多径传输的短波仿真

1.概述

短波通信，又称为HF(HighFrequency)通信，是利用频率为3MHz～30MHz的电磁波进行的无线电通信。短波通信主要是利用电离层的反射进行远距离传播，仅需要不大的发射功率及适中的设备费用，而且具有不易“摧毁”的中继系统——电离层，使其在众多的领域发挥着极其重要的作用。

2.短波电离层传播特性

由于地波的衰减随着频率的升高而增大，所以即使使用1000W的发射机，陆上传播距离也仅为100km左右。对于短波通信而言，天波传播较地波传播具有更重要的意义，这不仅仅因为天波可以进行远距离传播，可以穿越丘陵地带，而且可以在地波宣告无效的很短的距离内建立无线通信链路。短波信道是一种典型的时变参数信道，其基本特性包括短波电离层传播特性、信道衰落特性、噪声干扰以及短波电离层反射信道的统计特性等。多径传播是指电波传播信道中的多径传输现象所引起的干涉延时效应。多径传播主要带来两个问题：一是衰落，二是时延。多径时延是指多径中最大的传输时延与最小的传输时延之差。衰落主要包括由电离层电子密度及高度的变化造成的电离层吸收特性衰落（慢衰落）和随机多径引起的干涉型衰落（快衰落）。多径传播还会造成信号的相位起伏，即产生多普勒频移。无线信道中的多普勒频移是指发射信号频率的漂移。若电波按照多跳模式传播，则总频移值按下式计算：频移值。信道模型用来模拟实际信道的时间扩展（多径）失真，频率失真信道模型用来模拟实际信道的时间扩展（多径）失真和频率失真。短波信道模型目前有高斯散射增益抽头延迟线模型、采用电离层物理参数的信道模型和采用短波信道冲击响应直接测量法的模型等。在这些模型中，Watterson提出的高斯散射增益抽头延迟线信道模型最为广泛，ITU依据Watterson信道模型定义了3种短波信道条件来评估时机短波系统的性能。

3.Watterson信道模型

短波信道是典型的时变色散信道，信道中存在多径时延、衰落、多普勒频扩等现象。但是当带宽有限（如10kHz），并且在足够短的时间内（如10分钟内），短波信道基本上可以认为是稳定的，因此能够选用一个合适的静态模型来表示。在Watterson模型中，假定信道衰减是瑞利幅度分布，而在每种传播模式中多普勒扩展具有高斯功率谱；假定输入信号是x(t)，无线信道冲击响应是h(t,τ)，则输出信号可表示为：（2）式（2）中t为时间变量，τ为时延变量，n(t)为噪声信号。Watterson信道模型将信道看做带抽头的理想时延延迟线，在每个抽头上，由抽头增益函数Gi(t)对延迟信号进行调制。在实际的信道传播中，信道模型可以看成是有限数量的相关离散信号模型的组合，信道传播模型（见图1），n为传播路径数。输入信号要经过有限阶数的延迟，这些延迟是可调整的；每阶信号有一个合适的阶增益对其进行幅度和相位调制，相当于在每条路径上增加了频率扩展和多普勒频移，这些调制信号在输出端相加输出。式(4)中，Gia(t)和Gib(t)是两个相互独立的复高斯各态历经随机过程，它们是零均值和相互独立的正交分量。Gi(t)描述了信号在短波信道受到的衰落、频谱扩散和多普勒频移成分，从而实现短波信道中的乘性干扰，式(4)中右端的实数部分使信号可以加入多普勒扩展。Gia(t)和Gib(t)表示G是两个独立复高斯各态历经随机过程的样本函数，这两个高斯过程都是零均值的，其实部与虚部具有相同的均方根值。这些复序列呈现瑞利衰落特性。抽头增益函数也经过滤波，在信号功率谱中产生高斯型多普勒扩展。

4．Watterson信道模型仿真及分析

Watterson模型中多普勒频率扩展的功率谱满足高斯分布，具有高斯功率谱的相关随机序列可以通过使用一个高斯白噪声序列、具有高斯功率谱的低通滤波器来实现，高斯滤波器的带宽由多普勒扩展决定，这样便模拟了多普勒扩展对信号的影响。Watterson模型中的多径及多普勒频移、噪声等可以通过瑞利信道实现。瑞利衰落信道(Rayleighfadingchannel)是一种无线电信号传播环境的统计模型。这种模型假设信号通过无线信道之后，其信号幅度是随机的，表现为衰落特性，并且多径衰落的信号包络服从瑞利分布。这一信道模型能够描述由电离层和对流层反射的短波信道，以及建筑物密集的城市环境。在这里通过MATLAB函数实现信道仿真过程。首先，实现单音信号的时域和频域图，信号通过多径衰落信道及高斯信道，输出信号进行变换后与原信号进行对比，分析信号的多径、衰落等特性。其中，瑞利多径信号和高斯信道构成了对短波信道的各种特性的仿真，在多径瑞利信道中设置信道的多普勒频扩(Fd)、多径延迟时间(τ)、各路增益(pfd)等参数，在高斯信道中设置信噪比。

4.1信道的时延及衰落特性我们以单音信号为例，研究该短波信道模型的特性，首先看信道的时延及衰落特性，设置时延参数为τ=[0,0.02]，观察信号的时域及频域特征（见图2）。可以看出，经过时延信道后，信号有衰减，时域信号有了0.02s的延迟。这里t=(0:L-1)•Ts,当t取40左右的值后，算出(0：L-1)的值约等于0.02。

4.2多径效应及多普勒频扩以两条路径为例，研究该信道模型的多径及多普勒频扩现象，设置信道的最大多普勒频移为10Hz，两条路径的时延参数为τ=[0,1e-6]，信号经过信道前后的时域及频域图（见图3）。

5．结论

本文主要介绍了短波信道的主要特性，并以Watterson信道模型为基础，实现了对短波信道的建模仿真，同时用单音信号对其进行了测试，从时域和频域分别进行了对比，验证了信号通过该信道模型后产生时延、衰落及多普勒频扩等现象。仿真结果验证了该短波信道模型仿真算法的可行性和正确性。