基于OFDM的短波多天線分集接收技術性能仿真

楊美華， 朱宇峰， 魏 巍

(91630部隊，廣東 廣州 510320)

0 引言

短波通信是無線通信的一種。多徑干擾、深衰落、多普勒頻移等現象是影響短波通信質量的重要因素。多徑時延會引起接收碼元串擾,限制數據速率的提高；深衰落會使接收信號幅度產生劇烈起伏,導致突發性錯誤；而多普勒頻移會引起信號的頻率結構、相位發生變化，造成信號的錯誤接收。為了克服上述短波信道的缺點，該文提出一種將正交頻分復用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）調制方式應用于短波通信的通信體制，它具備 OFDM調制信號對抗多徑衰落能力突出和頻譜效率高等優勢，同時，在接收端采用多天線分集合并接收技術，在不加大發射功率情況下，提高接收信號信噪比，確保通信的可靠性。

1 OFDM原理描述

OFDM[1]技術屬于多載波調制技術，它將信道劃分成若干個連續的兩兩相互正交的子信道，利用正交的子載波對子信道上的信號進行調制[2]。這樣一來，雖然總的信道是非平坦的、具有頻率選擇性衰落的，但單個子信道是相對平坦的。在子信道上進行信息的窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相關帶寬，可以在一定程度上消除符號間的串擾。同時由于各子載波相互正交，其頻譜相互重疊，頻譜利用率也大大提高。該設計的系統如圖1所示。

圖1 OFDM系統調制

2 信道模型

短波Watterson信道模型[5]較全面地考慮了短波信道的瑞利衰落、多徑時延以及多普勒效應等特性，是目前較完善的短波窄帶信道模型。該模型如圖2所示。

圖2 Watterson信道模型

圖2中的Watterson模型通過用獨立復高斯過程對多徑信號進行幅度和相位的調制，來模擬高頻信道的瑞利衰落和多普勒效應。其中NG(t)為加性高斯白噪聲，NI(t)為包括電臺干擾和人為干擾在內的各種干擾。

在不考慮干擾和噪聲的情況下，Watterson模型的頻域時變沖激響應如式（1）所示：

式（10）中，i為路徑號，n為路徑總數，τi為第i路的時延；Gi(t)為第i路由于電離層波動而導致的時變增益函數，Gi(t)

如式（2）所示：

式（2）中，每條傳播路徑等效為兩個磁離子分量，fdi-1和fdi-2分別為兩個磁離子分量的多普勒頻移；是2個相互獨立、穩定且具有各態歷經性的復高斯隨機過程，其包絡服從瑞利分布。Gi(t)的頻域函數如式（3）所示：

3 分集合并接收技術

由于存在多徑干擾，短波信道可能產生衰落深度高達40 dB甚至更多的快衰落，分集合并接收技術作為一種信號處理技術，相對于僅通過大幅度加大發射功率來對抗深衰落，是較切實可行的。所謂分集，就是利用無線傳播環境中來自不同途徑或支路的多徑信號的統計獨立性進行合并。這些多徑信號可以來自不同的時間、空間、頻率、角度乃至是不同的極化方向等。多條路徑或支路上的信號同時經歷深衰落的概率相對于僅用1條路徑或支路接收信號經歷深衰落的概率要小的多。由此可以利用分集技術來改變譯碼器輸入端信噪比的統計特性。

如圖3所示，在該文應用的短波雙天線分集接收系統中，雙天線信號采用譯碼級的基于信噪比加權的最大比值軟合并技術。在進行譯碼之前，不同的通道分別進行獨立的信道估計、均衡、解調，根據各自的解調信噪比，對解調比特的可信度基于信噪比進行加權，再進行合并。當各通道的增益基本相當時，可以獲得定向增益。而各通道起伏差別很大時，則可獲得分集增益。

4 性能仿真

（1）信道參數

鑒于中國主要位于地球中緯度地區，參考ITU-R（國際電信聯盟無線電通信局）發布的 Recommendation ITU-R F.1487[6]標準提供的中緯度地區惡劣信道參數指標,設置信道參數如表1所示。設置OFDM參數如下：采樣頻率4 kHz，FFT子載波數N=64，實際使用40個子載波傳輸信息，信號占用帶寬 2.5 kHz，每個子載波使用 QPSK調制，循環前綴CP為16。

（2）系統誤碼率仿真

該文將OFDM技術應用于短波通信，信道采用Watterson短波信道模型，接收端采用多天線分集合并技術（具體過程根據圖1和圖3）。在信息傳輸速率分別為50 b/s、300 b/s和600 b/s的情況下，得到了3種速率條件下的多天線分集誤碼率曲線，如圖4、圖5和圖6所示。

表1 中緯度劣等條件信道參數

圖4 50 b/s速率下的分集誤碼率

圖5 300 b/s速率下的分集誤碼率

圖6 600 b/s速率下的分集誤碼率

圖4、圖5和圖6所示的分集誤碼曲線，分別仿真了文中系統在中緯度劣等信道條件下，信息傳輸速率分別為50 b/s、300 b/s和600 b/s時的誤碼率性能。接收分集分別為單天線接收、雙天線分集合并接收、三天線分集合并接收以及四天線分集合并接收等4種情況。圖中縱坐標代表誤碼率，橫坐標代表信噪比。從圖4、圖5和圖6中可以看出：在e-03誤碼率情況下，信息傳輸速率分別為50 b/s、300 b/s和600 b/s時，雙天線分集合并接收相對于單天線接收分別有2 dB、3 dB和3 dB的誤碼性能增益；三天線接收對于單天線接收分別有3.5 dB、4.5 dB和5 dB的誤碼性能增益；而四天線接收對于單天線接收分別有4 dB、5 dB和6 dB的誤碼性能能增益。當分集階數從1變為2時，誤碼性能分別有2 dB、3 dB和3 dB的增益；分集階數從2到3時，誤碼性能分別只有1.5 dB、1.5 dB和2 dB的增益；分集階數從3變到4時，誤碼性能增益分別減為0.5 dB、0.5 dB和1 dB。從仿真結果來看，分集階數從1變為2時，獲得的性能增益最大，而隨著分集階數的增加，性能增益增加的趨勢減少。

5 結語

該文基于Watterson短波信道模型，采用ITU-R建議的短波信道仿真參數，對該文設計的OFDM調制下短波多天線分集接收系統的誤碼率進行了性能仿真。仿真結果表明，采用多天線分集合并接收技術能明顯降低系統的誤碼率，提高通信的可靠性；同時雙天線分集接收相對單天線分集接收誤碼性能增益明顯，但隨著分集階數的增加，性能增益的趨勢逐漸減少。

[1]CHANG R W. Synthesis of Band Limited Orthogonal Signals for Multichannel Data Transmission[J].Bell System Technical Journal,Dec.1966(45):1775-1796.

[2]佟學儉, 羅濤.OFDM移動通信技術原理與應用[M].北京:人民郵電出版社,2003:23-46

[3]WEINSTEIN S, EBERT P. Data Transmission by Frequencydivision Multiplexing Using the Discrete Fourier Transform[J]. IEEE Transactions on Communications, 1971,19(05):628–634.

[4]PELED A, RUIZ A. Frequency Domain Data Transmission Using Reduced Computational Complexity Algorithms[C].Proceedings of IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing,1980:964-967.

[5]WATTERSON C C, JUROSHEK J R, BENSEMA W D. Experimental Confirmation of an HF Channel Model[J].IEEE Transactions on Communications,1970,18(06):792-803.

[6]Recommendation ITU-R F.1487 Testing Of HF Modems With Bandwidths Of Up To About 12 kHz Using Ionospheric Channel Simulators[S].