陳 婷 洪 偉 鄭 昱 吳曉光

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

現(xiàn)代化戰(zhàn)爭對通信的需求和依賴越來越強烈，通信系統(tǒng)作為各作戰(zhàn)單元之間信息傳輸?shù)穆窂?，不可或缺。然而，越來越多先進偵察干擾設(shè)備通過截獲、檢測阻斷等手段獲取通信、情報、指揮控制等各個作戰(zhàn)系統(tǒng)的情報信息，提高組網(wǎng)通信系統(tǒng)的反截獲與反偵測能力越來越緊迫。毫米波通信技術(shù)以其安全保密性強、通信容量大、可靠性高的特點[1]，近年來成為軍事通信領(lǐng)域的熱點研究對象。目前，已制定技術(shù)標準或正在研究的毫米波頻段主要集中在60 GHz、28 GHz、38 GHz和中國45 GHz頻段[2]。

正交頻分復用OFDM技術(shù)目前廣泛應用于無線高頻通信系統(tǒng)。在復雜地形、復雜電磁環(huán)境中的戰(zhàn)場通信中，OFDM具有較高的頻譜利用率和較強的抗頻率選擇性衰落、抗多徑衰落等優(yōu)勢。

本文針對基于OFDM的通信系統(tǒng)開展30 GHz頻段毫米波信道模型仿真分析。

1 OFDM信號模型

OFDM作為一種高效的多載波調(diào)制技術(shù)，將一個高速率的數(shù)據(jù)流分解成若干個低速且獨立正交的子數(shù)據(jù)流，通過將這些子數(shù)據(jù)流調(diào)制到若干個子載波上并行傳輸，最終合并輸出[3]。由于采用并行信號處理的思想，每個子信道上的數(shù)據(jù)傳輸速率相對單載波信道降低，當OFDM信號通過無線頻率選擇性衰落信道時，在每個子信道可以認為近似平坦，增強了信號傳輸?shù)目顾ヂ淠芰?。OFDM信號的復數(shù)表示形式[4]為

(1)

通常采用等效復基帶信號來描述OFDM的輸出信號為

(2)

式(2)中，sOFDM(t)的實部和虛部分別對應于OFDM符號的同相分量和正交分量。OFDM通信系統(tǒng)基本模型框圖如圖1所示。

圖1 OFDM通信系統(tǒng)基本模型框圖

OFDM信號的頻譜結(jié)構(gòu)如圖2所示的sinc函數(shù)頻譜。

圖2 OFDM信號頻譜結(jié)構(gòu)

2 多徑衰落信道的數(shù)學模型

多徑衰落信道是由在無線通信發(fā)射機和接收機之間的建筑物和其他物體的反射、繞射、散射引起的多于一條的信號傳播路徑。當信號在無線信道中傳播時，多徑反射和衰減的變化將導致信號經(jīng)歷隨機波動。

當傳播路徑上存在大量散射分量時，接收機輸入信號的復包絡(luò)為復高斯隨機過程。在該過程均值為0的情況下，其幅度滿足瑞利分布。如果其中存在直射路徑，幅度則變?yōu)槿R斯分布。

一般假設(shè)多徑分量的數(shù)目變化要比復增益的變化緩慢，多徑數(shù)目可視為常數(shù)[5]。在N條路徑的情況下，信道輸出為

(3)

其中，an(t)和rn(t)表示與第N條多徑分量相關(guān)的衰減和傳播延遲，延遲和衰減都表示為時間的函數(shù)。

設(shè)信道的輸入為經(jīng)過調(diào)制的信號，表示為式(4)。

x(t)=A(t)cos[2πfct+φ(t)]

(4)

一般采用低通等效信號來完成波形的仿真，則發(fā)射信號的復包絡(luò)為

(5)

將式(4)帶入式(3)中可得

(6)

an(t)和rn(t)均為實函數(shù)，上式可以寫成

(7)

由式(3)可以得到

(8)

(9)

復路徑衰減可定義為

(10)

因此，道道接收機的復包絡(luò)為

(11)

式(11)定義的信道輸入輸出關(guān)系對應為一個線性時變系統(tǒng)，其沖激響應為

(12)

(13)

信道的抽頭延時線模型[6]如圖3所示。圖中，各徑的抽頭增益是互不相關(guān)的復高斯隨機過程，并且具有零均值、相同的功率譜密度和不同的方差。圖3中，Δτn=τn(t)-τn-1(t)，信號的符號間隔為Ts，當Δτn?Ts時，時延介于τn(t)和τn-1(t)之間的路徑在接收端是不可分離的。當Δτn?Ts時，這些路徑是可以分離的，接收信號為經(jīng)過多條可分離路徑的信號副本的總和。

圖3 多徑衰落信道模型

3 基于OFDM的毫米波通信多徑衰落信道的仿真

本節(jié)將給出在單徑瑞利衰落信道和2徑瑞利衰落信道下(第2徑平均功率比第1徑平均功率低3 dB)，基于802.11g的OFDM毫米波通信系統(tǒng)仿真的誤比特率性能。該通信系統(tǒng)的參數(shù)如表1所示。

表1 本文所仿真的通信系統(tǒng)的參數(shù)

圖4 基于OFDM的毫米波通信信道仿真誤碼率性能

為了便于對比，同時也對基于QPSK的單載波毫米波通信系統(tǒng)在單徑瑞利衰落和2徑瑞利衰落信道中的誤比特性能進行了仿真。其中，2徑信道延時參數(shù)同圖4。

圖5 基于QPSK的毫米波通信信道仿真誤碼率性能

如圖5所示，我們可以得到基于QPSK的單載波毫米波無線通信系統(tǒng)在相同信噪比下，單徑和2徑衰落信道的誤比特率相差較大。而在圖4中，基于OFDM的毫米波無線通信系統(tǒng)在單徑和2徑衰落信道下的誤比特率性能幾乎相同。因此，在基于OFDM的毫米波無線通信系統(tǒng)中，只要信道的最大延遲不超過循環(huán)前綴(保護間隔)的長度，在接收端的信號解調(diào)中幾乎不會出現(xiàn)碼間串擾。這是由于在OFDM信號的產(chǎn)生過程中，將輸入的數(shù)據(jù)流串并轉(zhuǎn)換到若干個并行的子載波中，此時每一個調(diào)制子載波的數(shù)據(jù)周期擴大為原始數(shù)據(jù)符號周期的N倍。因此，相對應的時延擴展與符號周期的數(shù)值比降低了N倍。通過在每個OFDM符號之間插入保護間隔，保護間隔內(nèi)插入循環(huán)前綴，并且該保護間隔的長度大于無線信道中的最大時延擴展，此時一個符號所產(chǎn)生的多徑分量就不會對下一個符號造成干擾，同時還能保證子載波之間的正交性，減小載波間的干擾。

4 結(jié)束語

本文通過對OFDM信號模型和無線信道多徑衰落模型的分析，建立了一種基于OFDM的毫米波通信系統(tǒng)多徑信道模型。通過基于該信道模型的仿真分析，得出了基于OFDM的毫米波通信在無線多徑衰落信道下具有更好的抗多徑優(yōu)勢。同時，結(jié)合毫米波通信本身的安全保密性強、通信容量大、可靠性高的優(yōu)勢，得出了在復雜地形的衰落壞境下的地面無線通信系統(tǒng)中，基于OFDM的毫米波通信系統(tǒng)應用具有一定的性能優(yōu)勢。因此，在后續(xù)的毫米波通信系統(tǒng)的設(shè)計中應結(jié)合毫米波通信的優(yōu)點并且充分利用其信道特性，從而設(shè)計出更符合現(xiàn)代陸軍地面通信的穩(wěn)定、可靠、高效的通信系統(tǒng)。