短波信道模拟的计算机仿真-文档

短波信道模拟的计算机仿真

Simulation of HF Channel

LI Ren-yan1, HOU Qing-song2

(1. Unit 95486 of PLA, Chengdu 610041, China; 2.

Telecommunication Engineering Institute, Air Force

Engineering University, Xi 'an 710077, China)

：In the simulation of communication system, the approximation degree of actual channel simulated 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 channel 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 simulation

0 引言

为使各短波波形标准间相互兼容，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，种测量往往需要在实际

而这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OOP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)?①丁逦?:

Gi(t)=Gia(t)expa2 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(O)exp-g2ia + 2iaRia(0)

(4)

式中:Ria(O)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:

FT{E[gia(t)gia(t+ △ t) ]}=FT{E[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):

由于gia(t) 和ia(t) 是独立的，有

(6)