摘 要： 介紹了一種基于DSP平臺的話音帶寬短波信道模擬器。該模擬器不僅可以模擬短波信道的主要特點，如多徑傳輸、瑞利衰落、多普勒頻移" title="多普勒頻移">多普勒頻移等，而且實現了對傳輸信號的全數字化實時處理。
關鍵詞： 數字信號處理 短波通信 信道模擬 瑞利衰落
為了測試短波(高頻)通信設備的性能，通常需要在實際通信環境中進行大量的外場實驗。相比之下，信道模擬器能夠在實驗室環境下進行類似的性能測試，測試費用少、可重復性強，而且可以縮短設備的研制周期。
短波信道是隨機變參信道，根據一些統計規律，可以有所側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的信道模型[2]和Giles等人提出的采用短波信道沖激響應直接測量法的模型[3]等。這些模型中，Watterson模型的主要優點是計算的復雜度低，能在大多數情況下較好地描繪短波信道的特性，現已被CCIR推薦[4]并廣泛采用。
本文采用Watterson模型，以TMS320VC33為核心器件，提出了軟硬件結合、以軟件為主的設計思想，對300~3000Hz帶寬基帶短波信道的主要特性進行模擬，能較好地滿足實驗需求。
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，發射信號經理想的時延" title="時延">時延線后，在若干個可調抽頭處送出，在每路抽頭處，時延信號由一個復隨機分支增益函數gi(t)進行調制，各路已調信號和加性噪聲相加，形成接收信號。
復隨機分支增益函數是體現信道特性的一個重要參數，其定義如下：
Watterson等人驗證了模型的正確性，并指出，當每一路徑采用兩個磁離子分量時：
(1)如果載頻較低，兩個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，這樣只需一個磁離子分量即可表示；
(2)如果載頻較高，兩個磁離子分量的相對時延顯著，應使用兩個不同磁離子分量。
2 關鍵技術
2.1 瑞利衰落的產生
一般地，隨機過程V(t)可表示為：
此時要求na(t)和nb(t)是獨立的正態分量，并滿足下列條件：
·na(t)和nb(t)不相關；
·na(t)和nb(t)的幅度服從高斯概率密度函數，且均值為零、均方根相等；
·na(t)和nb(t)具有高斯型的功率譜。
因此，只要產生出滿足上述條件的na(t)和nb(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，可近似看作兩個獨立的同相和正交高斯噪聲源對輸入信號的調制。
2.2 高斯噪聲的產生
本文以線性同余法為基礎，產生高斯噪聲，步驟如下：
(1)利用線性同余法產生的偽隨機序列，得到(0,1)區間均勻分布的隨機數" title="隨機數">隨機數;
(2)通過進一步的算法(變換)，得到希望的偽高斯噪聲。
線性同余法產生隨機數的迭代公式如下：
Xi+1=(aXi+c) (modm) (5)
式(5)中a為常數，c為增量(一般取c=0)，模數m為質數，初值X0(種子數)可為任意非負整數。由此可得一組周期為(m-1)的偽隨機序列{Xi}。利用xi=Xi/m可得到(0,1)區間均勻分布的隨機數xi。
高斯分布隨機數可由隨機數xi得到，利用公式如下：
可得到均值為0，方差為(αm)2的高斯分布隨機數。(7)式中α為功率增益因子。
為保證na(t)和nb(t)不相關，產生na(t)和nb(t)的偽隨機序列不僅要有良好的自相關特性，而且它們的互相關峰值要盡量小。實驗表明，若兩序列的模數足夠大且不相等，就可保證序列對在較長時間內滿足上述相關特性。
2.3 低通濾波器的實現
根據(2)式，為使每個磁離子分量功率譜為高斯型，每個分量上所需的幅度響應為：
在級聯實現中，可以用極點和零點配對的方法，將共軛的零極點或相近的零極點組合成一個二階濾波器，從而使頻域幅度響應達到濾波器的設計要求。利用MATLAB中tf 2sos(b,a)函數可實現傳遞函數到二次分式形式的轉換，并將結果保存到與(10)式對應的系數矩陣sos：
在實現過程中，首先通過MATLAB生成不同頻展要求下IIR濾波器的系數矩陣sos，然后將這些系數存放在DSP片外RAM中。模擬器工作時，由控制程序根據不同的頻展選擇相應的系數。高斯噪聲源經過選定的IIR濾波器，生成衰落所需的高斯控制信號。
3 模型實現與測試
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生衰落的復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構框圖(圖2)。
完成Watterson模型的模擬器主要包括基于TMS320VC33的DSP板和進行DSP參數控制的PC，系統硬件結構如圖3。模擬器的多徑傳輸、瑞利衰落、多普勒頻移等主要算法通過TMS320VC33實現，所有模塊都由軟件完成；液晶控制面板進行參數的設定并在運行時發送到DSP；濾波器系數和正弦波等數據存儲于片外RAM(IS61LV12816)；采樣、A/D轉換以及D/A轉換由TLV320AIC10信號轉換芯片完成。
TLV320AIC10是TI公司推出的低功耗16位A/D、D/A轉換芯片。使用其片內FIR濾波器時采樣速率最高可達22Ksps，采用片外FIR濾波器時其采樣速率最高可達88Ksps，工作方式和采樣速率均可由DSP編程設置。
根據短波信道的一些統計特性[6]和實驗室的工作要求，確定模擬器的參數指標(表1)并進行了測試。
輸入信號為1200Hz的正弦波，設定A/D采樣率為9.6kHz，路徑時延2ms，多普勒頻移30Hz，頻展2Hz，無加性噪聲，得到輸出信號的4800個樣點(如圖4)。
本文介紹了一種短波通信信道模擬器的設計與實現。在信道模擬器的設計中，采用兩路經過高斯型功率譜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設計，產生的濾波器系數存放在DSP外圍RAM中。輸入信號的采樣量化、噪聲源的產生、衰落的形成以及多徑傳輸等過程均由DSP及外圍設備協同處理完成，實現了對傳輸信號的全數字化處理，能夠實時模擬實際短波通信信道環境。測試表明，該模擬器的主要技術指標均能達到設計要求。
參考文獻
1 C.C.Watterson，J.R.Juroshek，W.D.Bensema. Experimental Confirmation of an HF Channel Model[J].IEEE Trans. Commun. Technology，1970;18(6)：792～803
2 J.A.Hoffmeyer，L.E.Vogler，J.F.Mastrangelo，et al.A new HFchannel model and its implementation in a real-time simu-lator[A].HF Radio Systems and Techniques，Jul 1991， 5th International Conference，1991：173～177
3 T.C.Giles，I.Wiloughby.Simulation of high frequency voice band radio channels[A].Military Communications Conference，Oct. 1993.MILCOM ′93.Conference record.′Communications on the Move′，IEEE，Vol.1：342～348
4 CCIR.HF Ionospheric Channel Simulators.Report 549-2，Recommendations and Reports of the CCIR，ITU，Geneva.1986;(3)：59～67
5 樊昌信，張甫翊，徐炳祥等.通信原理[M].第五版，北京：國防工業出版社，2001：48～50
6 陳 躍，金力軍.短波信道特性及其模擬器的實現[J].西安電子科技大學學報，1992;19(4)：38～44