一种易于实现的宽带短波信道模拟器

刘玉娟，陈 瑾，张玉明

（解放军理工大学通信工程学院，江苏南京 210007）

0 引言

短波信道模拟器是测试短波通信系统性能的有效手段，具有测试准确、可重复、费用低等优点。随着业务需求的多样化，短波通信向着高速化、宽带化方向快速发展。但现有基于Watterson模型设计的短波信道模拟器有效带宽仅12 kHz［1］，无法正确测试短波宽带高速设备的性能。

美国电信科学协会（institute for telecommunication sciences，ITS）根据短波电离层信道实测提出的一种宽带短波信道模型，其有效带宽达1 MHz，是迄今为止应用最广泛的宽带短波信道模型［2］。为满足短波宽带高速数据传输系统的性能测试需求，本文将基于ITS模型设计一款易于仿真实现的宽带短波信道模拟器，并通过分析信道模拟器的散射函数来验证其有效性，最后将采用宽带短波信道模拟器仿真测试单载波频域均衡（single carriermodulation system with frequency domain equalization，SC－FDE）高速数据传输系统在带宽为24 kHz的短波信道中的性能，以证明信道模拟器的实际工作能力。

1 宽带短波信道ITS模型

ITS模型所给出的时变信道冲激响应函数h（t，τ）是时间t和时延变量τ的函数，它的表达式为

（1）式中:n表示不同的传播模式，如F层模式，X模式，O模式等;传播模式n的信道冲激响应hn（t，τ）由时延功率剖面的平方根、确定相位函数Dn（t，τ）和随机调制函数 ψn（t，τ）3部分组成。

时延功率剖面Pn（τ）描述了模式n内不同时延分量的功率分布情况，表达式为

（2）式中:A为时延功率剖面峰值;α为未知参数;z为

（3）式中:τC为模式n的A对应的时延值;τl为未知参数。时延功率剖面的形状由A，τC，根据接收机门限值Afl定义的时延扩展宽度στ和上升时间σc4个信道实测参数共同决定。στ和σc之间应满足限制条件 σc＜ στ/2。根据A，τC，στ和 σc的值，可采用牛顿迭代法求解（2）式和（3）式中的未知参数α 和 τl［3］。

确定相位函数Dn（t，τ）描述了模式n内的多普勒频移，表达式为

（4）式中:fsC为时延τC所对应的多普勒频移，它的值由信道实测给出;b为模式n内的多普勒频移随时延值的变化率，表示为

（5）式中，fsL为τL=（τC－σc）所对应的多普勒频移，它的值由信道实测给出。

（一）互动教学的深度不够。课堂互动教学主要体现在教学内容的互动，即师生之间知识信息的流动。精心的设计和严格的安排，结合多年的教学经验，在很大程度上可以帮助教师预测学生在教学过程中的反应，及其对知识水平的吸收。但通常课堂教学是教师不断地提问，学生机械地回答，不能达到良好的教学效果，这是无法实现教师激发学生对问题的深入思考。经常可以看到，在学生回答某些问题时，有很多相同的和重复的，很少见到不同意见和观点的碰撞，所有这些现象表明，课堂教学互动只是一个肤浅的水平，这不能激励学生学习和提高学习效率。

随机调制函数ψn（t，τ）表征了模式n内的多普勒扩展和时变衰落。ψn（t，τ）是均值为零，方差为模式n的平均功率的复有色高斯过程，其功率谱为模式n的多普勒功率谱。实测的多普勒功率谱有高斯型和洛仑兹型。ψn（t，τ）关于时延τ相互独立，关于时间t相关，ψn（t，τ）的在时间t上的相关性决定了模式n的多普勒功率谱的形状和多普勒扩展的宽度。已知模式n的多普勒功率谱的形状和多普勒扩展半带宽σD的值后，可采用谐波叠加法生成随机调制函数序列［4］。

2 宽带短波信道模拟器

2.1 宽带短波信道模拟器结构

1）对输入基带信号分组。信道模拟器基于输入信号单样点处理的方式运算量很大，考虑到短波信道随时间的变化速率远小于输入数据的速率，通过对输入信号分组，假设信道在一个数据分组内是近似非时变的，可有效降低运算量，提高模拟器对输入数据的处理速率。分组长度根据短波信道的时变速率来确定，另外为了便于进行FFT/IFFT运算，分组长度取2n。

2）分解信道冲激响应函数。由于传播模式内部各多径的时延差连续，它们在空间走过的路径几乎一致，衰落特性也基本相同，因此可将传播模式内ψn（t，τ）简化为 ψn（t）并保证各传播模式之间的ψn（t）相互独立。另外，附加多普勒频移b（τ－τC）一般为一个很小的量或为零，在一个数据分组时间内可认为 ej2πb（τ－τC）t是近似非时变的。因此，hn（t，τ）可分解为时变部分ψn（t）ej2πfsCt和非时变（或慢时变）部分，输入信号分组进入传播模式n后首先与作卷积，然后与 ψn（t）ej2πfsCt点乘。

3）FFT/IFFT运算代替卷积运算。为降低运算量，采用FFT/IFFT运算代替卷积运算，为了保证循环卷积等于线性卷积，对数据分组进行了重叠保留处理。

基于以上3点，本文提出的易于仿真实现且运算量低的宽带短波信道模拟器结构如图1所示。

图1 WBHF信道模拟器结构图Fig.1 Structure figure ofWBHF channel simulator

2.2 信道模拟器仿真实现过程

根据图1仿真实现一款宽带短波信道模拟器的步骤如下。

1）计算时延功率剖面序列和附加多普勒频移。

2）生成随机调制函数序列和时变相位函数序列。

根据模式n的多普勒功率谱的形状和多普勒扩展半带宽σDn的值，采用谐波叠加法生成相互独立的随机调制函数序列ψn（mΔt），Δt为时间采样间隔;根据模式n的多普勒频移的值计算时变相位函数，其中 m=0，1，2，…。

3）输入信号分组经不同时延后进入各传播模式传输时，根据图1中各传播模式的结构对信号分组分别进行处理。

4）经各传播模式传输后的信号分组在接收端相互叠加后输出，完成整个信道模拟过程。

2.3 模拟器有效性验证

短波信道特性常采用信道散射函数来表示，散射函数是信道冲激响应函数关于时间t的自相关函数的傅利叶变换，反映了信号在时延轴上和多普勒频率轴上的功率分布情况，同时表征了信道的时延扩展和多普勒扩展等特性。因此本文将通过分析宽带短波信道模拟器的散射函数来检验其有效性。

Wagner［5］等从短波电离层信道实测所获得的信道散射函数中提取出来的3组短波信道参数如表1所示，本文采用信道1的参数作为宽带短波信道模拟器的已知参数，来验证模拟器的有效性。在信道模拟器发送端发送码元宽度为1.95μs的11阶m序列，在接收端对接收信号作滑动相关、功率谱估计等处理［6］，通过仿真获得了信道模拟器的散射函数。图2a为信道模拟器散射函数的三维图，图2b为散射函数对应的等高线图。

表1 仿真所采用的信道参数Tab.1 Channel parameters used in the simulations

图2 宽带短波信道模拟器散射函数和等高线图Fig.2 Scattering function and its contour line ofwideband HF channel simulator

从图2a中可以看出宽带短波信道模拟器中存在2种传播模式，从时延轴和多普勒频率轴可分别观测到2种传播模式的时延功率剖面和多普勒功率谱的形状，其中高斯型多普勒功率谱曲线的边缘不光滑，这是由于接收端功率谱估计的误差所导致的。从图2b中得到2种传播模式的时延扩展～στ分别为300 μs和 1 400 μs，多普勒扩展半带宽 ～σD分别为8.17 Hz和8.91 Hz，多普勒频移 ～fsC分别为 1.1 Hz和 －1.83 Hz，～fsL分别为 0.8 Hz和 －2.4 Hz。仿真所得的信道模拟器的～στ，～σD等参数的值与表1中通过信道实测所获得的信道1的στ，σc等信道参数的值基本相同，可见，宽带短波信道模拟器的散射函数与信道1实测的散射函数的基本特征是相吻合，说明本文所设计的宽带短波信道模拟器能准确模拟实际宽带短波信道特性，是一种有效的信道模拟器。

3 宽带短波信道模拟器的应用

3.1 单载波频域均衡系统

SC－FDE系统能在短波信道24 kHz带宽内实现19.2，28.8，38.4，64 和 128 kbaud/s 的高速数据传输，其系统结构如图3所示［7］，其中CP为循环前缀，AWGN为加性高斯白噪声。本文将采用设计的宽带短波信道模拟器仿真测试SC－FDE系统的性能，来证明信道模拟器的实际工作能力。

图3 单载波频域均衡系统结构Fig.3 Structure of SC－FDE system

仿真所采用的QPSK符号速率为19.2 kbaud/s，分组长度取512个码元，为保证循环卷积结果等于线性卷积，在每个符号分组间填充64个码元的循环前缀，发送端和接收端所采用的平方根升余弦成形和匹配滤波器的滚降系数α=0.25。接收端信道估计假设为已知的，频域均衡器系数采用最小均方误差准则计算［8］。宽带短波信道模拟器的信道参数分别采用表1中信道2和信道3的参数。

3.2 仿真结果

图4所示为信道2和信道3条件下，分别采用Watterson信道模拟器和本文所设计的宽带短波信道模拟器所测试得到的SC－FDE系统的误比特率曲线图。

从图4中可以看出，当误比特率达到10－3时，系统在宽带短波信道模拟器中所需的信噪比比在Watterson信道模拟器中高约5 dB。这是因为Watterson信道模拟器只考虑了信道中每一种传播模式的衰落和多普勒频移，忽略了信道中各传播模式内的时频色散特性，因此所测试的SC－FDE系统的性能优于实际信道测试的性能。而宽带短波信道模拟器中体现了各传播模式内部的时频色散特性，所测试的SC－FDE系统性能更准确，更能反映系统在实际短波信道中的性能。

图4 2种信道模拟器测试结果比较Fig.4 Testing results comparisons for two channel simulators

另外，从图4中宽带短波信道模拟器测试获得的SC－FDE系统误比特率曲线可知，SC－FDE系统在信道3中通信时的性能优于在信道2中的性能，这是因为信道2中的各传播模式的多普勒扩展和时延扩展都比信道3中严重，这是完全符合实际的。

4 结束语

本文基于ITS模型设计了一款宽带短波信道模拟器，通过分析其散射函数验证了信道模拟器的有效性。采用宽带短波信道模拟器仿真测试了SCFDE系统的性能，给出了 SC－FDE系统在2组24 kHz短波信道中的误比特率曲线图，为SC－FDE系统在实际短波信道中的通信提供了性能参考，通过与Watterson信道模拟器的测试结果对比，证明了本文所设计的宽带短波信道模拟器能更准确地测试短波宽带高速数据传输系统的性能。

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［3］ VOGLER L E，HOFFMEYER JA.Amodel forwideband HF propagation channels［J］.Radio Science，1993，28（6）:1131－1142.

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［5］ WAGNER LS，GOLDSTEIN JA，MEYERSW D，etal.The HF skywave channel:measured scattering functions for midlatitude and auroral channels and estimates for short－term wideband HF rake modem performance［C］//IEEE.Proc IEEE Military Commun Conf.Boston，MA:MILCOM'89，1989，3:830－839.

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