巫忠躍，岳 青，王 奧

（成都國信安信息產(chǎn)業(yè)基地有限公司，四川 成都 610015）

0 引 言

短波通信廣泛應(yīng)用于軍用通信和民用通信。短波信號(hào)主要依靠電離層對(duì)電磁波的反射和散射實(shí)現(xiàn)信息交互。由于電離層極易受到環(huán)境因素影響，短波信號(hào)傳輸過程需經(jīng)歷時(shí)間選擇性衰落、頻率選擇性衰落和空間選擇性衰落。短波信道[1]作為一種特性十分復(fù)雜的時(shí)變信道，隨環(huán)境變化表現(xiàn)出極大的差異性，如多徑效應(yīng)、多普勒效應(yīng)和空間傳播損耗等。同時(shí)，短波信道內(nèi)還包含大自然和人為的各種噪聲，如雷電噪聲和工業(yè)噪聲等，給短波通信質(zhì)量帶來了很大影響。

短波信道模擬器一直被認(rèn)為是短波通信系統(tǒng)性能評(píng)估的有效手段，能有效提升短波通信系統(tǒng)的驗(yàn)證評(píng)估能力，能為相同信道狀態(tài)下不同信號(hào)的適應(yīng)性提供研究支撐，能極大地降低前期研發(fā)難度和成本。短波信道模擬器對(duì)信道模型的選取是更為真實(shí)反映短波信道特征的重要保證。目前，較多使用Watteron信道模型和ITS信道模型。由于ITS信道模型能夠精確仿真出各種類型的傳輸條件，得到了行業(yè)認(rèn)可和關(guān)注。本文主要分析短波信道多徑效應(yīng)[2]，并選擇在FPGA數(shù)字芯片上實(shí)現(xiàn)ITS短波信道多徑效應(yīng)模擬。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 天波傳輸

短波信道的突出特點(diǎn)是具有電離層反射傳輸?shù)姆绞?，與超短波及其他頻段的無線信道模型存在差異。

電離層反射和其他建筑物或地形反射的區(qū)別：

（1）路徑距離遠(yuǎn)，最大可達(dá)幾個(gè)毫秒。

（2）電離層有運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致不同的反射路徑會(huì)出現(xiàn)不同的瞬時(shí)相位。相位中包含確定相位部分和隨機(jī)相位部分，而隨機(jī)相位具有一定的分布規(guī)律。

（3）在寬帶信號(hào)模型中，不同延時(shí)的路徑，幅度衰減有一定分布規(guī)律。

（4）短波頻段的通信速率和帶寬較小，相對(duì)來說碼元時(shí)間寬度較大或者說信號(hào)波形變化比較平緩，小延時(shí)（如5 ns以下）對(duì)信道響應(yīng)幾乎不產(chǎn)生明顯影響，而大延時(shí)則開始產(chǎn)生信道響應(yīng)變化。

如表1所示，其中D層最靠近地表，為主體吸收層，一般不反射只透射，所以對(duì)電磁波有很大衰減；E層一直存在，受晝夜影響大；F層為主體反射層，受日照影響。總的來說，產(chǎn)生電磁波反射的電離層為E層和F層。典型的反射模式如圖1所示。

表1 電離層結(jié)構(gòu)

圖1 常見的電離層反射

所以，對(duì)于短波信道仿真來說，信道路徑的衰減和相位除了可以人為設(shè)定，還要具備按照短波信道的分布特性自動(dòng)生成的功能，這是短波信道仿真和其他頻段信道仿真的重要區(qū)別。而衰減和相位的分布特性對(duì)于寬帶傳輸來說適用于ITS模型。

1.2 ITS模型簡(jiǎn)介

短波寬帶信道行為如下[3]：

h(t,τ)為信道的沖擊響應(yīng)，由n條路徑的響應(yīng)組成；*為卷積，n(t)為噪聲。其中：

Pn(τ)為對(duì)應(yīng)路徑的延遲功率譜，Dn(t,τ)為確定相位函數(shù)，ψn(t,τ)為隨機(jī)相位調(diào)制函數(shù)。

n條路徑在短波信道模型中一般指的是來自不同模式的延時(shí)路徑。不同模式可以是不同仰角模式、不同極化模式（O模式或X模式）、多層（E層或F層）模式、單跳或多跳模式等。

1.3 基于FPGA的短波通信信道多徑效應(yīng)模擬的實(shí)現(xiàn)

1.3.1 多徑衰落

小尺度衰落又叫多徑衰落，即接收機(jī)所接收到的信號(hào)是通過不同的直射、反射、折射等路徑到達(dá)接收機(jī)。由于電波通過各個(gè)路徑的距離不同，因而各條路徑中發(fā)射波的到達(dá)時(shí)間、相位都不相同。不同相位的多個(gè)信號(hào)在接收端疊加，如果同相疊加則會(huì)使信號(hào)幅度增強(qiáng)，反相疊加則會(huì)削弱信號(hào)幅度。這樣接收信號(hào)的幅度將會(huì)發(fā)生急劇變化產(chǎn)生衰落。

在小尺度（幾倍波長(zhǎng)）上，移動(dòng)無線信道主要對(duì)傳播信號(hào)存在以下幾種效應(yīng)[4]：由多徑傳播造成的信號(hào)強(qiáng)度在短距離（短時(shí)間）上的急劇變化（接收信號(hào)幅度變化）；多普勒頻移（接收信號(hào)載頻變化）；多徑時(shí)延引起信號(hào)的時(shí)間色散（基帶解調(diào)信號(hào)波形失真）。將這些效應(yīng)統(tǒng)稱為多徑效應(yīng)或小尺度衰落效應(yīng)。簡(jiǎn)單說，如果發(fā)射機(jī)、接收機(jī)或者相互作用體處于運(yùn)動(dòng)中，干涉信號(hào)以及相應(yīng)的合成信號(hào)幅度都會(huì)隨著時(shí)間變化。這種由于不同多徑分量的相互干涉而引起的合成信號(hào)幅度的變化稱為小尺度衰落。

若信道為平坦衰落信道，接收信號(hào)的包絡(luò)通常服從瑞利分布。服從瑞利分布的條件：多徑分量的到達(dá)時(shí)間差別不大，碼間干擾不明顯；各個(gè)到達(dá)接收機(jī)的多徑分量入射方向呈散射狀分布，各多徑分量具有近似相等的幅度。瑞利衰落的衰落深度達(dá)到20～40 dB，衰落速率（每秒內(nèi)信號(hào)包絡(luò)經(jīng)過中值次數(shù)的一半）為30～40次/s，分布函數(shù)為：

即接收信號(hào)的包絡(luò)服從瑞利分布，相位服從0～2π的均勻分布。

當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間存在直射視距（Visual distance，LOS）路徑時(shí)，這個(gè)路徑的信號(hào)將表現(xiàn)出明顯強(qiáng)于其他多徑分量的幅度值。此時(shí)，接收信號(hào)的包絡(luò)將賦型萊斯分布。萊斯分布的概率密度函數(shù)（Probability Density Function of Rice Distribution，PDF）為：

其中，A為主信號(hào)（LOS分量）的振幅峰值，I0(·)是零階1類修正貝塞爾函數(shù)。

圖2展示了小尺度衰落模型實(shí)現(xiàn)的原理。

由圖2可見，小尺度衰落模型包括4個(gè)部分的實(shí)現(xiàn)。

（1）數(shù)字IQ采樣延時(shí)的實(shí)現(xiàn)。通過FIFO實(shí)現(xiàn)數(shù)字IQ采樣的延時(shí)。為了實(shí)現(xiàn)大延時(shí)功能，采樣DDR3實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字IQ信號(hào)的緩存。

（2）衰落因子的實(shí)現(xiàn)。衰落因子序列的計(jì)算在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)，然后下載到信號(hào)處理板上，通過信號(hào)處理板FPGA的復(fù)數(shù)乘法器實(shí)現(xiàn)衰落模型。

（3）信噪比仿真。信號(hào)處理板FPGA實(shí)時(shí)生成AWGN/CW/LTE干擾信號(hào)，通過信噪比參數(shù)乘法器實(shí)現(xiàn)信噪比仿真。

（4）多普勒頻移仿真。通過DDS實(shí)現(xiàn)多普勒頻移仿真。動(dòng)態(tài)多普勒頻移包括正弦動(dòng)態(tài)仿真、三角動(dòng)態(tài)仿真和線性動(dòng)態(tài)仿真。

圖2 多徑模型

1.3.2 ITS信道仿真實(shí)現(xiàn)方法

短波ITS信道仿真主要指標(biāo)：

（1）頻率范圍：1.6～30 MHz；

（2）全雙工物理通道2～16個(gè)；

（3）ITS信道模型數(shù)量：64（端口1～8可分配32個(gè)，端口9～16可分配32個(gè)）；

（4）任意端口間可互通，支持復(fù)雜組網(wǎng)通信；

圖3 ITS信道仿真信號(hào)處理流程

（5）輸入功率范圍：-50～10 dBm；

（6）輸出功率范圍：-20～-120 dBm；

短波ITS信道沖擊響應(yīng)由延遲功率分布、確定相位函數(shù)和隨機(jī)調(diào)制函數(shù)3部分相乘后構(gòu)成。

圖3為短波信道仿真儀ITS信道仿真信號(hào)處理流程。

ITS信道仿真信號(hào)處理包括如下內(nèi)容：

（1）模數(shù)變換短波射頻信號(hào)，數(shù)字解調(diào)成數(shù)字IQ信號(hào)；

（2）ITS信道模型仿真；

（3）數(shù)字IQ信號(hào)數(shù)字調(diào)制成數(shù)字實(shí)數(shù)信號(hào)，數(shù)模變換成短波射頻信號(hào)。

圖4展示了ITS信道模型實(shí)現(xiàn)原理。

圖4 ITS信道模型實(shí)現(xiàn)方法

2 結(jié) 語

隨著技術(shù)的進(jìn)步，F(xiàn)PGA的處理速度得到很大的提高，外部時(shí)鐘很容易達(dá)到幾百兆赫茲，利用FPGA實(shí)現(xiàn)短波信道模擬器，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，利于算法的優(yōu)化。由于ITS信道模型需同時(shí)考慮信道對(duì)寬帶信號(hào)的時(shí)延展寬和頻譜展寬，所以利用FPGA可易實(shí)現(xiàn)信號(hào)的時(shí)延展寬，易產(chǎn)生均勻分布的M碼信號(hào)，便于實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻譜擴(kuò)展。由于IT模型能夠精確模擬各種信道傳輸條件，故設(shè)計(jì)了一種基于ITS信道模型的信道模擬器，具有重要的意義。