孟祥磊

一、引言

在對(duì)短波MIMO通信系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，需要考慮信道的傳輸特性。短波信道具有很復(fù)雜的時(shí)域和頻域特征，包括時(shí)變衰落、多普勒頻移以及多徑效應(yīng)等等，可造成傳輸信號(hào)在時(shí)域、頻域和空間域三維空間中的嚴(yán)重?cái)U(kuò)展，因此短波信道是最為復(fù)雜的傳輸信道類(lèi)型之一。

現(xiàn)代化數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)有著高速大容量數(shù)據(jù)通信的需求，短波通信作為重要的中長(zhǎng)距離無(wú)線(xiàn)電通信方式，具備軍民多方面的用途應(yīng)用，因此，寬帶高速短波通信系統(tǒng)的研究很有意義，我們有必要針對(duì)短波信道的傳播特性和信道模型進(jìn)行討論分析。

二、短波信號(hào)在電離層中的傳播特性

短波信道存在多徑效應(yīng)、衰落、多普勒頻移、起伏效應(yīng)和頻率色散等特性，雖然對(duì)于其它無(wú)線(xiàn)信道，也有類(lèi)似的現(xiàn)象，但在短波信道中，這些特性表現(xiàn)地更加突出。

多徑效應(yīng)是指來(lái)自短板發(fā)射源的信號(hào)在到達(dá)遠(yuǎn)端接收端前，會(huì)經(jīng)由不同路徑和不同的傳輸模式的現(xiàn)象，并因此產(chǎn)生不同長(zhǎng)度的時(shí)間延遲、互不一致的相位信息、不同程度的電場(chǎng)強(qiáng)度衰落。

衰落效應(yīng)是指短波通信中，信號(hào)通過(guò)電離層傳播被接收端接收時(shí)，電磁波的振幅呈現(xiàn)出大小隨機(jī)變化現(xiàn)象。根據(jù)信號(hào)起伏持續(xù)時(shí)間不同，分為快衰落和慢衰落，前者是最短幾分之一秒，最長(zhǎng)不超過(guò)幾十秒；后者持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng)，可能長(zhǎng)達(dá)一小時(shí)或更長(zhǎng)。

多普勒效應(yīng)使得電磁波在通過(guò)電離層時(shí)，由于發(fā)射端和接收端的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以及電離層中的隨機(jī)變動(dòng)，都會(huì)使接收到的電磁波出現(xiàn)頻率漂移的現(xiàn)象，我們稱(chēng)之為“多普勒頻移”。另外在太陽(yáng)活動(dòng)高峰期，磁暴現(xiàn)象也會(huì)引發(fā)很大的多普勒頻移。

工程應(yīng)用中，短波信道并不是純凈的，不可避免地會(huì)引入了噪聲和干擾，按照引入來(lái)源不同可分為電臺(tái)干擾、大氣噪聲和人為噪聲。其中電臺(tái)干擾是指因?yàn)槠渌鼰o(wú)線(xiàn)電臺(tái)工作在與本電臺(tái)相接近的頻率而引起的信號(hào)干擾，一般可以通過(guò)擴(kuò)頻技術(shù)來(lái)提高短波通信的抗電臺(tái)干擾能力；大氣噪聲是因?yàn)榇髿庵欣纂?、沙塵暴、暴風(fēng)雨等劇烈的自然天氣現(xiàn)象天氣變化產(chǎn)生的電磁干擾；人為噪聲主要包括人工部署的電氣電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾，人為噪聲具有突發(fā)性強(qiáng)的特征，并且受人類(lèi)居住分布和工廠分布等相關(guān)因素影響。

三、短波信道模型的發(fā)展與介紹

Watterson模型是迄今為止被認(rèn)可度最高的一種短波信道模型，但它屬于窄帶信道模型范疇，要求其有效帶寬小12kHz，應(yīng)用范圍較窄?？蒲袑W(xué)者們以Watterson模型的建模思想為基礎(chǔ)，做了一些拓展成寬帶模型的改進(jìn)嘗試，但這些改進(jìn)的模型由于缺少不具備完整的理論分析和實(shí)測(cè)驗(yàn)證，都不是很理想，不過(guò)它們?cè)谝欢l件下是適用的，因此對(duì)這些模型進(jìn)行討論研究也具有一定價(jià)值。

首先對(duì)Watterson模型進(jìn)行討論，然后分析典型的改進(jìn)模型：Watterson加高斯隨機(jī)延遲模型，子帶并行模型，最后介紹ITS模型。

1. Watterson信道模型

Watterson模型又被稱(chēng)為高斯型散射短波電離層信道模型，最早由Watterson所提出。此模型建立的基本思想是：雖然短波信道在時(shí)域和頻域都是不穩(wěn)定的，但是在足夠短的時(shí)間和較窄的頻帶下，短波信道可以被視為恒參信道，可以利用靜態(tài)模型來(lái)仿真。在Watterson模型中，假設(shè)信道衰落服從Rayleigh分布，而且在各個(gè)模式中，信道的多普勒擴(kuò)展具有Gaussian功率譜的分布，同時(shí)我們假定各個(gè)傳播模式均不存在延時(shí)擴(kuò)展。

2.Watterson加高斯隨機(jī)延遲模型

電離層具有時(shí)變、隨機(jī)運(yùn)動(dòng)等特性，因此各個(gè)傳輸模式的時(shí)間延遲也是隨機(jī)時(shí)變的，不過(guò)在Watterson短波信道模型中，采用了固定的抽頭，基于這種缺陷提出了一種改進(jìn)的信道模型fast，根據(jù)中心極限定理我們可以知道，大量的不確定性因素所引起的隨機(jī)變化是服從高斯分布的。

Watterson后接高斯隨機(jī)延遲模型的實(shí)現(xiàn)過(guò)程比較簡(jiǎn)單，不過(guò)此模型假設(shè)每條徑的時(shí)間延遲變化服從高斯分布，同時(shí)能量不變。這樣的假設(shè)有其局限性，因此該模型并沒(méi)有得到廣泛的認(rèn)可。

3.子帶并行模型

Watterson短波信道模型表明了短波信道在有限的帶寬范圍之內(nèi)表現(xiàn)出的穩(wěn)態(tài)特性可以用靜態(tài)模型來(lái)描述，那么為了實(shí)現(xiàn)寬帶短波系統(tǒng)，我們嘗試對(duì)寬帶信號(hào)進(jìn)行劃分，分成若干個(gè)子窄帶信號(hào)，同時(shí)保證它們之間的帶寬間距相等，并把它們控制在信道相關(guān)帶寬范圍之內(nèi)，那么就能在理論上實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)窄帶化?；谶@種思想用多路DSP并行處理的方式實(shí)現(xiàn)了一種短波寬帶信道模擬器，它的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)所示，該模擬器在頻域上把寬帶信號(hào)劃分成若干子頻段，每個(gè)子頻段的帶寬小于信道的相干帶寬，各子帶信號(hào)經(jīng)歷不同的衰落。

4. ITS短波信道模型

隨著近年來(lái)數(shù)字通信技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)寬帶短波信道模型的研究己經(jīng)成為短波通信研究領(lǐng)域的重要方向。通過(guò)對(duì)Vogler提出的模型進(jìn)行改進(jìn)，并建立了時(shí)間延遲功率譜、多普勒頻移和多普勒頻率擴(kuò)展三個(gè)模塊的統(tǒng)計(jì)性模型，提出了一種可以同時(shí)適用于寬帶和窄帶通信的短波信道模型，我們稱(chēng)之為ITS短波信道模型。

四、短波信道模型的對(duì)比分析

Watterson后接高斯隨機(jī)延遲模型雖然實(shí)現(xiàn)過(guò)程比較容易，但是該模型假定每條路徑的時(shí)間延遲服從高斯分布且能量是不變的。這樣的假設(shè)適用范圍也很窄，所以沒(méi)有得到廣泛的認(rèn)可。

子帶并行模型通過(guò)使用多路DSP并行處理的方式去模擬短波寬帶信道，信號(hào)的帶寬最高可至1 MHz。而對(duì)于子帶帶寬小于相干帶寬的限定可以保證子帶以外頻率分量的衰落特性互不相關(guān)。但是此方法的局限在于：信道的參數(shù)需要預(yù)先存儲(chǔ)，而且對(duì)多個(gè)子帶并行去做計(jì)算機(jī)處理非常消耗資源，因此這種方法不適合用于實(shí)際仿真。

ITS模型可以看作是廣義的Watterson模型。其可以比較準(zhǔn)確地反映短波寬帶信道的信道特性，不過(guò)它的缺點(diǎn)是信道模型仿真實(shí)現(xiàn)過(guò)程比較復(fù)雜?，F(xiàn)代化數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)有著高速大容量數(shù)據(jù)通信的需求，窄帶短波通信系統(tǒng)漸漸無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)今高速率通信的需要，而ITS短波信道寬帶模型從實(shí)際來(lái)看很好的體現(xiàn)了時(shí)延和頻率擴(kuò)展的信道特性，和子帶并行模型相比，對(duì)硬件要求不高，且不需要提前對(duì)信道參數(shù)做存儲(chǔ)，限制條件很少，適用范圍比較廣。雖然其具有參數(shù)計(jì)算過(guò)程繁瑣，延時(shí)功率分布函數(shù)仿真過(guò)程復(fù)雜的缺點(diǎn)，但如果我們能夠?qū)TS模型進(jìn)行一些改進(jìn)，在保證其適用條件和建模準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)的前提下，簡(jiǎn)化參數(shù)計(jì)算過(guò)程，減小建模難度，易于計(jì)算機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)，將會(huì)為短波寬帶通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供有力的支持。因此，探尋改進(jìn)的ITS短波寬帶模型，使我們后續(xù)研究工作的重點(diǎn)。endprint