短波通信試驗(yàn)中信道模擬器技術(shù)研究

摘 要:短波通信試驗(yàn)中，涉及地域廣、試驗(yàn)次數(shù)多、經(jīng)費(fèi)消耗大，采用模擬試驗(yàn)技術(shù)是有效的解決途徑。首先介紹寬帶短波信道模擬器在短波通信試驗(yàn)中的地位，然后說(shuō)明了寬帶短波信道的建模技術(shù)和模擬器各功能模塊的實(shí)現(xiàn)方法，最后闡述了寬帶短波信道模擬器在短波通信試驗(yàn)中的具體應(yīng)用。該技術(shù)可應(yīng)用于短波電臺(tái)鑒定試驗(yàn)，對(duì)縮短研制周期，節(jié)省研制費(fèi)用有重要意義。

關(guān)鍵詞:短波通信試驗(yàn); 寬帶短波信道; 信道建模; 信道模擬器

中圖分類號(hào):TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)13-0004-04

Application of HF Channel Simulator in Shortwave Communication Experiment

WANG Lin1， RUI Guo-sheng2， TIAN Wen-biao1

(1. Graduate Students' Brigade， Naval Aeronautical and Astronautical University， Yantai 264001， China;

2. Department of Electronic and Information Engineering， Naval Aeronautical and Astronautical University， Yantai 264001， China)

Abstract:The simulation technology is an effective solution for the disadvantages of wide district， lots of experiments and huge cost in shortwave communication experimentation. The status of wideband HF channel simulator in shortwave communication experimentation is introduced. The modeling technique of wideband HF channel and the realization of each function module are proposed. The application of wideband HF channel simulator in shortwave communication experimentation is expatiated. This technique can be applied to appraisal experimentation of shortwave broadcasting station， and has important signi-ficance on saving RD time and outlay.

Keywords:shortwave communication experimentation; wideband HF channel; channel modeling; channel simulator

0 引 言

短波通信的工作頻率是3~30 MHz，與其他通信方式相比，它具有設(shè)備簡(jiǎn)單、體積較小、成本低廉、節(jié)省電量、靈活機(jī)動(dòng)、組網(wǎng)容易以及通信距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，所以在很長(zhǎng)時(shí)間里，一直都是一種國(guó)防科研試驗(yàn)中主要的通信手段之一[1]。尤其是在諸軍種協(xié)同作戰(zhàn)的遠(yuǎn)程通信、戰(zhàn)區(qū)C3I系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用。但是短波信道由于具有時(shí)變和色散的特性[2]，使短波具有頻帶窄、容量小、相互干擾嚴(yán)重的特點(diǎn)，各種短波通信設(shè)備必須經(jīng)過(guò)大量的通信試驗(yàn)以檢驗(yàn)其性能。

在短波通信試驗(yàn)中，涉及參試單位多，需要在各種地域反復(fù)測(cè)量，這必然消耗大量人力、物力和財(cái)力，而通過(guò)短波信道模擬器可以解決在真實(shí)地域通信試驗(yàn)中遇到的上述問(wèn)題。短波信道模擬器借助先進(jìn)的仿真技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行通信試驗(yàn)，因其具有有效性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、直觀性等特點(diǎn)，在通信試驗(yàn)中可廣泛使用。

但是縱觀現(xiàn)有的短波信道模擬器可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段短波信道模擬器大部分停留在話音帶寬上，其主要不足是功耗過(guò)高、體積龐大、可控性不高、實(shí)時(shí)性不好，且其采用模型多為窄帶Wattereson模型，當(dāng)帶寬較大時(shí)此模型并不能很好地模擬真實(shí)的信道，而國(guó)外成型的產(chǎn)品購(gòu)買費(fèi)用昂貴，且在軍事通信試驗(yàn)中可能會(huì)有安全隱患。由此可見(jiàn)，現(xiàn)有的短波信道模擬器已不能滿足日益發(fā)展的寬帶短波通信試驗(yàn)中信道模擬的需求。因此本文將研究寬帶短波信道模擬器，并重點(diǎn)研究信道建模和模擬器的設(shè)計(jì)方法。

1 寬帶信道模擬器在短波通信試驗(yàn)中的地位

在短波通信試驗(yàn)中，若要求測(cè)試出某型號(hào)電臺(tái)的具體性能指標(biāo)，則需要進(jìn)行大量的實(shí)地測(cè)試，尤其是在協(xié)同作戰(zhàn)的背景下短波通信組網(wǎng)試驗(yàn)中要求有多個(gè)裝備短波電臺(tái)的不同的平臺(tái)參加，如圖1所示。

圖1中有三類短波通信平臺(tái)，即空中平臺(tái)、陸地平臺(tái)、海面平臺(tái)，從圖中可以看出它們之間互相通信時(shí)所用的信道是不同的。外場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)各種短波信道都必須進(jìn)行試驗(yàn)，涉及陸海空的各軍種，這種通信試驗(yàn)將會(huì)十分復(fù)雜。

圖1 短波組網(wǎng)通信試驗(yàn)示意圖

運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室模擬技術(shù)對(duì)短波電臺(tái)進(jìn)行模擬則如圖2所示，寬帶短波信道模擬器作為通信試驗(yàn)的核心，外接多個(gè)參試電臺(tái)，形成一個(gè)模擬試驗(yàn)環(huán)境。電臺(tái)發(fā)射的信號(hào)經(jīng)過(guò)寬帶短波信道模擬器，信號(hào)在模擬器中經(jīng)過(guò)一系列的變換，模擬出經(jīng)過(guò)不同信道環(huán)境時(shí)信號(hào)的變化，從而實(shí)現(xiàn)模擬通信試驗(yàn)。

圖2 模擬試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

寬帶短波信道模擬器通信試驗(yàn)中可以設(shè)定為各種環(huán)境的信道，它替代了真實(shí)環(huán)境中的各種信道，避免了外場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)的一些缺點(diǎn)。寬帶短波信道模擬器將會(huì)在短波通信試驗(yàn)中起到舉足輕重的作用。

2 寬帶短波信道建模方法

寬帶短波信道的建模方法是信道模擬器的關(guān)鍵技術(shù)。建模方法主要有兩種:統(tǒng)計(jì)建模方法、決定建模方法[3]。統(tǒng)計(jì)建模的模型由于是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)抽象出的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)模型，所以參數(shù)少，同時(shí)改變統(tǒng)計(jì)性模型的參數(shù)可以獲得無(wú)限種可能的短波信道條件。而決定性模型則需要確定大量的測(cè)試參數(shù)，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。ITS模型是目前較為完善的統(tǒng)計(jì)性模型，本文中的寬帶短波信道模擬器將采用此模型。

1993年，Vogler和Hoffmeyer在Radio Science上發(fā)表了一篇寬帶短波建模的文章[4]，根據(jù)Wagne和Basler等人的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)出信道的傳遞函數(shù)，脈沖響應(yīng)以及散射函數(shù)得出了Vogler寬帶信道的數(shù)學(xué)模型。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

每種傳播模式的沖擊響應(yīng)函數(shù)均由三部分之積組成，即隨機(jī)調(diào)制函數(shù)、決定性相位函數(shù)和延遲功率分布，它們都是傳播時(shí)間t和時(shí)間延遲τ的函數(shù)。隨機(jī)調(diào)制函數(shù)決定了多普勒頻率擴(kuò)展的形狀，決定性相位函數(shù)描述了多普勒頻率偏移的變化，延遲功率分布表現(xiàn)了時(shí)間延遲擴(kuò)展的情況。下面對(duì)模型中的重要函數(shù)進(jìn)行具體分析。

圖3 ITS模型系統(tǒng)框圖

2.1 雙時(shí)響應(yīng)函數(shù)

雙時(shí)響應(yīng)函數(shù)為信道傳遞函數(shù)的解析性表達(dá)式，它包含了時(shí)延和多譜勒頻率特征，如式(1)所示[5]:

h(t，τ)=∑nTn(t)Dn(t，τ)Ψn(t，τ) (1)

式中:Tn(t)為功率延遲剖面函數(shù)(控制功率時(shí)延);Dn(t，τ)為決定相位函數(shù)(控制多普勒頻移);Ψn(t，τ)為隨機(jī)調(diào)制函數(shù)(控制頻擴(kuò));n代表信號(hào)在短波信道中有n種傳輸模式。

2.2 散射函數(shù)

散射函數(shù)SG(t，fd)表征了時(shí)延和多譜勒頻率的關(guān)系，其定義為系統(tǒng)沖激響應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換。由于多普勒擴(kuò)展為高斯譜(Gaussian)或洛侖茲譜(Lorentizian)，故散射函數(shù)也分兩種，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可得散射函數(shù):

Gaussian:

SG(t，fd)=T(t)#8226;e{-π[(fd-fb)/σf]2+j2πφ0} (2)

Lorentizian:

SL(t，fd)=T(t)#8226;ej2πφ0#8226;σf[j2π(fd-fb)+σf]-1 (3)

3 寬帶短波信道模擬器的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)寬帶短波信道模擬器是在短波通信試驗(yàn)時(shí)，與參加試驗(yàn)的一個(gè)或多個(gè)短波電臺(tái)組網(wǎng)，調(diào)試短波電臺(tái)的各種通信功能，使模擬通信試驗(yàn)?zāi)軌蛱娲鈭?chǎng)試驗(yàn)，提高短波通信試驗(yàn)的效率，為電臺(tái)定型節(jié)省大量的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。

3.1 模擬器的系統(tǒng)組成

寬帶短波模擬器主要是為短波通信試驗(yàn)提供一個(gè)或多個(gè)信道環(huán)境，各電臺(tái)間通過(guò)模擬信道進(jìn)行通信，并且本文以ITS模型為模擬器的基本模型，這些決定了寬帶短波信道模擬器的組成，如圖4所示。

圖4 模擬器組成框圖

圖中Ψ，D，T定義同式(1)中定義，由信道參數(shù)決定。信道整體的沖擊響應(yīng)函數(shù)是由各個(gè)不同傳播模式的響應(yīng)函數(shù)之和組成。這里的傳播模式可以是不同的極化方式，也可以是不同的電離層反射，還可以是不同的發(fā)射仰角，或者是不同的跳躍模式。因此，可以分別計(jì)算出每個(gè)傳播模式的沖擊響應(yīng)序列，各路徑的雙時(shí)響應(yīng)求和得到信道的總沖激響應(yīng)。然后與電臺(tái)輸入信號(hào)卷積，就得到了信道的輸出信號(hào)。

3.2 模擬器實(shí)現(xiàn)的主要功能

根據(jù)圖4所示，寬帶短波信道模擬器主要由傳輸損耗、多普勒效應(yīng)、多徑效應(yīng)、噪聲干擾等模塊組成，它們?cè)诙滩ㄍㄐ旁囼?yàn)中分別實(shí)現(xiàn)了信道模擬主要功能。

(1) 傳輸損耗。在短波無(wú)線傳輸中，能量的損耗主要來(lái)自三個(gè)方面:自由空間傳播損耗、電離層吸收損耗和多跳地面反射損耗。除了這三項(xiàng)損耗外，通常把其他的損耗(如極化損耗、電離層偏移吸收損耗等)統(tǒng)稱為額外系統(tǒng)損耗。因?yàn)椴煌Ｊ降膿p耗是不同的，所以在每一條傳輸模式下分別加裝一個(gè)傳輸損耗模塊以實(shí)現(xiàn)模擬傳輸損耗的功能。

(2)多普勒效應(yīng)。利用短波信道傳播信號(hào)時(shí)，存在多普勒效應(yīng)所造成的發(fā)射信號(hào)頻率的漂移，這種漂移稱為多普勒頻移，用Δf表示。Dn(t，τ)為決定相位函數(shù)，它控制模擬器的多普勒頻移，從信道實(shí)測(cè)散射函數(shù)圖看在信號(hào)經(jīng)歷整個(gè)延遲時(shí)間段里，多普勒頻移是在變化的。

(3) 多徑效應(yīng)。由于電離層的不均勻性和其具有的分層結(jié)構(gòu)，以及短波天線通常波束較寬，因此天波傳播時(shí)，可能經(jīng)多次反射，出現(xiàn)多徑效應(yīng)，即前面提及的多種傳播模式。多徑路數(shù)在2~4條約占85%，其中以3條出現(xiàn)機(jī)率最高[6]，所以在信道模擬器一般模擬3條多徑信道。

(4) 噪聲干擾。在信道模擬器設(shè)計(jì)時(shí)除了應(yīng)考慮傳播媒介的表現(xiàn)特征外，還必須引入實(shí)際存在的各種干擾對(duì)短波通信產(chǎn)生的影響。短波無(wú)線電干擾在通信中對(duì)信號(hào)傳輸產(chǎn)生影響的主要是外部干擾，在模擬器中，噪聲干擾模塊產(chǎn)生高斯白噪聲來(lái)模擬噪聲干擾。

3.3 模擬器功能實(shí)現(xiàn)的仿真

基于ITS模型，利用Simulink模塊搭建的寬帶短波通信試驗(yàn)系統(tǒng)模型如圖5所示。模型中以一個(gè)WAV文件模擬電臺(tái)輸入信號(hào)，由音頻文件輸入模塊引入，首先進(jìn)行調(diào)制，之后信號(hào)進(jìn)入ITS Rayleigh Fading和AWGN信道，然后取出其實(shí)部，解調(diào)后通過(guò)輸出音頻文件模塊將信號(hào)輸出到工作空間，模擬電臺(tái)的接收信號(hào)。

圖5 寬帶短波通信試驗(yàn)系統(tǒng)模型

所采用的仿真參數(shù)見(jiàn)表1，這些參數(shù)是基于NRL(美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室)的WBHF信道探測(cè)儀實(shí)測(cè)中緯度126 km路徑的短波信道而得出的[7]。

表1 寬帶短波信道仿真參數(shù)

參數(shù)名稱取值

多徑條數(shù)n3

多普勒頻移fd /Hz0.2，-0.1，0.5

峰值處時(shí)延τ /μs33，59，63

路徑增益G /dB0，-3，-6

信噪比SNR /dB10

圖6給出了輸入語(yǔ)音信號(hào)時(shí)，輸入輸出信號(hào)時(shí)、頻域?qū)Ρ葓D。

圖6 輸入語(yǔ)音信號(hào)時(shí)，輸入輸出信號(hào)時(shí)、頻域?qū)Ρ葓D

從圖6(b)中可以看出輸出信號(hào)被疊加上噪聲而且有了衰落，而從音頻設(shè)備中也可聽(tīng)到輸出音頻音量高低起伏且摻雜噪聲。從圖6(d)中可以看出輸出信號(hào)頻譜有了一定擴(kuò)展。

以上表明寬帶短波信道模擬器能夠模擬短波信道的衰落、頻移、噪聲干擾特性，并且根據(jù)輸入的多徑數(shù)目可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多徑的模擬。即寬帶短波信道模擬器可以實(shí)現(xiàn)3.2中所論述的各項(xiàng)功能。

4 應(yīng) 用

寬帶短波信道模擬器硬件由FPGA，DSP為核心構(gòu)成，通過(guò)外接射頻電纜與參試電臺(tái)相連。寬帶短波信道模擬器應(yīng)用于某型電臺(tái)系統(tǒng)鑒定試驗(yàn)時(shí)，其主要應(yīng)用有以下四個(gè)方面，分別描述如下:

(1) 短波電臺(tái)連通性的測(cè)試。這種情況下，短波寬帶信道模擬器的工作狀態(tài)為模擬一段短波信道，兩部電臺(tái)分別進(jìn)行已知信號(hào)的收發(fā)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)接收端信號(hào)處理的結(jié)果與發(fā)射端的信號(hào)相比較，判斷功能的正確性。以此驗(yàn)證電臺(tái)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的正確性。

(2) 組網(wǎng)能力的評(píng)估。短波電臺(tái)組網(wǎng)通信是實(shí)現(xiàn)信息共享的基礎(chǔ)。在電臺(tái)組網(wǎng)情況下，信息在協(xié)同作戰(zhàn)中能否迅速、準(zhǔn)確地傳遞與交換、共同利用戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)是檢驗(yàn)電臺(tái)組網(wǎng)能力的標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)多個(gè)電臺(tái)與短波寬帶信道模擬器連接組網(wǎng)，形成一個(gè)通信系統(tǒng)。各電臺(tái)分別模擬發(fā)射臺(tái)和接收臺(tái)，電臺(tái)發(fā)射信號(hào)時(shí)可采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和廣播兩種方式，接收電臺(tái)接收信號(hào)后，在數(shù)據(jù)處理部分進(jìn)行顯示、保存，通過(guò)記錄的輸入、輸出所有信息，運(yùn)用數(shù)學(xué)處理方法，分析數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、時(shí)空一致性和有效性，對(duì)組網(wǎng)能力進(jìn)行評(píng)估。

(3) 丟幀數(shù)及誤碼率驗(yàn)證。丟幀和誤碼是短波電臺(tái)通信中的常見(jiàn)問(wèn)題，各種信道參數(shù)的變化以及短波電臺(tái)本身的性能都可能導(dǎo)制丟幀和誤碼，對(duì)短波電臺(tái)本身而言，丟幀和誤碼也有限制，通過(guò)寬帶短波信道模擬器模擬一定的信道參數(shù)，從發(fā)射臺(tái)向接收臺(tái)發(fā)送長(zhǎng)樣本、循環(huán)樣本及隨機(jī)樣本，并在兩端記錄接收和發(fā)送的樣本信息，依據(jù)記錄結(jié)果通過(guò)數(shù)學(xué)分析可以驗(yàn)證丟幀數(shù)和誤碼率是否在允許的范圍內(nèi)。

(4) 最大通信距離驗(yàn)證。隨著通信距離的增大短波信道的時(shí)變和色散的特性就更加明顯，傳輸損耗、多普勒效應(yīng)、多徑效應(yīng)、噪聲干擾等都會(huì)加強(qiáng)。通信距離超過(guò)一定范圍，誤碼率會(huì)超出允許范圍，甚至造成通信中斷。所以為了保證通信迅速和準(zhǔn)確，最大有效的通信距離就是短波電臺(tái)通信中一個(gè)很重要的參數(shù)。通過(guò)短波信道模擬器對(duì)遠(yuǎn)距通信信道的模擬以及無(wú)線傳輸?shù)睦碚摚罱ǘ滩娕_(tái)通信距離試驗(yàn)環(huán)境，可以進(jìn)行最大通信距離驗(yàn)證。

5 結(jié) 語(yǔ)

短波通信在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，仍將是國(guó)防科研通信的主要手段之一。本文在分析短波通信試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了通過(guò)寬帶短波信道模擬器實(shí)現(xiàn)模擬短波通信試驗(yàn)。并對(duì)短波信道模擬器進(jìn)行建模和功能的研究，并對(duì)功能進(jìn)行仿真，指出其應(yīng)用方式，以期應(yīng)用于短波電臺(tái)鑒定試驗(yàn)中。

應(yīng)用寬帶短波信道模擬器進(jìn)行模擬通信試驗(yàn)，可以縮短短波電臺(tái)試驗(yàn)周期，同時(shí)對(duì)對(duì)模擬器進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，還可以將其運(yùn)用到其他的通信平臺(tái)試驗(yàn)上。該項(xiàng)技術(shù)對(duì)短波通信技術(shù)研究、協(xié)同作戰(zhàn)通信仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。如何利用寬帶短波信道模擬器構(gòu)建協(xié)同作戰(zhàn)通信仿真系統(tǒng)，研究通信組網(wǎng)技術(shù)、評(píng)估組網(wǎng)通信對(duì)協(xié)同作戰(zhàn)效能的影響是今后需要進(jìn)一步研究的課題。

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