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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
highspeedlogic
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是时间 t 和延时 τ的函数:
h(t,
)
h
n
(t,
)
(3.1)
n
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,
)
,它由多普勒扩展
和谱形状决定;确定相位函数 D
n
(t,
)
,
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 P
n
(t,
)
,
由传播模式的传输时间、延时扩展及最大功率决定,即:
h
n
(t,
) P
n
(
)D
n
(t,
)
n
(t,
)
(3.2)
n
(t,
)
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,
)
。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
D
n
(t,
)
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,
)
与确定相位函数
D
n
(t,
)
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
和增益函数
G
i
(t)
。
highspeedlogic
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图 3.1 Watterson短波信道模型原理图
其中,
i
为每条路径上的延迟,即多径的延迟;
G
i
(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;
N
G
(t)
为加性高斯白噪声;
N
I
(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:
Z(T)=
A
k
(t)e
j(
0
t-
k
t-
0
k
)
(3.3)
k=1
n
其中
k
表示多谱勒频移,由电离层运动引起;
k
表示传输时延;
A
k
(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:
H(f,t)=
e
( j 2
f )
G
i
(t)
(3.4)
i1
n
其中
i
为路径标号;
i
为第 i 条路径的延迟时间;
n
路径总数;
G
i
(t)
和
H(f,t)
随机过程,
它们是相互独立的,对每阶增益
G
i
(t)
的描述可以用增益的相关函数表示:
G
i
(t) E[G
i
*
(t)G
i
(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:
G
si
(t) G
sia
(t)e
( j 2
sia
t )
G
sib
(t)e
( j 2
sib
t )
(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
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