一種易于實(shí)現(xiàn)的寬帶短波信道模擬器

劉玉娟，陳 瑾，張玉明

（解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院，江蘇南京 210007）

0 引言

短波信道模擬器是測試短波通信系統(tǒng)性能的有效手段，具有測試準(zhǔn)確、可重復(fù)、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。隨著業(yè)務(wù)需求的多樣化，短波通信向著高速化、寬帶化方向快速發(fā)展。但現(xiàn)有基于Watterson模型設(shè)計(jì)的短波信道模擬器有效帶寬僅12 kHz［1］，無法正確測試短波寬帶高速設(shè)備的性能。

美國電信科學(xué)協(xié)會（institute for telecommunication sciences，ITS）根據(jù)短波電離層信道實(shí)測提出的一種寬帶短波信道模型，其有效帶寬達(dá)1 MHz，是迄今為止應(yīng)用最廣泛的寬帶短波信道模型［2］。為滿足短波寬帶高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的性能測試需求，本文將基于ITS模型設(shè)計(jì)一款易于仿真實(shí)現(xiàn)的寬帶短波信道模擬器，并通過分析信道模擬器的散射函數(shù)來驗(yàn)證其有效性，最后將采用寬帶短波信道模擬器仿真測試單載波頻域均衡（single carriermodulation system with frequency domain equalization，SC－FDE）高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在帶寬為24 kHz的短波信道中的性能，以證明信道模擬器的實(shí)際工作能力。

1 寬帶短波信道ITS模型

ITS模型所給出的時變信道沖激響應(yīng)函數(shù)h（t，τ）是時間t和時延變量τ的函數(shù)，它的表達(dá)式為

（1）式中:n表示不同的傳播模式，如F層模式，X模式，O模式等;傳播模式n的信道沖激響應(yīng)hn（t，τ）由時延功率剖面的平方根、確定相位函數(shù)Dn（t，τ）和隨機(jī)調(diào)制函數(shù) ψn（t，τ）3部分組成。

時延功率剖面Pn（τ）描述了模式n內(nèi)不同時延分量的功率分布情況，表達(dá)式為

（2）式中:A為時延功率剖面峰值;α為未知參數(shù);z為

（3）式中:τC為模式n的A對應(yīng)的時延值;τl為未知參數(shù)。時延功率剖面的形狀由A，τC，根據(jù)接收機(jī)門限值A(chǔ)fl定義的時延擴(kuò)展寬度στ和上升時間σc4個信道實(shí)測參數(shù)共同決定。στ和σc之間應(yīng)滿足限制條件 σc＜ στ/2。根據(jù)A，τC，στ和 σc的值，可采用牛頓迭代法求解（2）式和（3）式中的未知參數(shù)α 和 τl［3］。

確定相位函數(shù)Dn（t，τ）描述了模式n內(nèi)的多普勒頻移，表達(dá)式為

（4）式中:fsC為時延τC所對應(yīng)的多普勒頻移，它的值由信道實(shí)測給出;b為模式n內(nèi)的多普勒頻移隨時延值的變化率，表示為

（5）式中，fsL為τL=（τC－σc）所對應(yīng)的多普勒頻移，它的值由信道實(shí)測給出。

（一）互動教學(xué)的深度不夠。課堂互動教學(xué)主要體現(xiàn)在教學(xué)內(nèi)容的互動，即師生之間知識信息的流動。精心的設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的安排，結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，在很大程度上可以幫助教師預(yù)測學(xué)生在教學(xué)過程中的反應(yīng)，及其對知識水平的吸收。但通常課堂教學(xué)是教師不斷地提問，學(xué)生機(jī)械地回答，不能達(dá)到良好的教學(xué)效果，這是無法實(shí)現(xiàn)教師激發(fā)學(xué)生對問題的深入思考。經(jīng)?？梢钥吹剑趯W(xué)生回答某些問題時，有很多相同的和重復(fù)的，很少見到不同意見和觀點(diǎn)的碰撞，所有這些現(xiàn)象表明，課堂教學(xué)互動只是一個膚淺的水平，這不能激勵學(xué)生學(xué)習(xí)和提高學(xué)習(xí)效率。

隨機(jī)調(diào)制函數(shù)ψn（t，τ）表征了模式n內(nèi)的多普勒擴(kuò)展和時變衰落。ψn（t，τ）是均值為零，方差為模式n的平均功率的復(fù)有色高斯過程，其功率譜為模式n的多普勒功率譜。實(shí)測的多普勒功率譜有高斯型和洛侖茲型。ψn（t，τ）關(guān)于時延τ相互獨(dú)立，關(guān)于時間t相關(guān)，ψn（t，τ）的在時間t上的相關(guān)性決定了模式n的多普勒功率譜的形狀和多普勒擴(kuò)展的寬度。已知模式n的多普勒功率譜的形狀和多普勒擴(kuò)展半帶寬σD的值后，可采用諧波疊加法生成隨機(jī)調(diào)制函數(shù)序列［4］。

2 寬帶短波信道模擬器

2.1 寬帶短波信道模擬器結(jié)構(gòu)

1）對輸入基帶信號分組。信道模擬器基于輸入信號單樣點(diǎn)處理的方式運(yùn)算量很大，考慮到短波信道隨時間的變化速率遠(yuǎn)小于輸入數(shù)據(jù)的速率，通過對輸入信號分組，假設(shè)信道在一個數(shù)據(jù)分組內(nèi)是近似非時變的，可有效降低運(yùn)算量，提高模擬器對輸入數(shù)據(jù)的處理速率。分組長度根據(jù)短波信道的時變速率來確定，另外為了便于進(jìn)行FFT/IFFT運(yùn)算，分組長度取2n。

2）分解信道沖激響應(yīng)函數(shù)。由于傳播模式內(nèi)部各多徑的時延差連續(xù)，它們在空間走過的路徑幾乎一致，衰落特性也基本相同，因此可將傳播模式內(nèi)ψn（t，τ）簡化為 ψn（t）并保證各傳播模式之間的ψn（t）相互獨(dú)立。另外，附加多普勒頻移b（τ－τC）一般為一個很小的量或?yàn)榱?，在一個數(shù)據(jù)分組時間內(nèi)可認(rèn)為 ej2πb（τ－τC）t是近似非時變的。因此，hn（t，τ）可分解為時變部分ψn（t）ej2πfsCt和非時變（或慢時變）部分，輸入信號分組進(jìn)入傳播模式n后首先與作卷積，然后與 ψn（t）ej2πfsCt點(diǎn)乘。

3）FFT/IFFT運(yùn)算代替卷積運(yùn)算。為降低運(yùn)算量，采用FFT/IFFT運(yùn)算代替卷積運(yùn)算，為了保證循環(huán)卷積等于線性卷積，對數(shù)據(jù)分組進(jìn)行了重疊保留處理。

基于以上3點(diǎn)，本文提出的易于仿真實(shí)現(xiàn)且運(yùn)算量低的寬帶短波信道模擬器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 WBHF信道模擬器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure figure ofWBHF channel simulator

2.2 信道模擬器仿真實(shí)現(xiàn)過程

根據(jù)圖1仿真實(shí)現(xiàn)一款寬帶短波信道模擬器的步驟如下。

1）計(jì)算時延功率剖面序列和附加多普勒頻移。

2）生成隨機(jī)調(diào)制函數(shù)序列和時變相位函數(shù)序列。

根據(jù)模式n的多普勒功率譜的形狀和多普勒擴(kuò)展半帶寬σDn的值，采用諧波疊加法生成相互獨(dú)立的隨機(jī)調(diào)制函數(shù)序列ψn（mΔt），Δt為時間采樣間隔;根據(jù)模式n的多普勒頻移的值計(jì)算時變相位函數(shù)，其中 m=0，1，2，…。

3）輸入信號分組經(jīng)不同時延后進(jìn)入各傳播模式傳輸時，根據(jù)圖1中各傳播模式的結(jié)構(gòu)對信號分組分別進(jìn)行處理。

4）經(jīng)各傳播模式傳輸后的信號分組在接收端相互疊加后輸出，完成整個信道模擬過程。

2.3 模擬器有效性驗(yàn)證

短波信道特性常采用信道散射函數(shù)來表示，散射函數(shù)是信道沖激響應(yīng)函數(shù)關(guān)于時間t的自相關(guān)函數(shù)的傅利葉變換，反映了信號在時延軸上和多普勒頻率軸上的功率分布情況，同時表征了信道的時延擴(kuò)展和多普勒擴(kuò)展等特性。因此本文將通過分析寬帶短波信道模擬器的散射函數(shù)來檢驗(yàn)其有效性。

Wagner［5］等從短波電離層信道實(shí)測所獲得的信道散射函數(shù)中提取出來的3組短波信道參數(shù)如表1所示，本文采用信道1的參數(shù)作為寬帶短波信道模擬器的已知參數(shù)，來驗(yàn)證模擬器的有效性。在信道模擬器發(fā)送端發(fā)送碼元寬度為1.95μs的11階m序列，在接收端對接收信號作滑動相關(guān)、功率譜估計(jì)等處理［6］，通過仿真獲得了信道模擬器的散射函數(shù)。圖2a為信道模擬器散射函數(shù)的三維圖，圖2b為散射函數(shù)對應(yīng)的等高線圖。

表1 仿真所采用的信道參數(shù)Tab.1 Channel parameters used in the simulations

圖2 寬帶短波信道模擬器散射函數(shù)和等高線圖Fig.2 Scattering function and its contour line ofwideband HF channel simulator

從圖2a中可以看出寬帶短波信道模擬器中存在2種傳播模式，從時延軸和多普勒頻率軸可分別觀測到2種傳播模式的時延功率剖面和多普勒功率譜的形狀，其中高斯型多普勒功率譜曲線的邊緣不光滑，這是由于接收端功率譜估計(jì)的誤差所導(dǎo)致的。從圖2b中得到2種傳播模式的時延擴(kuò)展～στ分別為300 μs和 1 400 μs，多普勒擴(kuò)展半帶寬 ～σD分別為8.17 Hz和8.91 Hz，多普勒頻移 ～fsC分別為 1.1 Hz和 －1.83 Hz，～fsL分別為 0.8 Hz和 －2.4 Hz。仿真所得的信道模擬器的～στ，～σD等參數(shù)的值與表1中通過信道實(shí)測所獲得的信道1的στ，σc等信道參數(shù)的值基本相同，可見，寬帶短波信道模擬器的散射函數(shù)與信道1實(shí)測的散射函數(shù)的基本特征是相吻合，說明本文所設(shè)計(jì)的寬帶短波信道模擬器能準(zhǔn)確模擬實(shí)際寬帶短波信道特性，是一種有效的信道模擬器。

3 寬帶短波信道模擬器的應(yīng)用

3.1 單載波頻域均衡系統(tǒng)

SC－FDE系統(tǒng)能在短波信道24 kHz帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)19.2，28.8，38.4，64 和 128 kbaud/s 的高速數(shù)據(jù)傳輸，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示［7］，其中CP為循環(huán)前綴，AWGN為加性高斯白噪聲。本文將采用設(shè)計(jì)的寬帶短波信道模擬器仿真測試SC－FDE系統(tǒng)的性能，來證明信道模擬器的實(shí)際工作能力。

圖3 單載波頻域均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of SC－FDE system

仿真所采用的QPSK符號速率為19.2 kbaud/s，分組長度取512個碼元，為保證循環(huán)卷積結(jié)果等于線性卷積，在每個符號分組間填充64個碼元的循環(huán)前綴，發(fā)送端和接收端所采用的平方根升余弦成形和匹配濾波器的滾降系數(shù)α=0.25。接收端信道估計(jì)假設(shè)為已知的，頻域均衡器系數(shù)采用最小均方誤差準(zhǔn)則計(jì)算［8］。寬帶短波信道模擬器的信道參數(shù)分別采用表1中信道2和信道3的參數(shù)。

3.2 仿真結(jié)果

圖4所示為信道2和信道3條件下，分別采用Watterson信道模擬器和本文所設(shè)計(jì)的寬帶短波信道模擬器所測試得到的SC－FDE系統(tǒng)的誤比特率曲線圖。

從圖4中可以看出，當(dāng)誤比特率達(dá)到10－3時，系統(tǒng)在寬帶短波信道模擬器中所需的信噪比比在Watterson信道模擬器中高約5 dB。這是因?yàn)閃atterson信道模擬器只考慮了信道中每一種傳播模式的衰落和多普勒頻移，忽略了信道中各傳播模式內(nèi)的時頻色散特性，因此所測試的SC－FDE系統(tǒng)的性能優(yōu)于實(shí)際信道測試的性能。而寬帶短波信道模擬器中體現(xiàn)了各傳播模式內(nèi)部的時頻色散特性，所測試的SC－FDE系統(tǒng)性能更準(zhǔn)確，更能反映系統(tǒng)在實(shí)際短波信道中的性能。

圖4 2種信道模擬器測試結(jié)果比較Fig.4 Testing results comparisons for two channel simulators

另外，從圖4中寬帶短波信道模擬器測試獲得的SC－FDE系統(tǒng)誤比特率曲線可知，SC－FDE系統(tǒng)在信道3中通信時的性能優(yōu)于在信道2中的性能，這是因?yàn)樾诺?中的各傳播模式的多普勒擴(kuò)展和時延擴(kuò)展都比信道3中嚴(yán)重，這是完全符合實(shí)際的。

4 結(jié)束語

本文基于ITS模型設(shè)計(jì)了一款寬帶短波信道模擬器，通過分析其散射函數(shù)驗(yàn)證了信道模擬器的有效性。采用寬帶短波信道模擬器仿真測試了SCFDE系統(tǒng)的性能，給出了 SC－FDE系統(tǒng)在2組24 kHz短波信道中的誤比特率曲線圖，為SC－FDE系統(tǒng)在實(shí)際短波信道中的通信提供了性能參考，通過與Watterson信道模擬器的測試結(jié)果對比，證明了本文所設(shè)計(jì)的寬帶短波信道模擬器能更準(zhǔn)確地測試短波寬帶高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的性能。

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