基于 Simulink 的短波通信系统的仿真研究
摘要：文章通过对短波通信信道特性及其信道模型的描述，研究 QPSK、DQPSK 和 4FSK 三种调制方式对短波瑞利衰落信道的影响，并基于 simulink 仿真三种调制方式对短波数字通信系统进行了性能分析。
关键词：短波信道特性；QPSK；DQPSK；4FSK；Simulink中图分类号：TN919.3 文献标识码：A 文章编号：1673-1131（2015）10-0204-02.
短波通信主要是经过电离层反射来传播信号，是远距离通信中很重要的一种传播方式，因其抗摧毁能力强，灵活性好，设备简单等优点被广泛应用于应急通信，军事通信，以及船泊通信等无线通信领域。在实际传输中，短波传播因受昼夜、季节和太阳黑子活动以及多径效应和多普勒频移而产生相干衰落和码间干扰，使其在短波通信在稳定性和可靠性方面较差。本文基于短波信道 wasttern 模型，基于 simulink 仿真的方法，研究分析了不同的调制方式对短波多径瑞利衰落的影响。
1 短波通信信道特性
短波通信系统区别于其他通信系统主要是其信道特性，短波传输分为天波和地波两种方式，对天波传输方式而言，短波信道是一种时变色散的信道，它利用电离层的反射传递信息。它一方面受到电离层的吸收，干涉，极化及其分层和不稳定性所引起的慢衰落的影响，另一方面受到电波传播过程中由于多次反射所产生的不同传播模式所引起的多径衰落（快衰落）的影响，因此短波通信中系统的可靠性稳定性以及有效性受到了影响，严重时可能会引起通信中断。其中对误码率影响最大的传播现象是多径传播现象（多径效应），多径效应是短波通信过程中对短波通信影响最大的因素。由于电离层的分层和多次折射特性、地面的反射作用、地球磁场的作用等影响，使短波电波在传播过程中容易受到多径效应的影响。天波传播过程中电波通过多条路径到达接收端，天波传播路径通常是 2-4 条路径。短波通信中的多径效应主要受以下因素影响：①多径时延，②多普勒频移，③通信距 离。多径时延主要引起频率选择性衰落，而多普勒频移主要引起时间选择性衰落。通信距离通常引起信号幅度衰减。
2 短波通信系统的 simulink 仿真
实际短波天波传播过程中并不会只与这三个因素有关，还受天线发射方向，天波传播模型以及突发噪声等的影响，在此我们并没有进行深入研究。为了更有效评估短波无线通信系统性能时，人们提出来许多短波信道模型，常见的信道模型有：watterson 等人提出的高斯散射增益抽头延迟线模型（gaussian 信道，ITU2R F.25022Good 信道和 Poor 信道）、Hoffmeyer 等人提出的采用电离层物理参数的信道模型（okumura 信道、Hata信道、okumara-hata信道）和Giles 等人提出的采用短波信道冲击响应直接测量法的模型等。watterson 模型是一种适于仿真且算法简单的信道模型，因此很多仿真都应用这种模型，而 Okumura 信道模型，Hata 模型则是根据统计测量所测得的模型，不同的模型适应不同的地形，本文我们用watterson信道模型来仿真，若接收信号为 x(t) ，则经过 n 条路径，信道的输出为：
（1）
式中 n 为传播路径，ai(t) 和 i(t) 为第 i 条路径的衰减和多径延迟，则多径信道的频域冲击响应为：
（2）
式中 为多普勒频移。
信号在信道传输中分别受加性干扰和乘性干扰的影响，多径效应就相当于乘性干扰，加性干扰即加性高斯白噪声在任何信道中都存在，因此我们在仿真中需要加入高斯白噪声模块（AWGN模块），多径信道则采用多径瑞利衰落模块即Rayleigh Fading 模块。对于输入信号，通过随机产生二进制的码元，映射为格雷码，再经过各种调制方式，通过瑞利衰落信道和 AWGN 信道，在经过解调和映射，从而根据误码率模块来检测系统性能。
3 仿真性能及结果分析
对于 DQPSK 和 4FSK 的 simulink，只需把 QPSK 调制解调模块变为 MDPSK 模块和 MFSK 模块，当信号发生器产生码元持续时间为 0.001s的二进制数据且，每一帧输出 1000bit，多普勒频移为 100Hz，时延为[0 1/10000]，增益为[0 -3]，经过矩形脉冲的信号抽样率为 4000hz，则三种调制方式对应仿真结果如图 1。
图 1 三种调制方式的性能仿真图
由图 1 可以看出，QPSK 经过瑞利衰落信道后，误码率和误比特率并没有随着信躁比变化，而 DQPSK 和 4FSK 信号经过瑞利衰落信道后，误码率和误比特率随信噪比明显下降，因此验证了三种调制方式在短波信道的特性。
4 结语
本文通过对短波信道的分析研究，在 watterson 信道模型的基础上，利用 simulink 对短波数字通信系统进行了仿真分析，并通过QPSK、DQPSK、4FSK 三种调制系统的误码率和误符号率对衰落信道的特性进行了仿真研究。
参考文献：
[1] 樊昌信,曹丽娜.通信原理[M].国防工业出版社,2011.
[2] 刘学勇.通信系统建模与仿真[M].电子工业出版社,2013.
[3] 权宁波, 朱晓明, 吴江. 基于 Watterson 模型的短波信道的simulink 仿真与研究[J].现代电子技术，2,007,30(3).
[4] 韩仿仿,林自豪.基于 Watterson 模型的短波信道仿真[J].
中国无线电,2012(5)
作者简介：张晓（1990-），女，山西运城人，硕士，研究方向为电子与通信工程。
