基于OFDM的短波多天线分集接收技术性能仿真

杨美华， 朱宇峰， 魏 巍

(91630部队，广东 广州 510320)

0 引言

短波通信是无线通信的一种。多径干扰、深衰落、多普勒频移等现象是影响短波通信质量的重要因素。多径时延会引起接收码元串扰,限制数据速率的提高；深衰落会使接收信号幅度产生剧烈起伏,导致突发性错误；而多普勒频移会引起信号的频率结构、相位发生变化，造成信号的错误接收。为了克服上述短波信道的缺点，该文提出一种将正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）调制方式应用于短波通信的通信体制，它具备 OFDM调制信号对抗多径衰落能力突出和频谱效率高等优势，同时，在接收端采用多天线分集合并接收技术，在不加大发射功率情况下，提高接收信号信噪比，确保通信的可靠性。

1 OFDM原理描述

OFDM[1]技术属于多载波调制技术，它将信道划分成若干个连续的两两相互正交的子信道，利用正交的子载波对子信道上的信号进行调制[2]。这样一来，虽然总的信道是非平坦的、具有频率选择性衰落的，但单个子信道是相对平坦的。在子信道上进行信息的窄带传输，信号带宽小于信道的相关带宽，可以在一定程度上消除符号间的串扰。同时由于各子载波相互正交，其频谱相互重叠，频谱利用率也大大提高。该设计的系统如图1所示。

图1 OFDM系统调制

2 信道模型

短波Watterson信道模型[5]较全面地考虑了短波信道的瑞利衰落、多径时延以及多普勒效应等特性，是目前较完善的短波窄带信道模型。该模型如图2所示。

图2 Watterson信道模型

图2中的Watterson模型通过用独立复高斯过程对多径信号进行幅度和相位的调制，来模拟高频信道的瑞利衰落和多普勒效应。其中NG(t)为加性高斯白噪声，NI(t)为包括电台干扰和人为干扰在内的各种干扰。

在不考虑干扰和噪声的情况下，Watterson模型的频域时变冲激响应如式（1）所示：

式（10）中，i为路径号，n为路径总数，τi为第i路的时延；Gi(t)为第i路由于电离层波动而导致的时变增益函数，Gi(t)

如式（2）所示：

式（2）中，每条传播路径等效为两个磁离子分量，fdi-1和fdi-2分别为两个磁离子分量的多普勒频移；是2个相互独立、稳定且具有各态历经性的复高斯随机过程，其包络服从瑞利分布。Gi(t)的频域函数如式（3）所示：

3 分集合并接收技术

由于存在多径干扰，短波信道可能产生衰落深度高达40 dB甚至更多的快衰落，分集合并接收技术作为一种信号处理技术，相对于仅通过大幅度加大发射功率来对抗深衰落，是较切实可行的。所谓分集，就是利用无线传播环境中来自不同途径或支路的多径信号的统计独立性进行合并。这些多径信号可以来自不同的时间、空间、频率、角度乃至是不同的极化方向等。多条路径或支路上的信号同时经历深衰落的概率相对于仅用1条路径或支路接收信号经历深衰落的概率要小的多。由此可以利用分集技术来改变译码器输入端信噪比的统计特性。

如图3所示，在该文应用的短波双天线分集接收系统中，双天线信号采用译码级的基于信噪比加权的最大比值软合并技术。在进行译码之前，不同的通道分别进行独立的信道估计、均衡、解调，根据各自的解调信噪比，对解调比特的可信度基于信噪比进行加权，再进行合并。当各通道的增益基本相当时，可以获得定向增益。而各通道起伏差别很大时，则可获得分集增益。

4 性能仿真

（1）信道参数

鉴于中国主要位于地球中纬度地区，参考ITU-R（国际电信联盟无线电通信局）发布的 Recommendation ITU-R F.1487[6]标准提供的中纬度地区恶劣信道参数指标,设置信道参数如表1所示。设置OFDM参数如下：采样频率4 kHz，FFT子载波数N=64，实际使用40个子载波传输信息，信号占用带宽 2.5 kHz，每个子载波使用 QPSK调制，循环前缀CP为16。

（2）系统误码率仿真

该文将OFDM技术应用于短波通信，信道采用Watterson短波信道模型，接收端采用多天线分集合并技术（具体过程根据图1和图3）。在信息传输速率分别为50 b/s、300 b/s和600 b/s的情况下，得到了3种速率条件下的多天线分集误码率曲线，如图4、图5和图6所示。

表1 中纬度劣等条件信道参数

图4 50 b/s速率下的分集误码率

图5 300 b/s速率下的分集误码率

图6 600 b/s速率下的分集误码率

图4、图5和图6所示的分集误码曲线，分别仿真了文中系统在中纬度劣等信道条件下，信息传输速率分别为50 b/s、300 b/s和600 b/s时的误码率性能。接收分集分别为单天线接收、双天线分集合并接收、三天线分集合并接收以及四天线分集合并接收等4种情况。图中纵坐标代表误码率，横坐标代表信噪比。从图4、图5和图6中可以看出：在e-03误码率情况下，信息传输速率分别为50 b/s、300 b/s和600 b/s时，双天线分集合并接收相对于单天线接收分别有2 dB、3 dB和3 dB的误码性能增益；三天线接收对于单天线接收分别有3.5 dB、4.5 dB和5 dB的误码性能增益；而四天线接收对于单天线接收分别有4 dB、5 dB和6 dB的误码性能能增益。当分集阶数从1变为2时，误码性能分别有2 dB、3 dB和3 dB的增益；分集阶数从2到3时，误码性能分别只有1.5 dB、1.5 dB和2 dB的增益；分集阶数从3变到4时，误码性能增益分别减为0.5 dB、0.5 dB和1 dB。从仿真结果来看，分集阶数从1变为2时，获得的性能增益最大，而随着分集阶数的增加，性能增益增加的趋势减少。

5 结语

该文基于Watterson短波信道模型，采用ITU-R建议的短波信道仿真参数，对该文设计的OFDM调制下短波多天线分集接收系统的误码率进行了性能仿真。仿真结果表明，采用多天线分集合并接收技术能明显降低系统的误码率，提高通信的可靠性；同时双天线分集接收相对单天线分集接收误码性能增益明显，但随着分集阶数的增加，性能增益的趋势逐渐减少。

[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]佟学俭, 罗涛.OFDM移动通信技术原理与应用[M].北京:人民邮电出版社,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].