短波宽带通信系统的信道建模仿真及优化

以往人们对于短波信道的理解很大程度上局限于窄带过程。近来，由于扩频大容量短波通信的需求发展，宽带短波信道的特征得到了广泛的研究。

对于短波信道，损耗和畸变是最主要的两种传输影响。它包括自由空间传播损耗、电离层吸收损耗、多跳地面反射损耗和一些额外系统损耗。信号畸变包括：信道参数时变、多径传播和信号色散。

一般来讲，多径时延又可分为inter-modal和intra-modal两种形式。Inter-modal延迟包括multimode（多模式包括多层模式、O模式和X模式以及高低仰角模式等）和multi-hop（多跳模式）情况，这种情况下主要引起码间串扰。Intral-modal延迟由地理场强影响、电离层不均匀性和电离层介质的色散特性引起的，在这种情况下将引起信号脉冲畸变，这种情况下限制了信道的带宽。

本章，我们将重点介绍两种比较常用的信道模型，即Watterson信道模型和ITS信道模型，并且在MATLAB平台上对两种模型进行了仿真分析，其中重点讨论了ITS模型，并对该模型进行了改进分析。

3.2基于统计模型的短波信道模型

对短波信道建模具有里程碑意义的是沃特森在1970年发表的一篇文章，文章中提出了一种静态模型，并在大气中进行了实验验证。此静态模型可以描述为高斯散射增益抽头延迟线模型，即Watterson模型。

Watterson信道模型是经典的窄带短波信道模型，在这个模型中，信道衰落是瑞利幅度分布，而在每种传播模式中多普勒扩展的功率谱满足高斯分布。Watterson模型没有定义延时扩展的形状，认为各个多径传输模式中不存在延时扩展。其有效带宽仅为10kHz。在与高纬度电离层和近赤道电离层有关的应用中，Watterson模型过于简单，例如，在高纬度，多普勒谱通常不是高斯型的。

上个世纪90年代后期，美国电信科学协会(ITS)发表了一篇迄今最为权威的宽带信道模型仿真器实现方法的论文，后被广泛称为ITS模型。ITS模型适用于宽带和窄带两种情况，可看作Watterson模型的一种扩展。

美国ITS提出了一种更复杂的电离层信道模型。这个模型是作为宽带模型提出的，但也适用于窄带模型。在ITS模型中，总的信道冲击响应定义为所有传输模式冲击响应之和，它是时间t和延时τ的函数：

由于高频信道往往在时域和频域上是随着时间变化而变化的，所以仅仅在有限的频带内进行分析，因为在有限长的时间内，信号基本是稳定的，所以可以选取一个基本静态的模型进行分析，在实际信号传播过程中，信道可以看出是一个有限数量的相互相关的离散信号模型的组合。

此外，Watterson信道模型，其建立在其信道衰弱时服从Rayleigh分布的，每种模式的多谱勒扩展是高斯谱分布。

所以，我们可以用如下的模型进行标示，图3.1，该模型首先对输入的信号进行延时，来模拟实际的N条路径。此外，由第二章介绍的短波信道的信道特性可以知道，短波信道的每条路径之间是相互独立的，所以，每条路径，其均有独立的时延和增益函数。

图3.2所示为基于Watterson模型的短波信道仿真模型的基本结构。通过该模型，可以仿真短波信道的多径效应，此外，对于每个抽头的信号加入了随机时延和频率偏移，并且对于仿真通信系统中各个环节引入了高斯白噪声，因此该模型结构很好的反应了实际的仿真结构。

在仿真中，输入信号首先经过希尔伯特变换变为复信号，然后通过带通滤波器去除输入信号中不能通过高频信道的频率分量。滤波后的信号输入抽头延迟线，延迟不同的时间值，就可以得到不同的多径信号，经过时间延迟后的多径信号分别加入多普勒频移和频扩以仿真高频信道的多普勒效应。各子路径的信号相加，并加入具有一定信噪比的高斯白噪声信号就可以得到输出信号。