第25卷第7期國外電子測量技術(shù)VoL. 25, No. 72006年7月Foreign Electronic Measurement Technology應(yīng)用天地空一空數(shù)據(jù)傳輸抗多徑技術(shù)(中國電子科技集團公司第五十四研究所石家莊050081)摘要:空一空數(shù)據(jù)鏈抗衰落技術(shù)一直是困擾電子工程師的一大難題,特別是由于空中目標收發(fā)天線為全向條件下造成的電波反射,使通信中斷的問題一直沒有得到徹底解決。根據(jù)空一空數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ盘攸c,采取擴頻調(diào)制、圓極化天線、信道編碼和抗衰落幀冋步等技術(shù),研制滿足該通信鏈路的要求具有優(yōu)良抗衰落性能的通信設(shè)備,具有重要實際意義及工程價值。本文研究的用于小型飛行器空一空數(shù)據(jù)通倌鏈路的抗衰落技術(shù),具有廣泛的實用價值關(guān)鍵詞:空一空數(shù)據(jù)傳輸多徑萊斯信道誤碼率Anti-decline technology of air-air data link(The 54th Research Institute, China Electronics Technology Group Corporation, Shijiazhuang 050081, China)Abstract The air-air data links anti-decline technology used for mini aero craft is always a difficultproblem, which harassing the electronic engineers. especially when the air target antenna (receiveand transmit)causes the electric wave reflection, which interrupt the communication in omni-direc-tional condition, that still not yet gets a total solution. therefore by satisfying that communicationnkage, how to design the device, capable of strong anti-declining, has important practical meaningand consists of great engineering value. This article studied the air-air data links anti-decline technology used for mini aero craft, and may get some practical insightKeywords: air-air data transmission, multiplex, rice channel, err-code ratio0引言1空一空數(shù)據(jù)傳輸實際分析目前國內(nèi)外空一空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中存在的主要問無線信道按傳輸特性可分為恒參信道和變參信題是電波的多徑效應(yīng)導(dǎo)致嚴重衰落而使數(shù)據(jù)丟失或道兩種。其中變參信道的信道傳遞函數(shù)隨時間在變完全失去跟蹤。目前使用的典型抗衰落方法有信道化,它又分為瑞利信道和萊斯信道編碼、均衡、擴頻和分集、加大發(fā)射機的發(fā)射功率等。瑞利信道:多徑信號中無直達分量,接收信號振其中,信道編碼通過增加信息的冗余度來糾正衰落幅概率密度服從瑞利分布,相位概率密度服從均勻引起的誤碼;均衡主要通過補償信道衰落引起的畸分布變來減小衰落的影響;擴頻是通過特殊的信號設(shè)計萊斯信道:多徑信號中有收/發(fā)直達分量。接收所具有的分離多徑信號的能力,來消除引起衰落的信號振幅概率密度服從萊斯分布,相位非均勻分布。多徑信號干涉效應(yīng);而分集則是利用不同傳輸途徑對于萊斯信道模型,定義直射波功率C與多徑具有相互獨立的衰落特性,從而提高信號的接收時反射波的功率M之比為萊斯因子=CM,圖1所的抗衰落效果。因此,空一空通信鏈路的抗衰落技示為萊斯因子對誤碼性能影響曲線。萊斯因子ξ術(shù)是一個重要研究發(fā)展方向,本文結(jié)合實際工程應(yīng)0時,相當于瑞利信道。萊斯因子=∞時,相當于用,提出了解決多徑影響的一些方法。恒參信道。2006年第7期張弛:空一空數(shù)據(jù)傳輸抗多徑技術(shù)ξ:萊斯因子步技術(shù)等方面來解決抗多徑問題。2.1調(diào)制方式的選擇在選擇適合空一空通信信道的調(diào)制方式時,要注意以下幾點(a)要考慮其在非線性信道上性能的惡化量,要盡量使用恒包絡(luò)調(diào)制方式(b)要分析其抗衰落性能,并考慮能采取適當5=10的措施給予補償。2.1.1 CPFSK調(diào)制為了表示 CPFSK信號,以PAM信號開始dt)=∑Lng(t-nT)式中{n}表示幅度序列,它是由信息序列{an}圖1萊斯因子對誤碼性能影響曲線的k比特的二進制數(shù)組映射到幅度電平士1,±3,…±(M-1)得到的。g(t)是一個幅度為1/2T持2改善信道的措施續(xù)時間為T秒的矩形脈沖。信號d(t)用來對載波從圖1中可以看出:萊斯因子越小,則反射信號進行頻率調(diào)制,載波調(diào)制信號可以為的總和越強,衰落深度越大,輸出相同誤碼率所需要cos[2f t+o(t: D)+po]的信號E/N就越大。在系統(tǒng)保證有“通視”條件,在式中,9是載波的初始相位,g(t;D)表示載波的信道沒有采取任何措施的前提下,假設(shè)信道的萊斯因子=2,如果要求信道輸出誤碼率為105,則所需要時變相位,定義為的信號E/N約為37dB,而恒參信道僅需要 10dB. p(t;D)=4 exfaT d(t)di假設(shè)直射分量與反射分量路程差最近近似為l,此時到達信息接收裝置的電平差P1為:4rfT|[∑1g(r-nT)]drP1=32.44+20lgf+20lgl(dB)其中:f為工作頻率(MHz)雖然d(t)具有不連續(xù)性,但d(t)的積分是連續(xù)的。l為路程差(km)因此,我們得到一個連續(xù)相位信號。在nT≤t≤(n設(shè)反射系數(shù)0.5,電平值P2為:十1)T間隔內(nèi)的載波相位由積分確定。因此P2=|20lg0.5|=6dBc(t; D)=2faT 2 Ik+2f(t-nT)In兩項相加P=P1+PAn +2h,q(t-nT)則對應(yīng)的萊斯因子1=2010如果不采取措施提高萊斯因子,將無法滿足系式中,h,m及q(t)定義為h=2f,T統(tǒng)誤碼率的要求。在信道設(shè)計中應(yīng)設(shè)法減小反射信號,以增加萊斯因子,來改善信道。抗衰落技術(shù)主要包括以下幾方面:功率控制技術(shù);q(t)=t2T(o≤t≤sT)·選取具有抗衰落特性的調(diào)制體制;1/2(t>T)圓極化天線技術(shù)可以看到,6n表示直到(n-1)T時的所有符號·糾錯編碼技術(shù);的累積值,參數(shù)h稱為調(diào)制指數(shù)抗衰落幀同步技術(shù);2 CPFSK(連續(xù)相位頻移鍵控)調(diào)制方式具有功自適應(yīng)均衡技術(shù);率和頻帶利用率高、帶外衰減快、對非線性不敏感等分集技術(shù)。優(yōu)點。它的解調(diào)方式簡單,在采用限幅鑒頻、積分判由于空空傳輸設(shè)備受到自身體積、供電等限制,決的非相干解調(diào)時,系統(tǒng)能獲得良好的解調(diào)性能。國外電子測量技術(shù)第25卷(a)信號的調(diào)制包絡(luò)恒定;2.2圓極化天線技術(shù)(b)具有較好的頻帶功率利用率;2.2.1圓極化信號特性(c)受信道非線性影響小,抗限幅能力強;任何一個圓極化波信號可以分解為一個水平極(d)具有潛在的二重頻率分集作用,因此具有化波和一個垂直極化波的矢量合成,二者相位差90°較好的抗多徑衰落性能;其中:E=Ex+EY(e)調(diào)制解調(diào)器簡單,而且性能較好,適當選擇調(diào)制指數(shù)和信道帶寬其檢測性能僅比差分相干理合成場的幅度|E|=√毆+B=E=常數(shù)論值低ldB其方向由下式?jīng)Q定: tga Extgot而a=at(f設(shè)備體積小、重量輕,適合機動設(shè)備;這表示合成場的幅度不隨時間改變,但方向卻(g)技術(shù)非常成熟,效果較好。隨時間而變。當E滯后Ex90時,合成矢量沿逆時擴頻調(diào)制針方向旋轉(zhuǎn),為左旋極化;當E超前Ex90°時,合成擴頻通信是擴展頻譜通信( Spread Spectrum矢量沿順時針方向旋轉(zhuǎn),為右旋極化。Communication)的簡稱其原理是用偽隨機序列將2.2.2反射信號特性欲傳輸?shù)恼瓗Ц吖β首V密度信息擴展成類似白噪聲根據(jù)電波傳播理論,反射波特性與電波與地夾的寬帶低功率譜密度信號,接收端用同一個偽隨機角地面的介電常數(shù)E地面的導(dǎo)電率a,以及電波序列對接收信號進行同步相關(guān)處理,恢復(fù)成窄帶信波長入有關(guān)。水平線極化波,在不同的與地夾角0,號后解調(diào)數(shù)據(jù)。以及不同的波長下,反射波的相位變化不大,幾乎保按工作方式擴展頻譜通信可分為直接序列擴頻持在180附近;而垂直線極化波僅在與地夾角0°(DS)、跳頻(FH)、跳時(TH)和各種混合方式(如附近時為180°,隨著與地夾角0的不斷加大,迅速變FH/DS、THDS等)。為0~10°左右。經(jīng)地面反射后的圓極化波中的垂其中直接序列(DS擴頻方式應(yīng)用最為廣泛原直分量相位變化了180,而水平分量相位變化不到理也相對簡單10°,合成矢量的極化旋向發(fā)生了改變。因而利用接直接序列擴頻就是在調(diào)制端用高速的二進制偽收天線的左右旋圓極化隔離特性,采用與發(fā)射天線機擴頻碼與欲傳輸?shù)亩M制數(shù)字信息信號相乘的相同極化旋向的圓極化天線可以抑制掉大部分反隨方式,將信息信號的頻譜擴展。如圖2所示擴頻的射信號信號進行載2.2.3效果分析偷息數(shù)據(jù)}4根據(jù)圓極化電波傳輸公式:pn(t) cos(wol)p=0.5±x2x偽隨機序列載波(a)發(fā)射端(1-V)(1-V2(1+V)(+V)3a基帶濾波可以計算出采用圓極化天線,對反射波的隔離cos(wo t)載波偽隨機序列效果。由于反射波是旋向相反的斜橢圓,當工程采b)接收端用的收發(fā)天線的極化軸比為1.5時,反射信號的極化軸比約為2.0,代入上式,可以得到:圖2直接序列擴頻通信系統(tǒng)模型P+=0.8692P=0.1308波調(diào)制后發(fā)射;在接收端用相同的二進制偽隨它們之間的隔離為:8.2dB。機擴頻碼與去載波的擴頻調(diào)制信號相乘,進行相關(guān)2.3信道編碼及抗衰落幀同步解擴,恢復(fù)出原始的信息數(shù)據(jù)。2.3.1信道編碼擴頻技術(shù)能夠展寬信號的頻帶,使信號的碼元為了防止在衰落信道下的突發(fā)性誤碼,采用級寬度小于衰落信道的多徑時延,同時使信號的頻譜聯(lián)糾錯編碼技術(shù)。級聯(lián)糾錯編碼由RS編碼、交織具有白噪聲特性,在接收端利用擴頻信號良好的相編碼、自同步擾碼、差分編碼和卷積編碼組成。可以2006年第7期張馳:空一空數(shù)據(jù)傳輸抗多徑技術(shù)要求為10-5的情況下,系統(tǒng)可以得到大約5~6dB進行積分判決,然后送終端處理器進行解碼。的編碼增益改善。在實際試飛中,兩個任務(wù)設(shè)備的飛行高度為2.3.2抗衰落幀同步3000m,地面電波反射系數(shù)取m=0.5,多徑仿真結(jié)為適應(yīng)衰落信道的傳輸,在對解調(diào)出的群路信果如圖5所示號分路時采用抗衰落幀同步技術(shù),保證在無線信道深衰落期間設(shè)備能繼續(xù)正確分接各時隙的信息。當發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)失步后,設(shè)備仍保持失步前的幀狀態(tài)進行分接,同步標志不變,電路時序不變,以體現(xiàn)抗衰落80幀同步功能,同時繼續(xù)在數(shù)據(jù)中檢測幀同步標志,直到捕捉到新的幀狀態(tài)時,設(shè)備進入新的同步狀態(tài)。3工程實現(xiàn)在實際工程中,根據(jù)實際需要,系統(tǒng)采用了信道-105編碼、抗衰落幀同步、擴頻和2 CPFSK調(diào)制及圓極化天線的組合。系統(tǒng)組成框圖如圖3所示。發(fā)天線終端信道功放編碼器發(fā)射機在飛行試驗中,大約在74.4km處會出現(xiàn)超過任務(wù)設(shè)備A收天線接收機門限電平的弱區(qū)深衰落,大約70~78km的距離范圍內(nèi),出現(xiàn)信號減弱、甚至中斷。大約在33處理器~36km附近,下行AGC電平明顯變小,但信號沒任務(wù)設(shè)備B有中斷。試驗結(jié)果與仿真分析結(jié)果完全相同圖3某工程系統(tǒng)組成圖采用上述抗多徑措施,信號沒有中斷,滿足系統(tǒng)信號傳輸誤碼率優(yōu)于1×10-5的要求其中天線采用單圓極化天線,指標如下天線增益:≥2dBi4結(jié)束語方位波束寬度:≥60隨著數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展,小型飛行器空一空數(shù)據(jù)俯仰波束寬度:≥60鏈的應(yīng)用越來越多,本文結(jié)合工程應(yīng)用,探討了一些電壓波比:≤2:1空空數(shù)據(jù)傳輸?shù)目顾ヂ浼夹g(shù),通過采取擴頻調(diào)制、圓極化形式:單圓極任務(wù)設(shè)備A的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過終端編碼器對數(shù)避免實際飛行中的多徑干擾問題。據(jù)信息進行信道編碼、抗衰落幀同步和1023位擴頻;2 CPFSK調(diào)制在信道發(fā)射機內(nèi)進行,組成框圖如參考文圖4所示。調(diào)制后的L頻段射頻信號經(jīng)功放送發(fā)[1]樊呂信張甫翊徐炳祥等通信原理[M]北京:國防射天線發(fā)射工業(yè)出版社,2001.「參考源鑒相器上[2]宋廣怡,王翠晴.一種小型便攜數(shù)字徹波圖像傳輸系統(tǒng)射頻出「].無線電工程,2004,34(3):5355.[低通振蕩器[ 3] GARDNER F M. Interpolation in Digital Modems遙測基帶信號Part I: Fundamentals [J]. IEEE Trans. On Comun993,41(3):501-507圖4信道發(fā)射機組成框圖[4]王士林.現(xiàn)在數(shù)字調(diào)制技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,1987.[5]鐘順時微帶天線理論[M].西安:西北電訊工程學(xué)院任務(wù)設(shè)備B通過接收天線接收到的射頻信息,情報資料室,1987首先進行低噪聲放大,然后將射頻信號送信道接收[6]張賢達,保錚通信信號處理[M]北京國防工業(yè)出版