宽带短波信道的研究

短波就是指波长在10m到100m之间的，频率在3-30MHz的电磁波。在实际中，短波的传输需要通过电离层的反射才能达到接收设备。目前短波通信的应用十分广泛，主要覆盖了军事、气象、海事等多个领域。自从上世纪六十年代以来，随着卫星通信技术的发展，短波通信的缺点也逐渐被暴露出来，这主要表现在以下几个方面，第一，由于传统的短波系统其速率非常有限，已经无法满足各类需求，所以发展宽带通信系统成为短波通信的一个重要的发展发现。

随着短波通信技术的发展，是的短波通信的发展取得了重大进步。近年来，除了容量和宽带以外，短波通信的传输质量已经可以与卫星通信的传输质量相提并论，短波通信了更多的应用，例如自适应阵处理和软件无线电等技术大大提高了抗干扰能力，从而更进一步提升了短波通信系统的性能。目前，由于短波通信其具有较强的抗毁性，设备小，成本低。短波通信还在军事方面有了大量的发展，因此，从各方面考虑，对短波的信道特性研究，对提高短波通信系统性能具有十分重要的现实意义。

1.2 国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

目前，国外对短波通信有较多的间就，其中突出的几个研究结果如下：

1931年，美国Sidney教授提出了“电离层”的概念，他的研究工作是现在短波通信的研究基础。

1970年，Watterson发表了短波信道建模的相关理论研究，其提出的信道模型就是目前广泛使用的窄带短波信道模型。此外，短波宽带通信，则由Belknap首次提出，其主要工作是通过带宽线性调频信道探测技术来获得数据，对短波信道因电离层扰动而引起的畸变进行自动补偿。以Wagner为首的科学家们做了大量的短波宽带(250KHz和10MHZ)传播测试实验，建立短波宽带信道模型。

1997年，美国电信科学协会(ITS)的科学家发表了一篇迄今为止最为权威的，关于短波宽带信道模拟器实现方法的论文，文中的模型称为Hoffmeyer模型。

2000年，Giles提出了一种采用短波信道冲激响应直接测量模型，应用短波信道冲激响应重构得到了短波信道的仿真，并实现了短波信道语音带宽硬件仿真器。短波宽带信道模型需要具有普遍性的意义。

1.2.2国内研究现状

国内对短波通信的研究起步较晚，其中几个较好的研究工作有：

张玉冰研究了Watterson模型的改进模型，并对改进后的模型进行了仿真，其主要贡献是将多径时延和多普勒频移转换为随时间线性变化。

马金全研究了基于DSP的话音短波带宽通信信道仿真器，其采用的模型是Watterson模型，其工作带宽为300-3000Hz。该模型可以模拟多径传输、瑞利衰落、多普勒频移等几个主要的信道特征。

王亚军研究了对短波的电离层发射信道模型做了理论研究，并对短波信道的时间、频率选择性衰落模型多了研究分析。

徐发强研究了在Mastrangelo模型的基础上，使用简化的Watterson模型，从而并提出了Watterson短波信道模型的仿真方法。

韩志学研究了针对短波信道多径、衰落、多普勒频移及扩展等特点，设计了一种基于Watterson模型的短波信道模拟器。

1.3 仿真工作MATLAB简介

MATLAB是矩阵实验室之意。除具备强大的数值计算能力以外，它还提供了专业的符号计算、可视化建模仿真和实时控制等功能。MATLAB之所以如此迅速地普及，显示出如此旺盛的生命力，是由于它有着不同于其它语言的特点。MATLAB的主要特点：

·功能强大

MATLAB具有功能强大的工具箱，工具箱主要包括核心工具箱和可选工具箱。核心工具箱中，有数百个内部函数。其又可分为两类：功能性工具箱和学科性工具箱。

·界面友好，编程效率高

MATLAB最大的优点就是代码书写简洁。其代码非常直观，基本符合理论数学公式的表达，因此在表现形式上更直观。而且MATLAB语法使用非常自由随意，而且库函数极其丰富，最大程度上方便工程师进行系统的仿真，提供工作效率。

    本课题，我们将使用MATLAB2007b作为仿真工具。

图1.1 MATLAB2010b

 

本课题的主要研究内容为短波宽带通信系统的信道建模仿真及优化，而宽带短波信道特性和信道模型的研究是一个十分重要的课题，其对于短波宽带通信系统的信道建模是基础，本文主要在国内外研究现状的基础上，总结了目前几种常用的建模方法，并给出了理论介绍。

对于系统仿真，首先建立信道模型，对目前几种常用的仿真模型，主要对Watterson信道模型和ITS信道模型做了研究。通过分析，选择了ITS模型作为系统的仿真模型，并深入研究了ITS模型，并提出了其改进方法，最后使用MATLAB对改进后的ITS模型进行了仿真。最后，根据宽带短波信道的研究状态，指出了ITS宽带短波信道模型存在的问题和未来的研究方向。

第二章 短波宽带通信简介

2.1短波宽带通信概述

目前，短波宽带通信系统技术以及非常成熟，得益于其通信距离远，设备体积小等特点，短波通信设备非常适合移动物体为载体的通信设备。在短波通信过程中，主要由通信系统中的发射机向空间发送短波讯号，通信系统的接收端检测并回复接收到的有用信号，从而完成短波通信。

目前，基于短波通信的技术发展十分迅速，在电波传输，自适应通信，高速通信，调频通信等多方面都有了重要突破，过去存在的各类问题也逐步得到了解决，并且，随着计算机技术，通信技术以及大规模集成电路技术的快速发展，高质量的短波通信将成为未来通信技术的发展趋势，具有越来越广泛的应用。

但是，虽然短波通信发展迅速，其仍存在各类问题，主要体现在跳频通信技术上存在话音质量差，数据速率低，抗干扰能力差等缺陷。不过，相对于短波通信的优势以及快速发展的技术而言，短波通信的仍然具有非常高的应用价值。

2.2短波信道特性

     针对短波信道特性，主要从最高可用频率，多径传播，信道衰弱，相位起伏等多方面来简单介绍一下短波信道的特性，并为短波宽带通信系统信道的研究奠定基础。

2.2.1最高可用频率

首先来说明一下“最高可用频率“，”最高可用频率“是指在给定通信距离的前提下，电磁波返回地面和射出电离层的临界值，如果可用频率大于这个值，那么电磁波就能成果射出电离层，如图2.1所示，否则就失败。

 

图2.1短波信号从电离层反射与透射

     在实际工作中，往往要事先确定最佳工作频率OWF，一般，根据经验公式，OWF=0.85MUF。这里需要主要的是，最高可用频率一般是由“电离层电子密度的最大值”及“电磁波投射到电离层的入射角”决定的。当垂直入射时，临界频率值即为最高频率成为，其表达式为：

2.3短波宽带信道模型

根据前面介绍的短波信道的几个主要特征，目前对于短波信道的建模主要有两个研究方向，其一是信道的衰弱特性建模，其二是信道的噪声建模。目前，主要研究的信道模型组要有Watterson信道模型和ITS信道模型。其中，CCIR提出的Watterson模型在短波通信的应用方面最为广泛，其主要结构如图2.3所示：

图2.3 Watterson短波信道模型

其主要过程为：将输入的信号经过延时后，每一路的输出信号在不同的时延后分别与一个复衰落值相乘，然后再将各路延时信号与高斯白噪声累加并通过信道输出。

但是，该模型由于其本身是以个窄带模型，其应用都是不高于12kHz的窄带短波信道进行的。显然，直接用于宽带信道的研究是不合适的。因此，美国ITS组织于1997年提出了ITS模型，该模型是目前应用较多的短波宽带模型。它是基于信道的实测散射函数提出来的，是对Watterson模型的扩展。它具有结构简单的特点，而且信号带宽最高可达1MHz。