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1、哈尔滨工程大学硕士学位论文基于OFDM-CDMA短波宽带通信系统建模仿真姓名：杨泽亮申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：赵旦峰20090301哈尔滨工程大学硕士学位论文摘要短波通信系统具有高度机动性、抗摧毁性和抗干扰性，已经逐步发展成为军事战略和战术通信中的重要通信手段。但是短波信道中存在严重的多径衰落和电磁干扰，难于满足现代战争条件下数字化战场信息传输的需求。论文针对短波通信的特点，研究了短波宽带信道下的扩频O F D M 系统。论文首先分析了短波宽带信道的多径效应和固有的色散特性对数据传输速率的影响。针对短波宽带通信的特点，论文研究了基于扩频O F D M 短波宽带通信系统的发
2、射接收模型，确定了系统的帧结构、速率参数、时间参数、扩频码结构、子载波调制映射方式和导频插入方式等。在此基础上，论文对短波宽带信道下的O F D M C D M A 的结合方案进行了研究。仿真结果表明，基于M C C D M A 和多载波D S C D M A 的短波宽带通信系统在短波信道出现深度衰落情况下，误码率性能不能满足通信质量的要求。时频二维扩展C D M A 系统，频带利用率低。论文针对短波宽带通信系统缺点，提出了一种基于时频映射的二维扩频通信系统设计方案，通过矩阵变换将扩频后数据重新分配到不同的子载波和O F D M 符号上，在接收端达到了频域与时域分集效果，不仅克服了卷积编码不能
3、抗突发错误的缺点，还进一步提高了短波通信系统的隐蔽性。最后研究了相关的编码方案、信道估计、均衡技术和分集接收技术。在短波宽带信道环境下对该系统进行了计算机仿真验证，仿真结果表明，本文提出的二维扩频通信系统在短波宽带信道条件下，性能优于传统的扩频通信系统。在满足一定通信质量的要求下，最高可以实现3 2 k b p s 的数据传输速率。关键词：短波宽带信道；正交频分复用：码分多址；二维扩频哈尔滨工程大学硕士学位论文A B S T R A C TW i t hh i g hm o b i l i t y,a n t i-k n o c k o u t，a n da n t i-j a m m i n
4、 g，t h eH Fc o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sa l r e a d yb e c o m et h ei m p o r t a n tm e a n si nt h em i l i t a r ys t r a t e g ya n dt a c t i c a lc o m m u n i c a t i o n B u tt h e r ea r es e r i o u sm u l t i-p a t he f f e c t sa n de l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e
5、 r e n c e si nt h eI-I Fc h a n n e l，w h i c hc a n tm e e tt h ed e m a n do ft h ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o ni nt h ed i g i t a lb a t t l e f i e l du n d e rt h em o d e mw a r f a r ec o n d i t i o n I nt h el i g h to ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r e s e n
6、tH Fc o m m u n i c a t i o n,t h ep a p e rh a sf o c u s e do nt h es t u d yo fO F D M F i r s t,t h ei n f l u e n c e so fm u l t i-p a t he f f e c t sa n dD o p p l e rs h i f to nt h er a t ei nt h ew i d e b a n dH Fc h a n n e la l ea n a l y z e d I nv i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t
7、 i c so ft h ep r e s e n tI-I Fc o m m u n i c a t i o n，t h ep a p e rr e s e a r c h e st h ew i d e b a n dI-I Fs y s t e mm o d e lo ft r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n gb a s e do nO F D M C D M A，a n dd e f i n e st h ef r a m es t r u c t u r e，t h ep a r a m e t e r so fr a t e，t h
8、 ep a r a m e t e r so ft i m e，t h es t r u c t u r eo fs p r e a d i n gc o d e，s u b c a r d e rm o d u l a t i o nm a p p i n ga n dt h ee n t e r i n gm o d eo fp i l o ta n dS Oo n T h e n,t h er e s e a r c ht ot h ea s s o c i a t i o ns c h e m eo fO F D M-C D M Ai nt h ew i d e b a n dI-I
9、Fc h a n n e lh a sb e e nc o n d u c t e d T h er e s u l t si n d i c a t e，t h ep e r f o r m a n c e so fB E Ri nt h ew i d c b a n dH Fs y s t e m s，b a s e do nM C C D M Aa n dm u l t i-c a r r i e rD S C D M Ac a n tm e e tt h eq u a l i t yo fc o m m u n i c a t i o n T h et i m e-f e q u e
10、n c yt w o-d i m e n s i o n a ls p r e a d i n gs y s t e mh a st h el o w-u s a g eo ff r e q u e n c yb a n d I nt h el i g h to ft h ed e f e c t so ft h ew i d e b a n dH Fs y s t e m，an e ws c h e m eb a s e do nt h et i m e f r e q u e n c yt w o d i m e n s i o n a ls p r e a d i n gi sp r o
11、 p o s e d T h ed a t ai sr e d i s t r i b u t e dt ot h ed i f f e r e n ts u b c a r r i e r sa n dt h eO F D Ms y m b o l sb ym a t r i xt r a n s f o r m a t i o n T h em o d u l a t i o nh a sa c h i e v e dt h ee f f e c t so ft i m e-d i v e r s i t ya n df r e q u e n c y-d i v e r s i t yi
12、 nt h er e c e i v e r,w h i c hn o to n l yo v e r c o m e st h ea n t i-b u r s te r r o r s，b u ta l s oe n h a n c e st h ec o n f i d e n t i a l i t yo fH Fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m F i n a l l yt h ep a p e rr e s e a r c h e st h er e l a t e dc o d es c h e m e，t h ec h a n n e l
13、e s t i m a t i o n,c h a n n e le q u a l i z a t i o na n dt h ed i v e r s i t yr e c e p t i o nt e c h n o l o g i e s T h er e s u l t si n d i c a t e，t h ep e r f o r m a n c e so ft i m e f r e q u e n c yt w o-d i m e n s i o n a ls p r e a d i n gs y s t e ms u r p a s s哈尔滨工程大学硕士学位论文t h e
14、t r a d i t i o n a lC D M As y s t e m s n l es y s t e mp r o p o s e di nt h et h e s i sc a l lr e a l i z et h e3 2 k b p sd a t at r a n s m i s s i o n K e y w o r d s：w i d e b a n dH Fc h a n n e l；O F D M；C D M A；t w o-d i m e n s i o n a ls p r e a d i n g哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是
15、在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者(签字)：杨降痛日期：2 岬年歹月肜日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可
16、采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。7本论文雠授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口解密后)由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者(签字)：栩浑-为日期：z o O,3 月f 石E t导师(签字)：冷7j 年弓旯毛哈尔滨工程大学硕士学位论文第1 章绪论1 1 课题研究的背景和意义短波通信的波段通常是在1 5 M H z 3 0 M H z 之间，由于具有通信距离远和生存能力强的特点，迅速成为军事战略、战术通信中的重要
17、通信手段，在第二次世界大中得到了广泛的应用。战后，相应的D S(D i r e c tS p r e a d)和I-I F(H o p p i n gF r e q u e n c y)通信系统的发展使短波通信迅速成为气象，外交，商业等部门远程通信的主要手段。上世纪7 0 年代，北约海军数据型u L I N K l l投入使用，最高传输信息速率达到了2 4 k b p s，这也进一步确立了高频通信在军事通信中的领袖地位。短波通信主要利用电离层与地面间反射来实现短波信号的传输口1，因此通常也被称为“天波 通信。利用天波传播，短波单次反射的最大的距离可达4 0 0 0 k m，多次反射可达上万千米
18、，甚至于做环球传播。特别在低纬度地区，短波通信的可用频段变宽，最高可用频率较高，受离子沉降事件和地磁暴的影响较小。而卫星通信在低纬度地区受到电离层或对流层的闪烁影响较大，所以在这些地区短波通信比较实用。在驻外使领馆、极地考察和远洋航海测量的岸船通信中，短波通信得到了广泛的应用。短波通信也有很多明显的缺陷p 1：可用频带窄，通信容量小；可用短波信道拥挤；天线匹配困难；短波信道是变参信道，信号传输稳定性差；干扰严重。这些缺点严重的限制了短波通信的发展。特别是在上世纪7 0 年代中后期，卫星通信的兴起使短波通信的发展陷入了停滞阶段，人们曾经一度怀疑短波通信是否还有存在的必要。近几年，卫星通信在战争中
19、的安全性问题和高昂的建设费用使人们开始重新审视它的地位。短波通信因其低廉的成本，战争中较强的通信恢复能力再次引起军方的高度关注。各种关于腼(H i g hF r e q u e n c y)的国际会议心：l哈尔滨工程大学硕士学位论文唧R a d i oS y s t e m sa n dT e c h n i q u e s，N o r d i cR a d i oS o c i e t y(N R S)i n t e r n a t i o n a lI-I Fr a d i oc o n f e r e n c e s，t h eH Fs e s s i o n so f t h eI E
20、 E EM I L C O Ms e r i e s 使短波通信的研究变得更加活跃。近1 0 年来短波通信的商业化运作，民用产品的开发，以及与其相关的数字发射接收技术，新的调制标准，A L E(a u t o m a t i cl i n ke s t a b l i s h)，数据链协议，大容量的I-I F 系统等的提出使短波通信迎来了一个新的发展契机。随着短波通信技术的发展，短波通信系统已经成为军事战略、战术通信中的重要通信手段，它具有的高度机动性、抗摧毁性和抗干扰性是其它通信手段无法比拟的。但是短波信道中存在严重的多径衰落和电磁干扰，使得短波数据通信的容量很小，带短波通信系统的通信容量远
21、低于其它通信系统的平均水平，而且通信的可靠性较差，难于满足现代战争条件下数字化战场信息传输的需求，因此研究短波信道上适合高速数据通信的方法是十分必要的。短波信道为衰落色散信道阿1，在短波信道上传输数据信号，遇到的主要障碍是短波信道多径效应引起的信道参数的变化。如多径效应引起的衰落使所传输的数据信号幅度减小，增加了错误判决的概率，容易引起突发错误：多径效应引起的波形展宽，使所传输的数据码元间相互串扰，产生码元失真，限制了数据传输速率的提高；电离层快速变化引起的多普勒频移易使信号的频谱结构发生变化，相位起伏定，造成数据信号的错误接收等。为了适应高速数据传输，需要采用性能良好的调制解调器，正交频分复
22、用(O F D M)调制方式唧以其突出的优点越来越受到人们的重视，开始逐步应用于短波通信领域，取代原来的单载波调制和非正交多载波调制技术。O F D M 是一种特殊的多载波传输方式，由于各子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱互相重叠，与常规的频分复用系统相比，O F D M 可以最大限度地利用频率谱资源。同时它把高速数据通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，降低了子信道的信息速率，将频率选择性衰落信道转换为平衰落信道，从而具有良好的抗噪声、抗多径干扰的能力，适于在频率选择性衰落信道中进行高速数据传输。在O F D M 中通过引入循环前缀，克服了2哈尔滨丁程大学硕十学位论文
23、nO F D M 相邻块之间的干扰(I B I)，保持了载波间的正交性，同时循环前缀长度大于信道扩展长度，有效地抑制了符号干扰(I S I)。在未来的数字化战场上，通信系统不仅需要有效的传输速率，而且需要较强的抗干扰和安全保密能力。扩展频谱技术能够展宽发射信号的频谱川，降低发射信号的功率谱密度，减少被敌方截获检测的几率，因此，扩频技术应用于短波通信具有得天独厚的优势。将这两种技术结合起来所构成的扩频O F D M 技术应用于短波通信中，综合两者优点，既可以提供强抗干扰能力和高保密能力，又可以提供较高的数据传输速率。进一步与高性能的编码方式和高阶调制方式相结合，可以在提供更可靠的数据传输的同时，
24、提供更高的数据传输速率，以满足现代军事通信连路通信安全可靠、通信容量大、抗干扰能力强的要求。1 2 课题研究现状短波信道是开放式的无线传输信道，主要依靠地波和天波传输。地波传播的特点是波在行进过程中受地表而导电率和相对介电常数影响产生衰减；天波是依靠电离层的一次或者多次反射而实现远距离传输的。由于电离层内大量的电子和离子的存在，它们能使无线电波的速度，发生折射，反射和散射，产生极化面旋转并吸收能量。电离层的电子和离子密度在空间的各处不相同，这种不均匀会造成无线电波的多路径、衰落、相位起伏、多谱勒频移等不利影响，限制了短波通信的可用频段和带宽。1 2 1 窄带短波通信研究现状短波窄带通信通常是指
25、在3 k H z 频带宽度上实现通信。按照国际标准，每个短波电台占用3 7 k H z 的带宽，整个短波频段的可用带宽为2 8 5 k H z。为了避免电台间的相互干扰，全球只能容纳7 7 0 0 多个可通信道。这在很大程度上限制了通信的容量和数据传输的速率。高频通信的信道是变参信道，它所引起的多径衰落，多径时延，多普勒3哈尔滨工程大学硕士学位论文；i；i；-一i liia；i；i；频移以及不同频点上窄带干扰严重影响了通信的可靠性。同时短波信道还具有开放性的特点，这使短波通信的隐蔽性，抗人为干扰能力和抗敌方截获能力变弱。针对这些问题，美军首先提出了将扩频技术与短波通信相结合的系统1 1，主要包
26、括：直接序列扩频通信系统(D S S S)(例如：美国S I C O M 公司研制的短波直接序列扩频电台)，跳频和直扩混合扩频通信系统，跳时和跳频混合扩频通信系统，跳时和直扩混合扩频通信系统。由于扩展频谱信号具有抗干扰、保密、抗侦破和抗衰落等特点，扩展频谱技术在战术通信中得到了迅速发展。而大规模集成电路、生表面波S A W器件和C C D 器件的发展又为扩频同步和快速跳频开辟了新途径，促进了战术通信技术的发展。战术扩频电台在体积、尺寸上大大缩，J、，成本大幅度降低，战术性能大大提高，促使各国迅速用扩频体制电台对原有常规通信体制电台进行大换装。1 9 8 1 年英国的M a v e o n i
27、公司投入市场的S c i m i t a r-H 电台u 列工作频率范围在1 6-3 0 M H z，波道间隔为1 0 0 M H z，共有2 8 4 0 0 0 个波道。此外，澳大利亚陆军的R a v e n 计划，采用英国的P l e s s e y 4 0 0 0 电台。该电台工作在2 3 0 M I-I z与V H F 波段，积木式结构，配有自适应调零天线，可用跳频或直接扩频方式工作。在多电台工作时，直接序列扩频系统容易受到远近效应的影响，而对跳频系统只有频道重合时才会产生干扰，易用纠错码纠正产生的误码。因此，目前各国军方研制的电台主要是与F H 相结合的短波通信系统，包括：自适应跳频
28、系统(A F H，法国的T R C 3 5 0 0 电台【n 习)，集合了自适应选频技术、高速调制解调技术、分组报文和分组跳频技术的瞬间通信系统(H F a d a p t i v eB u r s tC o m m u n i c a t i o nS y s t e m)，美国的C H E S S 系统钔，(5 0 0 0 跳秒，带宽2 M，5 1 2 个跳频点，速率9 6 k b p s)，L I N K 2 2 中的I-I F 波段采用跳频方式习(速率5 0 0-2 2 0 0 b p s)。其中，C H E S S 电台虽然具有很高的跳频速率，但是误码率却非常高：为了提高保密性，每个
29、频率点传输时间必须小于5 秒，最佳时间是0 3 秒，不要在同一频率上频繁出现，再次出现工作时间要小于O 2 秒，这对4哈尔滨-1 程大学硕七学位论文跳频速率要求较高，同时也增加了跳频过程中如何保证各个跳频点可通性的难度(考虑窄带干扰以及电离层变化对各频点可通性的影响)。目前采用并行的多音传输体制的窄带短波电台，由于短波信道的多径特点和固有的色散特性制约了数据传输速率的提高，在每个子信道的符号速率达到3 0 0 波特时，码间干扰十分明显，必须采用信道均衡技术。针对短波信道的这一突出缺点，人们的目光逐渐转移到将O F D M 与扩频相结合的短波宽带通信技术，来提高系统的传输速率和抗干扰能力。1 2
30、 2 短波宽带通信研究现状目前，I T U 还没有明确的定义短波宽带通信标准。C C I R 的W a t t e r s o n t 嘲波窄带信道模型，建模最大带宽1 2 k H z，通信带宽一般是3 k H z；目前通用的I T S 1 宽带信道模型，建模最大带宽1 M H z，通信带宽一般是指在1 2 5 k H z l M H z 频带宽度上实现通信。单载波短波通信传输速率已达到9 6 k b p s，对均衡的要求很高，若要进一步提高传输速率已经很难了。随着基带信号处理能力的提高和用户对带宽需求的增加，O F D M 技术在短波通信中得到了广泛应用，在过去几年里H F 数据传输速率大幅
31、度提高引。M I L S T D 1 8 8 1 1 0 B 在2 4 0 0 b p s 以上传输速率中，提供从3 2 0 0，4 8 0 0，6 4 0 0，8 0 0 0，9 6 0 0，1 2 8 0 0 b p s(无编码)的传输服务，S 即N G 5 0 6 6 也支持高速H F 据通信业务。加拿大C R C 的试验工作在3 k H z带宽实现9 6 0 0 b p s 传输速率，随后由美国的H a r r i s 公司、通用航天航空防务公司、德国的D a i m l e r-C h r y s l e r 航空航天部门和法国的T h o m s o n 公司和在高速H F 数据通
32、信领域做了许多有意义的工作，当前己能提供9 6 0 0 b p s 以上的传输速率9 1。由于O F D M 技术具有较强的抗多径干扰的能力，能够有效地抑制I S I 和子载波干扰(I C I)，己被成功应用于D R M 中。值得注意的是D R M同样使用短波频段传输音频和数据信息。下面研究O F D M 在短波通信领域里应用比较成功的几个例子：在战术电台环境下，V H F 波段通信是通常采用的一种规范；但在复杂的5哈尔滨T 程大学硕十学位论文地形条件下，V H F 通信有时会出现障碍，此时可以尝试采用接近垂直入射(N V I S)的短波电台建立通信联系。英国的R a c a lr e s e
33、 a r c hL i m i t e d 开发出种适用于H FN V I S 信道的并行体制调制解调裂2 0 1。它采用O F D M 技术，子载波个数为5 6，信号的调制方式2 5 6 Q A M、6 4 Q A M、1 6 Q A M、F S K、P S K、S S B，在3 k H z 带宽上实现无编码最高传输速率1 6 k b p s，能够在多普勒扩展1 H z、延迟扩展5 m s 的H FN V I S 信道条件下正常工作。法国的T h o m s o n 公司短波电台口u 采用O F D M 体制，子载波个数7 9，信道编码采用基于帧结构的T u r b o 编码方式，数据传输速
34、率达9 6 0 0 b p s。环球无线电通信公司(U n i v e r s a lR a d i oI n c o r p o r a t i o n)推出的最新代商用产品，A R D 9 9 0 0 调制解调器口2 旧1 具有传输数字语音、图像、数据的功能，采用O F D M 调制，子载波个数3 6，子载波间隔6 2 5 H z，信号调制方式D Q P S K，数据传输速率5 0 b a u d 3 6 0 0 b p s。目前，采用O F D M 体制的短波通信系统口4 1，主要还是在3 k H z 的带宽上实现9 6 0 0 k b p s 以上的传输速率。由于短波信道带宽窄，O F
35、 D M 调制的子载波个数有限，需要降低插入导频的密度，这就给信道估计带来一定的困难。在文献 2 5 中，提出了将O F D M 技术应用于短波宽带通信系统中。它采用了T u r b o 编码方式，在1 2 5 k H z 带宽上最高实现3 2 k b p s 的传输速率，不仅解决了信道估计困难的问题，且误码率性能优于窄带短波系统。虽然O F D M 技术对抗多径干扰具有较好的性能，但是也存在如下缺点口们：存在较高的峰值平均功率比：对载波频偏很敏感，对同步要求高；如果考虑保密通信，在保持O F D M 载波同步、符号同步和采样同步的前提下，跳速通常低于1 0 0 跳秒，容易被对方跟踪上。因此，
36、在提高传输速率和抗干扰能力的双重要求下，结合扩频O F D M 技术的短波宽带通信系统9 0 年代以来逐渐成为军事短波通信一个研究的主要方向。在1 9 9 5 年的M I L C O M 会议上，C h o u i n a r dJ Y 和D r a p e a uM 在口文中，首先提出了短波宽带直接扩频通信系统；同时N i l s s o n，J E M 在文章中B 卅进一步探讨了扩频信号的编码问题。文章 2 7 1 中尽管采用的R S 编码具有较强的纠错能力，但是在错误率较低时，它的作用不是很明显。由于短波通信主要受6哈尔滨工程大学硕士学位论文II|I ImI；色散延迟的影响，交织与纠错编
37、码相结合会得到更好的系统性能，但是交织所带来的系统时延一定要小于短波通信的承受能力。在1 9 9 7 年的M I L C O M会议上，N i l s s o nJ E M 伫第一次提出了H F 军用通信系统的宽带多载波传输方案，重点讨论了采用保护间隔(循环前缀)对传信率以及抗截获能力的影响，还引入了高斯扰码提高系统的抗截获能力。在I-I FR a d i oS y s t e m sa n dT e c h n i q u e s 的第九次国际会议上，R a o sI，D e lC a c h oA 等p 州首次提出了将多用户检测技术应用到短波宽带通信中。在文章中，通过将n 个O F D M
38、 符号在一个O F D M 符号时间内同时发射出去，相当于n 个虚拟的用户，在接收端应用多用户检测技术。这种调制方式不仅消除了码间干扰，同时缩短数据的传输时间，补偿了编码和交织带来的系统延时，但是增加了接收端的复杂度。J o h nN i e t o，L e a n d r oD O r a z i o，C l a u d i oS a c c h i 等分别对M C C D M A 调制p u 和M o d i f i e dM C C D M A 调制p 引进行了研究及系统仿真，进一步验证了短波信道条件下的多用户检测性能。K a nC h u n r o n g，L i uY i n g
39、随后提出了改进方案M B O F D M(M u l t i-B a n dO F D M)1 3 3 ，它采用了一种跳载波的M C C D M A 方案，解决了接收端需要采用多用户检测的问题。短波宽带通信系统，经过多年的研究已取得了丰硕的成果，但是随着人们日益增长的对通信质量和数据传输速率的要求，同时提出了很多急需解决的问题：1 目前军事短波通信常用的R S 编码川、R e e d M u l l e r 编码、格雷编码口5 1和交织技术p 哪p 刀，在信息速率较大的情况下，无法满足通信的实时性要求。研究合适的信道编码技术，解决译码和解交织带来的系统时延是短波通信急需解决的问题之一。2 短波
40、通信采用的调制技术主要是Q P S K t 3 叼和D M P S K 调制p 9 1，可以降低对短波通信系统的同步要求，但是通信效率不高；研究适合短波通信的扩频O F D M 方案：包括扩频码的设计、扩频调制方式选择和接收端的设计，主要解决扩频波形问题，以及相关的信道估计和信道均衡技术也是短波通信需要重点解决的问题。7哈尔滨工程大学硕士学位论文1 3 课题研究主要内容及结构安排根据上述的研究现状分析可知，目前短波宽带通信中的系统建模方法还有待进一步完善，短波宽带通信系统的信息传输效率和误码率性能还需要提高；因此，本文基于课题的技术指标要求，对相应的信道编码方法、信道估计、信道均衡、扩频方案、
41、分集接收等技术进行了深入研究。具体安排如下：第1 章，介绍课题研究背景，意义及目前研究现状。第2 章，首先介绍了基于I T S 模型的短波宽带信道建模方法，并对其有效性进行了计算机仿真验证。研究了短波宽带通信系统的发射和接收模型，根据实际的信道条件对系统的参数进行了设计。第3 章，对目前常用的扩频与O F D M 结合方案进行了研究，在短波宽带信道条件下，分析比较了各种方案的误码率性能。在此基础上，提出了一种改进的结合方案，并对方案的误码率性能和复杂度进行了分析。第4 章，对短波宽带通信系统中的关键技术进行了研究，并对各项技术的复杂度和误码率性能进行了分析，提出了适合短波宽带通信的技术方案。最
42、后，对理论分析和仿真结果进行讨论和总结。8哈尔滨工程大学硕士学位论文；罱n ni in lm-n n-in ；昌第2 章短波宽带通信系统模型短波信道为衰落色散信道，在短波信道上传输数据信号，遇到的主要障碍是短波信道多径效应引起的信道参数的变化。针对短波宽带信道的这一特点，采用了O F D M 与扩频相结合的技术，讨论了基于扩频O F D M 短波宽带通信系统的物理层规范，确定了系统的帧结构、速率参数、时间参数、扩频码结构、子载波调制映射方式和导频插入方式。2 1 短波宽带信道模型在短波信道存在着多径时延衰落、多普勒频移、近似高斯分布的白噪声和电台干扰等。依据短波信道特征，建模的研究分为两个方向
43、1：一是信道的衰落特性建模，二是信道中的干扰和噪声建模，本文着重于前者。对于短波信道的衰落特性建模有两种方法：一种为统计建模方澍4 2 1，一种为决定建模方法M。统计建模方法抽象出了统计模型，参数少，在实现复杂度上远远小于决定性模型，同时改变统计性模型的参数可以获得无限种可能的短波信道条件，下文将重点讨论统计建模方法。但是依赖大量实测参数的决定性模型的准确性要高于统计性建模。2 1 1lT S 短波宽带信道模型I T S 模型是1 9 9 7 年美国I T S 组织在V o g l e r 模型的基础上推出的又一个被广泛推荐的宽带信道参考模型。它适合于宽带和窄带两种情况。目前这种方法没有得到I
44、 T U 认证，并没有W a t t e r s o n 短波信道模型那样权威。I T S 模型同样存在V o g l e r 模型的不足，但是它是目前应用最广泛，得到认可最多的模型。因此决定采用I T S 模型实现短波信道的建模。I T S 模型是基于信道的实测散射函数提出的一种短波宽带信道模型刁，信道的冲激响应可表示为：9哈尔滨工程大学硕士学位论文i mI II l lI I I O，f)=五。O，f)=厕。O，r 杪。(f，f)(2-1)其中n 表示传输模式 l，只p)为第n 条模式的功率延时分布函数，表示了功率随延时的分布情况，其数学表达式为：j：(r)=彳j i i；：i 二=-孬z
45、 口P 一茁2-2)其中，A 为最大接收功率，口为形状因子，控制分布函数的对称性，z=堡A+1，f 为延时变量，=f。一f，且r，满足只G，)=o，r()为g a r m n a函数，f。为中心频率处的平均延时，决定了延时偏移，根据输入参数计算得到，满足下列关系式：吃=口2f c5 一Cs 扯(鲁)+(2 3)(2 _ 4)其中c 为光速，D 为发射机和接收机之间的点一点距离，吃为有效发射高度，仃为电离层厚度，h o 为最大电离高度，为击穿频率，正为中心频率。图2,1 功率延时剖面函数由式(2 2)可见，功率延时分布函数为g a m m a 概率密度分布函数的形式，图2 1 为功率延时分布函数
46、的一种情况，其中如为接收机门限，仃，为延1 0哈尔滨工程大学硕士学位论文时扩展，盯，为上升时间。D。(f，f)为决定性相位函数，可表示为：见，f)=e x p i 2 n f,+6 p f。沽(2 5)其中f 为延时为r。处的多普勒频移，b 为多普勒频移随延时r 变化率。y。(f，f)为随机调制函数，表征了信道的多普勒扩展。常见的多普勒功率谱有G a u s s i a n 型和L o r e n t z i a n 型两种，相应的散射函数可表示为：s G(f，厶)：尸O 一口I(厶一厶)口，】2 e，：砥&t，厶)=P t i 翻tP n 确仃，+Z Z 刀I。一，。IG a u s s i
47、 a n(2 6)L o r e n t z i a n(2 7)其中，兀=正+m(f r。)，九为任意常数相位，仃，为多普勒扩展半带宽的函数，满足如下关系式：咿毒半一一2，r o-D S v町2 商3 1一O vG a u s s i a n(2 8)L o r e n t z i a n(2 9)其中s，=鲁。通常用p p，厶)I 的三维图像来提供延时扩展、多普勒扩展的可视化表示。2 1 2 仿真验证方法为了进行计算机仿真，需要将信道的冲激响应表示为离散形式H 删，可表示为：h I，=Ec I，。P 1 墩_(2 1 0)其中连续时间冲激响应中的f 和f 分别离散化为r m=t o+m a
48、 t 和气=+丛f，其中A r 为延时增量，出为采样间隔。第一个因子只是离散形式的功率延时剖面函数，将式(2 2)归一化后取哈尔滨工程大学硕士学位论文n i li _-自然对数，然后变换回e 的指数后乘以A，最后表示为：忍=A P 口卜l 9 1(2 1 1)其中A 为在延时为f。时的功率，口为形状因子，g 可表示为：g=丝工(2 1 2)o i其中，是k 的最小取值，满足另=0，盯，=f。一f，为上升时间或式(2-2)的。参数口和f，是接收信号门限彳打、延时扩展盯，和上升时间仃，的函数，本仿真中采用迭代算法计算口和f，。最后两个因子描述了多普勒扩展的形状。其中指数因子为决定性相位函数，自变量
49、可表示为：刁女雕=2 万阢+6 G t f。汗朋(2 1 3)工为f。处的多普勒频移，b 是多普勒频移随延时的变化率，可表示为：6：；二童(2 1 4)彳c f L厶为延时为吒处的多普勒频移。图2,2I T S 信道模型单模式框图气拼表示随机调制函数，用来模拟信道的多普勒扩展，本仿真中模拟L o r e n t z i a n 型功率谱密度，采用单极点I I R 滤波器对输入的高斯白噪声序列滤1 2哈尔滨工程大学硕士学位论文；罱I_-i；宣；昌；波实现所需要的复随机序列。为保证复高斯随机序列的实部和虚部相互独立，分别采用了两种不同的线性同余法产生标准的均匀分布随机数序列，然后通过B o x M
50、 u l l e r 方法变换为标准高斯分布的白噪声序列。图2 2 为单模式冲激响应序列仿真框图t s t ，通过对不同模式冲激响应序列延时相加即可得到仿真信道的冲激响应序列。2 1 3 计算机仿真结果和分析描述宽带信道特性时常常采用信道的散射函数来表示，散射函数定义为信道冲激响应的自相关函数的傅立叶变换，它给出了信号的功率随延时和多普勒频率的分布情况，同时表征了信道的时延扩展和多普勒扩展，因此本文采用散射函数来验证仿真结果的正确性。本文对中纬度1 2 6 k i n 的天波信道进行仿真，包括一跳F 层反射低仰角O模式和两条可分离的X 模式。各个模式的输入参数及校验参数如表2 1 和表2 2