基于短波信道模型的宽带信号传输实现

ｎＷ　队ＮＤ　【本文献信息】张晓莉，裴腾达，牛志军，等．基于短波信道模型的宽带信号传输实现［Ｊ］．电视技术，２０１２，３６（１５）　熬　基于短波信道模型的宽带信号传输实现　张晓莉，裴腾达，牛志军，高晓兵　（大连大学信息工程学院，辽宁大连１１６６２２）　【摘要】将带宽１００　ｋＨｚ的宽带信号在频域上分割成窄带信号，利用Ｗａｔｔｅｒｓｏｎ信道实现窄带信号的传输建模，在接收端对信　号合成，从而转化为宽带信号。换言之，在发射端和接收端，信号是宽带的；在空间信道中，信号是窄带的。另外，将由多载波调　制后的窄带信号合成后得到的１００　ｋＨｚ的宽带信号宽带直接通过ＩＴＳ信道模型建模，比较和分析了两信道对信号的影响，为下　步雷达信号处理提供了仿真平台。　一【关键词】多载波调制；多普勒扩展；多径　【中图分类号】ＴＮ９１５　【文献标识码】Ａ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｏｆ　Ｂｒｏａｄｂａｎｄ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｓｈｏｒｔｗａｖｅ　Ｃｈａｎｎｅｌ　ＺＨＡＮＧ　Ｘｉａｏｌｉ，ＰＥＩ　Ｔｅｎｇｄａ，ＮＩＵ　Ｚｈｉｊｕｎ，ＧＡＯ　Ｘｉａｏｂｉｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄａｌｉａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｄａｌｉａｎ　１１６６２２，Ｃｈｉｎａ）　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ａ　ｂｒｏａｄｂａｎｄ　ｓｉｇｎａｌ　ｏｆ　１００　ｋＨｚ　ｉｓ　ｄｉｖｉｄｅｄ　ｉｎｔｏ￥ｏｍｅ　ｎａｒｏｒｗｂａｎｄ　ｓｉｎａｇｌｓ　ｉｎ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｏｍａｉｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｏｄｕｌａｔｅｄ　ｓｉｎａｌｇｓ　ａｒｅ　ａｄｄｅｄ　ｕｐ　ａｆｔｅｒ　Ｗａｔｔｅｒｓｏｎ　ｃｈａｎｎｅｌｔｏｔｕｒｎｔｈｅ　ｎａＹｒｏｗ—ｂａｎｄｗｉｄｔｈ　ｓｉｇｎａｌｓｉｎｔｏ　ａｂｒｏａｄｂａｎｄ　ｓｉｎａｇｌｉｎｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｉｎ　ｏｔｈｅｒｗｏｒｄｓ，ｓｉｇｎａｌｉｓ　ｂｒｏａｄｂａｎｄｉｎｔｈｅｌａｕｎｃｈａｎｄ　ｒｅ—　ｅｅｉｖｅｒ　ｂｕｔ　ｎａｌＴｏｗ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｃｈａｎｎｅ１．Ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｃｈａｎｎｅｌｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｉｇｎａｌ　ａｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｆｔｅｒ　ｐｕｔｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｂｒｏａｄｂａｎｄ　ｍｕｈｉｅａｒｒｉｅｒ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｓｉｇｎａｌ　ｉｎｔｏ　ＩＴＳ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｍｏｄｅｌ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ　ｔｏ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｔｈｅ　ｎｅｘｔ　ｓｔｅｐ　ｏｆ　ｒａｄａｒ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａ　ｐｌａｔｆｏｒｍ．　【Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ】ｍｕｌｔｉ—ｃａｒｒｉｅｒ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；Ｄｏｐｐｌｅｒ　ｓｐｒｅａｄ；ｍｕｈｉｐａｔｈ　采用的是抽头延迟线模型，每个抽头延迟线上都模　天波雷达对空域和海域监视有着重要的意义，天波雷　模型，达信道的研究是进行雷达信号处理的前提。在某种意义　拟了信道的时延、衰落及多普勒效应等特性，但是它适用　　上，天波雷达信道就是短波信道，窄带短波通信和天波超　于１２　ｋＨｚ以内的短波通信　。视距雷达在信道特性方面是相同的。短波（天波）通信的　实验数据统计分析表明：短波多径传播的路径数一　，其中在２～４径的约占８５％，因此本　传输介质是电离层，电离层的空间结构随时间变化的特点　般都在６径以内　对于单跳模式传播的短波信号，　导致了电离层具有复杂的特性，即短波电离层信道不是时　文选择路径数目为４径；不变的，其信道参数在传输过程中是变化的和随机的，但　多普勒频移一般在１～２　Ｈｚ，在发生磁暴时，频移可达　　Ｈｚ左右，在急剧衰落时可以　是在足够短的时间内，短波信道参数可近似为时不变的和　６　Ｈｚ；多普勒扩展在０．１～１０～１００　Ｈｚ。图１为此次仿真利用ＭＡＴＬＡＢ软件搭建　平稳的。迄今，人们已经在通信方面对短波（天波）信道　达１进行了大量数据测量和统计计算，先后建立了窄带Ｗａｔ－　的仿真原理框图。　ｔｅｒｓｏｎｌｌ　（不大于１２　ｋＨｚ）信道模型和宽带ＩＴＳ　（不大于　１　ＭＨｚ）信道模型。　目前实现的天波超视距雷达（高频）都是窄带的，由　于雷达工作环境与天波传播信道的限制，其信号带宽只有　１０—２０　ｋＨｚ，这成为提高天波雷达距离分辨率的瓶颈。因　此要将无线通信中的宽带理论和技术应用于天波超视距　雷达信号处理中，必须先研究宽带理论技术和对无线通信　模型进行建模分析，这也是本文的出发点。　图ｌ　利用Ｗａｔｔｅｒｓｏｎ信道模型仿真的总体框图　１　基于Ｗａｔｔｅｒｓｏｎ模型的宽带信号实现　１．１　Ｗａｔｔｅｒｓｏｎ模型概述　仿真中采用４个抽头延迟线，每个抽头延迟线对应一　条可分解的传输路径，在每条路径上信号受到不同延时并　本文采用的电离层窄带信道模型是最典型的Ｗａｔｔｅｒｓｏｎ　被一个复杂的抽增益函数在幅度和相位上进行调制。在　基金项目：国家自然科学基金项目（６０９７１１０７）　６８　《电视技术》第３６卷第１５期（总第３９１期）Ｉ投稿网址ｈｌｔｐ：／／ｗｗｗ．ＶｉｄｅｏＥ．ｃｎ　Ｗ　队ＮＤ　００　ｋＨｚ的宽带信号，　仿真过程中，１０个输入信号分别经过４个路径的时延、衰　不同载波调制后，其信号为带宽为１由此验证了本文多载波调制（ＭＣ）技术的可行性。　落和多普勒频移。　１．２　Ｗａｔｔｅｒｓｏｎ模型的输入信号设计　图３为经过Ｗａｔｔｅｒｓｏｎ模型后合成的宽带信号，由仿　信号经过信道仿真平台之后，与输入信　无线信道的典型特点是多径传播，当发射信号带宽　真结果可以看出，大于信道的相干带宽时，由于信道在时域的时延扩散，信　号相比，信号幅度发生了明显的衰落现象，且两个信号都　号会产生频率选择性衰落　Ｊ。多载波（ＭＣ）技术将宽带　明显经过了多条路径，与发送信号的频谱相比，经过信道　信号在频域上分割成许多窄带信号，分别调制到多个载波　后的信号有了明显的频率扩展。　上，从而实现将宽带信号分割转化为窄带信号。　本文利用多载波调制思想将带宽为１００　ｋＨｚ的矩形　面０　馨一１　宽带脉冲信号在频域上分解成Ⅳ个带宽为１０　ｋＨｚ的窄带　：；　＿４　。　２０　脉冲信号，再将Ⅳ个信号分别调制到载波频率　，…，　时　，硼　ａ　ｗａｔｔ㈣ｎ信道接收总信号　００ｌ２　…　，上。这Ⅳ个信号的总带宽Ｂ＝Ａｆ（Ｎ一１）＋ＡＢ，　０．０ｌ０　趔０．００８　其中Ｎ＝１０，ＡＢ＝１０　ｋＨｚ，Ａｆ＝　－ｆ，一。。　馨０ＯＯ６　Ｏ０ｏ４　因此，第ｉ个发送窄带信号为Ｓ　（ｔ）＝　（￡）・ｃｏｓ［２－ａｙ￣ｔ＋　０ＯＯ２　二　－１　０　－０．８　—０．６　—０４　－０．２　０　０　２　０．４　０　６　０　８　１　０　（￡）］，其中　（￡）为脉宽为０．１　ｍｓ，幅度为１的矩形脉冲信　频率／ＭＨｚ　ｈ　Ｗａｔｔｅｒｓｏｎ信道接收总信号频谱　号　为发送窄带信号ｉ的载频，　（ｔ）为信号ｉ的初始相　图３　Ｗａｔｔｅｒｓｏｎ模型总输出信号及频谱分析　位。经过１０个多载波调制之后的信号频谱上叠加后等效　为宽带信号，其信号波形如下图２所示。　２　基于ＩＴＳ模型的宽带信号实现　２．１　ＩＴＳ模型概述　Ｖ　，　１９９３年，Ｖｏｇｌｅｒ和Ｈｏｆｆｍｅｙｅｒ提出了一种短波宽带信　２Ｏ　道模型，即ＩＴＳ模型。ＩＴＳ模型突破了传统Ｗａｔｔｅｒｓｏｎ模型　时间　ｓ　ａ理论输人信号　带宽仅有１２　ｋＨｚ的限制，使其有效带宽可达１　ＭＨｚ，且模　３００　解调信号频谱　２５０　ｊ璺２００　型的建立条件比Ｗａｔｔｅｒｓｏｎ模型的限制少。　馨１５０　１ＯＯ　ＩＴＳ模型搭建的主要依据是数学统计特性，即信道的　５０　０　一０　８　＿０．６　—０４　－Ｏ　２　０　０　２　０．４　０　６　０　８　１　０　冲激响应函数　卜　，它包含了模拟和分析信道特性的所有　频率／Ｍｔｌｚ　ｂ频谱　信息。信道对信号的影响可以表示为它受到一个服从高　图２　Ｗａｔｔｅｒｓｏｎ模型的理论输入信号及频谱分析　斯幅度分布（幅度衰落）、高斯频谱形状（相位扰动）的双　１．３　Ｗａｔｔｅｒｓｏｎ模型的软件仿真结果　变量的复随机过程的调制。由于短波电离层反射信道　１０个带宽为１０　ｋＨｚ的窄带信号分别通过电离层信　的传输特性是时变的，因此可用线性时变系统的冲激响　道Ｗａｔｔｅｒｓｏｎ模型，在接收端解调到相邻频段内并叠加，得　应ｈ（　，　）代替线性时不变系统的冲激响应ｈ（　）。　到的输出信号等效为宽带信号。图２ｂ是１０个输入信号　２．２　ＩＴＳ模型的软件仿真设计　在进人信道前的频谱图，由图２可知，１０个窄带信号经过　图４为ＩＴＳ模型的软件仿真总体框图。　图４　ＩＴＳ模型的软件仿真总体框图　投稿网址ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ＶｉｄｅｏＥ．ｃｎＩ《电视技术》第３６卷第１５期（总第３９１期）　６９