短波宽带信道中噪声与干扰建模

徐谡钦， 徐以涛

（解放军理工大学 通信工程学院，江苏 南京 210007)

0 引言

短波是指频率范围为3～30 MHz的无线电波，可以依靠地波和天波等方式传输。其中，天波传播依靠电离层对无线电波的反射或折射作用，使无线电信号几乎可以传输到地球上任何区域，是远距离短波通信常用的传播方式。由于电离层各层受到地理位置、昼夜、季节、以及太阳活动等条件变化的影响，使得短波信道具有多径时变的特性，对其进行准确地信道建模对系统设计和性能具有重大意义。

上世纪70年代以来，短波信道建模得到了极大关注，目前短波信道模型主要分为宽带和窄带模型两类。1970年Watterson首先提出一种经典的窄带模型[1]，得到国际无线电咨询委员会（CCIR，Consultative Committee of International Radio）推荐并被广泛使用。此后，为克服该模型有效带宽较窄的缺陷，有人致力于改进Watterson模型以适用于短波宽带通信[2-6]，而Vogler与Hoffmeyer则另提出了一种经典的宽带模型[7]。一般意义上的信道建模包括信道衰落特性建模和噪声与干扰建模，这些模型都主要涉及前者，文献[8]对此进行了介绍及比较分析。本文将对后者进行比较和可靠性分析。

1 噪声与干扰模型

1.1 John J.Lemmon模型

1989年，John J.Lemmon将短波通信中噪声与干扰分为 A、B两类，若噪声与干扰的带宽小于或接近于接收机带宽，则为A类，此外为B类。A类主要为窄带过程，B类主要为宽带过程如大气噪声和人为噪声。文中提出模型为窄带高斯过程与 Hall过程的叠加[9]，即：

其中 G(t)、H(t)分别表示高斯过程和 Hall过程。假设G(t)、H(t)统计独立，则噪声与干扰功率包络概率密度函数：

其中，qG(y)和qH(y) 分别为 G(t)、H(t)的功率包络概率密度函数。经过统计分析，有：

其中Γ(a, z)为不完全Γ函数，其定义为:

考虑噪声与干扰功率包络的幅度密度分布为:

经推算，有：

即功率较高时近似于Hall过程。该模型在窄带通信情况下与测量数据特性相近，而在带宽较宽时则有待进一步改进。

John J.Lemmon随后在文献[10]中研究了通过接收机滤波器前的噪声与干扰，在前述模型基础上提出了第三种成分脉冲噪声，进一步完善了该模型。然而脉冲噪声的研究尚在进行，其具体表达式模型还有待探讨。但是文中已揭示出该成分的一些特性：①时域幅度分布可用Hall模型描述，只是比同样描述窄带干扰所需要的参数值更多样化；②相位服从平均分布；③脉冲噪声表现出时间周期性，表明该成分是人为噪声而不是大气噪声。总体来说，还需要进行更多的数据分析才能确定脉冲噪声模型。因此，文中仿真模型实际由高斯噪声和40个正弦波组成，与实际测量数据的功率谱及一阶统计特性有很好地拟合性，已具有一定的代表性。

1.2 John F.Mastrangelo模型

1997年，John F.Mastrangelo等人提出噪声与干扰模型由四部分组成：带限高斯噪声，窄带干扰（正弦波），人为噪声以及大气噪声[11]，其表达式如下

其中 N(t)为射频噪声与干扰信号，I(t)、Q(t)分别为基带噪声信号的同相和正交分量，f0表示载波频率，模型复基带电平：

可表示为：

其中第一部分G( t)为零均值复带限高斯噪声；第二部分是正弦噪声，Δfl为正弦波基带频率（Δfl=fl-f0）、Cl为正弦波的幅度，φl为随机相位；第三部分是冲击噪声，tk为滤波后脉冲到达时间，Bk表示脉冲幅度，W表示理想低通滤波器带宽，A( t)表示大气噪声波形。此处如前所述，窄带干扰的频率和相位仍服从均匀分布，其幅度概率密度分布也可用Hall过程给出。人为噪声幅度Bk具有最大值Bmax，在小于Bmax时用Hall模型表示，而超过该值时为0。研究表明，人为噪声脉冲宽度及其脉冲间隔具有在时间上相关的群簇发性。大气噪声通常因雷电而爆发，因而在时间上呈簇状。文中根据实测数据提出一种具有三个参数的更新过程模型以描述爆发持续时间和爆发时间间隔。当平均噪声功率大于（或小于）某一阈值时，对应一个爆发事件的发生（或终止）。爆发周期和时间间隔的概率密度函数可表示为：

其中 ζ1,ζ2,ζ3是自由参数，T表示爆发周期或间隔，单位为秒。对于爆发持续时间，取ζ1=57.43,ζ2=32.23,ζ3=2.68；对于时间间隔取ζ1=18.62,ζ2= 16.62,ζ3= 1.49。

2 可靠性分析

文献[12-14]结合ITS短波宽带模型，以John F.Mastrangelo模型对短波宽带信道中噪声与干扰进行了仿真和可靠性分析，仿真结果与实际测量数据一致，证明了该模型的有效性。而且对比人为脉冲噪声和大气噪声的仿真结果，虽然两者都具有突发特性，但是两者在突发的持续时间和时间间隔上有明显区别，脉冲噪声具有准周期特性，而大气噪声的突发持续时间和时间间隔具有随机性[13]。

3 结语

相对于短波宽带信道衰落特性模型的多样化，短波宽带信道噪声与干扰模型比较统一，以John F.Mastrangelo模型最为全面而接近实际测量数据，已经比较完善。建立短波宽带信道噪声与干扰模型的目的是为了更有效地进行噪声与干扰的抑制，提高短波宽带通信系统抗干扰性能，文献[15-16]分别介绍了两种用编码调制方案抑制干扰的方法，很有启发性，也是下一步研究的重点方向。

[1]WATTERSON C C.Experimental Confirmation of an HF Channel Model [J].IEEE Trans.On Commun.Technol,1970(81):792-803.

[2]TIMOTHY C G.On the Design of HF Radio Modems[M].Adelaide: The University of Adelaide,1995.

[3]Van der Perre L, Liesbet Van A.Implementation of an Extend Simulation for the Channel on a Multi-DSP Board[J].HF Radio Systems and Techniques,1997(411):373-377.

[4]LACAZE B.Modeling the HF Channel with Gaussian Random Delays[J].Signal Processing,1998(64):215-220.

[5]MILSON J D.Wideband Channel Characteristics and Short Spread-spectrum Link[J].HF Radio Systems and Techniques,2000(474):305-309.

[6]刘洋,朱立东.一种改进的窄带短波信道模型及其仿真实现方法[J].通信技术,2009,42(05):1-4.

[7]VOGLER L E, HOFFMEYER J A.A Model for Wideband HF Propagation Channels[J].Radio Sci, 1993, 28(06):1131-1142.

[8]唐万斌,涂旭东,李少谦.短波通信中的宽带信道建模方法与比较[J].电子科技大学学报,2003,32(05):555-559.

[9]LEMMON J J.Wideband HF Noise and Interference Modeling[C].USA: IEEE,1989:846-851.

[10]LEMMON J J.Recent Progress in the Development of a Wideband HF Noise and Interference Model[J].HF Radio System and Techniques 1990(03):1189-1198.

[11]MASTRANGELO J F.A New Wideband High Frequency Channel Simulation System[J].IEEE Transactions on Communications, 1997(45):26-34.

[12]刘强.短波宽带信道模拟器研究[D].西安:西安电子科技大学,2007.

[13]叶建超.短波宽信道仿真的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2009.

[14]张萍,张水莲,秦志强.ITS宽带短波信道及其噪声和仿真[J].通信技术,2009,42(02):15-17.

[15]黄文准,王永生,王顶.一种宽带抗干扰信号的仿真及其 FPGA实现[J].信息安全与通信保密,2009(04):53-55.

[16]贾儒鹏,周军,李强.基于 CPM的部分带干扰抑制技术[J].信息安全与通信保密,2011,09(07)33-36.