巫忠躍，岳 青，王 奧

（成都國信安信息產(chǎn)業(yè)基地有限公司，四川 成都 610015）

0 引 言

短波通信廣泛應用于軍用通信和民用通信。短波信號主要依靠電離層對電磁波的反射和散射實現(xiàn)信息交互。由于電離層極易受到環(huán)境因素影響，短波信號傳輸過程需經(jīng)歷時間選擇性衰落、頻率選擇性衰落和空間選擇性衰落。短波信道[1]作為一種特性十分復雜的時變信道，隨環(huán)境變化表現(xiàn)出極大的差異性，如多徑效應、多普勒效應和空間傳播損耗等。同時，短波信道內(nèi)還包含大自然和人為的各種噪聲，如雷電噪聲和工業(yè)噪聲等，給短波通信質(zhì)量帶來了很大影響。

短波信道模擬器一直被認為是短波通信系統(tǒng)性能評估的有效手段，能有效提升短波通信系統(tǒng)的驗證評估能力，能為相同信道狀態(tài)下不同信號的適應性提供研究支撐，能極大地降低前期研發(fā)難度和成本。短波信道模擬器對信道模型的選取是更為真實反映短波信道特征的重要保證。目前，較多使用Watteron信道模型和ITS信道模型。由于ITS信道模型能夠精確仿真出各種類型的傳輸條件，得到了行業(yè)認可和關(guān)注。本文主要分析短波信道多徑效應[2]，并選擇在FPGA數(shù)字芯片上實現(xiàn)ITS短波信道多徑效應模擬。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 天波傳輸

短波信道的突出特點是具有電離層反射傳輸?shù)姆绞?，與超短波及其他頻段的無線信道模型存在差異。

電離層反射和其他建筑物或地形反射的區(qū)別：

（1）路徑距離遠，最大可達幾個毫秒。

（2）電離層有運動，導致不同的反射路徑會出現(xiàn)不同的瞬時相位。相位中包含確定相位部分和隨機相位部分，而隨機相位具有一定的分布規(guī)律。

（3）在寬帶信號模型中，不同延時的路徑，幅度衰減有一定分布規(guī)律。

（4）短波頻段的通信速率和帶寬較小，相對來說碼元時間寬度較大或者說信號波形變化比較平緩，小延時（如5 ns以下）對信道響應幾乎不產(chǎn)生明顯影響，而大延時則開始產(chǎn)生信道響應變化。

如表1所示，其中D層最靠近地表，為主體吸收層，一般不反射只透射，所以對電磁波有很大衰減；E層一直存在，受晝夜影響大；F層為主體反射層，受日照影響?？偟膩碚f，產(chǎn)生電磁波反射的電離層為E層和F層。典型的反射模式如圖1所示。

表1 電離層結(jié)構(gòu)

圖1 常見的電離層反射

所以，對于短波信道仿真來說，信道路徑的衰減和相位除了可以人為設(shè)定，還要具備按照短波信道的分布特性自動生成的功能，這是短波信道仿真和其他頻段信道仿真的重要區(qū)別。而衰減和相位的分布特性對于寬帶傳輸來說適用于ITS模型。

1.2 ITS模型簡介

短波寬帶信道行為如下[3]：

h(t,τ)為信道的沖擊響應，由n條路徑的響應組成；*為卷積，n(t)為噪聲。其中：

Pn(τ)為對應路徑的延遲功率譜，Dn(t,τ)為確定相位函數(shù)，ψn(t,τ)為隨機相位調(diào)制函數(shù)。

n條路徑在短波信道模型中一般指的是來自不同模式的延時路徑。不同模式可以是不同仰角模式、不同極化模式（O模式或X模式）、多層（E層或F層）模式、單跳或多跳模式等。

1.3 基于FPGA的短波通信信道多徑效應模擬的實現(xiàn)

1.3.1 多徑衰落

小尺度衰落又叫多徑衰落，即接收機所接收到的信號是通過不同的直射、反射、折射等路徑到達接收機。由于電波通過各個路徑的距離不同，因而各條路徑中發(fā)射波的到達時間、相位都不相同。不同相位的多個信號在接收端疊加，如果同相疊加則會使信號幅度增強，反相疊加則會削弱信號幅度。這樣接收信號的幅度將會發(fā)生急劇變化產(chǎn)生衰落。

在小尺度（幾倍波長）上，移動無線信道主要對傳播信號存在以下幾種效應[4]：由多徑傳播造成的信號強度在短距離（短時間）上的急劇變化（接收信號幅度變化）；多普勒頻移（接收信號載頻變化）；多徑時延引起信號的時間色散（基帶解調(diào)信號波形失真）。將這些效應統(tǒng)稱為多徑效應或小尺度衰落效應。簡單說，如果發(fā)射機、接收機或者相互作用體處于運動中，干涉信號以及相應的合成信號幅度都會隨著時間變化。這種由于不同多徑分量的相互干涉而引起的合成信號幅度的變化稱為小尺度衰落。

若信道為平坦衰落信道，接收信號的包絡通常服從瑞利分布。服從瑞利分布的條件：多徑分量的到達時間差別不大，碼間干擾不明顯；各個到達接收機的多徑分量入射方向呈散射狀分布，各多徑分量具有近似相等的幅度。瑞利衰落的衰落深度達到20～40 dB，衰落速率（每秒內(nèi)信號包絡經(jīng)過中值次數(shù)的一半）為30～40次/s，分布函數(shù)為：

即接收信號的包絡服從瑞利分布，相位服從0～2π的均勻分布。

當發(fā)射機和接收機之間存在直射視距（Visual distance，LOS）路徑時，這個路徑的信號將表現(xiàn)出明顯強于其他多徑分量的幅度值。此時，接收信號的包絡將賦型萊斯分布。萊斯分布的概率密度函數(shù)（Probability Density Function of Rice Distribution，PDF）為：

其中，A為主信號（LOS分量）的振幅峰值，I0(·)是零階1類修正貝塞爾函數(shù)。

圖2展示了小尺度衰落模型實現(xiàn)的原理。

由圖2可見，小尺度衰落模型包括4個部分的實現(xiàn)。

（1）數(shù)字IQ采樣延時的實現(xiàn)。通過FIFO實現(xiàn)數(shù)字IQ采樣的延時。為了實現(xiàn)大延時功能，采樣DDR3實現(xiàn)對數(shù)字IQ信號的緩存。

（2）衰落因子的實現(xiàn)。衰落因子序列的計算在上位機上實現(xiàn)，然后下載到信號處理板上，通過信號處理板FPGA的復數(shù)乘法器實現(xiàn)衰落模型。

（3）信噪比仿真。信號處理板FPGA實時生成AWGN/CW/LTE干擾信號，通過信噪比參數(shù)乘法器實現(xiàn)信噪比仿真。

（4）多普勒頻移仿真。通過DDS實現(xiàn)多普勒頻移仿真。動態(tài)多普勒頻移包括正弦動態(tài)仿真、三角動態(tài)仿真和線性動態(tài)仿真。

圖2 多徑模型

1.3.2 ITS信道仿真實現(xiàn)方法

短波ITS信道仿真主要指標：

（1）頻率范圍：1.6～30 MHz；

（2）全雙工物理通道2～16個；

（3）ITS信道模型數(shù)量：64（端口1～8可分配32個，端口9～16可分配32個）；

（4）任意端口間可互通，支持復雜組網(wǎng)通信；

圖3 ITS信道仿真信號處理流程

（5）輸入功率范圍：-50～10 dBm；

（6）輸出功率范圍：-20～-120 dBm；

短波ITS信道沖擊響應由延遲功率分布、確定相位函數(shù)和隨機調(diào)制函數(shù)3部分相乘后構(gòu)成。

圖3為短波信道仿真儀ITS信道仿真信號處理流程。

ITS信道仿真信號處理包括如下內(nèi)容：

（1）模數(shù)變換短波射頻信號，數(shù)字解調(diào)成數(shù)字IQ信號；

（2）ITS信道模型仿真；

（3）數(shù)字IQ信號數(shù)字調(diào)制成數(shù)字實數(shù)信號，數(shù)模變換成短波射頻信號。

圖4展示了ITS信道模型實現(xiàn)原理。

圖4 ITS信道模型實現(xiàn)方法

2 結(jié) 語

隨著技術(shù)的進步，F(xiàn)PGA的處理速度得到很大的提高，外部時鐘很容易達到幾百兆赫茲，利用FPGA實現(xiàn)短波信道模擬器，簡化設(shè)計，利于算法的優(yōu)化。由于ITS信道模型需同時考慮信道對寬帶信號的時延展寬和頻譜展寬，所以利用FPGA可易實現(xiàn)信號的時延展寬，易產(chǎn)生均勻分布的M碼信號，便于實現(xiàn)信號頻譜擴展。由于IT模型能夠精確模擬各種信道傳輸條件，故設(shè)計了一種基于ITS信道模型的信道模擬器，具有重要的意義。