天津职业技术师范大学
Tianjin University of Technology and Education
短波通信信道仿真研究
专 业： 电气技术教育 班级学号： 电气0512 －３５ 学生姓名： 指导教师：
二〇一〇年 六 月
天津职业技术师范大学本科生毕业论文
短波通信信道仿真研究
The Simulation Reasearch of HF communication channel
专业班级：电气0512 学生姓名：
指导教师： （工程师）
系 别：自动化与电气工程学院
2010 年6 月
摘要
短波通信在现代通信中起着举足轻重得地位，长期以来一直是一种不可缺少的远距离通信方式。短波通信具有成本低、架设灵活、抗毁能力强等优点，在远距离通信中起着举足轻重的作用。短波信道的物理仿真，使人们可以在实验室里仿真特定的信道环境，从而有助于短波通信系统的研究和测试，具有重要的应用价值。
本文主要讨论了短波信道的传播特性和短波信道模拟器的仿真与实现。在论文开始我们讨论了无线通信信道的传播特性和短波信道的传播特性，分析了短波信道的数学表述和统计特性，最后我设计了语音短波信道和数字短波信道模型。这一模型主要考虑了短波通信信道的多径效应、多普勒频移、多普勒展宽及信道传输的瑞利衰落，根据这一模型特点，我们给出了仿真结构图和算法分析，并在计算机上进行了仿真。在论文最后，进行了工作小节和展望。
关键词：短波通信;语音短波信道模型；数字短波信道仿真
ABSTRACT
HF communications in the modern communications have played a pivotal position, has long been an indispensable long-distance communication. HF communication with low cost, set up a flexible, strong ability of anti-destruction, in the long-distance communication plays an important role. HF channel physical simulation, so that people can in the laboratory simulation of a particular channel environment, thereby contributing to short-wave communication systems research and testing, have important application value. This paper discusses the short-wave propagation characteristics of the channel and the HF channel simulator for simulation and implementation. At the outset we discuss the spread of wireless communication channel characteristics and short-wave propagation characteristics of the channel, of the HF channel and the statistical properties of the mathematical expression, finally, I designed the voice channels and digital shortwave short wave channel model. This model is mainly considered short-wave communication channel multipath, Doppler shift, Doppler broadening and transmission of Rayleigh fading channel, according to the characteristics of this model, we give the simulation diagram and algorithm analysis, and the computer simulation. In the final paper, a working section and prospects.
Key words: short-wave communications; voice HF channel model; digital HF channel
simulation
目录
...................................................................... 1
： ................................................................. 1 ................................................................... 2 2．信道模拟基本理论： ................................................. 3
................................................................... 3 ................................................................... 3 .................................................................. 4 .................................................................. 6 .................................................................. 6 ................................................................... 7 .................................................................. 7 .................................................................. 8 .................................................................. 10 3．短波通信信道仿真的模拟 ............................................ 11
信号经过多径信道的仿真 ........................................... 11 语音信号经过多径时变信道的仿真 .................................. 11 数字信号经过多径信道的仿真 ...................................... 14 短波信道设计 ..................................................... 17 ................................................................ 17 ................................................................. 18 ................................................................ 20 .................................................................. 21 ..................................................................... 21
.................................................................. 22 短波通信的展望 ................................................... 22 参考文献： ........................................................... 22 致谢 ................................................................. 24 附中英文翻译对照： ................................................... 25
1绪论
：
自从无线电通信技术发明以来，依靠电离层进行传播的高频通信就成为远距离无线通信的主要角色，至今已将近一百年的历史了。波长从10米到200米()范围内的无线电波传播，称为短波传播。而借助与短波传播方式来传输信息的通信形式，就叫做短波通信，也称为高频通信。短波可以沿着地表面以地波方式传播，也可以通过电离层反射以天波方式传播。短波用地波传播时，由于地波的衰减随着频率的升高而增加，我们通常用的发射功率的传播距离仅几十公里到几百公里，故这种传播方式在短波通信中起不了主要作用。短波用天波传播时，由于电离层的吸收随着频率的升高而减小，对短波的吸收不大，故可以通过电离层对短波的一次或多次反射实现远距离传播。通常，一次反射传输的最大距离可达4O00km，多次反射可传输上万公里甚至作环球传播。因而，短波电离层反射传播是短波通信的主要传播方式。目前，它广泛应用于电报、电话、低速传真通信和广播等方面。
尽管当前新型无线电通信系统不断涌现，短波这一古老和传统的通信方式仍然受到全世界普遍重视，不仅没有被淘汰，还在快速发展。其主要原因是因为：
(1)、在计算机技术发展的带动下，短波通信在实时信道估算、自适应收发 信机、自适应调制解调器、自适应均衡及检测、自适应天线阵等一系列技术上获 得了进展，使短波通信有可能克服高干扰电平、衰落和多径传播等信道时变特性 方面的困难，向实现数字化、低误码率、高速率和通信自动化的目标迈进。
(2)、随着太空技术的发展，一旦战争爆发，通信卫星是极易被摧毁的主要军事目标之一，且损坏后难以紧急修复。而短波通信目标小，不易被摧毁，即使 遭受破坏也容易修复。因此，在战争状态下，短波通信的安全可靠度要高于卫星 通信。鉴于这一点，短波通信在军事通信中获得了广泛的应用。
(3)、卫星通信技术要求高，造价昂贵。相反，短波通信由于技术相对简单，造价低，故一般国家都能部署使用。
(4)、短波通信设备体积小，便于移动，灵活机动，更适合于军事上使用， 如车载、舰载、机载等。相应地，作为商业电台、业余电台、驻外使馆电台以及极区科学考察电台，它也是一种合适地通信手段。
(5)、在使用范围上，短波通信和卫星通信一样，可以实现全球通信。特别 在低纬度地区，短波通信的使用频段变宽，最高可用频率较高，受到粒子沉降时 间和地磁暴事件的影响较小。而卫星通信在低纬度地区受电离层或对流层的闪烁
影响较大，加以发展中国家在低纬度地区占多数，短波通信对他们更适用。
短波通信在近代通信中占有及其重要的地位，长期以来一直是一种不可缺少的通信方式。虽然，在二十多年前，一度由于卫星通信等通信技术的迅速发展，且以其良好的通信质量引起了人们的高度重视，而使短波通信一度受到冷落，但是随着技术的不断进步和太空武器的发展，人们认识到卫星在战时条件下易毁性的特点，是通信难以保障，这使人们重新认识到了短波通信的重要性。其主要原因有三：
一、短波是唯一不受网络枢纽和有源中继体制约的远程通信手段，一旦发生战争或灾害，各种通信网络都可能受到破坏，卫星也可能受到攻击，无论哪种通信方式都没有短波通信稳。
二、在山区、戈壁、海洋等地区超短波都覆盖不到，都要依靠短波。 三、与卫星通信相比，短波通信不用支付花费，运行成本低。
作为短波通信系统的一部分，短波信道特性的研究是人们关注的一个问题。短波通信属于时变色散信道，它具有时间、频率和空间三种选择性衰落，它直接影响着通信系统的性能。为了衡量短波通信设备的性能，通常要在实际信道上对设备作长时间的测试，这需要花费大量的人力、物力，而且不能保证相同的测试条件和信道条件，也不能人为地改变信道参数。因此，需要研制短波通信信道模拟器。对研究短波信道特性及测试短波通信设备地性能提供了很大地方便。
2．信道模拟基本理论：
信道，通俗得说，是指以传输媒质为基础的信号通路。具体地说，信道是指由有线或无线电线路提供的信号通路。信道的作用是传输信号，它提供一段频带让信号通过，同时又给信号加以限制和损害
通信信道代表了发射机与接收机之间的物理媒介。而“信道模型”表示信道的输入——输出关系，可以通过测量或者基于物理传播现象的原理来导出。物理通信信道(如电缆)一般表现为线性的。而无线信道虽然也表现为线性的，但具有随机的时变特性，这些模型可以表示为时变信道的抽头延时线(TDL)模型。
短波传播的基本形式有两种：沿地球表面的地波传播和经电离层反射回收点的天波传播。地波传播时，衰减较大，传播距离较近，仅达几十公里到百公里之间；天波传播时，无线电频率在3~30MHz之间，有时可高达40~60MH可实现远距离的通信，比地波传播的用途要广泛。本文的研究主要针对天波播方式。
从上世纪30年代开始，人们就对电离层进行了大量的研究工作。电离层下到上分成D、E、F层。D层为吸收层，不足以反射短波，但会吸收损耗穿D层的短波，频率越低，损耗越大。E、F层能对电波起反射作用，其中F层远距离传播起更重要的作用。白天时，电离层电子密度较大，夜晚则降低。
由于大气结构和电离源的随机变化，电离层是一种时空变化的半导体媒介很多传播参数是时变、无规律的。这使得短波信号经电离层传播后具有多径应、幅度衰落和相位起伏的特点。
多径效应是发送端的信号经过不同的路径，以不同的时间延迟到达远端收机的现象，到达接收端的不同路径的信号相位、电场强度互不一样。短波信道的多径效应主要有电离层的分层结构、地磁场所致的电离层的各向异性、面对电波的反射等。常见的多径传播现象有单跳传播和多跳传播；低角射线高角射线；寻常波和非寻常波等。
幅度衰落是信号经过电离层传播后幅度的起伏现象，可分为平衰落和选性衰落。信道衰落可看成是信道的传输系数在变化，所以衰落引起的对通信干扰是乘性干扰。
HF信号传播中所存在的多径现象，不仅使接收点的信号幅度随机变化，且也使信号的相位起伏不定。
所以，短波信道是一个多径衰落信道。下面两节着重研究对于多径衰落信道的建模及性能研究。
在无线通信系统中，无线电信号无论是在前向连接，还是在反向连接的传播，都会以多种方式受到物理信道的影响。由于无线信道的复杂性，一个通过无线信道传播的信号往往会沿着一些不同的路径到达接收端，这一现象成为信号的多径传输。虽然电磁波传播的形式很复杂，但一般可归结为反射、绕射和散射三种基本传播方式。
无线通信中的信道是一种时变信道。无线电信号通过移动信道时会受到各个方面的衰减损失，接收信号功率可表示为
(2一1)
式中d表示距离向量，其绝对值…d{表示移动用户与基站的距离。上式表示信道对无线电信号的影响可归纳为三类:
(1)、自由空间的路径损失(也称传输损失) 蔽而引起的衰落;
(3)、多径衰落R(d):由移动传播环境中的多径传输而引起的衰落。 事实上，以上三种效应描述的是在三种不同的区间范围内信道对信号 的作用。
.自山空间的路径损失是移动台与基站之间距离的函数，描述的是大尺度区间(数百米或数千米)内接收信号强度随发射一接收距离而变化的特性; .阴影衰落描述的是中等尺度区间(数百波长)内信号电平中值的慢变 化特性;
.多径衰落描述的是小尺度区间(数个或数十个波长)内接收信号场强的瞬时值的快速变化特性。
由于路径损失和衰落的影响，接收到的信号要比发射的信号弱的多。路径损失主要由平方律扩展、水汽和叶群的吸收、地表反射等引起，它与距离有关。对快速移动的用户而言，平均路径损失变化非常慢，信号的变化主要表现为衰落。阴影衰落常称为慢衰落，也称长期衰落，主要来自建筑物和其它障碍物的阻塞效应。多径衰落常称为快衰落，又称为短期衰落或Rayleigh衰落，由移动用户附近的多径散射产生。 多径传输还导致信号在不同维(时间、频率、空间)的扩展，它们对通信信号有明显的影响。路径损失、慢衰落、快衰落以及各种扩展构成了信道对信号的主要影响。
严格说来，自由空间是满足以下条件的一种理想空间: .均匀无损耗的无限大空间: .各向同性(即无方向性);
(2)、阴影衰落S(d):由传输环境中的地形起伏、建筑物和其他障碍物对电波阻塞或遮
.电导率为零，相对介电常数和相对磁导率恒为1，即介电常数￡和磁导率协分别等于
真空介电常数￡。和真空磁导率刀。
在这样一种理想空间中，不存在电波的反射、绕射、折射、色散 和吸收等现象，并且电波传播等于真空中的光速。
当发射端和接收端之间存在一个明确的、未被阻塞的直射路径时，
自由空间传播模型可用来预测接收信号的强度。卫星通信和微波通信直射接收分量都服从自由空间传播。自由空间模型用发射一接收距离的某个幂函数(即幂律函数)预测接收信号功率的衰减。具体说来，在自由空间，接收天线收到的信号功率只是发射一接收距离d(单位:m)的函数，并服从逆平方律扩展，即
(2一2)
式中，
为发射功率(
和
必须使用同一单位);
和
分别为发射天线增益
和接收天线增益;L是与传播无关的系统损耗因子(L≥l); 为波长(单位: m).损耗Ll
包括发射衰减、滤波器损耗和天线损耗等，而L=1表示通信系统硬件中无任何损耗。
逆平方律扩展公式又叫Friis方程或Friis自由空间方程，由式容易看出，接收功率以20dB/十倍距离的速率衰减。
在移动通信环境中，主要的传输路径伴有表面反射路径，它会严 重干扰主要路径的传输，使接收的功率近似为
(2一3)
式中气和h，分别为发射和接收天线的有效高度，n称为路径损失指数，它决定路径损失随距离增加而增大的速率。
理论的传播模型和基于测量的传播模型都表明，无论是室内还是室外无线信道，平均的接收信号功率都随着距离的增加而按对数规律减小。任意发射一接收距离d的平均路径损失可表示为
距离的函数，即
(2一4)
或
(2一5)
式中，n为路径损失指数。
当电磁波在传播路径中遇到起伏地形、建筑物和高大的树林等障碍物的阻塞时，在这些障碍物的后面会产生电磁场的阴影。移动台在移动中通过不同障碍物的阴影区时，接受天线接收信号的场强中值会发生变化，从而引起衰落。这种衰落称为阴影衰落。阴影衰落的特征可用对数正态分布的随机变量刻画。
平均路径损失公式(2一5)并没有考虑周围环境的杂波在两个具有相同发射一接收距离的不同位置上有可能是大不相同的。这种差异往往会
导致实测的信号与(2一5)预测的平均值大相径庭。大量的测量统计表明，在与发射端相距d距离处的路径损失PL(d)是一个服从对数正态分布的随机变量。所谓对数正态分布，是指一随机变量以dB为单位表示时，其概率密度为正态分布。具体说来，PL(d)可以表示成
并且有
(2一7)
(2一6)
式中是一个零均值的高斯分布的随机变量(以dB计)，其标准方差为（也是以dB计)。
对数正态分布描述了在具有相同发射一接收距离的大量测量位置上发生的 随机阴影效应。这一现象称为对数正态阴影。简而言之，对数正态阴影意味着在某特定发射一接收距离上测量的信号电平(用dB作单位)具有高斯(正态)分布，其均值为平均路径损失
由于地面和周围建筑物的反射，发射信号往往经由多条不同路径，以不同的时间到达接收天线。这些到达波称为多径波，由于它们的强度，传播时间以及发射信号的带宽等的不同，而使合成后的接收信号的幅值和相位，甚至波形有可能变化很大，引
，它与距离有关而标准方差为。
起畸变或衰落现象。下面是三种最重要多径衰落效应: 信号强度在一段很小的传播距离或时间间隔内快速变化;不同路径信号的多普勒频移的变化引起的随机频率调制;多径传播时引起的扩展。无线传播信道中的许多无力因素都会影响衰落，主要有: 多径传播
信道中发射物体和散射体的存在会产生一个不断变化的环境，使得信号能量在幅值、相位和时间延迟方面发生弥散。这些效应会使得发射信号经过不同路径到达接收天线时的形式各异，显示出不同的时间和空间方位。不同的多径分量的随机幅值和相位引起信号强度的扰动，从而产生小尺度衰落、信号畸变或二者兼有。多径传播通常会使信号到达接收端所需要的时间加长，它可能引起码间干扰，从而导致信号污损。
移动台的速度
基站和移动台之间的相对运动会使每个多径分量产生不同的多普勒频移，从而引起接收信号的随机调制。多普勒频移有可能为正，也有可能为负，取决于移动接收机与基站之间的传播路径是缩短还是加长。
周围物体的速度
如果信道中的物体处于运动中，它们就会对多径分量产生时间变化的多普勒频移。若周围物体以明显快于移动台的速度移动，这种效应就会压倒小尺度衰落。否则，周围物体的运动就可以忽略，只需要考虑移动台的速度。
信号的发射带宽
如果发射的无线电信号带宽大于多径信道的“带宽”，即信号的自相关时间小于多径信号的延时差，则接收信号会产生畸变，而小尺度衰落则不明显。信道的带宽可以有刻画信道特殊多径结构的相干带宽进行量化。相干带宽是信号在幅值上仍然保持强相关时的最大频率差的测度。若发射信号相对于信道有一个窄的带宽，则信号的幅度将快速变化，但信号在时间上将没有畸变。因此，小尺度信号强度的统计特征和小尺度距离范围内信号畸变的可能性在很大程度上与多径 信道的幅值特性、时延以及发射信号的带宽有关。
最简单的短波信道模型
对于短波信道，信道的输出有：
(2一9)
此时信道对信号的影响有两项，一项是用乘以K(t)的方式作用于被传输的信号，另一项是加于信号一定数量的噪声干扰N(t)。前者称为乘性干扰，后者称为加性干扰。
对于短波信道来讲，实际上乘性干扰应分为两个分量，一个描述长期变化，即用来描述慢衰落，另一类描述短期变化，即用来描述快衰落。于是乘性因子又可用两项乘积来表示，即
（2—10）
式中，
描述接收信号振幅中的长期变化; 描述接收信号振幅中的短期变化。
除乘性干扰外，信道输出端还有一定数量的加性干扰，用N(t)表示。加性干扰和乘性干扰不同，即使信道中没有信号输入，干扰输出仍然存在。乘性干扰长期变化的表述可以从实验测量得到。对于反映短波信道输出信号强度短期变化的
，目前最
通用的是用散射函数来表述。并且用散射函数时延方向的标准偏差的两倍作为时延散布的度量;用多普勒频移方向的标准偏差的两倍作为多普勒散布的度量。理论和实践都证明，在短波信道上传输数据信号时，系统的误码率不完全取决于接收端的信噪比，还与信道的时延散布和多普勒散布有密切的关系，而且通信系统误码率的下限将由它们决定。
根据观察表明，绝大部分的信道，包括电离层反射信道，都可以认为是线性的。也就是说，得到的输出仅仅是各输入之和。但是观察又表明，电离层反射信道的传输特性是时变的，因此短波信道只能等效成时变的线性系统，即用系统函数H(f，t)来替换时不变系统中的h(t)，此时短波信道的模型如图（）所示
时变线性系统短波信道模型
图中
式中H(f,t)为线性时变系统的传输函数;
，幼为线性时变系统的脉冲响应，它表示在时刻
而在时间t观察到的系统响应
t是观察响应时的绝对时间;
是从脉冲加入系统时刻算起所经历的时间。 考虑到系统的物理可实现性，可以推导出
加入一个
占脉冲
式中
为
的频谱函数。
，即用
对载频进
现设一输入信号为单色正弦波，其频率为行单边带调制，此时则有：
而
比较X(t)和Y(t)，可以清楚看出：
的响应，即
1）：H(F，t)是系统对输入信号x(t)的复包络
2）：令X(t)为单色波，但通过短波信道后，信道对X(t)的影响表现在对其复包络复数的调制，此时Y(t)将具有随机调幅|H(F，t)|和随机调相Arc{F(t)}，所以H(t)表示短波信道对输入信号复包络谱分量为F的成分所产生的寄生复数调制。
3）： 此时输入是单色谱，但输出己不再是单色谱性所造成的。这种频谱的展宽现象称为“频率散布”。
4）：信道的时变性在频谱上造成输出频谱的展宽，而在时域上则表现为信号的“衰落”。
因此，我们可以看出系统传输函数H(f，t)较全面地反映了短波信道对传输信号
，而是
。这说明新的频谱分量围绕着F产生。这正是由于信道的时变
地影响，既反映了由于信道的时变性所造成的信号非线性失真(频率展宽)，也反映了由于信道多径传播所造成的频率失真(时间展宽)。而在传播数据信号时，这两项失真对于系统的误码率起着及其重要的影响。如果用时变线性系统来模拟短波信道，能够较好地反映信号通过短波变参信道后所造成地信号衰落和频率散布。
在本章中，我们讨论了通信信道的数学特征和传播特性。其中我们重点放在短波通信信道的特性上，研究了短波通信信道的数学表述和统计特性以及它的传播特点，并讨论了相应的通信信道模型。
3．短波通信信道仿真的模拟
下面本章我所要做的就是对几种短波信道进行仿真研究，如语音信号经过多径时变信道的仿真、数字信号经过多径时变信道仿真,短波信道模型的设计这几种工作。 信号经过多径信道的仿真
语音信号经过多径时变信道的仿真
下面示意了一个幅度为1、频率为10Hz的单频信号经过20条路径传输得到的波形及其频谱，这20条路径的衰减相同，但时延的大小是随时间变化的，每径时延的变化规律为正弦型，变化的频率从0～2Hz随机均匀抽取。
单频信号经过20径后的接收信号
时变多径信道输出信号频谱
从中可以看到，单频信号经过20径时变信道后，输出信号的包络随时间随机起伏，输出信号的频谱从冲击谱变成一个窄带频谱，我们可以通过改变程序中的时延变化频率参数taof来改变衰落的速度，观察输出信号的变化。当taof＝，输出信号的波形如同所示，图中示意了长时观察和短时观察时输出信号的包络，（a）图时间范围为0～10s，（b）图时间范围为0～1000s。由于此时载频为10Hz，，因此相对于输出信号而言是慢衰落情况下，接受信号的包络起伏缓慢变化，但由于径数足够长，因此从时长观察来看，信号的包络仍呈现随机起伏的特点。当改变多径数为2，且时延变化频率参数taof＝100时，此时相对于快衰落情况，接收包络快速起伏，但由于径数不多，接收信号包络起伏具有明显的周期性，见下图
附Matlab程序： clear all;
f=10; %输入的单频信号频率 dt=;
t=0:dt:1000; %时间 N=10/dt;
L=20; %径数
taof=*rand(1,20); %时延变化频率 fai0=rand(1,L)*2*pi;
st=cos(2*pi*f*t);
for i=1:L
fai(i,:)=sin(2*pi*taof(i)*t); s(i,:)=cos(2*pi*f*t+fai(i,:)+fai0(i)); end
rt=sum(s)/sqrt(L); figure(1) subplot(211)
plot(t,st);xlabel('t');ylabel('s(t)');title('输入的单频信号'); axis([0 2 ]); subplot(212)
plot(t,rt);xlabel('t');ylabel('s(t)');title('经过２０径后的接收信号'); figure(2) [ff sf]=T2F(t,st); [ff rf]=T2F(t,rt); subplot(211);
plot(ff,abs(sf));xlabel('f');ylabel('s(f)');title('输入单频信号的频谱'); axis([-20 20 0 5]); subplot(212);
plot(ff,abs(rf));xlabel('f');ylabel('r(f)');title('多径信道输出信号的频谱'); axis([-20 20 0 5]);title('多径信道输出信号的频谱');
数字信号经过多径信道的仿真
当输入信号并非一个单频信号时，经过多径信道后，输出信号为
从频域观点看
信道输入信号的不同频率分量遭受不同的衰落，即信道的频率选择性。 设三径信道
（1）用Matlab画出信道的幅频响应特性和相频响应特性： （2）设信道输入信号为
其中
画出输出信号波形：
（3）同(2)相同形式的输入信号，但T、＝8，画出输出信号波形。
（Ts＝8）经过三径信道后的输出与幅度谱示意图
如上图所示，由于多径，信道幅频特性不为常数，对某些频率产生较大的衰减，
对某些频率的衰减小，即信道具有频率选择性。当输入信号的带宽远小于信道带宽时（第一个零点带宽），则信道对数如信号的所有频率分量的衰减几乎相同，这样情况下，信号经历平坦性衰减，如图5示。输入信号的带宽域信道带宽可比时，此时信号个频率分量经过信道的衰减不同，即信号经过了频率选择性衰减，如图6示。通常可用信道的时延扩展 来表示信道的多径扩展情况，多径时延扩展的倒数称为信道的相干带宽,设输入信号的码元间隔为Ts，当BTs》1时，信号的衰减时平坦的；反之，信号的衰减是频率选择性的（需要强调：多径非时变信道是恒参信道，在输出端不存在衰减现象）。
附Matlab程序： clear all; close all; Ts=1;
N_sample=8; %每个码元的抽样点数 dt=Ts/N_sample; N=1000;
t=0:dt:(N*N_sample-1)*dt; dLen=length(t);
gt1=ones(1,N_sample); %NRZ非归零波形 d=(sign(randn(1,N))+1)/2;
data=sigexpand(d,N_sample); %对序列间隔插入N_sample-1个０ st1=conv(data,gt1); [f sf1]=T2F(t,st1(1:dLen));
%3径信道 m=[ ]; tao=[0 1 2];
hf=m(1)*exp(-j*2*pi*f*tao(1))+m(2)*exp(-j*2*pi*f*tao(2))+m(3)*exp(-j*2*pi*f*tao(3));
%信号经过３径信道
yt1=m(1)*st1(1:dLen)+m(2)*[zeros(1,N_sample),st1(1:dLen-N_sample)]+m(3)*[zeros(1,2*N_sample),st1(1:dLen-2*N_sample)];
[f yf1]=T2F(t,yt1); figure(1)
subplot(221);
plot(t,st1(1:dLen),'LineWidth',2); axis([20 40 0 ]);title('输入信号'); subplot(223)
plot(t,yt1,'LineWidth',2);
axis([20 40 0 2]);title('经过信道输出的信号');xlabel('t'); subplot(222)
plot(f,abs(sf1),'LineWidth',2);
axis([-2 2 0 60]);title('输入信号幅度谱'); subplot(224);
plot(f,abs(yf1),'LineWidth',2);
axis([-2 2 0 60]);title('输出信号幅度谱');xlabel('f'); figure(2) subplot(211);
plot(f,abs(hf),'LineWidth',2);
axis([-2 2 0 2]);title('信道幅频特性');xlabel('f'); subplot(212);
plot(f,angle(hf)/pi);title('信道相频特性');xlabel('f'); axis([-2 2 -1 1]); 短波信道设计
无线信号通过短波电离层反射后要产生幅度，相位，频率上得变化，产生衰落，多径，频率偏移等现象，
在这个模型中,有n个抽头延时线,相当于n个路径 , 每个抽头延时线不仅都有独立的时延,而且还有一个路径增益函数
,它与第i径上已延时但未失真的发射信
号相乘, 这样发射信号被进行了幅度和相位的调制。是相互独立的 , 且是
固定的复基带函数 , 它也同时提供了频率扩散失真 , 其中包括多普勒频移和衰落。
其中
减镜射分量；指数部分包含多普勒频移
。
为复非衰
为复衰减高斯扩散分量,服从瑞利幅度分布和均匀相位分布。
在短波通信系统中, 影响通话质量的主要因素是衰落 , 因此衰落是研究话音信道的主要矛盾。实践 已经证明 , 几赫兹到几十赫兹的多普勒频移以及随机的相位变化, 对人耳的话音听觉可懂度几乎没有什么影响 , 因此 , 在讨论话音短波信道时 , 可仅考虑衰落。
设已调发射信号为 信号为S(t) :
式中：
,
调制载波频率为
经信道传输产生衰落并叠加高斯噪声后的接收
所示
N(t)的获得，令：
此时，对于：
因此 , 只要能获得满足上述三个条件的 和
, 即可获得 和
。
。 的
用伪随机码产生器加有限长单位冲击脉冲响应滤波器来实现幅度为准高斯分布、功率谱为准高斯型的噪声调制器 , 即可得到所需 产生与
完全相同 。
所示 。
高斯调制器得数字化模型
图中 为序列延时单元 。
中心极限定理保证了输出信号幅度为高斯分布 , 制随机码流 的比特率来调整衰落速度
用图 (t) 和N(t) 。 为了保证
和
从不相关 ,对m序列1和m序列2除了要求它们有良好
的任意选择可
以使输出信号的功率谱为准高斯型。PN 码产生器可 以采用 序列产生器, 由时钟控
的自相关特性外 ,还要求它们之间有良好的互相关特性 ,因而要选择互相关峰值最小的 序列对。
衰落深度可通过改变N(t)的大小来调整 。
瑞利衰落分布
在数字传输系统中, 不仅要考虑衰落对误码率的影响还要考虑多普勒频移及多径延迟的影响 , 。
设输人信号 在某一码元时间内 为为：
，经信道传输后的输出
式中
为固定衰减
本仿真器模型考虑 了短波信道 的固定衰减 、瑞利衰落、高斯功率谱分布、随机相位 、多普勒频移，多径延迟和加性白高斯噪声。这里同样要求m序列1、m序列2、m序列3、m序列4要有良好的自相关特性和互相关峰值最小的互相关特性。其中大部分电路形式与话音信道仿真器的电路形式完全相同,增加了一个时延网络和一个频移网络。
本文中的模型和数学公式经计算机软件模拟,结果基本满足短波信道的特性要求。仿真器的硬件设计中,采用可编程器件,由单片机来控制有关器件 ,改变衰落深度、衰落速度、延时值、多普勒频移等参数值。本模拟仿真器具有成本低、简单灵活等特点。它除了可用作于各种通信对抗仿真系统的一个组成部分外,还可与调制解调器连在一起,用来测量出在不同环境情况下传输可靠性参数变化的曲线,以检验通信系统的传输性能。
经过为期九周的学习和努力，终于完成了关于短波通信信道仿真模拟设计的毕业论文。刚开始从老师那拿过毕设题目时感到很茫然，以前没怎么接触关于短波通信得理论知识，通过老师反复的讲解终于对我所做的课题有了一定了解。既然拿到了课题下一步就的开始学习，要搞懂关于这方面的知识，以前没有接触那现在就得好好学了，于是在老师的推荐下去图书馆借了《通信系统仿真——建模、方法和技术》，《通信系统》，《嵌入式系统技术与设计》等相关资料来查阅，本来还要学习关于ARM9的相关知识，要编程序，由于这方面的知识实在是太匮乏不得不先放弃这方面的学习。借来资料就开始一步一步的学习，有不明白的地方先找同学问，实在不明白在找指导老师，在老师和同学们得帮主下对这方面的知识有了很大程度的了解，当然还是属于入门阶段根本谈不上专业，所以做出来的毕设可能有许多瑕疵的地方，望老师多加指出，我好加以改正。在作弊设期间真正感受到了学习的快乐和艰辛，对于新知识从未知到有所了解到大体熟悉，这种感觉真的很好，非常感谢学校和老师为我们所付出艰辛和劳累，真的是感谢了！ 短波通信的展望
近年来，短波通信领域的研究非常活跃，出现了许多研究机构，如IEE连续举办了8次“短波通信系统与技术”会议[2]。很多大公司如Harris、Rockwell，每年召开2～3次短波技术交流会议。短波通信目前已发展到第三代，调制解调器和发射接收机主要存在两种标准，美国的MIL-STD-188-XXX和北约(NATO)的STANAG系列[2]。近年美国推出一些超常规的新型扩频跳频通信系统，引起国际关注，说明现代短波通信系统的研究已有很大提高。
经过几十年的发展，短波通信理论已经很成熟。同时对短波通信信道——电离层的研究也已经取得了很大的成就，已总结出多个短波信道模型，在这些模型的基础上，信道仿真器的研制[3]-[7]也获得了很大的发展。这些仿真器的研制，极大地推动了短波通信系统的开发和测试。
目前，对于短波通信信道，已经有了较为完善的信道模型：窄带HF信道的Watterson模型[4] 和宽带高频(WBHF)信道模型[5] 等。其中，Watterson所提出的窄带HF信道模型构成了大部分现代HF信道模拟的基础。这些模型的确定给其它通信系统的研究带来了很大的方便。
参考文献：
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[2]徐淑正、张晖、杨华中等，信息时代的短波通信，电子技术与应用，2005,3 [3],“A simple baseband fading multi-path channel simulator”,1965 IEEE Comm
.,June 1965,p615-p617
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[10]芮义斌，《实时短波信道模拟器》，南京理工大学硕士学位论文，南京：南京理工大学，
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[12],“Characterization of Randomly Time-Variant Linear Channels”,IEEE Transactions on Communication Systems,,,December 1963,p360-p393 [13]张贤达，保铮著，《通信信号处理》，北京：国防工业出版社，2000年12月：p40-p90
[14][美]John ，张力军，张宗橙，郑宝玉译，《数字通信》（第四版），北京：
电子工业出版社，2003年1月：p577-p606
致 谢
本论文是在我得指导老师段海龙讲师的悉心指导下完成的，在此我对段老师致以最衷心的感谢和敬意。在做论文得几个星期里，段老师在学习上给予了我很大的关心和帮助。他严谨的治学态度和广博的学识给予了我很大的帮助也留下了深刻的印象。还无偿我提供实验室以及一些必要设备，为了我的论文能够顺利完成，给予我最大的帮助。从对短波通信知识的一无所知，到信道仿真的模拟设计，到论文的顺了完成，与段老师的悉心指导是分不开的，再次对段老师致以最诚挚的感谢和帮助。
另外，还要感谢在此期间帮助我过得同学，当我有些不懂而恰好老师不在的时候，给予我解答和帮助的同学，他们也有毕设要忙，而能暂时放下他们手中的工作来帮助我 ，真是非常感谢！
附中英文翻译对照：
The application of OFDM in the shortwave communication
Satellite communication and short ( ~ 30MHz) communication is currently telecommunication two main means. For military communications, satellite in war is interference or obstruction, destroyed or even lose communication ability, therefore, dense deposit, the communication mobility and flexibility, shortwave communication has the incomparable advantage. Its launch, the equipment is simple, flexible, communication with the ionosphere anti-destroying ability is strong, for the transmission medium, and the ionosphere is basic, the transmission distance destructive of thousands of companies without the need for forwarding. These advantages make shortwave communication departments and other organizations as military command of long distance communication and an important tool. In addition, in airborne maritime communications and communication ZhongDuanBo occupies an important position in the communication. The ocean-going ships and submarines, YuLun merchant, and are usually equipped with short kayak fleet and radio communications, and the establishment of Marine communication of data transmission speeds are increasingly demanding, effectively introduced the development of offshore shortwave communication technology. Airborne shortwave communication channels, communication is an important means of aviation, especially when the plane to low-level, oth and telecommunication and lack of modern airborne warning aircraft and aircraft onboard satellite communication system, short, ultrashort wave communication channels of communication became the only.
1 shortwave communication in high-speed data signal transmission of modulation technology
TianBo and ground into the shortwave transmission in two ways. TianBo of transmission, short-wave channel is a time-varying channel, it USES the reflection of the ionosphere transmit information. Because the ionosphere is layered, uneven, anisotropy, random, have the space-time, therefore shortwave channel exists multipath delay, decline and space-time medium, so short delay existing multipath channel, decline and doppler frequency shift, the frequency shift diffusion, approximate gaussian distribution of white noise and radio interference and so on a series of complex phenomenon. In addition
to the modern shortwave communication system, channel with frequency selective, and most of the signal transmission produce multipath fading and coherent symbol interference, shortwave communication performance depends in large part on system design for transmission of compensation. Shortwave channel is normally a slow change channels, multipath delay typical values 2 ~ 8ms, doppler frequency extended typical values of speed , doppler frequency shift at ~ 10Hz scope changes at high latitudes multipath delay 13ms can reach above, doppler expansion 73Hz can reach.
The multipath effect is limited data communication domain expansion rate of main factors. Currently existing in shortwave communication parallel system and serial system has two kinds. Parallel system will be sent to the data parallel distribution channels on more than one system using single serial transmission carrier modulation send information. About serial and parallel two modulation method which is superior, what has been debate. That these two kinds of documents in low-speed modem communication has been used for many years, no one shows absolute superiority, currently in NATO kbsHF communication standard of serial and parallel modulation considering system. While most think more advantages, if the serial system can rate in the same situation, the comparison of bitrate, lower than the parallel system serial.
Serial system is characteristic of the words in a single carrier in bandwidth and serial transmitter high-speed data signals, thus improving the utilization ratio of high-frequency transmitter and overcome the shortcomings of parallel system power decentralized. Due to the serial system adopts hegh-efficient adaptive equalization, sequential detection and channel estimation techniques, such as the combination can overcome due to multipath distortion channels of communication and symbol interference (ISI). The most advanced system of modem by serial 256QAM modulation, application is called a \"group decision feedback equalization (BDFE)\" technology, in 3kHz bandwidth on a data transfer rate of 16kbps.
Parallel system has been known for decades, the mid 1990s, parallel system before all sub-carrier in frequency is not overlap each other, not by the orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) technology, such as the third DaiJunYong standard MIL STD - 188 - - 141B and MIL STD - 188 - - 110B
in parallel modulation mode of definition and 16 two modes, 39 tone subcarrier between the intersection.
OFDM (OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing) is a special kind of way, because all sub-carrier subcarrier exists between the orthogonality, allowing the son channel, and regular spectrum overlap of frequency division multiplexing systems, OFDM compared to maximize the use of frequency spectrum resources. It took the high-speed data through serial conversion, make each sub-carrier data on continuous length, relative increase symbols of the lower frequency selective, information rate for flat fading channel conversion, thus fading channel noise, and good anti-multipath interference ability in frequency selective, suitable for high speed data in the fading channel. By introducing the circulation in OFDM in the prefix, overcome the OFDM adjacent interference between the block, (IBI) between the carrier and the
orthogonality, circular prefix length than channel length extension, which can effectively restrain the symbol interference (ISI). Current OFDM technology has set up a file in the , ETSI BRAN HIPERSP? On news&key = = = = _blank scale-up target LAN LAN / 2, qqx_gjz > local distribution system (multipoint business LMDS), Digital subscriber line (ADSL), data VDSL/audio broadcasting (DAB Radio (video data), DVB), Digital Mondial (DRM) have widely application.
Now a new generation of parallel system developed by modem technology, by adding protected OFDM interval, can eliminate effectively, reduce the complexity of the balanced ISI. OFDM on shortwave communication introduces below the application situation and still need to solve several key problems. 2 the system based on the OFDM several shortwave communication application With the ability to handle baseband signal for bandwidth and user demand increased over the past few years, HF data transmission rate increase in Canada, the experiment work is in CRC 3kHz bandwidth 9600bps realization transmission rate of the first successful attempt. Then by American Harris, general aviation security companies, France and Germany's Thomson Daimler Chrysler - aerospace sector in high-speed HF data communication made many meaningful work, the current has 9600bps can provide more transmission rate.
Improve communication rate is an absolute communication field. 188 - HIL - STD - in 2400bps 110B transmission rate, provide more from 32, 48, 6,400,
8,000, 12800bps (no coding 9600, the transmission service, STANG5066) also support high-speed HF data communication. In parallel and serial two modulation mode of searching for new send waveform and new coding method is the key to improve communications rate of HF. Due to the OFDM technology with strong anti-multipath interference ability, can effectively restrain the interference (ISI and sub-carrier has been successful, ICI) applied DRM. Notable is also use short-wave frequencies (DRM) 3 ~ 30MHz audio and data transmission. Below in the shortwave communication research OFDM field application is successful examples. The British RacalResearchLimited
In the tactical radio environment and VHF (30 ~ 300MHz) communication is often used to a specification, But in the complex topography and VHF communication can appear sometimes obstacles, can try to use close perpendicular incident (NVIS) established the shortwave service correspondence. Britain's RacalResearchLimited developed a suitable for HFNVIS channel parallel system modems. It adopts OFDM technology, sub-carrier number for 56, 250QAM modulation method, 64QAM, 16QAM PSK, SSB FSK, and in the 3kHz bandwidth, is the highest 16kbps transmission rate coding, can 1Hz expansion in the doppler 5ms delay spread, the absolute normal working conditions NVIS channel. The modem is in rapid prototype DSP platform, system USES a Motorola microprocessor, through the DSP56300 dot design software radio technology greatly reduced complexity.
In addition, using OFDM technology for further inspection of the actual performance of the modem, in June 1999, the CRC for DERA Canada serial modems and Racal parallel system of the modem three weeks of on-site comparison test. The DERACove radio transmitter is 10kW, site is located in the 140km DERA Malvern (distance) and Funtington (45km distance). Through field experiment, the two kinds of modem slightly different properties, at dawn OFDM than serial system modems, good performance in the night, a direct ber performance during the day, two kinds of modem work very well. Due to the two modems are not using FEC coding, high ber.
中文： OFDM在短波通信中的应用
和短波（～30MHz）通信是目前远距离通信的两种主要手段。对军事通信而言，卫星在战争期间易被干扰或阻塞，甚至被摧毁而失去通信能力，因此，就通信的顽存性、机动性和灵活性而言，短波通信具有无可比拟的优越性。其发射功率小，设备简单，通信方式灵活，抗毁性强，以电离层为传输媒质，而电离层基本具有不可摧毁性，传输距离可达数千公司而不需要转发。这些优点使短波通信成为军事部门及其它机构远距离通信和指挥的重要工具。此外，在海上通信和机载通信中短波通信占有重要地位。潜艇、水面战舰、远洋商船、渔轮和科考船队通常都配备短波电台与外界建立通信联系，而且海上通信对数据传输的速度要求越来越高，有力地推出了海上短波通信技术的发展。机载短波、超短波通信是航空通信的重要手段，特别当飞机要进行低空、超视距和远距离通信而又缺乏现代预警机与机载卫星通信系统时，机载短小、超短波通信成了唯一的通信渠道。
1短波通信中传输高速数据信号的调制技术
短波传输分为天波和地波两种方式。对天波传输方式而言，短波信道是一种时变色散的信道，它利用电离层的反射传送信息。由于电离层是分层、不均匀、各向异性、随机、有时空性的介质，因此短波信道存在多径时延、衰落、有时空性的介质，因此短波信道存在多径时延、衰落、多普勒频移、频移扩散、近似高斯分布的白噪声和电台干扰等一系列复杂现象。此外对现代短波通信系统，信道大多数具有频率的选择性，多径传输产生了信号的相干衰落与符号干扰，短波通信的性能在很大程度上取决于系统设计对信道传输补偿的效果。短波信道通常情况下是一种缓慢变化的信道，多径延迟典型值2～8ms，，～10Hz范围内变动，在高纬度地区多径延迟可达13ms以上，多普勒扩展可达73Hz。
多径效应引起的时域扩展是限制数据通信速率的主要因素。目前短波通信中存在并行制和串行制两种体制。并行体制是将发送的数据并行分配到多个子通道上传输，串行体制使用单载波调制发送信息。关于串行和并行两种调制方式到底哪种优越，一直有争论。文件认为：这两种调制解调器在低速通信中已使用多年，没有哪一种显示出绝对的优势，、并行调制体制。而绝大多数认为串行体制更优势，若在可通率相同的情况下，比较二者的误比特率，则串行比并行体制低。
串行体制的特点是在一个话路带宽内采用单载波串行发送高速数据信号，因此提高了高频发射机的功率利用率，克服了并行体制功率分散的缺点。由于串行体制采用了高效的自适应均衡、序列检测和信道估算等结合技术，能够克服由于多径传播和信道畸变引起的符号干扰（ISI）。目前最先进的串行体制调制解调器采用256QAM调制，应用一种被称为“分组判决反馈均衡（BDFE）”的技术，在3kHz带宽上数据传输速率达16kbps。
并行体制已经存在几十年了，上个世纪90年代中期以前，并行体制的各个子载波在频率上是互相不重叠的，采用的不是正交频分复用（OFDM）技术，如美国的第三代军用标准MIL-STD-188-141B和MIL-STD-188-110B在并行调制方式中定义16音和39音两种模式，子载波之间不相交。
OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）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，OFDM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行转换，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OFDM中通过引入循环前缀，克服了OFDM相邻块之间的干扰（IBI），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（ISI）。、ETSI BRAN
HIPERSP?column=news&key=LAN target=_blank class=qqx_gjz>LAN/2、本地多点业务分配系统（LMDS）、数字用户线路（ADSL/VDSL）、数据音频广播（DAB）、数据视频广播（DVB）、Digital Radio Mondial(DRM)中得到广泛应用。
目前正在研制的新一代并行体制调制解调器采用OFDM技术，通过加入保护间隔，可以有效消除ISI，降低均衡的复杂度。下面介绍OFDM在短波通信中的应用情况以及仍需解决的几个关键问题。
2基于OFDM体制的几个短波通信具体应用
随着基带信号处理能力的提高和用户对带宽需求的增加，在过去几年里HF数据传输速率大幅度提高，加拿大CRC的试验工作是在3kHz带宽实现9600bps传输速率的第一个成功尝试。随后由美国的Harris公司、通用航天航空防务公司、法国的Thomson公司和德国的Daimler-Chrysler航空航天部门在高速HF数据通信领域做了许多有意义的工作，当前已能提供9600bps以上的传输速率。
提高通信速率是HF通信领域研究的一个主要方向。HIL-STD-188-110B在2400bps以上传输速率中，提供从3200、4800、6400、8000、9600、12800bps（无编码）的传输服务，STANG5066也支持高速HF数据通信业务。在并行和串行两种调制方式中寻找新的发送波形和新的编码方式是提高HF通信速率的关键。由于OFDM技术具有较强的抗多径干扰的能力，能够有效地抑制ISI和子载波干扰（ICI），已被成功应用于DRM中。值得注意的是DRM同样使用短波频段（3～30MHz）传输音频和数据信息。下面研究OFDM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，VHF（30～300MHz）通信是常采用的一种规范；但在复杂的地形条件下，VHF通信有时会出现障碍，此时可以尝试采用接近垂直入射（NVIS）的
短波电台建立通信联系。英国的RacalResearchLimited开发出一种适应于HFNVIS信道的并行体制调制解调器。它采用OFDM技术，子载波个数为56，信号的调制方式250QAM、64QAM、16QAM、FSK、PSK、SSB，在3kHz带宽上实现无编码最高传输速率16kbps，能够在多普勒扩展1Hz、延迟扩展5ms的HF NVIS信道条件下正常工作。该调制解调器是在快速DSP原型平台上实现的，系统采用了Motorola的定点DSP56300处理器，通过软件无线电技术使得设计复杂度大为降低。
此外，为进一步检验采用OFDM技术的调制解调器的实际性能，1999年6月，在DERA加拿大对CRC的串行调制解调器和Racal的并行体制调制解调器进行了三个星期的现场比对试验。发射机是10kW的DERACove电台，接收站点位于DERA的Malvern（距离140km）和Funtington(距离45km)。经过现场试验，两种调制解调器性能略有差异，在黎明OFDM比串行体制调制解调器性能好，在整个晚间误码率性能一直接低，在白天两种调制解调器工作都很好。由于两种调制解调器都没有采用FEC编码，误码率较高。
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