短波信道模拟的计算机仿真

1、短波信道模拟的计算机仿真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 言为使各短波波形标准间相互

4、兼容， 大多数短波波形标准都规 定了其对BER的性能要求。各短波通信设备开发商在开发产品 时，必须测量所开发产品的性能是否满足标准规定的指标， 而这 种测量往往需要在实际的通信环境中进行大量的、 远距离的外场 实验和长时间的测试，这需要花费大量的人力、物力，而且不能 保证相同的测试条件和信道条件，也不能人为地改变信道参数。 文献 1提出了一种测试高频系统性能的方法，事先对高频信 道进行数据采集， 而后利用回放技术来测试系统性能。 在通信系 统的仿真中， 信道模拟器对真实信道的逼近程度， 直接影响到通 信系统仿真所得性能参数的有效性。 因而，开发性能良好的短波 信道模拟器是十分必要的。国内外一些

5、研究单位和公司相继研究开发了信道模拟器。 比 如国内 1994 年浙江大学信息与电子工程系采用 Watterson 模型 开发了一种4kHz带宽的基带实时高频信道模拟器；解放军电子 工程学院 1999 年进行半实物话音信道的模拟设计，这些模拟器 的主要不足是功耗过高，体积庞大，可控性不高。国外也有成型 短波信道模拟产品，如Rockwell公司的MDM-3001等，虽然模拟 结果较好，但是购买费用昂贵 2。文献 3 基于 Watterson 模型提出了一种纯软件信道模 拟算法。文献4在 Watterson 信道模型的基础上采用 Simulink 对短波信道进行了仿真。文献5采用Matlab的OO

6、P技术对 其进行建模仿真。 本文详细推导了被广泛使用的短波电离层信道 模型 (Watterson 模型)的原理，通过 Matlab 编程仿真了军标所 给短波信道参数下直观的时域信号波形， 较好地模拟了短波信道 的衰落特性。1 Watterson 模型原理 短波电离层信道在时间和频率上都是非平稳的， 但是如果只 考虑带宽小于 10 kHz 的窄带信道，在足够短的时间 (比如小于 10 min) 内，大多数信道近似于平稳，可以用静态模型来描述， 即 Watterson 信道模型 6，如图 1 所示。输入信号经过理想 的时延线被分送到一些可调节的时延抽头， 每路抽头带有可分解 的电离形式的分量； 每

7、路时延信号由一个基带抽头增益调制其幅 度和相位；各路调制信号与加性白高斯噪声相加得到输出信号。Watterson 信道模型的三个基本假设：(1) 高斯散射假设。每个抽头函数 Gi(t) 是一个可以产生瑞 利衰落的复高斯过程。(2) 独立性假设。各个抽头增益函数间是独立的。(3) 高斯型频谱假设。 每个抽头增益频谱可看成是两个高斯 型频率函数的总和。图 1 Watterson 信道模型复随机抽头增益函数 Gi(t)?丁逦?:Gi(t)=Gia(t)exp(j2 n fiat)+Gib(t)exp(j2 n fibt)(1)式中:a和b表示路径中的两个磁力子分量；fia和fib为两 个磁力子分量所

8、对应的多普勒频移； Gia(t) 和 Gib(t) 是两个各 态历经的、相互独立的、二变量的复高斯随机过程，它们的均值 为零，并且有相同均方根值和频谱的独立正交分量：Gia(t)=gia(t)+jia(t)(2)Gib(t)=gib(t)+jib(t)(3)gia(t) 和 ia(t) 是独立实高斯过程，其单一时间联合概率密 度函数为：pgia,ia = 1 n Ria(0)exp-g2ia + 2iaRia(0)(4)式中:Ria(0)是Gia(t)在 t=0时的自相关，表示信道中各 磁力子分量传送的输出功率与信道输入功率的比值。同时，gia(t)和ia(t)? y墓p势紫嗤？，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 淖韵喙睾 ？数为：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) 是独立的，有Rgiaia( t)=Riagia( t),所以 Gia(t)? y 墓 B 势资仟?gia(t)?山酮?ia(t)? q B势字？和，并且关于？E ?=0是偶对 称的。正因为如此，将 exp(j2 n fiat)纳入Gi

10、a(t)? b涂梢晕？ 该磁力子分量提供所需要的频移 fia? A ?以此类推，对磁力子分量 b 可得到上述同样的结论。每个复随机分支增益函数 Gi(t)? y 南喙睾 ?数为：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)对式 (7) 做傅氏变换得到每个复随机分支增益函数 Gi(t)? y墓 B 势缀 ?数为：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)为各磁力子分量的衰减系数;2彷ia和2 ib决定各磁力子分量的多谱勒频展宽(衰落带宽);fia 和 fib 为各磁力子分量的多谱勒频移。gia(t)?山酮?ia(t)为相互独立，是有相同均值和均方根值的独立正交分量，只要它们具有高斯型谱，则Gia(t)? X ?从瑞利分布。 为了模拟短波信道的瑞利衰落效应， 需要产生满足以上要求的gia(t)?山酮？ia(t)。如图 2 所示，复高斯噪声的实部和虚部分别通过滤波器hik(t)得到 hi(t) , ? 6 ?满

12、足:FT : hi(t) : 2=Rik(0)2 n 彷 ikexp-f22 彷 2ik=2FThik(t) 2(10)从而只需要设计具有如下功率谱的滤波器hik(t)? b纯桑?FT : hik(t) : = aikexp-f22彷 2ik1/2(11)式中:aik=Rik(0)22 n彷ik1/2为磁力子分量的衰减系数 (k=a,b) 。图 2 抽头增益产生2 系统信道模型及计算机仿真军标要求的误码率BER测量是在AWGN,CCIR Goo和CCIRPoor 三种信道条件下测量的，故实际仿真时采用了双独立等平 均功率瑞利衰落路径。 由于信道带宽窄， 只需要一个磁力子分量 来描述信道瑞利衰落。如图3所示，G11(t)和G21(t)为相互独立的窄带高斯正态分布，？X直鹩赏？2的抽头增益产生方法产 生。图 3 信道模型图4为一段8FSK信号通过系统信道(CCIR Good:多径时延0.52 ms ，衰落带宽 0.1 Hz ，多谱勒频移 1 Hz) 7-8 时各阶段 波形。图4信号通过信道(CCIR Good)的波形图4(a)和(b)为信号分别通过两路径后的波形，可见，每路 信号通过复随机抽头增益函数调制后，发生了时间选择性衰落； 图 4(c) 为两路径信号之和，可见，信号受多径影响，发生了频