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1、短波通信试验中信道模拟器技术研究 摘 要:短波通信试验中,涉及地域广、试验次数多、经费消耗大,采纳模拟试验技术是有效的解决途径。首先介绍宽带短波信道模拟器在短波通信试验中的地位,然后说明白宽带短波信道的建模技术和模拟器各功能模块的实现方法,最终阐述了宽带短波信道模拟器在短波通信试验中的详细应用。该技术可应用于短波电台鉴定试验,对缩短研制周期,节约研制费用有重要意义。 关键词:短波通信试验; 宽带短波信道; 信道建模; 信道模拟器 中图分类号:TN92 文献标识码:A 文章编号:1014-373X(2022)13-0004-04 Application of HF Channel Simulat
2、or in Shortwave Communication Experiment WANG Lin1, RUI Guo-sheng2, TIAN Wen-biao1 (1. Graduate Students Brigade, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China; 2. Department of Electronic and Information Engineering, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 26
3、4001, China) Abstract:The simulation technology is an effective solution for the disadvantages of wide district, lots of experiments and huge cost in shortwave communication experimentation. The status of wideband HF channel simulator in shortwave communication experimentation is introduced. The mod
4、eling technique of wideband HF channel and the realization of each function module are proposed. The application of wideband HF channel simulator in shortwave communication experimentation is expatiated. This technique can be applied to appraisal experimentation of shortwave broadcasting station, an
5、d has important signi-ficance on saving R&D time and outlay. Keywords:shortwave communication experimentation; wideband HF channel; channel modeling; channel simulator 0 引 言 短波通信的工作频率是330 MHz,与其他通信方式相比,它具有设备简洁、体积较小、成本低廉、节约电量、敏捷机动、组网简单以及通信距离远等优点,所以在很长时间里,始终都是一种国防科研试验中主要的通信手段之一1。尤其是在诸军种协同作战的远程通信、战区C3I
6、系统中发挥重要的作用。但是短波信道由于具有时变和色散的特性2,使短波具有频带窄、容量小、相互干扰严峻的特点,各种短波通信设备必需经过大量的通信试验以检验其性能。 在短波通信试验中,涉及参试单位多,须要在各种地域反复测量,这必定消耗大量人力、物力和财力,而通过短波信道模拟器可以解决在真实地域通信试验中遇到的上述问题。短波信道模拟器借助先进的仿真技术手段实现在试验室环境下进行通信试验,因其具有有效性、经济性、平安性、直观性等特点,在通信试验中可广泛运用。 但是纵观现有的短波信道模拟器可以发觉,现阶段短波信道模拟器大部分停留在话音带宽上,其主要不足是功耗过高、体积浩大、可控性不高、实时性不好,且其采
7、纳模型多为窄带Wattereson模型,当带宽较大时此模型并不能很好地模拟真实的信道,而国外成型的产品购买费用昂贵,且在军事通信试验中可能会有平安隐患。由此可见,现有的短波信道模拟器已不能满意日益发展的宽带短波通信试验中信道模拟的需求。因此本文将探讨宽带短波信道模拟器,并重点探讨信道建模和模拟器的设计方法。 1 宽带信道模拟器在短波通信试验中的地位 在短波通信试验中,若要求测试出某型号电台的详细性能指标,则须要进行大量的实地测试,尤其是在协同作战的背景下短波通信组网试验中要求有多个装备短波电台的不同的平台参与,如图1所示。 图1中有三类短波通信平台,即空中平台、陆地平台、海面平台,从图中可以看
8、出它们之间相互通信时所用的信道是不同的。外场试验时各种短波信道都必需进行试验,涉及陆海空的各军种,这种通信试验将会非常困难。 图1 短波组网通信试验示意图 运用试验室模拟技术对短波电台进行模拟则如图2所示,宽带短波信道模拟器作为通信试验的核心,外接多个参试电台,形成一个模拟试验环境。电台放射的信号经过宽带短波信道模拟器,信号在模拟器中经过一系列的变换,模拟出经过不同信道环境时信号的改变,从而实现模拟通信试验。 图2 模拟试验系统示意图 宽带短波信道模拟器通信试验中可以设定为各种环境的信道,它替代了真实环境中的各种信道,避开了外场试验时的一些缺点。宽带短波信道模拟器将会在短波通信试验中起到举足轻
9、重的作用。 2 宽带短波信道建模方法 宽带短波信道的建模方法是信道模拟器的关键技术。建模方法主要有两种:统计建模方法、确定建模方法3。统计建模的模型由于是试验数据抽象出的数学统计模型,所以参数少,同时变更统计性模型的参数可以获得无限种可能的短波信道条件。而确定性模型则须要确定大量的测试参数,实现较为困难。ITS模型是目前较为完善的统计性模型,本文中的宽带短波信道模拟器将采纳此模型。 11013年,Vogler和Hoffmeyer在Radio Science上发表了一篇宽带短波建模的文章4,依据Wagne和Basler等人的试验数据推导出信道的传递函数,脉冲响应以及散射函数得出了Vogler宽带
10、信道的数学模型。系统框图如图3所示。 每种传播模式的冲击响应函数均由三部分之积组成,即随机调制函数、确定性相位函数和延迟功率分布,它们都是传播时间t和时间延迟的函数。随机调制函数确定了多普勒频率扩展的形态,确定性相位函数描述了多普勒频率偏移的改变,延迟功率分布表现了时间延迟扩展的状况。下面对模型中的重要函数进行详细分析。 图3 ITS模型系统框图 2.1 双时响应函数 双时响应函数为信道传递函数的解析性表达式,它包含了时延和多谱勒频率特征,如式(1)所示5: h(t,)=nTn(t)Dn(t,)n(t,) (1) 式中:Tn(t)为功率延迟剖面函数(限制功率时延);Dn(t,)为确定相位函数(
11、限制多普勒频移);n(t,)为随机调制函数(限制频扩);n代表信号在短波信道中有n种传输模式。 2.2 散射函数 散射函数SG(t,fd)表征了时延和多谱勒频率的关系,其定义为系统冲激响应的自相关函数的傅里叶变换。由于多普勒扩展为高斯谱(Gaussian)或洛仑兹谱(Lorentizian),故散射函数也分两种,依据实测数据可得散射函数: Gaussian: SG(t,fd)=T(t)•e-(fd-fb)/f2+j20 (2) Lorentizian: SL(t,fd)=T(t)•ej20•fj2(fd-fb)+f-1 (3) 3 宽带短波信道模拟器的设计
12、设计宽带短波信道模拟器是在短波通信试验时,与参与试验的一个或多个短波电台组网,调试短波电台的各种通信功能,使模拟通信试验能够替代外场试验,提高短波通信试验的效率,为电台定型节约大量的时间和经费。 3.1 模拟器的系统组成 宽带短波模拟器主要是为短波通信试验供应一个或多个信道环境,各电台间通过模拟信道进行通信,并且本文以ITS模型为模拟器的基本模型,这些确定了宽带短波信道模拟器的组成,如图4所示。 图4 模拟器组成框图 图中,D,T定义同式(1)中定义,由信道参数确定。信道整体的冲击响应函数是由各个不同传播模式的响应函数之和组成。这里的传播模式可以是不同的极化方式,也可以是不同的电离层反射,还可
13、以是不同的放射仰角,或者是不同的跳动模式。因此,可以分别计算出每个传播模式的冲击响应序列,各路径的双时响应求和得到信道的总冲激响应。然后与电台输入信号卷积,就得到了信道的输出信号。 3.2 模拟器实现的主要功能 依据图4所示,宽带短波信道模拟器主要由传输损耗、多普勒效应、多径效应、噪声干扰等模块组成,它们在短波通信试验中分别实现了信道模拟主要功能。 (1) 传输损耗。在短波无线传输中,能量的损耗主要来自三个方面:自由空间传播损耗、电离层汲取损耗和多跳地面反射损耗。除了这三项损耗外,通常把其他的损耗(如极化损耗、电离层偏移汲取损耗等)统称为额外系统损耗。因为不同模式的损耗是不同的,所以在每一条传
14、输模式下分别加装一个传输损耗模块以实现模拟传输损耗的功能。 (2)多普勒效应。利用短波信道传播信号时,存在多普勒效应所造成的放射信号频率的漂移,这种漂移称为多普勒频移,用f表示。Dn(t,)为确定相位函数,它限制模拟器的多普勒频移,从信道实测散射函数图看在信号经验整个延迟时间段里,多普勒频移是在改变的。 (3) 多径效应。由于电离层的不匀称性和其具有的分层结构,以及短波天线通常波束较宽,因此天波传播时,可能经多次反射,出现多径效应,即前面提及的多种传播模式。多径路数在24条约占85%,其中以3条出现机率最高6,所以在信道模拟器一般模拟3条多径信道。 (4) 噪声干扰。在信道模拟器设计时除了应考
15、虑传播媒介的表现特征外,还必需引入实际存在的各种干扰对短波通信产生的影响。短波无线电干扰在通信中对信号传输产生影响的主要是外部干扰,在模拟器中,噪声干扰模块产生高斯白噪声来模拟噪声干扰。 3.3 模拟器功能实现的仿真 基于ITS模型,利用Simulink模块搭建的宽带短波通信试验系统模型如图5所示。模型中以一个WAV文件模拟电台输入信号,由音频文件输入模块引入,首先进行调制,之后信号进入ITS Rayleigh Fading和AWGN信道,然后取出其实部,解调后通过输出音频文件模块将信号输出到工作空间,模拟电台的接收信号。 图5 宽带短波通信试验系统模型 所采纳的仿真参数见表1,这些参数是基于
16、NRL(美国海军探讨试验室)的WBHF信道探测仪实测中纬度126 km路径的短波信道而得出的7。 表1 宽带短波信道仿真参数 参数名称取值 多径条数n3 多普勒频移fd /Hz0.2,-0.1,0.5 峰值处时延 /s33,59,63 路径增益G /dB0,-3,-6 信噪比SNR /dB10 图6给出了输入语音信号时,输入输出信号时、频域对比图。 图6 输入语音信号时,输入输出信号时、频域对比图 从图6(b)中可以看出输出信号被叠加上噪声而且有了衰落,而从音频设备中也可听到输出音频音量凹凸起伏且掺杂噪声。从图6(d)中可以看出输出信号频谱有了肯定扩展。 以上表明宽带短波信道模拟器能够模拟短波
17、信道的衰落、频移、噪声干扰特性,并且依据输入的多径数目可以实现对多径的模拟。即宽带短波信道模拟器可以实现3.2中所论述的各项功能。 4 应 用 宽带短波信道模拟器硬件由FPGA,DSP为核心构成,通过外接射频电缆与参试电台相连。宽带短波信道模拟器应用于某型电台系统鉴定试验时,其主要应用有以下四个方面,分别描述如下: (1) 短波电台连通性的测试。这种状况下,短波宽带信道模拟器的工作状态为模拟一段短波信道,两部电台分别进行已知信号的收发试验,通过对接收端信号处理的结果与放射端的信号相比较,推断功能的正确性。以此验证电台发送和接收数据的正确性。 (2) 组网实力的评估。短波电台组网通信是实现信息共
18、享的基础。在电台组网状况下,信息在协同作战中能否快速、精确地传递与交换、共同利用战术数据是检验电台组网实力的标准。通过多个电台与短波宽带信道模拟器连接组网,形成一个通信系统。各电台分别模拟放射台和接收台,电台放射信号时可采纳点对点和广播两种方式,接收电台接收信号后,在数据处理部分进行显示、保存,通过记录的输入、输出全部信息,运用数学处理方法,分析数据精确性、时空一样性和有效性,对组网实力进行评估。 (3) 丢帧数及误码率验证。丢帧和误码是短波电台通信中的常见问题,各种信道参数的改变以及短波电台本身的性能都可能导制丢帧和误码,对短波电台本身而言,丢帧和误码也有限制,通过宽带短波信道模拟器模拟肯定
19、的信道参数,从放射台向接收台发送长样本、循环样本及随机样本,并在两端记录接收和发送的样本信息,依据记录结果通过数学分析可以验证丢帧数和误码率是否在允许的范围内。 (4) 最大通信距离验证。随着通信距离的增大短波信道的时变和色散的特性就更加明显,传输损耗、多普勒效应、多径效应、噪声干扰等都会加强。通信距离超过肯定范围,误码率会超出允许范围,甚至造成通信中断。所以为了保证通信快速和精确,最大有效的通信距离就是短波电台通信中一个很重要的参数。通过短波信道模拟器对远距通信信道的模拟以及无线传输的理论,搭建短波电台通信距离试验环境,可以进行最大通信距离验证。 5 结 语 短波通信在今后相当长的一段时间内
20、,仍将是国防科研通信的主要手段之一。本文在分析短波通信试验的基础上,提出了通过宽带短波信道模拟器实现模拟短波通信试验。并对短波信道模拟器进行建模和功能的探讨,并对功能进行仿真,指出其应用方式,以期应用于短波电台鉴定试验中。 应用宽带短波信道模拟器进行模拟通信试验,可以缩短短波电台试验周期,同时对对模拟器进行适当的改进,还可以将其运用到其他的通信平台试验上。该项技术对短波通信技术探讨、协同作战通信仿真系统的设计和工程应用具有肯定的参考价值。如何利用宽带短波信道模拟器构建协同作战通信仿真系统,探讨通信组网技术、评估组网通信对协同作战效能的影响是今后须要进一步探讨的课题。 参考文献 1涂旭东.宽带短
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