楊美華， 朱宇峰， 魏 巍

(91630部隊(duì)，廣東 廣州 510320)

0 引言

短波通信是無線通信的一種。多徑干擾、深衰落、多普勒頻移等現(xiàn)象是影響短波通信質(zhì)量的重要因素。多徑時(shí)延會(huì)引起接收碼元串?dāng)_,限制數(shù)據(jù)速率的提高；深衰落會(huì)使接收信號幅度產(chǎn)生劇烈起伏,導(dǎo)致突發(fā)性錯(cuò)誤；而多普勒頻移會(huì)引起信號的頻率結(jié)構(gòu)、相位發(fā)生變化，造成信號的錯(cuò)誤接收。為了克服上述短波信道的缺點(diǎn)，該文提出一種將正交頻分復(fù)用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）調(diào)制方式應(yīng)用于短波通信的通信體制，它具備 OFDM調(diào)制信號對抗多徑衰落能力突出和頻譜效率高等優(yōu)勢，同時(shí)，在接收端采用多天線分集合并接收技術(shù)，在不加大發(fā)射功率情況下，提高接收信號信噪比，確保通信的可靠性。

1 OFDM原理描述

OFDM[1]技術(shù)屬于多載波調(diào)制技術(shù)，它將信道劃分成若干個(gè)連續(xù)的兩兩相互正交的子信道，利用正交的子載波對子信道上的信號進(jìn)行調(diào)制[2]。這樣一來，雖然總的信道是非平坦的、具有頻率選擇性衰落的，但單個(gè)子信道是相對平坦的。在子信道上進(jìn)行信息的窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，可以在一定程度上消除符號間的串?dāng)_。同時(shí)由于各子載波相互正交，其頻譜相互重疊，頻譜利用率也大大提高。該設(shè)計(jì)的系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 OFDM系統(tǒng)調(diào)制

2 信道模型

短波Watterson信道模型[5]較全面地考慮了短波信道的瑞利衰落、多徑時(shí)延以及多普勒效應(yīng)等特性，是目前較完善的短波窄帶信道模型。該模型如圖2所示。

圖2 Watterson信道模型

圖2中的Watterson模型通過用獨(dú)立復(fù)高斯過程對多徑信號進(jìn)行幅度和相位的調(diào)制，來模擬高頻信道的瑞利衰落和多普勒效應(yīng)。其中NG(t)為加性高斯白噪聲，NI(t)為包括電臺干擾和人為干擾在內(nèi)的各種干擾。

在不考慮干擾和噪聲的情況下，Watterson模型的頻域時(shí)變沖激響應(yīng)如式（1）所示：

式（10）中，i為路徑號，n為路徑總數(shù)，τi為第i路的時(shí)延；Gi(t)為第i路由于電離層波動(dòng)而導(dǎo)致的時(shí)變增益函數(shù)，Gi(t)

如式（2）所示：

式（2）中，每條傳播路徑等效為兩個(gè)磁離子分量，fdi-1和fdi-2分別為兩個(gè)磁離子分量的多普勒頻移；是2個(gè)相互獨(dú)立、穩(wěn)定且具有各態(tài)歷經(jīng)性的復(fù)高斯隨機(jī)過程，其包絡(luò)服從瑞利分布。Gi(t)的頻域函數(shù)如式（3）所示：

3 分集合并接收技術(shù)

由于存在多徑干擾，短波信道可能產(chǎn)生衰落深度高達(dá)40 dB甚至更多的快衰落，分集合并接收技術(shù)作為一種信號處理技術(shù)，相對于僅通過大幅度加大發(fā)射功率來對抗深衰落，是較切實(shí)可行的。所謂分集，就是利用無線傳播環(huán)境中來自不同途徑或支路的多徑信號的統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性進(jìn)行合并。這些多徑信號可以來自不同的時(shí)間、空間、頻率、角度乃至是不同的極化方向等。多條路徑或支路上的信號同時(shí)經(jīng)歷深衰落的概率相對于僅用1條路徑或支路接收信號經(jīng)歷深衰落的概率要小的多。由此可以利用分集技術(shù)來改變譯碼器輸入端信噪比的統(tǒng)計(jì)特性。

如圖3所示，在該文應(yīng)用的短波雙天線分集接收系統(tǒng)中，雙天線信號采用譯碼級的基于信噪比加權(quán)的最大比值軟合并技術(shù)。在進(jìn)行譯碼之前，不同的通道分別進(jìn)行獨(dú)立的信道估計(jì)、均衡、解調(diào)，根據(jù)各自的解調(diào)信噪比，對解調(diào)比特的可信度基于信噪比進(jìn)行加權(quán)，再進(jìn)行合并。當(dāng)各通道的增益基本相當(dāng)時(shí)，可以獲得定向增益。而各通道起伏差別很大時(shí)，則可獲得分集增益。

4 性能仿真

（1）信道參數(shù)

鑒于中國主要位于地球中緯度地區(qū)，參考ITU-R（國際電信聯(lián)盟無線電通信局）發(fā)布的 Recommendation ITU-R F.1487[6]標(biāo)準(zhǔn)提供的中緯度地區(qū)惡劣信道參數(shù)指標(biāo),設(shè)置信道參數(shù)如表1所示。設(shè)置OFDM參數(shù)如下：采樣頻率4 kHz，F(xiàn)FT子載波數(shù)N=64，實(shí)際使用40個(gè)子載波傳輸信息，信號占用帶寬 2.5 kHz，每個(gè)子載波使用 QPSK調(diào)制，循環(huán)前綴CP為16。

（2）系統(tǒng)誤碼率仿真

該文將OFDM技術(shù)應(yīng)用于短波通信，信道采用Watterson短波信道模型，接收端采用多天線分集合并技術(shù)（具體過程根據(jù)圖1和圖3）。在信息傳輸速率分別為50 b/s、300 b/s和600 b/s的情況下，得到了3種速率條件下的多天線分集誤碼率曲線，如圖4、圖5和圖6所示。

表1 中緯度劣等條件信道參數(shù)

圖4 50 b/s速率下的分集誤碼率

圖5 300 b/s速率下的分集誤碼率

圖6 600 b/s速率下的分集誤碼率

圖4、圖5和圖6所示的分集誤碼曲線，分別仿真了文中系統(tǒng)在中緯度劣等信道條件下，信息傳輸速率分別為50 b/s、300 b/s和600 b/s時(shí)的誤碼率性能。接收分集分別為單天線接收、雙天線分集合并接收、三天線分集合并接收以及四天線分集合并接收等4種情況。圖中縱坐標(biāo)代表誤碼率，橫坐標(biāo)代表信噪比。從圖4、圖5和圖6中可以看出：在e-03誤碼率情況下，信息傳輸速率分別為50 b/s、300 b/s和600 b/s時(shí)，雙天線分集合并接收相對于單天線接收分別有2 dB、3 dB和3 dB的誤碼性能增益；三天線接收對于單天線接收分別有3.5 dB、4.5 dB和5 dB的誤碼性能增益；而四天線接收對于單天線接收分別有4 dB、5 dB和6 dB的誤碼性能能增益。當(dāng)分集階數(shù)從1變?yōu)?時(shí)，誤碼性能分別有2 dB、3 dB和3 dB的增益；分集階數(shù)從2到3時(shí)，誤碼性能分別只有1.5 dB、1.5 dB和2 dB的增益；分集階數(shù)從3變到4時(shí)，誤碼性能增益分別減為0.5 dB、0.5 dB和1 dB。從仿真結(jié)果來看，分集階數(shù)從1變?yōu)?時(shí)，獲得的性能增益最大，而隨著分集階數(shù)的增加，性能增益增加的趨勢減少。

5 結(jié)語

該文基于Watterson短波信道模型，采用ITU-R建議的短波信道仿真參數(shù)，對該文設(shè)計(jì)的OFDM調(diào)制下短波多天線分集接收系統(tǒng)的誤碼率進(jìn)行了性能仿真。仿真結(jié)果表明，采用多天線分集合并接收技術(shù)能明顯降低系統(tǒng)的誤碼率，提高通信的可靠性；同時(shí)雙天線分集接收相對單天線分集接收誤碼性能增益明顯，但隨著分集階數(shù)的增加，性能增益的趨勢逐漸減少。

[1]CHANG R W. Synthesis of Band Limited Orthogonal Signals for Multichannel Data Transmission[J].Bell System Technical Journal,Dec.1966(45):1775-1796.

[2]佟學(xué)儉, 羅濤.OFDM移動(dòng)通信技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2003:23-46

[3]WEINSTEIN S, EBERT P. Data Transmission by Frequencydivision Multiplexing Using the Discrete Fourier Transform[J]. IEEE Transactions on Communications, 1971,19(05):628–634.

[4]PELED A, RUIZ A. Frequency Domain Data Transmission Using Reduced Computational Complexity Algorithms[C].Proceedings of IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing,1980:964-967.

[5]WATTERSON C C, JUROSHEK J R, BENSEMA W D. Experimental Confirmation of an HF Channel Model[J].IEEE Transactions on Communications,1970,18(06):792-803.

[6]Recommendation ITU-R F.1487 Testing Of HF Modems With Bandwidths Of Up To About 12 kHz Using Ionospheric Channel Simulators[S].