基于ITS信道模型的HF信道模擬器的實(shí)現(xiàn)

譚 帥,焦培南,李鐵成

(中國(guó)電波傳播研究所青島分所,山東青島266107)

0 引言

長(zhǎng)期以來,HF信道模擬器一直被認(rèn)為是研究短波系統(tǒng)性能的有效手段。通過使用HF信道模擬器有利于短波系統(tǒng)的驗(yàn)證,以及在相同的信道狀態(tài)下研究不同信號(hào)的適應(yīng)性,降低前期研發(fā)的難度和成本。然而要能夠真實(shí)地反映HF信道,信道模型的選取很重要。目前使用較多的是Watteron信道模型和ITS信道模型。由于ITS信道模型能夠精確地仿真出各種類型的傳輸條件,適用于窄帶以及帶寬高達(dá)500 kHz的信號(hào),故本文中的HF信道模擬器是在ITS信道模型的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。

1 信道模型與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 ITS信道模型[1]

無線電信號(hào)通過電離層傳輸后會(huì)產(chǎn)生時(shí)間展寬、多普勒頻移和多普勒展寬,即通常所說的時(shí)間色散和頻率色散。在ITS信道模型中用下面的脈沖響應(yīng)函數(shù)來描述[1]:

式中,n為路徑數(shù);pn(τ)為時(shí)延功率剖面函數(shù),其服從Gamma分布;Dn(t,τ)為確定性相位函數(shù),表示多普勒頻移;ψn(t,τ)為隨機(jī)調(diào)制函數(shù),用來描述多普勒的展寬,有Gaussian和Lorentzian兩種方式[2]。

1.2 HF信道模擬器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

HF信道模擬器基于軟件無線電的思想,通過對(duì)輸入信號(hào)的采樣,采用數(shù)字下變頻方法把得到的數(shù)據(jù)流下變頻到1.024 MHz,然后輸入到現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(FPGA)中。信號(hào)的時(shí)域展寬、頻移和頻譜展寬以及加性噪聲都在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)。變換后的數(shù)字基帶信號(hào)通過數(shù)字上變頻、DA轉(zhuǎn)換后變換到需要的頻率后輸出。

HF信道模擬器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 HF信道模擬器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

模擬器內(nèi)部能夠提供信道的激勵(lì)信號(hào)和采樣脈沖信號(hào)。內(nèi)部激勵(lì)信號(hào)和采樣脈沖信號(hào)分別由2個(gè)AD9852產(chǎn)生。由于AD9852能夠產(chǎn)生正弦波、線性調(diào)頻信號(hào)等多種信號(hào)形式,而信號(hào)的幅度可通過系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)字衰減器任意調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)精度達(dá)到0.5 dB,故基本可以脫離外部的激勵(lì)器。采樣脈沖輸出固定為正弦波。同時(shí)模擬器以板卡的形式通過PCI總線與主機(jī)連接,信號(hào)的各種參數(shù)控制可以通過主機(jī)輕松設(shè)置,這就給研究不同信號(hào)的在短波信道種的適應(yīng)性帶來了很大的方便。由于輸入信號(hào)和采樣脈沖信號(hào)都具有內(nèi)外切換的功能,故在具有特殊要求的情況下可以使用外部提供的信號(hào)。

主機(jī)內(nèi)部運(yùn)行的控制程序主要由電離層模型和參數(shù)控制組成。電離層的各項(xiàng)參數(shù)可以通過外部提供或內(nèi)部產(chǎn)生。外部提供的方式主要由具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),經(jīng)過特定的電離層反演算法得到。內(nèi)部產(chǎn)生主要是在給定的電離層模型的基礎(chǔ)上,利用射線追蹤技術(shù)得到不同時(shí)間、地點(diǎn)的信號(hào)的傳播模式和時(shí)延。

2 信道模擬的FPGA實(shí)現(xiàn)

2.1 時(shí)延展寬

由于FPGA的速度高,時(shí)鐘頻率能夠輕松達(dá)到上百M(fèi)Hz,實(shí)現(xiàn)μ s級(jí)的信號(hào)延遲分辨率很容易做到。主機(jī)通過解二元方程后得到的信號(hào)時(shí)延展寬參數(shù)存儲(chǔ)到時(shí)延展寬寄存器中。利用與數(shù)據(jù)速率相等的時(shí)鐘信號(hào)做觸發(fā),讀取寄存器中的數(shù)據(jù)與相應(yīng)延時(shí)的信號(hào)做乘積運(yùn)算,實(shí)現(xiàn)時(shí)延展寬。

2.2 信號(hào)的多普勒頻移

信號(hào)的頻移由確定性相位函數(shù)Dn(t,τ)確定。其中fs為信號(hào)延遲為 τc時(shí)的信號(hào)頻移,m為信號(hào)在時(shí)延寬度內(nèi)的多普勒頻移傾斜的斜率,τc為利用射線追蹤方法計(jì)算出的信號(hào)延遲。通過查找表的方法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的頻移。

根據(jù)歐拉公式有:

由式(2)可知,多普勒頻移值只與時(shí)延τ有關(guān),并假設(shè)在積累的時(shí)間內(nèi)信號(hào)頻移不變。

已知下變頻后數(shù)據(jù)的速率為1.024 MHz,在本設(shè)計(jì)中設(shè)定的信號(hào)頻率精度為0.05 Hz。則相鄰2個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的相位精度為:

由于相位是作為查找表的尋址地址,則要滿足上面的要求,在2π弧度內(nèi)所需的信號(hào)的存儲(chǔ)單元為20 480 000個(gè),所需要的存儲(chǔ)器的長(zhǎng)度為:

計(jì)算得N≥25,故可知要到達(dá)0.05 Hz的分辨率使用的存儲(chǔ)器的容量為32 M與使用數(shù)據(jù)位的長(zhǎng)度的乘積,如此海量的存儲(chǔ)器價(jià)格昂貴,同時(shí)增加了設(shè)計(jì)難度和成本。故需要通過使用優(yōu)化算法,在滿足要求的同時(shí)降低存儲(chǔ)空間。

2.3 信號(hào)的多普勒展寬

根據(jù)隨機(jī)過程理論可知,通過HF信道的信號(hào)是一個(gè)隨機(jī)過程。從時(shí)域上看,每一個(gè)觸發(fā)周期即為一次樣本函數(shù)。在每個(gè)時(shí)延點(diǎn)處的信號(hào)幅度是一個(gè)隨機(jī)變量,同時(shí)各延時(shí)點(diǎn)處的信號(hào)幅度是獨(dú)立的。而對(duì)相同延時(shí)的信號(hào)來說在時(shí)間上具有一定的相關(guān)性,時(shí)間上的這種相關(guān)性決定了信號(hào)的多普勒展寬和形狀。通常使用的多普勒展寬為Gaussian和Lorentzian型。實(shí)現(xiàn)多普勒展寬的方法有多種。此HF模擬器中通過采樣高斯濾波器得到FIR濾波器,用2路高斯白噪聲通過該濾波器實(shí)現(xiàn)多普勒的展寬。2路高斯白噪聲由m序列碼產(chǎn)生的均勻分布的白噪聲通過Box-Muller變換得到。

Box-Muller[3]變換公式如下:

式中,x1,x2為服從(0,1)上的均勻分布,并相互獨(dú)立。

根據(jù)ITS信道模型理論,產(chǎn)生每一路延遲信號(hào)的多普勒展寬的均勻分布的隨機(jī)信號(hào)相互獨(dú)立。故對(duì)于時(shí)延展寬為n的信道來說,需要產(chǎn)生2*n個(gè)獨(dú)立的隨機(jī)序列。已知在多普勒頻移的產(chǎn)生中已經(jīng)建立了正余弦表,因此這里的正余弦也由查表法產(chǎn)生。故這里只需增加對(duì)數(shù)表就可以利用查表法,用產(chǎn)生的均勻分布序列作為地址得到需要的高斯白噪聲信號(hào)。信道的加性高斯白噪聲,同樣使用上面的方法來實(shí)現(xiàn)。

3 線性調(diào)頻信號(hào)的仿真

在已知信道的脈沖響應(yīng)后,需要把抽象的數(shù)學(xué)公式通過硬件來實(shí)現(xiàn),則需要大量的前期仿真。通過仿真實(shí)現(xiàn)算法的可實(shí)現(xiàn)性。本文對(duì)廣泛使用的線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行仿真。高斯白噪聲經(jīng)過高斯濾波后的時(shí)域圖如圖 2所示。

圖2 高斯白噪聲經(jīng)過高斯濾波后的時(shí)域圖

信號(hào)的頻移和展寬如圖3所示。

圖3 信號(hào)的頻移和展寬

線性調(diào)頻信號(hào)參數(shù)設(shè)定如下:帶寬為500 kHz,重復(fù)周期為40 Hz,脈沖寬度為5 ms,下變頻后的速率為1.024 MHz。路徑數(shù)為 3,分別為 ch1、ch2和ch3。tao為時(shí)延,其中ch1的參數(shù)為:信號(hào)時(shí)延為taoc1=3.431 ms,信號(hào)展寬為31 μ s,當(dāng)tao=taoc1 時(shí)的多普勒頻移為1 Hz,當(dāng)tao=taoc1L(tao1L為路徑1的時(shí)延最小值,下同)時(shí)的多普勒頻移為1 Hz,多普勒展寬為0.1 Hz。ch2的參數(shù)為:信號(hào)延遲時(shí)間taoc2=3.663 ms,信號(hào)展寬為40 μ s,當(dāng)tao=taoc2 時(shí)的多普勒頻移為0 Hz,當(dāng)tao=taoc2L時(shí)的多普勒頻移為0 Hz,多普勒展寬為0.2 Hz。ch3的參數(shù)為:信號(hào)延遲時(shí)間taoc3=4.244 ms,信號(hào)展寬為150 μ s,當(dāng)tao=taoc3時(shí)的多普勒頻移為5 Hz,當(dāng)tao=taoc3L時(shí)的多普勒頻移為5 Hz,多普勒展寬為1 Hz。

4 結(jié)束語

隨著技術(shù)的進(jìn)步,FPGA的處理速度得到很大的提高,外部時(shí)鐘很容易達(dá)到幾百M(fèi)Hz。同時(shí)片上集成了大容量的RAM、乘法器和豐富的外部接口。利用FPGA來實(shí)現(xiàn)HF信道模擬器,使設(shè)計(jì)得到簡(jiǎn)化,利于算法的優(yōu)化。利用VHDL語言編程實(shí)現(xiàn)的各功能模塊不受器件本身的限制,具有很強(qiáng)的可移植性。由于ITS信道模型同時(shí)考慮了信道對(duì)寬帶信號(hào)的時(shí)延展寬和頻譜展寬,這就給信道模擬器帶來了很大的難度。然而利用FPGA可以很容易地實(shí)現(xiàn)信號(hào)的時(shí)延展寬。通過FPGA能夠很容易產(chǎn)生均勻分布的M碼信號(hào)[4],便于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的頻譜擴(kuò)展。由于ITS模型能夠精確模擬各種信道傳輸條件,故設(shè)計(jì)一種基于ITS信道模型的信道模擬器具有很重要的意義。

[1]MASTRANGELO J F,LEMMON J J,VOGLER L E,et al.A New Wideband High Frequency Channel Simulation System[J].IEEE Trans.Commun.,1997,45(1):26-34.

[2]VOGLER L E,HOFFMEYER J A.A Model for Wideband HF Propagation Channels[J].Radio Science,1993,28(6):1131-1142.

[3]BOX G E P,MULLER M E.A Note on the Generation of Random Normal Deviates[J].The Annals of Mathematical Statistics,1958,29(2):610-611.

[4]管 宇.用FPGA產(chǎn)生高斯白噪聲序列的一種快速方法[J].設(shè)計(jì)參考,2008,10(11):55-58.