基于ITS信道模型的HF信道模拟器的实现

基于ITS信道模型的HF信道模拟器的实现 电磁场与微波 基于ITS信道模型的HF信道模拟器的实现 谭帅,焦培南,李铁成 (中国电波传播研究所青岛分所,山东青岛266107) 摘要提出了一种皋于ITS短波信道模型的HF信道模拟器的实现方法,并给出了线 性调频信号通过HF信道 .信号通过信道后产生的时延展宽,多普勒频移模拟器后频域的MATIAB仿真结果 和多普勒展宽都是利用现场可编 程逻辑门阵列来实现.电离层参数是利用二维射线追踪技术根据选定的电离层模 型得到.这种HF信道模拟器适用 于高达500kHz带宽的信号.利用这种HF信道模拟器,实现了在实验室研究探测信 号经过HF信道传输的特性的 可能. 关键词ITS信道模型;FPGA;HF信道模拟器;MATLAB 中图分类号TNO11.2文献标识码A文章编号1003—3106(2010)Ol,0032—03 RealizationofHFChannelSimulatorBasedonITSChannelModel TANShuai,JIAOPei—nan,LITie—cheng (QingdaoBranchInstitute,CR1RP,QingdaoShandong266107,China) AbstractInthispaper,anHFchannelsimulatordesignmethodispresentedbasedonITSshort wavechannelmodel,andtheMatlab simulationresultsinfrequencydomainf(1rLFMsignalspassingthroughtheHFchannelsimu latoraregiven.Thedelaytimespread,Doppler shiftandtheDopplerspreadofsignalspassingthroughtheHFchannelarerealizedbyFieldPro grammableGateArray.Theionospheric parametersaFeobtainedbythree—dimensionalray— tracingtechniquewhichusesaselectedionosphet'icnmde1SuchHFchannelsimulatoris validfor500kHzbandwidth.AndbyusingthisHFchannelsimulator,itispracticableinlabora tory"tostudythecharacteristicofprobing signalpassedthroughHFchanne1. KeyWOrdsITSchannelmodel;FPGA;HFchannelsimulator;MATLAB 0引言 长期以来,HF信道模拟器一直被认为是研究短 波系统性能的有效手段.通过使用HF信道模拟器 有利于短波系统的验证,以及在相同的信道状态下 研究不同信号的适应性,降低前期研发的难度和成 本.然而要能够真实地反映HF信道,信道模型的 选取很重要.目前使用较多的是Watteron信道模型 和ITS信道模型.由于ITS信道模型能够精确地仿 真出各种类型的传输条件,适用于窄带以及带宽高 达500kHz的信号,故本文中的HF信道模拟器是在 ITS信道模型的基础上实现的. 1信道模型与系统结构 1.1ITS信道模型… 无线电信号通过电离层传输后会产生时间展 宽,多普勒频移和多普勒展宽,即通常所说的时间色 散和频率色散.在ITS信道模型中用下面的脉冲响 322010RadioEngineeringVo1.40No.1 应函数来描述_1J: h(t,r)=?^(t,r)=?,/pn(r)D(t,r)(,,r). n (1) 式中,n为路径数;P(r)为时延功率刮面函数,其服 从Gamma分布;D(t,r)为确定性相位函数,表示多 普勒频移;(t,r)为随机调制函数,用来描述多普 勒的展宽,有Gaussian和Lorentzian两种方式【. 1.2HF信道模拟器的系统结构 HF信道模拟器基于软件无线电的思想,通过对 输入信号的采样,采用数字下变频方法把得到的数 据流下变频到1.024MHz,然后输入到现场可编程 逻辑门阵列(FPGA)中.信号的时域展宽,频移和频 谱展宽以及加性噪声都在FPGA内实现.变换后的 数字基带信号通过数字上变频,DA转换后变换到需 要的频率后输出. HF信道模拟器的结构框图如图l所示. 收稿日期:200910.14 基金项目:国家自然科学基金(60771049). 电磁场与微波 I电离层参数获取 + 界面参数设置熬 【...................一I Iluul RF信号采样,DDCHI信道模拟FPGA实现HID/AI ?I . 一一'一. r :::::''-?,?I.外部接口 1 RF信号输入}lRF信号输出 图1HF信道模拟器的系统结构 模拟器内部能够提供信道的激励信号和采样脉 冲信号.内部激励信号和采样脉冲信号分别由2个 AD9852产生.由于AD9852能够产生正弦波,线性 调频信号等多种信号形式,而信号的幅度可通过系 统内部的数字衰减器任意调节,调节精度达到 0.5dB,故基本可以脱离外部的激励器.采样脉冲 输出固定为正弦波.同时模拟器以板卡的形式通过 PCI总线与主机连接,信号的各种参数控制可以通 过主机轻松设置,这就给研究不同信号的在短波信 道种的适应性带来了很大的方便.由于输入信号和 采样脉冲信号都具有内外切换的功能,故在具有特 殊要求的情况下可以使用外部提供的信号. 主机内部运行的控制程序主要由电离层模型和 参数控制组成.电离层的各项参数可以通过外部提 供或内部产生.外部提供的方式主要由具体的实验 数据,经过特定的电离层反演算法得到.内部产生 主要是在给定的电离层模型的基础上,利用射线追 踪技术得到不同时间,地点的信号的传播模式和 时延. 2信道模拟的FPGA实现 2.1时延展宽 由于FPGA的速度高,时钟频率能够轻松达到 上百MHz,实现肚S级的信号延迟分辨率很容易做 到.主机通过解二元方程后得到的信号时延展宽参 数存储到时延展宽寄存器中.利用与数据速率相等 的时钟信号做触发,读取寄存器中的数据与相应延 时的信号做乘积运算,实现时延展宽. 2.2信号的多普勒频移 信号的频移由确定性相位函数D(t,r)确定. 其中. 为信号延迟为r时的信号频移,m为信号 在时延宽度内的多普勒频移倾斜的斜率,z-为利用 射线追踪方法计算出的信号延迟.通过查找表的方 法实现信号的频移. 根据欧拉公式有: e J2~J, '=eos(27r(f~+m(r—r))t)+ i*sin(2~r(f,+m(r—r))t):(2) 由式(2)可知,多普勒频移值只与时延r有关,并假 设在积累的时间内信号频移不变. 已知下变频后数据的速率为1.024MHz,在本 设计中设定的信号频率精度为0.05Hz.则相邻 2个采样点数据的相位精度为: ?=27r×0.05×T…pk=3.07e,rad.(3) 由于相位是作为查找表的寻址地址,则要满足上面 的要求,在2不弧度内所需的信号的存储单元为 20480000个,所需要的存储器的长度为: N=log2(20480000).(4) 计算得N?25,故可知要到达0.05Hz的分辨率使 用的存储器的容量为32M与使用数据位的长度的乘 积,如此海量的存储器价格昂贵,同时增加了设计难 度和成本.故需要通过使用优化算法,在满足要求 的同时降低存储空间. 2.3信号的多普勒展宽 根据随机过程理论可知,通过HF信道的信号 是一个随机过程.从时域上看,每一个触发周期即 为一次样本函数.在每个时延点处的信号幅度是一 个随机变量,同时各延时点处的信号幅度是独立的. 而对相同延时的信号来说在时间上具有一定的相关 性,时间上的这种相关性决定了信号的多普勒展宽 和形状.通常使用的多普勒展宽为Gaussian和 Lorentzian型.实现多普勒展宽的方法有多种.此 HF模拟器中通过采样高斯滤波器得到FIR滤波器, 用2路高斯白噪声通过该滤波器实现多普勒的展 宽.2路高斯白噪声由m序列码产生的均匀分布的 白噪声通过Box—Muller变换得到. B0x—Mu11erl]变换公式如下: Y1:~/一21n(1)cos(27rx2),(5) y,:,/_sin(27rx2).(6) 式中,.,x2为服从(0,1)上的均匀分布,并相互 独立. 根据ITS信道模型理论,产生每一路延迟信号 2010耳无线电工程第40卷第1期33 电磁场与微波 的多普勒展宽的均匀分布的随机信号相互独立.故 对于时延展宽为n的信道来说,需要产生2*n个 独立的随机序列.已知在多普勒频移的产生中已经 建立了正余弦表,因此这里的正余弦也由查表法产 生.故这里只需增加对数表就可以利用查表法,用 产生的均匀分布序列作为地址得到需要的高斯白噪 声信号.信道的加性高斯白噪声,同样使用上面的 方法来实现. 3线性调频信号的仿真 在已知信道的脉冲响应后,需要把抽象的数学 公式通过硬件来实现,则需要大量的前期仿真.通 过仿真实现算0 垂m;-2至0一Ich垂锄摩调频信号进行^40lI卜一I 薹 '薰 ? 罄 时间,ms (a)时延展宽 频率/Hz (b)多普勒频移和展宽 图3信号的频移和展宽 线性凋频信号参数设定如下:带宽为500kHz, 342010RadioEngineeringVo1.40No,1 重复周期为40Hz,脉冲宽度为5ms,下变频后的速 率为1.024MHz.路径数为3,分别为chl,ch2和 ch3.tao为时延,其中chl的参数为:信号时延为 taocl=3.431ms,信号展宽为31S,当tao=taoc1时 的多普勒频移为1Hz,当tao:taoc1L(tao1L为路径 1的时延最小值,下同)时的多普勒频移为1Hz,多 普勒展宽为0.1Hz.ch2的参数为:信号延迟时间 taoc2=3.663ms,信号展宽为40S,当tao:taoc2时 的多普勒频移为0Hz,当tao=taoc2L时的多普勒频 移为0Hz,多普勒展宽为0.2Hz.ch3的参数为:信 号延迟时间taoc3=4.244ms,信号展宽为150s,当 tao=taoc3时的多普勒频移为5Hz,当tao=taoc3L 时的多普勒频移为5Hz,多普勒展宽为1Hz. 4结束语 随着技术的进步,FPGA的处理速度得到很大的 提高,外部时钟很容易达到几百MHz.同时片上集 成了大容量的RAM,乘法器和丰富的外部接口.利 用FPGA来实现HF信道模拟器,使设计得到简化, 利于算法的优化.利用VHDL语言编程实现的各功 能模块不受器件本身的限制,具有很强的可移植性. 由于ITS信道模型同时考虑了信道对宽带信号的时 延展宽和频谱展宽,这就给信道模拟器带来了很大 的难度.然而利用FPGA可以很容易地实现信号的 时延展宽.通过FPGA能够很容易产生均匀分布的 M码信号J,便于实现信号的频谱扩展.由于ITS 模型能够精确模拟各种信道传输条件,故设计一种 基于ITS信道模型的信道模拟器具有很重要的 意义..|. 参考文献 [1]MASTRANGEIOJF,LEMMONJJ,VOGLERLE,eta1.A NewWidebandHighFrequencyChannelSimulation System[J].IEEETransCommun.,1997,45(1):26—34. [2]VOGLERLE,HOFFMEYERJA.AModelforWidebandHF PropagationChannels[J].RadioScience,1993,28(6):1131— 1142 [3]BOXGEP,MULLERME.ANoteontheGenerationof RandomNormalDeviates[J].TheAnnalsofMathematical Statistics,1958,29(2):610—611. [4]管字.用FPGA产生高斯白噪声序列的一种快速方 法[J].设计参考,2008,10(11):55—58. 作者简介 谭帅男,(1981一),中国电波传播研究所硕士研究生,电磁 场与微波技术专业.主要研究方向:电离层信道模拟.