短波信道特性與模型分析

孟祥磊

一、引言

在對短波MIMO通信系統進行設計與開發的過程中，需要考慮信道的傳輸特性。短波信道具有很復雜的時域和頻域特征，包括時變衰落、多普勒頻移以及多徑效應等等，可造成傳輸信號在時域、頻域和空間域三維空間中的嚴重擴展，因此短波信道是最為復雜的傳輸信道類型之一。

現代化數字化戰場有著高速大容量數據通信的需求，短波通信作為重要的中長距離無線電通信方式，具備軍民多方面的用途應用，因此，寬帶高速短波通信系統的研究很有意義，我們有必要針對短波信道的傳播特性和信道模型進行討論分析。

二、短波信號在電離層中的傳播特性

短波信道存在多徑效應、衰落、多普勒頻移、起伏效應和頻率色散等特性，雖然對于其它無線信道，也有類似的現象，但在短波信道中，這些特性表現地更加突出。

多徑效應是指來自短板發射源的信號在到達遠端接收端前，會經由不同路徑和不同的傳輸模式的現象，并因此產生不同長度的時間延遲、互不一致的相位信息、不同程度的電場強度衰落。

衰落效應是指短波通信中，信號通過電離層傳播被接收端接收時，電磁波的振幅呈現出大小隨機變化現象。根據信號起伏持續時間不同，分為快衰落和慢衰落，前者是最短幾分之一秒，最長不超過幾十秒；后者持續時間比較長，可能長達一小時或更長。

多普勒效應使得電磁波在通過電離層時，由于發射端和接收端的相對運動，以及電離層中的隨機變動，都會使接收到的電磁波出現頻率漂移的現象，我們稱之為“多普勒頻移”。另外在太陽活動高峰期，磁暴現象也會引發很大的多普勒頻移。

工程應用中，短波信道并不是純凈的，不可避免地會引入了噪聲和干擾，按照引入來源不同可分為電臺干擾、大氣噪聲和人為噪聲。其中電臺干擾是指因為其它無線電臺工作在與本電臺相接近的頻率而引起的信號干擾，一般可以通過擴頻技術來提高短波通信的抗電臺干擾能力；大氣噪聲是因為大氣中雷電、沙塵暴、暴風雨等劇烈的自然天氣現象天氣變化產生的電磁干擾；人為噪聲主要包括人工部署的電氣電子設備產生的電磁干擾，人為噪聲具有突發性強的特征，并且受人類居住分布和工廠分布等相關因素影響。

三、短波信道模型的發展與介紹

Watterson模型是迄今為止被認可度最高的一種短波信道模型，但它屬于窄帶信道模型范疇，要求其有效帶寬小12kHz，應用范圍較窄。科研學者們以Watterson模型的建模思想為基礎，做了一些拓展成寬帶模型的改進嘗試，但這些改進的模型由于缺少不具備完整的理論分析和實測驗證，都不是很理想，不過它們在一定條件下是適用的，因此對這些模型進行討論研究也具有一定價值。

首先對Watterson模型進行討論，然后分析典型的改進模型：Watterson加高斯隨機延遲模型，子帶并行模型，最后介紹ITS模型。

1. Watterson信道模型

Watterson模型又被稱為高斯型散射短波電離層信道模型，最早由Watterson所提出。此模型建立的基本思想是：雖然短波信道在時域和頻域都是不穩定的，但是在足夠短的時間和較窄的頻帶下，短波信道可以被視為恒參信道，可以利用靜態模型來仿真。在Watterson模型中，假設信道衰落服從Rayleigh分布，而且在各個模式中，信道的多普勒擴展具有Gaussian功率譜的分布，同時我們假定各個傳播模式均不存在延時擴展。

2.Watterson加高斯隨機延遲模型

電離層具有時變、隨機運動等特性，因此各個傳輸模式的時間延遲也是隨機時變的，不過在Watterson短波信道模型中，采用了固定的抽頭，基于這種缺陷提出了一種改進的信道模型fast，根據中心極限定理我們可以知道，大量的不確定性因素所引起的隨機變化是服從高斯分布的。

Watterson后接高斯隨機延遲模型的實現過程比較簡單，不過此模型假設每條徑的時間延遲變化服從高斯分布，同時能量不變。這樣的假設有其局限性，因此該模型并沒有得到廣泛的認可。

3.子帶并行模型

Watterson短波信道模型表明了短波信道在有限的帶寬范圍之內表現出的穩態特性可以用靜態模型來描述，那么為了實現寬帶短波系統，我們嘗試對寬帶信號進行劃分，分成若干個子窄帶信號，同時保證它們之間的帶寬間距相等，并把它們控制在信道相關帶寬范圍之內，那么就能在理論上實現寬帶信號窄帶化。基于這種思想用多路DSP并行處理的方式實現了一種短波寬帶信道模擬器，它的實現結構所示，該模擬器在頻域上把寬帶信號劃分成若干子頻段，每個子頻段的帶寬小于信道的相干帶寬，各子帶信號經歷不同的衰落。

4. ITS短波信道模型

隨著近年來數字通信技術的不斷發展，對寬帶短波信道模型的研究己經成為短波通信研究領域的重要方向。通過對Vogler提出的模型進行改進，并建立了時間延遲功率譜、多普勒頻移和多普勒頻率擴展三個模塊的統計性模型，提出了一種可以同時適用于寬帶和窄帶通信的短波信道模型，我們稱之為ITS短波信道模型。

四、短波信道模型的對比分析

Watterson后接高斯隨機延遲模型雖然實現過程比較容易，但是該模型假定每條路徑的時間延遲服從高斯分布且能量是不變的。這樣的假設適用范圍也很窄，所以沒有得到廣泛的認可。

子帶并行模型通過使用多路DSP并行處理的方式去模擬短波寬帶信道，信號的帶寬最高可至1 MHz。而對于子帶帶寬小于相干帶寬的限定可以保證子帶以外頻率分量的衰落特性互不相關。但是此方法的局限在于：信道的參數需要預先存儲，而且對多個子帶并行去做計算機處理非常消耗資源，因此這種方法不適合用于實際仿真。

ITS模型可以看作是廣義的Watterson模型。其可以比較準確地反映短波寬帶信道的信道特性，不過它的缺點是信道模型仿真實現過程比較復雜。現代化數字化戰場有著高速大容量數據通信的需求，窄帶短波通信系統漸漸無法滿足現今高速率通信的需要，而ITS短波信道寬帶模型從實際來看很好的體現了時延和頻率擴展的信道特性，和子帶并行模型相比，對硬件要求不高，且不需要提前對信道參數做存儲，限制條件很少，適用范圍比較廣。雖然其具有參數計算過程繁瑣，延時功率分布函數仿真過程復雜的缺點，但如果我們能夠對ITS模型進行一些改進，在保證其適用條件和建模準確度高的優點的前提下，簡化參數計算過程，減小建模難度，易于計算機仿真實現，將會為短波寬帶通信系統設計提供有力的支持。因此，探尋改進的ITS短波寬帶模型，使我們后續研究工作的重點。endprint