韓明鑰，馮曉東

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081;2.總參信息化部駐石家莊地區(qū)軍事代表室，河北石家莊050081)

0 引言

對(duì)流層散射傳播存在多徑傳播現(xiàn)象，導(dǎo)致接收信號(hào)存在嚴(yán)重的衰落，為此必須采用分集接收技術(shù)［1，2］。傳統(tǒng)散射調(diào)制解調(diào)器通常采用空間與頻率結(jié)合的分集方式，每個(gè)空間分集通道中各個(gè)頻率分集信號(hào)的瞬時(shí)接收電平相差高達(dá)20 dB，卻占用了相同的發(fā)射功率，導(dǎo)致功率利用率較低，對(duì)此提出空間分集選頻技術(shù)體制［3，4］。針對(duì)兩重空間分集站型條件下的應(yīng)用，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了兩重空間分集選頻調(diào)制解調(diào)器，通過(guò)信道認(rèn)知、反饋控制和自適應(yīng)傳輸?shù)囊惑w化工作過(guò)程，可將功率集中在衰落最小的頻率上發(fā)射，獲得散射信道下傳輸性能的提升。

1 設(shè)備組成與工作原理

空間分集選頻調(diào)制解調(diào)器完成信道認(rèn)知、協(xié)議控制及業(yè)務(wù)信息的復(fù)分接與調(diào)制解調(diào)功能，主要包括:輔助復(fù)分接、調(diào)制、探測(cè)信號(hào)產(chǎn)生、中放、解調(diào)、信道檢測(cè)、協(xié)議控制、監(jiān)控和電源單元等，其組成框圖如圖1所示。

圖1 空間分集選頻調(diào)制解調(diào)器組成

發(fā)端:業(yè)務(wù)信息經(jīng)輔助復(fù)接單元完成信息的復(fù)接成幀及TPC編碼，形成1路連續(xù)碼流及時(shí)鐘信號(hào)送給調(diào)制單元;調(diào)制單元根據(jù)協(xié)議控制單元輸出的調(diào)制載波頻率控制信號(hào)，在相應(yīng)頻點(diǎn)上完成信息調(diào)制，探測(cè)信號(hào)產(chǎn)生單元輸出一路信道探測(cè)信號(hào);調(diào)制信號(hào)與信道探測(cè)信號(hào)合并后形成一路中頻信號(hào)輸出。

接收端:2路中頻輸入信號(hào)經(jīng)中放單元完成混頻、濾波以及自動(dòng)增益控制，形成恒幅低中頻信號(hào)送給解調(diào)單元與信道檢測(cè)單元;解調(diào)單元根據(jù)協(xié)議控制單元輸出的解調(diào)載波頻率控制信號(hào)，在對(duì)應(yīng)頻率上進(jìn)行信號(hào)下變頻，然后完成相位不連續(xù)條件下的相干檢測(cè)、合并、同步與TPC譯碼，與此同時(shí)信道檢測(cè)單元完成各個(gè)探測(cè)頻點(diǎn)的能量檢測(cè)并進(jìn)行兩重空間分集合并，對(duì)比選出當(dāng)前衰落幅度最小的最佳頻率，并將其輸送給協(xié)議控制單元;最后譯碼結(jié)果經(jīng)輔助復(fù)分接單元進(jìn)行分接，恢復(fù)出業(yè)務(wù)信息。

2 關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 實(shí)時(shí)信道認(rèn)知技術(shù)

實(shí)時(shí)信道認(rèn)知即通過(guò)周期發(fā)送信道探測(cè)信號(hào)，在頻率選擇性衰落信道的時(shí)不變區(qū)間內(nèi)，針對(duì)工作帶寬內(nèi)各空間分集支路的幅頻特性進(jìn)行實(shí)時(shí)認(rèn)知，并將對(duì)應(yīng)于每部發(fā)射機(jī)的各空間分集支路的認(rèn)知結(jié)果進(jìn)行合并，進(jìn)而選出最佳工作頻點(diǎn)。由于散射信道衰落具有快速時(shí)變特性，要求信道認(rèn)知具有快速測(cè)量和決策的能力，另外由于散射信道的多徑時(shí)延展寬較小，使得探測(cè)頻率間隔較小，導(dǎo)致信道檢測(cè)復(fù)雜度較高。因此該項(xiàng)技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于2個(gè)方面:探測(cè)發(fā)送方式和信道檢測(cè)［5］。

2.1.1 探測(cè)發(fā)送方式

探測(cè)發(fā)送方式主要指探測(cè)信號(hào)與調(diào)制信號(hào)的協(xié)同發(fā)送方式，可選方案有分時(shí)發(fā)送和并行發(fā)送2種，對(duì)比如表1所示［6，7］。在保證性能惡化較小的前提下，采用實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較低方案，因此采用二者并行發(fā)送方式。探測(cè)信號(hào)選取周期發(fā)送校正的線性調(diào)頻信號(hào)，從而在工作帶范圍內(nèi)產(chǎn)生相同幅度、相同間隔的離散譜線，在此根據(jù)信道相關(guān)帶寬，選取工作帶寬33 MHz、譜線間隔 3.072 MHz。

表1 分時(shí)發(fā)送和并行發(fā)送方式的比較

2.1.2 信道檢測(cè)

信道檢測(cè)完成每個(gè)空間分集支路、每個(gè)探測(cè)頻點(diǎn)的能量檢測(cè)，不僅需要保證檢測(cè)結(jié)果的實(shí)時(shí)性及精確性，而且必須降低多通道、多頻點(diǎn)檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。綜上要求，該設(shè)計(jì)方案中，對(duì)于每個(gè)空間分集支路信號(hào)，檢測(cè)帶寬33 MHz、檢測(cè)帶寬分辨率100 Hz、檢測(cè)頻點(diǎn)數(shù)量11個(gè)，若采用傳統(tǒng)的FFT檢測(cè)方式，則復(fù)雜度非常高，導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)，因此采用零中頻信號(hào)窄帶濾波的檢測(cè)方法，其所需的主要資源為乘法器和加法器，數(shù)量分別為88個(gè)。

信道檢測(cè)單元實(shí)現(xiàn)原理如圖2所示，2個(gè)空間分集支路信號(hào)分別與各個(gè)對(duì)應(yīng)的低中頻載波混頻，通過(guò)抽取濾波降低時(shí)鐘頻率與采樣點(diǎn)數(shù)，然后經(jīng)積分累加、平方相加和分集合并得到各個(gè)頻點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果，最后比較選出能量最大的頻率，即為當(dāng)前衰落幅度最小的頻點(diǎn)。

圖2 信道檢測(cè)實(shí)現(xiàn)原理

2.2 鏈路反饋控制技術(shù)

由于信道快衰落認(rèn)知結(jié)果不僅控制本端解調(diào)載波，還需反饋對(duì)端控制調(diào)制載波，需要魯棒的鏈路反饋控制協(xié)議。發(fā)收兩端的載波切換時(shí)刻必須嚴(yán)格一致，保證傳輸信息不受損傷［8，9］。

鏈路反饋控制單元實(shí)現(xiàn)原理如圖3所示。

圖3 鏈路反饋控制實(shí)現(xiàn)原理

首先根據(jù)解調(diào)信息實(shí)時(shí)搜索當(dāng)前鏈路的幀同步狀態(tài)，若鏈路處于失步狀態(tài)則進(jìn)行鏈路建立過(guò)程，兩端均采用固定頻點(diǎn)傳輸信息，若處于同步狀態(tài)則開(kāi)始選頻工作，輸出當(dāng)前最佳工作頻率代號(hào)，控制對(duì)端調(diào)制載波及本端解調(diào)載波，最后根據(jù)同步狀態(tài)選擇輸出當(dāng)前選用頻率代號(hào)，送給本端解調(diào)器及對(duì)端調(diào)制器。

2.3 基于突發(fā)信號(hào)的散射解調(diào)技術(shù)

為了對(duì)抗散射信道傳播造成的多徑干擾，采用均衡技術(shù);由于實(shí)時(shí)工作頻率切換，導(dǎo)致載波相位不連續(xù)，使得解調(diào)信號(hào)呈現(xiàn)突發(fā)特性，要求均衡快速收斂，因此設(shè)計(jì)了基于訓(xùn)練序列的均衡解調(diào)器［10－12］。初始階段，通過(guò)盲均衡處理恢復(fù)出發(fā)送信息，并采用基于相位旋轉(zhuǎn)的幀頭匹配方式，即采用幀頭序列QPSK調(diào)制符號(hào)可能存在的4個(gè)不同相位狀態(tài)，與接收信息同時(shí)進(jìn)行幀頭匹配，從而實(shí)現(xiàn)快速捕獲幀同步;同步階段，將均衡器的參數(shù)在每幀頻率切換時(shí)刻進(jìn)行復(fù)位，并根據(jù)幀頭位置確定訓(xùn)練序列的準(zhǔn)確位置，采用已知訓(xùn)練序列對(duì)均衡過(guò)程進(jìn)行訓(xùn)練實(shí)現(xiàn)快速收斂。

針對(duì)該均衡器進(jìn)行了效果測(cè)試，將其均衡輸出眼圖進(jìn)行分析如圖4所示，其在一幀初始位置載波切換，均衡參數(shù)復(fù)位，圖中第100個(gè)符號(hào)為幀的切換時(shí)刻，眼圖閉合，經(jīng)過(guò)40個(gè)訓(xùn)練序列符號(hào)的引導(dǎo)，眼圖由閉合到睜開(kāi)，星座圖達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，在后續(xù)的符號(hào)，通過(guò)均衡器參數(shù)跟蹤，保持了星座圖的收斂穩(wěn)定狀態(tài)。由此可見(jiàn)該均衡器具有較高的收斂速度，滿足了突發(fā)傳輸要求。

圖4 均衡器實(shí)測(cè)結(jié)果

3 性能測(cè)試

為了驗(yàn)證該“兩重空間分集選頻調(diào)制解調(diào)器”是否達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，采用無(wú)線信道模擬器及微波收發(fā)信機(jī)搭建測(cè)試系統(tǒng)，針對(duì)其在恒參信道條件下的誤碼性能進(jìn)行測(cè)試，在誤碼率10－5條件下，無(wú)FEC時(shí)所需信噪比為10.5 dB，與理論曲線誤差約1 dB，采用FEC后所需信噪比降低為5.5 dB，獲得編碼增益5 dB。

在恒參信道性能得以驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，對(duì)其在散射信道下的性能進(jìn)行測(cè)試，并與兩重空間分集站型下的傳統(tǒng)散射調(diào)制解調(diào)器(兩重空間×兩重帶內(nèi)頻率)進(jìn)行對(duì)比。測(cè)試按照150 km散射鏈路特性，估算最大多徑時(shí)延展寬為320 ns，據(jù)此設(shè)置信道參數(shù)如表2所示，其中信道多徑數(shù)目為9。測(cè)試結(jié)果如圖5所示，可見(jiàn)該空間分集選頻調(diào)制解調(diào)器在誤碼率10－5時(shí)所需信噪比僅為5.5 dB，與理論曲線差距約為3.5 dB，考慮到信道探測(cè)需要額外開(kāi)銷，則該實(shí)測(cè)差距在工程上是可以接受的，且與傳統(tǒng)體制調(diào)制解調(diào)器相比，實(shí)測(cè)性能改善達(dá)4 dB以上。

表2 散射信道參數(shù)設(shè)置

圖5 散射信道下空間分集選頻調(diào)制解調(diào)器的測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

空間分集選頻是一種新穎的散射抗衰落體制，基于該體制設(shè)計(jì)了新型散射調(diào)制解調(diào)器，其測(cè)試結(jié)果表明達(dá)到了預(yù)期性能，而且與傳統(tǒng)體制調(diào)制解調(diào)器相比，性能提升達(dá)4 dB以上，若將該新型散射調(diào)制解調(diào)器應(yīng)用于兩重空間分集散射站型，則可實(shí)現(xiàn)通信距離拓展40 km或者發(fā)射功率降低3倍的應(yīng)用效果提升。

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