為了測試短波(高頻)通信設(shè)備的性能，通常需要在實(shí)際通信環(huán)境中進(jìn)行大量的外場實(shí)驗(yàn)。相比之下，信道模擬器能夠在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行類似的性能測試，測試費(fèi)用少、可重復(fù)性強(qiáng)，而且可以縮短設(shè)備的研制周期。
　　短波信道是隨機(jī)變參信道，根據(jù)一些統(tǒng)計(jì)規(guī)律，可以有所側(cè)重地建立近似的信道模型。目前，比較有代表性的信道模型有：Watterson等人提出的高斯" title="高斯">高斯散射增益抽頭延遲線模型^[1](簡稱Watterson模型)、Hoffmeyer等人提出的采用電離層物理參數(shù)的信道模型^[2]和Giles等人提出的采用短波信道沖激響應(yīng)直接測量法的模型^[3]等。這些模型中，Watterson模型的主要優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算的復(fù)雜度低，能在大多數(shù)情況下較好地描繪短波信道的特性，現(xiàn)已被CCIR推薦^[4]并廣泛采用。
　　本文采用Watterson模型，以TMS320VC33為核心器件，提出了軟硬件結(jié)合、以軟件為主的設(shè)計(jì)思想，對300~3000Hz帶寬基帶短波信道的主要特性進(jìn)行模擬，能較好地滿足實(shí)驗(yàn)需求。
1 Watterson信道模型^[1]
　　Watterson等人提出的高斯散射增益抽頭延遲線模型如圖1。

　　圖1中，發(fā)射信號經(jīng)理想的時(shí)延" title="時(shí)延">時(shí)延線后，在若干個(gè)可調(diào)抽頭處送出，在每路抽頭處，時(shí)延信號由一個(gè)復(fù)隨機(jī)分支增益函數(shù)gi(t)進(jìn)行調(diào)制，各路已調(diào)信號和加性噪聲相加，形成接收信號。
　　復(fù)隨機(jī)分支增益函數(shù)是體現(xiàn)信道特性的一個(gè)重要參數(shù)，其定義如下：

　　Watterson等人驗(yàn)證了模型的正確性，并指出，當(dāng)每一路徑采用兩個(gè)磁離子分量時(shí)：
　　(1)如果載頻較低，兩個(gè)磁離子分量的多普勒頻移和頻展近似相等，它們的功率譜" title="功率譜">功率譜幾乎重合，這樣只需一個(gè)磁離子分量即可表示；
　　(2)如果載頻較高，兩個(gè)磁離子分量的相對時(shí)延顯著，應(yīng)使用兩個(gè)不同磁離子分量。
2 關(guān)鍵技術(shù)
2.1 瑞利衰落的產(chǎn)生
　　一般地，隨機(jī)過程V(t)可表示為：

　　此時(shí)要求n_a(t)和n_b(t)是獨(dú)立的正態(tài)分量，并滿足下列條件：
　　·n_a(t)和n_b(t)不相關(guān)；
　　·n_a(t)和n_b(t)的幅度服從高斯概率密度函數(shù)，且均值為零、均方根相等；
　　·n_a(t)和n_b(t)具有高斯型的功率譜。
　　因此，只要產(chǎn)生出滿足上述條件的n_a(t)和n_b(t)，即可得到n(t)。故而，在Watterson模型中，瑞利衰落對輸入信號的影響，可近似看作兩個(gè)獨(dú)立的同相和正交高斯噪聲源對輸入信號的調(diào)制。
2.2 高斯噪聲的產(chǎn)生
　　本文以線性同余法為基礎(chǔ)，產(chǎn)生高斯噪聲，步驟如下：
　　(1)利用線性同余法產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列，得到(0,1)區(qū)間均勻分布的隨機(jī)數(shù)" title="隨機(jī)數(shù)">隨機(jī)數(shù);
　　(2)通過進(jìn)一步的算法(變換)，得到希望的偽高斯噪聲。
　　線性同余法產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的迭代公式如下：

　　X_i+1=(aX_i+c) (modm)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(5)

　　式(5)中a為常數(shù)，c為增量(一般取c=0)，模數(shù)m為質(zhì)數(shù)，初值X₀(種子數(shù))可為任意非負(fù)整數(shù)。由此可得一組周期為(m-1)的偽隨機(jī)序列{Xi}。利用x_i=X_i/m可得到(0,1)區(qū)間均勻分布的隨機(jī)數(shù)x_i。
　　高斯分布隨機(jī)數(shù)可由隨機(jī)數(shù)x_i得到，利用公式如下：

　　可得到均值為0，方差為(αm)2的高斯分布隨機(jī)數(shù)。(7)式中α為功率增益因子。
　　為保證n_a(t)和n_b(t)不相關(guān)，產(chǎn)生n_a(t)和n_b(t)的偽隨機(jī)序列不僅要有良好的自相關(guān)特性，而且它們的互相關(guān)峰值要盡量小。實(shí)驗(yàn)表明，若兩序列的模數(shù)足夠大且不相等，就可保證序列對在較長時(shí)間內(nèi)滿足上述相關(guān)特性。
2.3 低通濾波器的實(shí)現(xiàn)
　　根據(jù)(2)式，為使每個(gè)磁離子分量功率譜為高斯型，每個(gè)分量上所需的幅度響應(yīng)為：

　　在級聯(lián)實(shí)現(xiàn)中，可以用極點(diǎn)和零點(diǎn)配對的方法，將共軛的零極點(diǎn)或相近的零極點(diǎn)組合成一個(gè)二階濾波器，從而使頻域幅度響應(yīng)達(dá)到濾波器的設(shè)計(jì)要求。利用MATLAB中tf 2sos(b,a)函數(shù)可實(shí)現(xiàn)傳遞函數(shù)到二次分式形式的轉(zhuǎn)換，并將結(jié)果保存到與(10)式對應(yīng)的系數(shù)矩陣sos：

　　在實(shí)現(xiàn)過程中，首先通過MATLAB生成不同頻展要求下IIR濾波器的系數(shù)矩陣sos，然后將這些系數(shù)存放在DSP片外RAM中。模擬器工作時(shí)，由控制程序根據(jù)不同的頻展選擇相應(yīng)的系數(shù)。高斯噪聲源經(jīng)過選定的IIR濾波器，生成衰落所需的高斯控制信號。
3 模型實(shí)現(xiàn)與測試
　　在采用2條路徑的情況下，對于第i條路徑(i=1,2)，每路磁離子分量上產(chǎn)生衰落的復(fù)高斯控制信號分別為：

　　由上述分析可得，采用2路多徑的短波信道模擬器的總體結(jié)構(gòu)框圖(圖2)。

　　本文介紹了一種短波通信信道模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在信道模擬器的設(shè)計(jì)中，采用兩路經(jīng)過高斯型功率譜IIR濾波器的高斯過程的同相和正交分量合成單徑瑞利衰落。高斯型功率譜IIR濾波器由MATLAB設(shè)計(jì)，產(chǎn)生的濾波器系數(shù)存放在DSP外圍RAM中。輸入信號的采樣量化、噪聲源的產(chǎn)生、衰落的形成以及多徑傳輸?shù)冗^程均由DSP及外圍設(shè)備協(xié)同處理完成，實(shí)現(xiàn)了對傳輸信號的全數(shù)字化處理，能夠?qū)崟r(shí)模擬實(shí)際短波通信信道環(huán)境。測試表明，該模擬器的主要技術(shù)指標(biāo)均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
參考文獻(xiàn)
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