超短波電臺信道模型的仿真研究*

許從方，叢 鍵

(中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041)

0 引言

由于無線通信使用的靈活性，人們不斷地在探索無線通信中的新技術，而所有新技術的發現都離不開對無線信道的深入研究。超短波電臺可傳輸話音、數據、圖像等信息，具有建立迅速、機動靈活等特點，在現代軍事通信中占有重要地位。超短波無線信道的特性直接關系到為實現優質可靠地超短波電臺通信必須采用的技術措施。研究超短波電臺的信道特點和仿真模型，可以用來評估超短波電臺設計中的技術參數和算法性能。

1 無線信道的特性

無線信道是隨時間、環境和其他外部因素而變化的。首先無線電波在發送端和接收端之間進行傳輸過程中會產生損耗，并且會受到地形、建筑物的遮擋發生陰影衰落;而且信號經多點反射從多條路徑到達接收端時會產生電平快衰落和時延擴展。其次超短波電臺在快速移動時引起多普勒頻移，會使得電波傳輸特性發生快速的隨機起伏。下面對無線信道的特性進行詳細的描述和仿真建模。

1.1 路徑損耗

無線電波在自由空間傳輸，其信號功率會隨著傳播距離的增加而減小。路徑損耗表示信號衰減，單位為dB的正值，定義為有效發射功率和接收功率之間的差值。

仿真設計中路徑損耗采用 Egli模型［1］，Egli模型是一種簡化的傳播模型，適用于平坦開闊地。

Egli模型的路徑損耗計算公式為:式中，d為傳輸距離，單位km;f為載波頻率，單位MHz;ht為發射天線高度，單位m;hr為接收天線高度，單位m。

1.2 陰影衰落

當電磁波在空間傳播受到起伏地形、建筑物的阻擋，在這些障礙物后面會產生電磁場的陰影，造成場強中值的變化，從而引起衰落，被稱作陰影衰落。

陰影衰落統計特性服從對數正態分布［1］。仿真設計中，首先產生正態分布的隨機數，然后通過變換產生對數正態分布的隨機數，于是就可以得到陰影衰落的大小。由于環境為平坦開闊地，標準偏差取5 dB。

1.3 多徑衰落

無線通信中，來自發射機的信號在傳播過程中由于受到各種障礙物和其他移動物體的影響，以致到達接收端的信號是來自不同傳播路徑的信號的合并。如果同相疊加則會使信號幅度增強，而反相疊加則會削弱信號幅度。這樣，接收信號的幅度將會發生急劇變化，就會產生衰落。

如果各條路徑信號的幅度和到達接收天線的方位角是隨機的并且統計獨立，則接收信號的包絡服從瑞利(Rayleigh)分布［2］;如果發射機和接收機之間存在視距傳播，則接收信號的包絡服從萊斯(Rice)分布［2］。

多徑衰落采用抽頭延遲線模型，原理圖如圖1所示。

圖1 抽頭延遲線模型原理Fig.1 Structure of tapped delay line model

圖1中信道的每個抽頭看成一條路徑，各條路徑的增益構成了信道的沖激響應。信道模型是要解決信道增益hi和延遲τi等參數的設計問題，多普勒頻譜應該在參數設計中體現出來。

Rayleigh衰落信道仿真基于Clarke信道模型［3］，Clarke模型用于描述平坦小尺度衰落信道。對于Rayleigh衰落信道的仿真，目標是設計抽頭增益，即滿足Rayleigh統計特性的復高斯廣義平穩隨機過程Z(t)=Zc(t)+jZs(t)，并且使Zc(t)和Zs(t)的功率譜滿足多普勒經典功率譜［4］:

仿真中采用了 Jakes仿真器的改進方案［3，5］，原理圖如圖2所示。

圖2 Jakes仿真器原理框Fig.2 Structure of Jakes’fading simulator

式中，θ、φn和 ψn分別服從［－π，π］均勻分布，M=8，Ts為采樣周期。

包絡|Z(t)|服從Rayleigh分布。

相位ΘZ(t)=ang{Z(t)}服從［－π，π］均勻分布。

Zc(t)和Zs(t)的均值和相關統計特性為:

式中，J0(·)是第一類零階Bessel函數。

對于Rice衰落信道的仿真，可以由Rayleigh衰落轉化而來。采用下面的方法設計滿足Rice統計特性的抽頭增益:

式中，Zc(t)和Zs(t)分別是高斯廣義平穩隨機過程。

k稱為Rice因子，通常定義 k=β2/(2σ2)，表示直達平均功率 β2/2和彌散平均功率(σ2)的比值［6－7］。當 k=0 時，信道呈現 Rayleigh 衰落;當 k→∞時，信道沒有衰落，表現為靜止信道。

包絡|Y(t)|服從Rice分布，相位ΘY(t)=ang{Y(t)}不是均勻分布，而是服從比較復雜的分布。

Rice衰落的多普勒功率譜是一個經典多普勒譜和一條直射路徑的和［6］，即:

1.4 多普勒頻移

當電臺在高速移動中進行通信時，接收信號的頻率會發生變化，稱為多普勒效應，移動引起的接收機信號頻移稱為多普勒頻移［8］。多普勒頻移fd定義為:

式中，v為電臺移動速度，fc為載波頻率，θ為移動方向與無線電波入射方向之間的夾角。最大多普勒頻移為fmax=vfc/c。

若電臺朝向入射波方向運動，則多普勒頻移為正(即接收頻率上升);若電臺背向入射波方向運動，則多普勒頻移為負(即接收頻率下降)。

在模型中，多普勒頻移實現方法為:

式中，Ts為采樣周期。

1.5 多普勒擴展

當發射機在無線信道上發送一個頻率為fc的單頻正弦波時，由于多普勒效應，接收信號的頻譜被展寬，將包含頻率為fc－fd～fc+fd的頻譜分量，其中fd為多普勒頻移。這一頻譜稱為多普勒功率譜。

上述無線信道的特性中，路徑損耗與陰影衰落稱為大尺度衰落，因為這種衰落對信號的影響反映為信號隨傳播距離的增加而緩慢起伏變化，所以也稱慢衰落。多徑衰落是小尺度衰落，它反映了無線信號在較短的距離或時間之內的快速變化，又稱快衰落。

2 信道模型仿真設計

在信道模型仿真中，信道特性往往是在基帶上獲得的，基帶上的信道特性實際上是射頻的信道特性對基帶信號的影響。文中信道模型所要實現的就是將基帶信號的信道特征仿真出來。

信道模型主要針對寬帶信號仿真了路徑損耗、陰影衰落、多普勒頻移、多徑衰落和多普勒擴展，其中路徑損耗和陰影衰落模塊可選擇。

在實現多抽頭模型時，既要考慮概率密度的要求，還有多普勒頻譜的特定要求。仿真產生多路互相獨立的衰落，以便較真實地模擬實際通信環境。平坦開闊地存在視距傳播，所以第一條徑為直達徑。

信道模型仿真框圖如圖3所示。

圖3 信道模型仿真框Fig.3 Structure of channel simulator

從基帶輸入的I、Q兩路信號或是成形信號首先經過路徑損耗和陰影衰落，接著模擬移動帶來的多普勒頻移，采用多抽頭的多徑衰落模型來仿真平坦衰落信道。

信道模型仿真參數采用COST207標準中的農村地區模型的參數［1］，如表1所示。

表1 COST207標準農村地區信道參數Table 1 COST207 standard rural channel parameter

3 仿真及結果分析

無線信道的時變性和最大多普勒頻移有關，即由移動速度和頻率決定。圖4和圖5分別是頻率600 MHz、移動速度80 km/h和頻率800 MHz、移動速度120 km/h的Rayleigh衰落的包絡對比。

圖4 頻率600 MHz的Rayleigh衰落包絡Fig.4 Rayleigh fading envelope of 600 MHz

圖5 頻率800 MHz的Rayleigh衰落包絡Fig.5 Rayleigh fading envelope of 800 MHz

由于頻率800 MHz、移動速度120 km/h時，最大多普勒頻移為88.9 Hz，而頻率600 MHz、移動速度80 km/h時最大多普勒頻移為44.4 Hz，因此圖5中衰落變化比圖4中要快。從圖5中也可以看出在非常短的時間內，即短距離內，信號包絡起伏很大，屬于快衰落。

圖6和圖7分別是仿真的抽頭增益的同相分量和正交分量的功率譜密度。

圖6 同相分量的功率譜密度Fig.6 Power spectrum density for isotropic

圖7 正交分量的功率譜密度Fig.7 Power spectrum density for nonisotropic

由圖6和圖7可以看出，抽頭增益同相分量和正交分量的頻譜都符合Jakes模型的“U”型功率譜，表明該模型的多徑衰落的仿真結果和Jakes原理模型［1］基本一致。

4 結語

對超短波信道傳輸特性進行了重點分析，并且建立了信道仿真模型。從理論和仿真結果來看，本文研究的信道模型逼近信道真實環境，不僅在時域統計上滿足信道特性的要求，在頻域上也體現了信道對信號功率譜的影響，可以應用于超短波電臺的仿真設計。本文僅針對平坦開闊地的地形建立了信道模型，在選擇場景參數時也僅選取了典型的農村地區的特征參數，對于其它環境尚未做出詳細分析。但是通過對本文所提的信道模型做進一步分析，可以在此基礎上論證和完善其它環境的信道模型。

［1］楊大成.移動傳播環境—理論基礎分析方法和建模技術［M］.北京:機械工業出版社，2003.YANG Da－ cheng.Mobile Propagation Environment—Theory，Method and Model［M］.China Machine Press，2003.

［2］張華安.移動通信中信道模型的研究及進展［J］.通信技術，2002(09):29－32.ZHANG Hua－an.Studying and Evolving of Channel Model in Mobile Communication［J］.Communications Technology，2002(09):29－32.

［3］李子，蔡躍明.Rayleigh衰落信道的仿真模型［J］.解放軍理工大學學報，2004，5(02):1－8.LI Zi，CAI Yue－ming.Simulation Models for Rayleigh Fading Channel［J］.Journal of PLA University of Science and Technology，2004，5(02):1－8.

［4］LI Yun－xin，HUANG Xiao－jing.The Simulation of Independent Rayleigh Faders［J］.IEEE Transactions on Communications，2002，50(09):1503－1514.

［5］ZHENG Ya－hong，XIAO Cheng－shan.Simulation Models With Correct Statistical Properties for Rayleigh Fading Channels［J］.IEEE Transactions on Communications，2003，51(06):920－928.

［6］BIANCHI H C，SIVAPRASAD K.A Channel Model for Multipath Interference On Terrestrial Line－of－Sight Digital Radio［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1998，46(06):891－901.

［7］HAAS E.Aeronautical Channel Modeling［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2002，51(02):254－264.

［8］BADDOUR E K，BEAULIEU C N.Autoregressive Models for Fading Channel Simulation［J］.IEEE Global Telecommunications，2001(02):1187–1192.