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无线信道仿真仪在短波通信测试中的应用

作者：welcome乐彩汇

背景

短波通信的工作频率是3~30MHz，主要是以天波方式传播，即通过电离层对短波的反射和散射机制，完成短波信号的发送和接收。短波通信的优点是机动灵活、设备简单、成本低廉、易于重建、受地形影响小和具有较强的抗毁性。因此，短波通信一度成为承担国际通信业务的主要技术手段，多年来被广泛应用于政府、外交、气象、商业等部门，用于传送语音、文字、图像、数据等信息。

短波信道由于具有时变和色散的特性，使短波具有频带窄、容量小、相互干扰严重的特点，各种短波通信设备必须经过大量的通信试验以检验其性能。在短波通信试验中，涉及参试单位多，需要在各种地域反复测量，这必然消耗大量人力、物力和财力。

短波信道模拟器的出现成功地解决了在真实地域通信试验中遇到的问题。借助先进的仿真技术手段，短波信道模拟器可以在实验室环境下进行通信仿真试验，并具有精度高、性能规律性好、可重复性好、可用性好、信道条件范围大、成本低等优点，可以大大减少研究和测试短波通信无线传输环境的时间和成本。

短波单天线应用方案

大尺度衰落

由于短波的通信距离较远，在利用仿真仪进行短波测试过程中一般不考虑精确的大尺度衰落。如果用户需要计算短波通信距离的天波场强中值，可以参考 ITU-R P.533-14 建议书。ITU-R P.533 建议书中有关预测步骤的计算机程序（ITURHFProp），可由 ITU-R 网页上有关电竞通信第 3 研究组的部分获得（KSW 主控软件中包含该计算程序）或者把“ITS HF Propagation”程序计算结果导入到无线信道仿真仪进行仿真。

小尺度标准模型

ITU-R F.1487 推荐 Watterson 模型作为短波测试的标准模型。连续波(CW)信号通过短波链路传输，接收到的多径分量频谱如下图所示，有 4 种路径:单跳 E 模式(1E)、单跳 F 模式(1F)、混合模式(如 1E + 1F)和双跳 F 模式(2F)。

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图1??一个连续波信号的多径分量的功率谱示例

虽然 1E 模式下的两种磁离子组件(标记为 a 和 b)的频率扩展(衰落率)大致相同，但它们的频率偏移显著不同，因此可以用频率来分辨它们。在其他三种模式中，磁离子组件的扩展和移动本质上是相同的，可以把两种磁离子组件当成一组。因此，短波信道的短期乘性失真特性可以用指定信号损耗、时频和频散特性的参数来描述：即在几条路径上的差分传播时间，以及在每条路径上的信号强度、频率偏移和频率扩散。如下图所示，welcome乐彩汇的短波信道建模软件支持设置多径的相对时延与功率以生成不同维度、不同条件下的短波信道模型。可以通过建模软件配置支持 ITU-520 中指定的短波信道模型。

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图2 KSW 短波信道建模软件配置界面

信道建模

welcome乐彩汇采用高斯白噪声滤波法实现单径瑞丽信道建模。该方法假设移动台周围的散射分量是均匀分布的，且每一个分量的功率都相等。如下图所示，有两个分支，一个是实部，另一个是虚部。在每个分支中，首先在频域产生一个复高斯噪声；然后通过一个多普勒滤波器，这样频域分量就符合多普勒频移，通过设置不同的滤波器，可以产生不同功率谱的瑞丽信道模型，例如高斯、双高斯、圆拱、钟形、平坦和巴特沃兹等；最后将这个经过多普勒频移后的高斯噪声通过 IFFT �？楸浠晃庇蛐藕�。

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图3?SISO 统计信道建�？蛲�

针对单跳 E 模式(1E)，KSW 的短波信道建模采用双高斯功率谱的瑞丽径实现，双高斯功率谱由两个频移高斯谱组成，其表达式为：

其中，和?是标准差，?和?是中心频率，?和?是功率增益，是归一化因子。同时，如果?或者?，其退化成一个频偏的高斯功率谱。

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图4 KSW 双高斯配置界面

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图5 双高斯功率谱示例

针对其他三种模式（单跳 F 模式(1F)、混合模式(如 1E + 1F)和双跳 F 模式(2F)），welcome乐彩汇的信道建模方式采用纯多普勒频偏加高斯功率谱的方式实现。其理论分析如下所示：

一个变换式可以表示为：

其中，是 3dB 截至频率.如果设置?，?是最大多普勒频移，或者设置?

无线信道仿真仪在短波通信测试中的应用

无线信道仿真仪在短波通信测试中的应用 — 图7 高斯功率谱示例

短波组网应用方案

无线通信一体化全天候自组织网络模式深刻影响着如今的数字世界。在通信过程中，自组网是万物互联的基石。组网通信，尤其是大规模组网通信因天气、地形、调度等影响，对实地测试的要求苛刻，往往花费巨大的人力物力而得不到满意的结果。研究短波通信无线接入技术，实现利用短波电台组网，并接入公用或专用数据网，对推动短波通信在全地域中实现组网应用具有非常重要的意义。

welcome乐彩汇可以提供市场上最高的 64 物理通道的仿真功能，实现 2 个 32 通道（1024 个链路）的互联互通功能且 100%可重复性的测试场景。自组网应用控制组件是一款可以无线信道仿真仪无缝对接的软件工具，其集组网拓扑构建、仿真仪控制、监控、信道冲击响应制作于一体。组网拓扑构建功能可以根据用户需要的网络拓扑结构，创建或者修改拓扑方案，控制仿真仪硬件构筑硬件拓扑结构进行仿真。

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图8 实际网络拓扑

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图9 无线信道仿真仪配置网络拓扑

总结

本文主要介绍了无线信道仿真仪在短波中的应用：大尺度衰落主要是通过 ITU-533 协议预测短波通信距离下的天波场强中值；小尺度衰落是通过 ITU-R F.1487 协议指定瑞丽的高斯功率谱来实现 Watterson 模型，并简单的介绍了单径瑞丽信道的建模方案。最后针对无线信道仿真仪在短波组网通信中的应用进行了详细说明。

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