word版本hslogic_宽带短波信道的仿真

第三章短波宽带通信系统的信道建模仿真及优化

3.1信道建模的概念

以往人们对于短波信道的理解很大程度上局限于窄带过程。近来，由于扩频大容量短波通信的需求发展，宽带短波信道的特征得到了广泛的研究。

对于短波信道，损耗和畸变是最主要的两种传输影响。它包括自由空间传播损耗、电离层吸收损耗、多跳地面反射损耗和一些额外系统损耗。信号畸变包括：信道参数时变、多径传播和信号色散。

一般来讲，多径时延又可分为inter-modal和intra-modal两种形式。Inter-modal延迟包括multimode（多模式包括多层模式、O模式和X模式以及高低仰角模式等）和multi-hop（多跳模式）情况，这种情况下主要引起码间串扰。Intral-modal延迟由地理场强影响、电离层不均匀性和电离层介质的色散特性引起的，在这种情况下将引起信号脉冲畸变，这种情况下限制了信道的带宽。

本章，我们将重点介绍两种比较常用的信道模型，即Watterson信道模型和ITS信道模型，并且在MATLAB平台上对两种模型进行了仿真分析，其中重点讨论了ITS模型，并对该模型进行了改进分析。

3.2基于统计模型的短波信道模型

对短波信道建模具有里程碑意义的是沃特森在1970年发表的一篇文章，文章中提出了一种静态模型，并在大气中进行了实验验证。此静态模型可以描述为高斯散射增益抽头延迟线模型，即Watterson模型。

Watterson信道模型是经典的窄带短波信道模型，在这个模型中，信道衰落是瑞利幅度分布，而在每种传播模式中多普勒扩展的功率谱满足高斯分布。Watterson模型没有定义延时扩展的形状，认为各个多径传输模式中不存在延时扩展。其有效带宽仅为10kHz。在与高纬度电离层和近赤道电离层有关的应用中，Watterson模型过于简单，例如，在高纬度，多普勒谱通常不是高斯型的。

上个世纪90年代后期，美国电信科学协会(ITS)发表了一篇迄今最为权威的宽带信道模型仿真器实现方法的论文，后被广泛称为ITS模型。ITS模型适用于宽带和窄带两种情况，可看作Watterson模型的一种扩展。

美国ITS提出了一种更复杂的电离层信道模型。这个模型是作为宽带模型提出的，但也适用于窄带模型。在ITS模型中，总的信道冲击响应定义为所有传输模式冲击响应之和，它是时间t和延时τ的函数：

(,)(,)n n

h t h t ττ=∑ （3.1）

ITS 模型用三项的积表示每个模式的冲激响应：随机调制函数(,)n t ψτ，它由多普勒扩展和谱形状决定；确定相位函数(,)n D t τ，由多普勒频移及多普勒频移随延时的变化的速率决定；延时功率分布的平方根(,)n P t τ，由传播模式的传输时间、延时扩展及最大功率决定，即：

(,)(,)(,)n n n h t t t ττψτ= （3.2）

(,)n t ψτ为随机调制函数。为了模拟冲激响应的衰落，需要从随机复数时间序列的集合构造出随机调制函数(,)n t ψτ。对每个延时偏移，构造出两个独立的随机数序列，分别代表复数时间序列的实部与虚部。每个实数序列都是独立白色随机序列，其幅度服从高斯分布。相应的复随机数序列幅度服从瑞利分布。

确定相位函数(,)n D t τ描述了信道的多普勒频移特性，模式的多普勒频移是由随机调制函数(,)n t ψτ与确定相位函数(,)n D t τ相乘得到的。

3.3几种宽带短波信道建模的方法

本文，我们将重点介绍Watterson 模型和ITS 模型，并对ITS 模型提出了改进方案，最后对两种模型在MATLAB 环境下进行了仿真分析。

3.3.1 Watterson 信道模型

3.3.1.1 Watterson 信道模型理论简介

由于高频信道往往在时域和频域上是随着时间变化而变化的，所以仅仅在有限的频带内进行分析，因为在有限长的时间内，信号基本是稳定的，所以可以选取一个基本静态的模型进行分析，在实际信号传播过程中，信道可以看出是一个有限数量的相互相关的离散信号模型的组合。

此外，Watterson 信道模型，其建立在其信道衰弱时服从Rayleigh 分布的，每种模式的多谱勒扩展是高斯谱分布。

所以，我们可以用如下的模型进行标示，图3.1，该模型首先对输入的信号进行延时，来模拟实际的N 条路径。此外，由第二章介绍的短波信道的信道特性可以知道，短波信道的每条路径之间是相互独立的，所以，每条路径，其均有独立的时延i τ和增益函数()i G t 。

图3.1 Watterson 短波信道模型原理图

其中，i τ为每条路径上的延迟，即多径的延迟；

()i G t 为信号在短波信道的衰落、频谱扩散和多普勒频移，实现短波信道的乘性干扰； G N (t)为加性高斯白噪声；

I N (t)为短波信道的干扰；

那么，根据图3.1的基本模型结构可知，Watterson 模型可用下述关系式表示：

0k 0k n

j(t-t-)k k=1Z(T)=A (t)e ωυωα∑ （3.3）

其中k υ表示多谱勒频移，由电离层运动引起；

k α表示传输时延；

k A (t)是一个复高斯随机过程，其频谱形状为高斯形状，表示信号幅度的衰减；

Watterson 模型的时变频响可表示成：

n

(2)1H(f,t)=()j f i i e G t πτ-=∑ （3.4）

其中i 为路径标号；i τ为第i 条路径的延迟时间；n 路径总数；()i G t 和H(f,t)随机过程，它们是相互独立的，对每阶增益()i G t 的描述可以用增益的相关函数表示：

*()[()()]i i i G t E G t G t t ∆=+∆ （3.5） 本文选择的特定信道模型，阶增益函数是相互独立的，每个函数通常可定义为：

(2)(2)()()()sia sib j t j t si sia sib G t G t e G t e πυπυ=+ （3.6） 式中：Gsia(t)和Gsib(t)是两个相互独立的复高斯各态历经随机过程，它们彼此是零均值和相