移 1 Hz) 7-8 時各階段 波形。圖4信號通過信道(CCIR Good)的波形圖4(a)和(b)為信號分別通過兩路徑后的波形，可見，每路 信號通過復隨機抽頭增益函數(shù)調(diào)制后，發(fā)生了時間選擇性衰落； 圖 4(c) 為兩路徑信號之和，可見，信號受多徑影響，發(fā)生了頻