基于DSP的話(huà)音帶寬短波信道模擬器

摘要：介紹了一種基于DSP平臺的話(huà)音帶寬波信道模擬器。該模擬器不僅可以提供短波信道的主要特點(diǎn)，如多徑傳輸、瑞利衰落、多普勒頻移等，而且實(shí)現了對傳輸信號的全數字化實(shí)時(shí)處理。 關(guān)鍵詞：數字信號處理 短波通信 信道模擬 瑞利衰落 為了測試短波（高頻）通信設備的性能，通常需要在實(shí)際通信環(huán)境中進(jìn)行大量的外場(chǎng)實(shí)驗。相比之下，信道模擬器能夠在實(shí)驗室環(huán)境下進(jìn)行類(lèi)似的性能測試，測試費用少、可重復性強，而且可以縮短設備的研制周期。短波信道是隨機變參信道，根據一些統計規律，可以有所側重地建立近似的信道模型。目前，比較有代表性的信道模型有：Watterson等人提出的高斯散射增益抽頭延遲線(xiàn)模型（簡(jiǎn)稱(chēng)Watterson模型）、Hoffmeyer等人提出的采用電離層物理參數的信道模型和Giles等人提出的采用短波信道沖激響應直接測量法的模型等。這些模型中，Watterson模型的主要優(yōu)點(diǎn)是計算的復雜度低，能在大多數情況下較好地描繪短波信道的特性，現已被CCIR推薦并廣泛采用。 本文采用Watterson模型，以TMS320VC33為核心器件，提出了軟硬件結合，以軟件為主的設計思想，對300～3000Hz帶寬基帶短波信道的主要特性進(jìn)行模擬，能較好地滿(mǎn)足實(shí)驗需求。1 Watterson信道模型 Watterson等人提出的高斯散射增益抽頭延遲線(xiàn)模型如圖1。 圖1中，發(fā)射信號經(jīng)理想的時(shí)延線(xiàn)后，在若干個(gè)可調抽頭處送出，在每路抽頭處，時(shí)延信號由一個(gè)復隨機分支增益函數gi（t）進(jìn)行調制，各路已調信號和加性噪聲相加，形成接收信號。 復隨機分支增益函數是體現信道特性的一個(gè)重要參數，其定義如下： 式（1）中a和b表示路徑中的兩個(gè)磁離子分量；g’ia(t)和g’a(t)是兩個(gè)相互獨立的各態(tài)歷經(jīng)復高斯隨機過(guò)程（均值為零）；wiat和wibt提供兩個(gè)磁離子分量所希望的多普勒頻移。 每個(gè)復隨機分支增益函數gi(t)的功率譜函數為： 式（2）中Aia和Aib為磁離子分量的衰減系數；2σia和2σib決定多普勒頻展。 Watterson等人驗證了模型的正確性，并指出，當每一路徑采用兩個(gè)磁離子分量時(shí)： （1）如果載頻較低，兩個(gè)磁離子分量的多普勒頻移和頻展近似相等，它們的功率譜幾乎重合，這樣只需一個(gè)磁離子分量即可表示； （2）如果載頻較高，兩個(gè)磁離子分量的相對時(shí)延顯著(zhù)，應使用兩個(gè)不同磁離子分量。2 關(guān)鍵技術(shù) 2．1 瑞利衰落的產(chǎn)生 一般地，隨機過(guò)程V（t）可表示為： V（t）=n(t)cos[ωct+θ(t)] (3) 如果式（3）中n(t)服從瑞利分布，θ（t）服從（0～2π）內的均勻分布?？梢宰C明，V（t）還可有如下表達式： V（t）=na(t)cosωct+nb(t)sinωct (4) （3）式和（4）式中變理的關(guān)系如下： 此時(shí)要求na(t)和nb（t）是獨立的正態(tài)分量，并滿(mǎn)足下列條件： %26;#183;na(t)和nb(t)不相關(guān)； %26;#183;na(t)和nb(t)的幅度服從高斯概率密度函數，且均值為零、均方根相等； %26;#183;na(t)和nb(t)具有高斯型的功率譜。 因此，只要產(chǎn)生出滿(mǎn)足上述條件的na(t)和nb(t)，即可得到n(t)。故而，在Watterson模型中，瑞利衰落對輸入信號的影響，可近似看作兩個(gè)獨立的同相和正交高斯噪聲源對輸入信號的調制。2．2 高斯噪聲的產(chǎn)生 本文以線(xiàn)性同余法為基礎，產(chǎn)生高斯噪聲，步驟如下： (1) 利用線(xiàn)性同余法的偽隨機序列，得到（0，(4) 1）區間均勻分布的隨機數； (2) 通過(guò)進(jìn)一步的算法（變換），得到希望的偽高斯噪聲。 線(xiàn)性同余產(chǎn)生隨機數的迭代公式如下： Xi+1=(aXi+c)(modm) (5) 式（5）中a為常數，c為增量（一般取c=0），模數m為質(zhì)數，初值X0（種子數）要噗任意非負整數。由此可得一組周期為（m-1）的偽隨機序列{Xi}。利用xi=Xi/m可得到（0，1）區間均勻分布的隨機數xi。 高斯分布隨機數可由隨機數xi得到，利用公式如下： 不難看出，ni近似服從均值為0、方差為1的高斯分布。同理，根據分式： 可得到均值為0，方并為（αm）2的高斯分布隨機數。（7）式中α為功率增益因子。 為保證na(t)和nb（t）不相關(guān)，產(chǎn)生na(t)和nb(t)的偽隨機序不僅要有良好的自相關(guān)特性，而且它們的互相關(guān)峰值要盡量小。實(shí)驗表明，若兩序列的模數足夠大且不相等，就可保證序列對在較長(cháng)時(shí)間內滿(mǎn)足上述相關(guān)特性。 2．3 低通濾波器的實(shí)現 根據（2）式，為使每個(gè)磁離子分量功率譜為高斯型，每個(gè)分量上所需的幅度響應為： （8）式中aik為衰減系數（k=a,b）。利用MATLAB6.1的iirlpnorm()函數可構造IIR濾波器，并使其幅度響應逼近|H’ik(ω)|。 Iirlpnorm(n,d,f,edges,a)函數中，參數n為零點(diǎn)個(gè)數，d為極點(diǎn)個(gè)數，向量f為頻率采樣點(diǎn)向量，edges為邊沿向量，a為與f對應的輪廓曲線(xiàn)向量。利用上述參數，iirlpnorm()函數可得到相應濾波器傳遞函數的存儲矩陣[ba]。矩陣[b a]的各存儲向量定義如下： b=[b(1) b(2)…b(m+1)] a=[a(1) a(2)…a(n+1)] 它們對應線(xiàn)性離散系統的傳遞函數為： 一般地，H（z）是濾波器|H’a(ω)|的最佳逼近。經(jīng)驗證，在采樣為9.6kHz的情況下，采用8階IIR濾波器，可得到不同頻展要求下的濾波器，且設計的濾波器帶寬與理想帶寬誤差較小。 一般地，在計算過(guò)程中，H(z)系數的微小變動(dòng)可能會(huì )惡化幅度響應。為確保系統穩定，通常將傳遞函數變成二次分式級聯(lián)形式： 在級聯(lián)實(shí)現中，可以用極點(diǎn)和零點(diǎn)配對的方法，將共軛的零極點(diǎn)或相近的零極點(diǎn)組合成一個(gè)二階濾波器，從而使頻域幅度響應達到濾波器的設計要求。利用MATLAB中tf 2sos(b,a)函數可實(shí)現傳遞函數到二次分工形式的轉換，并將結果保存到與（10）式對應的系數矩陣sos：在實(shí)現過(guò)程中，首先通過(guò)MATLAB生成不同頻展要求下IIR濾波器的系數矩陣sos，然后將這些系數存放在DSP片外RAM中。模擬器工作時(shí)，由控制程序根據不同的頻展選擇相應的系數。高斯噪聲源經(jīng)過(guò)選定的IIR濾波器，生成衰落所需的高斯控制信號。 3 模型實(shí)現與測試 在采用2條路徑的情況下，對于第I條路徑（i=1,2），每路磁離子分量上產(chǎn)生衰落的復高斯控制信號分別為： g’ia(t)=nlia(t)+inQia(t) g’ib(t)=nIib(t)+inQib(t) 假設輸入復倍為：z(t)=x(t)+jx’(t) 則第I條路徑的輸出信號應為：由于模擬器的工作帶寬較低，可令： 此時(shí)，第I條路徑的輸出信號為： yi(t)=[x(t)nli(t)-x(t)nQi(t)]cos2πωit-[x(t)nQi(t)+x’(t)nli(t)]sin2πωit (12) 若n(t)為加性噪聲，可得模擬器的輸出為： 由上述分析可得，采用2路多徑的短波信道模擬器的總線(xiàn)結構框圖（圖2）。 完成Watterson模型的模擬器主要包括基于TMS320VC33的DSP板和進(jìn)行DSP參數控制的PC，系統硬件結構如圖3。模擬器的多徑傳輸、瑞利衰落、多普勒頻移等主要算法通過(guò)TMS320VC33實(shí)現，所有模擬都由軟件完成；液晶控制面板進(jìn)行參數的設定并在運行時(shí)發(fā)送到DSP；濾波器系數和正弦漢卡等數據存儲于片外RAM（IS61LV12816）；采樣、A/D轉換以及D/A轉換由TLV320AIC10信號轉換芯片完成。 TLV320AIC10是TI公司推出的低功耗16位A/D、D/A轉換芯片。使用其片內FIR濾波器時(shí)采樣頻率最高可達22Ksps，采用片外FIR濾波器時(shí)其采樣速度最高可達88Asps，工作方式和采樣速率均可由DSP編程設置。 根據短信道的一些統計特性和實(shí)驗室的工作要求，確定模擬器的參數指標并進(jìn)行了測試。輸入信號為1200Hz的正弦波，譯定A/D采親率為9.6kHz，路徑時(shí)延2ms，多普勒頻移30Hz，頻率2Hz，無(wú)加性噪聲，得到輸出信號的4800個(gè)樣點(diǎn)（如圖4）。 本文介紹了一種短波通信信道模擬器的設計與實(shí)現。在信道模擬器的設計中，采用兩路經(jīng)過(guò)高斯型功率譜IIR濾波器的高斯過(guò)程的同相和正交分量合成單徑瑞利衰落高斯型功率譜IIR濾波器由MATLAB設計，產(chǎn)生的濾波器系統存放在DSP外圍RAM中。輸入信號的采樣量化、噪聲源的產(chǎn)生、衰落的形成以及多徑傳輸等過(guò)程均由DSP及外圍設備協(xié)同處理完成，實(shí)現了對傳輸信號的全數字化處理，能夠實(shí)時(shí)模擬實(shí)際短波通信信道環(huán)境。測試表明，該模擬器的主要技術(shù)指標均能達到設計要求。