（通信与信息系统专业论文）mftdmacwtdm卫星通信系统研究.pdf

摘要 连续波时分复用( c w l r i ) m ) 技术是一种非再生星上基带处理技术，它能够将多 个带限连续信号时分复接为一个连续信号在一条连续信道中可靠传输，主要有样 点交织和分帧叠接相加两种组帧方式，但两种方式都有不足之处。本文在分帧叠 接相加方法的基础上，提出了一种改进的基于p n 码的分帧交替传输方式。本文以 这种c w ) m 传输方式为基础，进行m f t d m a 0 w t d m 卫星通信系统研究，包 括系统设计、链路仿真及抗噪声性能分析等，并初步完成该系统星上基带处理部 分的f p g a 实现。本文从与其它系统进行系统性能和星上复杂度的比较分析中得 出了m f - t d m c w t d m 系统的优势。本文的研究工作如下： 1 提出了一种改进的c 灯d m 传输方式一基于p n 码的分帧交替传输方式， 给出了这种方案的发送端和接收端的总体结构及各个模块的设计方案，对 p n 码及帧结构进行了设计，并用m a t l a b 进行仿真。 2 以基于p n 码的分帧交替传输方式为基础，进行m f t d m c w l d m 系统 研究，包括该通信系统整体方案设计、关键技术研究及系统链路分析。研 究了仿真中噪声功率的计算方法，用m a t l 姬对透明转发方案与 m f 一) m a c 、 丌d m 系统链路进行仿真，比较采用不同转发方案的系统在 高斯噪声下的性能，研究噪声累积带来的影响。 3 完成m f t d m a ，c w t d m 系统的星上基带处理部分的f p g a 设计，主要 包括帧同步模块，分接存储模块及组帧复接模块。初步仿真结果证明实现 了各模块的基本功能。最后与再生式星上转发方案的硬件复杂度进行比 较。 关键词：m f - t d m a 连续波时分复用卫星移动通信p n 码f p g a a b s t r a c t c 0 n 血l l 伽sw a v et 恤ed i v i s i o nm l l l t i p l 懿( c w t d h oi sat e c h n i q u eo f n o n - r e g 唧d v eo n 加a r db 瑟c b 锄dp m 嘴s 啦( o b p ) t h r 曲砌c hm l l l 石p l e 咖t i i m o 璐s i 弘a l sc a nb e 心m s m i t t e di nac o n 血l u 0 1 坞c h 锄db ym 锄so f 缸e d i “s i o n m u l 却l 懿i n g t h e 犯a r et w om e i 】岫d st or c a l i z ea 丌d m ，i e s u l ，_ 劬m eo v e d a p - a d d i n g m 酬吣da n ds 锄1 p l e - i n 蛔研e a v em e t h o d h o w c v e r b o t ho f t h 锄h a v ei n s l l 伍c i 吼d 鼯a n i m p r o v e d 飘虹奶m ea i t c r n a 6 m 劬o db a s c d p nc o d ei sp 呷o s c di n 也i si h e s i s b a s e d t h i sc w ) m 仃a n 豇n i 砸n gm e i h o d ，s o m er 嚣e a r c l 卫鼯m f - ) m c w ) m s a t e l l i t cc o m m m l i 咖o n ss y s t 锄p r o c c e di nt h i st h c s i s ，s u c h 笛s y s t e md e s i g n 址l dl i i l l c s i m u l a t i a n dp c 响皿缸蛆a l y s i s 衄d c ra w g ni s 伽p l i s h c d w h 砒i sm o r e ，血e f p g a d c s i g l lo f0 b p o ft h es y s t e mi si l n p l 锄e n 湖c o m p 丽n g 丽l ho t h 盯s y s t 锄s ，血e a d v 柚t a g 懿o f m f 下d m 刖c w t d ms y 舳a s e l e v i d e n ti ns y 咖p e m 加如c e 缸d o n b o a r dc q 卜l i p m e n t 蛐p l e x j 妙t h e “b o r sm a i nc 0 删蚵) u t i o 部a r e 船f o l l o w s ： 1 a 丑i m p f o v e d 刘【b 缸ea l t e m a l i o nm e t h o db 。d0 np n c o d ei sp i o p o s e d t h e 蚰：t i d e s i g no fi t s 怕n s m i t e r ，r e c c i v 盯砌l a 伽m o d u l 器，t h e s i m u l a 主i o 璐“am a t u 忸a 坞c o m p l 砷e d 眦dt h ep nc o d e 趾d 劬m e s 衄l c t m _ ：ca 碍d 龉i 孕e d 2 u s i n gs u b - 鼬ea l 劬a t i o nm e t h o db 础。d p nc o d e ，s o m er e s c a r d h 部o n m f - t d m c 、1 d ms y s t 锄a 旭c o m p l 酏吐i n 蛐gs y s t e ms c h e m e d e s i g n ，k e yt e c h i q u 龉a n ds y s t 锄l i l l k 卸a l y s i s t h et h 懿i sa l d i s c 璐s 器 1 h ec a l c l l i a 虹o ft h ep o w 盯o f i s e ，如dh 嬲c o m p i e t e dt h es i m u l a t i o n so f t h es y s t 皿1 i n ko f 臼如s p 狮tr 印e a t 日s c h 锄e 粗dm f t d m a c w t d m s c h 锄e “am a t “蟠a n dr 舢c h 船t h ei i l f l u e n c eo fa c c l 】m u l a t i o f n o i s eb y 锄p 妇gd i f f 毫潮ts y s t e m s 3 f p g ad 鼯i 驴o fo b po fm f - i m c w ) ms y s t e m ，i n c l u d i n g 如m e s y nc ：h r o n i z a t i 仰m o d l l l e ，d i “s i 衄如ds t o m g em o d u l e 缸dc o m b i n a t i m o d u l e 缸ei m p l 锄t c d t h eb 鹊i cf i l n c t i o 嵋o ft h em o d l l l 鼯h a v eb 唧 d i 出悯b yt h es i m l l l a 6 0 nr 哪l t s a “a s t ，t h ee q u i p m e n tc o m p l 喇t yo f t h i s s c h 锄ei sc o m p 砌州ht h a to f r c g e n 训v es c h e m e p n c o d e c w t d ms a t 枷i t em o b n ec o m m u i c a 廿o s f p g a 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：童：l 盛堑 本人承担一切的法律责任。 日期圣! ! 堑：! 盟 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：型建签 导师签名： 日期2 1 1 竺：兰：! 日期丝堕：主：2 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究工作的背景和意义 当前的卫星移动通信系统的转发器有透明转发器和处理转发器两种。透明转 发器接收地面发来的信号后，在星上不做任何处理，只进行放大变频再放大，并 发向各地球站，即单纯完成转发任纠”。传统的卫星通信系统一般采用透明转发器， 这一方面是因为星上设备复杂度和功耗的限制，另一方面是因为卫星投资很大， 其信道资源必须能够灵活地为众多不同用户随意应用。但是，随着卫星通信技术 和通信业务需求的发展，星上基带信号处理( o b p ) 成为未来卫星通信发展的重要方 向。 对于处理转发器，可以根据它们是否在星上进行信号再生，将o b p 划分为再 生式和非再生式两大类。再生式处理转发器星上收到的信号要进行放大、下变频 解调、基带信号处理、编码、调制等处理【2 】，以便在星上进行多波束和多转发器之 间的用户交换和在下行链路以t d m 方式的高效传输。处理转发器可以消除噪声的 积累，在保证同样通信质量的情况下，减少转发器的功率，上行和下行线路分别 选用不同的调制方式，从而得到最佳传输。但是再生式的信号处理技术需要对各 个用户的信号分别进行解调译码，星上设备复杂度随信号路数增加急剧增长，直 接影响容量扩大，而且它使卫星信道不再像透明转发器那样便于随意地灵活应用， 可能会严重影响通信业务的发展。 而采用非再生式0 b p 技术，在星上不进行解调译码，可以克服上述缺点，但 是也直无法推广应用，因为过去没有合适的多路复用方法，使未解调译码的多 路信号能在下行链路中高效传输。易克初教授的中国发明专利( 。带限信号时分复 用传输方法【3 】”和“准正交时分复用传输方法【4 】”) 提出了一种新的c w ) m ( 连 续波时分复用) 传输技术，圆满地解决了这个难题，从而为非再生式0 b p 的广泛 应用扫除了障碍。连续波时分复用技术按复接方式可分为：分帧叠接相加连续波 时分复用和样点交织连续波时分复用。本文研究的m f 1 d m ，c w l r i ) m 系统就选 择以一种改进的基于p n 码的分帧交替连续波时分复用方式作为下行链路的传输 方式。 上行链路采用的m f - t d m a ( 多频一时分多址) 传输方式，是公认的很好的 多址接入方式，它将每个转发器分成多个频带，每个频带内进行时分多址，并统 一管理所有的用户。这种技术的优点是改变业务样式灵活，特别适合于传输数据。 另一个优点是，每个t d m a 帧内的信道都可以采用按需分配方式阁。m f t d m a 2m f - t d m a 慨r r d m 卫星通信系统研究 系统出现于9 0 年代初期，它在经过不断发展、完善之后，目前已经具备了提供话 音、数据、传真、电视会议等业务的综合性通信能力，是目前最先进的卫星通信 系统之一。 本文所研究的m f t d m a a t d m 系统，是结合频分多址体制和时分多址体 制，构建了一个用户容量很大、可以支持多种不同速率业务的卫星通信系统。如 果在星上进行突发同步检测和时分分接处理，再配合星上多波束、多转发器交换， 就可实现用户容量很大的移动通信系统，只要卫星天线波束数目足够多，卫星天 线增益足够高，也能支持手持机话音通信【6 。而且星上不需要进行解调译码，星上 设备的复杂度比同样规模的基于再生式0 b p 的星上设备复杂度要低许多倍，用户 数越多，复杂度降低的比例越大，一颗g e o 卫星支持数万路话音通信和多种不同 速率业务的移动通信网，完全是现实可行的。因此该系统的设计对卫星通信的发 展有积极意义，也符合当前大容量卫星移动通信的发展趋势【7 l 。 1 2 相关研究工作的国内外发展动态 以往，非再生式星上信号处理很难脱离信号再生处理而独立运用，它还有一 些亟待解决的问题：多路信号能否在星上进行低复杂度的分路处理；各路信号能 否用数字信号形式有效地表示，以便进行用户交换和时分复接等。其中的最大障 碍是，过去一直没有找到一种合适的方法，能使多路未解调译码的信号在下行链 路中高效地传输。 西安电子科技大学易克初教授的发明专利带限信号时分复用传输方法( 发 明专利号：9 8 1 1 2 8 4 6 7 ) 中将多路带限模拟信号进行a d 变换，分帧时分复接， d a 转换，本质上实现了多路模拟信号的时分复用。易克初教授等的发明专利准 正交时分复用传输方法及系统( 发明专利号：2 0 0 5 1 0 0 4 2 9 1 0 7 ) 采用样点交织连 续波时分复用传输方法。发送端将对各路轮流采样然后加上同步信号，再进行d a 转换和o w 调制即可。 上述两种方法已经避开了星上的解调译码过程，大幅度减小了星上处理的复 杂度，并且实现了多址，复用的转换过程。但是由于样点交织方式要求接收端采用 精度非常高的帧同步和样点同步技术，才能使各路信号完好地分离，稍有偏差都 会引起子信道间相互泄漏，为了实现高精度样点同步，需要提高设备复杂度和成 本。而发明专利带限信号时分复用传输方法分帧交织中各路信号存在叠接， 而相叠接部分的数据都是重复传输的无用数据，并在接收端分接时被丢掉，因此 难免造成一定的浪费，使得传输效率略微降低。因此，本文对分帧交织的组帧形 式进行了改进，提出了采用基于p n 码的分帧交替时分复用传输，这里可简称为分 帧交替c w n ) m 传输方式。本文所研究的m f t d m a ：w 1 1 ) m 卫星系统正是采用 第一章绪论 这种传输技术。 ：t d m a 多址技术应用灵活，是一种先进的多址技术，将它与分帧交替方 式的c 、t d m 结合，组成的m f 1 1 ) m a ，a 1 d m 转换体制可以克服常用卫星通信 体制的应用灵活性不强、设备复杂度高和不容易结合星上抗干扰方法以达到较强 的抗干扰能力的缺点，是一种现实可行、性能优越的新体制，因此选择这种体制 的卫星通信系统具有节省卫星资源、组网灵活、网络易扩展等优点，有很好的应 用价值。 1 3 本文的主要研究工作及章节安排 本论文主要内容是m f ) m a ，c w ，m 卫星通信系统研究，包括改进的基于 p n 码的分帧交替传输方式的设计和实现，m f t d m 僻，t d m 的总体方案设计和 关键技术及其抗噪声性能分析，m f t d m 们w r 兀) m 星上部分硬件的f p g a 设计 及其复杂度分析。本文的内容安排如下： 第一章介绍m f t d m a ，c 、1 d m 卫星通信系统研究的背景和意义、相关研究 工作的国内外发展动态以及本文所做的工作及论文结构。 第二章提出了一种改进的c w t d m 传输方式基于p n 码的分帧交替传输方式， 给出了这种方式的发送端和接收端的总体结构及其各个模块的设计方案，对p n 码 及帧结构进行了设计，并用m a t u 噶进行仿真。 第三章以基于p n 码的分帧交替传输方式为基础，进行m f t d m a c w l r i ) m 系统研究，包括该通信系统整体方案设计、关键技术研究及系统链路分析。研究 了仿真中噪声功率的计算方法，用m 棚a b 对透明转发方案与 m f t d m a c 、7 n d m 系统链路进行仿真，比较采用不同转发方案的系统在高斯噪 声下的性能，研究噪声累积带来的影响。 第四章完成m f ) m a c 、) l ，t d m 系统的星上部分的f p g a 设计，首先是整体 设计。随后对帧同步模块，分接存储模块及组帧复接模块进行实现与功能验证， 最后与再生式星上转发方案的硬件复杂度进行比较。 第二章基于p n 码的分帧交替c r d m 传输方式 第二章基于p n 码的分帧交替c w t d m 传输方式 本章首先介绍了连续波时分复用技术的基本原理，然后提出了改进的基于p n 码的分帧交替传输方式，对这种c w l l ) m 传输方式的发送端和接收端进行设计， 包括总体结构、关键技术研究和主要模块的设计方法。并用m 枷，a b 对主要模块 进行仿真研究。 2 1c w t d m 技术概述 多路复用技术用于实现在同一信道中同时传输多路信号，常采用的复用方法 有频分复用和时分复用。频分复用( f d m ) 通常用于模拟通信，它是将总的信道 带宽划分成许多互不重叠的小区间，在每一个小区间内传送一路模拟信号，最后 在接收端使用带通滤波器将各路已调信号分离开来；时分复用( t d m ) 是一种常 用的多路复用技术，常用于数字通信，它是将多个用户的串行比特流分时轮流地 在一个信道中传输，接收端利用数字调制信号中隐含的帧同步和比特同步信息将 它们分离开来，恢复各路信号阿】。 所谓连续波时分复用传输方法( c w t d m ) ，是指对于多个连续信号直接操作它 们的抽样量化得到的样点序列进行时分复接，只用d ，a 和a ，d 变换而不借助数字 调制解调技术，使它们能以接近1 0 0 的频带效率在一条连续信道中时分复用地 传输的方法。对于多个窄带连续信号的时分复接过程是：先将它们的复包络抽样 量化为复数样点序列，然后以样点为基本单位进行时分复接，变为一个复数样点 序列，然后进行d a 变换和正交上变频，变为一个窄带连续信号。 中国发明专利“准正交时分复用传输方法”和“带限信号时分复用传输方法” 提出了两种复用方法，分别是分帧交织连续波时分复用方法和样点交织连续波时 分复用方法。其中样点交织连续波时分复用方法的基本原理是1 9 】：发送端将多路信 号的基带复包络进行轮流取样，得到一个复数样点序列，然后采用频域升余弦特 性的成形滤波器滤波，再加上适当的同步信号，进行d a 变换和正交上变频即得 到c w t d m 信号，可在无线信道中传输。接收端以同样的采样率对接收信号的复 包络基带信号进行同步抽样量化，进行自适应信道均衡，以便消除信道失真而引 起的信道间干扰，然后解样点交织，轮流输出各路信号的样点序列。 由于样点交织方式要求接收端采用精度非常高的帧同步和样点同步技术，才 能使各路信号完好地分离，稍有偏差都会引起子信道间相互泄漏，甚至只要采样 点的位置存在l 个采样间隔的偏差，子信道之间就可能产生将近一4 0 d b 的泄漏， 6m f - t d d a ，c 、d m 卫星通信系统研究 为了高精度样点同步，该方法设备复杂度和成本都很高。 “带限信号时分复用传输方法”中的分帧交织连续波时分复用方法的基本原 理是：对m 路带限连续信号，首先进行a ，d 采样变为数字信号后，然后利用梯形 窗截取各路函数并划分为子帧单元，然后对梯形窗子帧单元进行叠接，再加上帧 头即构成复用帧，再做d ，a 变换便能转化为连续信号。本质上是实现了多路模拟 信号的时分复用。对于这种复接传输的信号，接收端可以直接利用其中的帧同步 信号进行时分分接，无失真地恢复各路信号。 截取数据的梯形窗如图2 1 所示，上底长d 个样点、下底长d + 嬲个样点，每 次滑动平移腑个样点分别截取各路信号，在相邻两次截取时重叠了c + 甜个样点， 每路都形成一系列子帧信号，每个子帧信号的样点数为( d + 加，即第m 路第f 分 帧信号为： 吣，= k 当豢巍 c 八 卜一d 一d | 一d 叫 i；i； i 一d c 一 图2 1 分帧叠接相加方式的梯形窗 组帧方式如下图所示：这里两相邻子帧叠接d 个样点( 它与截取信号时重叠的 样点数2 d + c 不同) 于是第f 个复接帧的有用信号部分为： ，一l 弗( n ) = ，伽一所( d + d ) ) m 1 田 n = o ，1 ，2 ，( m - 1 ) ( d + d ) - 1 ；i - o ，1 ，2 ( 2 - 2 ) k d 一 图2 2 分帧叠接相加方式的组帧格式 显然，这种分帧叠接相加的分帧交织方式在组帧时，连续两帧之间有较大的 重叠部分，在接收后为了保证同步精度将重叠部分丢弃，造成频率利用率低。 第二章基于p n 码的分帧交替c 盯m m 传输方式 因此，本文提出了一种改进的分帧交替传输方式，即基于p n 码的分帧交替 c 、t d m 传输方式，它的基本原理是：将多个复包络基带信号的样点序列，每一 路连续选取若干样点形成一个子帧，然后各路的子帧交替排列复接为一帧，在每 路子帧前加上同步序列经过成形滤波的样点，然后进行d a 变换和正交上变频， 就可变为射频信号向下发送。接收端将收到的c w t d m 信号下变频到基带，得到 一个复包络信号，并以同样的采样率抽样量化为数字信号，进行同步捕获与跟踪， 无失真地恢复各路信号的复包络。为了避免载波相位不连续的问题，接收端在实 现帧同步的同时进行载波跟踪，消除下行频偏。下文所述的分帧交替方式都是指 这种基于p n 码的分帧交替组帧方式。 2 2 基于p n 码的分帧交替c w t d m 传输的发送端 2 2 1 基于p n 码的分帧交替c 1 t d m 复接技术 假设发射端共有肘路待复接的信号 ( 月) ，而( n ) ，一。( 万) ，每路均是带宽 为b 、中心频率为零的复数解析信号 而( f ) = 而( f ) + 嘞( f ) ，f - o ，1 ，2 ，肘一l ，那 么将它们进行分帧交替时分复接的基本步骤如下： 1 ) 发端轮流在每一路离散信号中连续选取口个样点值作为一个子帧，将m 个 子帧交替复接为一帧。在将各路信号的子帧装入同一复接帧各相应的时隙中时， 子帧所属信号路数的序号与复用帧时隙序号的对应关系可以采用固定不变的对应 关系，也可以按双方约定的变化规则逐帧地改变此对应关系。 2 ) 长度为6 的p n 码经过升余弦滤波成形，每个码片采两个样点，为减少帧 头和数据间的干扰，保留成形后p n 码样点前后各c 个样点做为保护间隔，因此， p n 码总长度为2 + c ) ，同样的方法，将p n 码符号取反，经过相同的处理获得负 p n 码的样点序列。 3 ) 在第一子帧前插入正p n 码的样点，在其余肼一1 个子帧前插入负p n 码的 样点，为了提高频率利用率可以设计使得4 远大于2 ( 6 + c ) ，例如可令4 = 3 7 6 ， 6 = 1 1 ，c = 4 ，则频率效率可达9 3 ； 4 ) 将上述复数样点序列经d ，a 变换后，调制为中心频率为厶的连续信号后 发送，厶为中心频率。 2 2 2 发送端的总体结构 分帧交替c w t d m 传输方式的发送部分由一个子帧形成单元、个分帧交替 组帧单元、一个p n 码样点产生器、两个d ，a 变换器、两个低通滤波器和一个正 交上变频器构成，其结构如图2 3 所示。 h 伍- t d m 忧w ) m 卫星通信系统研究 图2 3 基于p n 码分帧交替传输方式发送端 图中进行传输的个离散信号样点序列，可以是个频带有限的任意连续信 号的采样样点序列，这里以两倍于上行信号码元速率的采样速率采样，保证接收 端对信号波形的无失真恢复。 输入信号的具体处理过程如下：输入的个复值离散信号样点序列 而( h ) ，而( 栉) ，h 一。( 以) 送到子帧形成单元，轮流对每一路信号提取口个样点形成 个子帧，送到分帧交替组帧单元；p n 产生样点器的处理过程是将长度为6 的p n 序列经升余弦成形产生长度为2 ( 6 + c ) 的p n 码样点，这里的成形滤波器与信号码 元成形时的升余弦滤波器相同。同样方法得到与其对应的负p n 码的样点，送到分 帧交替组帧单元；分帧交替组帧单元将输入的_ 个子帧和正、负p n 码样点按照 分帧交替原则组帧，在第一子帧前插入正p n 码样点，在其余一1 个子帧前插入 负p n 码样点。如下图所示： l 一 第n 帧_ 一第n + l 帧 p 负 蚕第二路国量国国墓国第一路国 n第一路 p n 码 码 2 b 2 b 一a - 一 图2 4 基于p n 码的分帧交替传输组帧格式 组帧后的数据要经过数模转换器( d a ) 、低通滤波器和正交上变频器；数模 转换器输出模拟信号送到低通滤波器处理，然后送到正交上变频器，正交上变频 器将信号调制为中心频率为五的连续信号后发送，尼为传输信道的中心频率州。 第二章基于p n 码的分帧交替口n d m 传输方式 9 2 2 3 同步序列的设计 要想取得帧的同步，则必须要求伪随机序列具有相当好的自相关性，有比较 尖锐的自相关峰。通常用于同步的码字主要有册序列，膨序列，巴克码，9 0 1 d 序 列，- 【嬲锄i 序列等等【l ”，这里主要讨论了前四种序列。 1 、册序列 m 序列是最长线性移位寄存器序列的简称。它是由多级移位寄存器或其他延 迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列。在二进制移位寄存器发生器中，若月为 级数，则所能产生的最大长度的码序列为2 n 一1 。由于研序列容易产生、规律性强， 有许多优良的性能，因此在扩频、多址接入等方面获得广泛的应用。 下图是一个简单的1 5 位聊序列产生的原理图： 图2 5 研序列发生器 棚序列的归一化循环自相关函数可以由下式计算： r ( 用) = r ( n ) x ( 七) ，工 七= m o d ( + 珊，d( 2 3 ) 2 i 例如1 5 位所序列，级数甩= 4 ， ? t t t t ? t t t t ? ? 7 t? t ? ? ? ? ? t ? t 甲? t f 目相关函数如下图所不： _ i 图2 6 ( a ) 1 5 位m 序列归一化循环自相关( b ) 频谱图 从频谱图中很容易看到珑序列有着类高斯自噪声的性能。另外，m 序列的最 大长度决定于移位寄存器的级数，而码的结构决定于反馈抽头的位置和数量。不 同的抽头组合可以产生不同长度和不同结构的码序列。有的抽头组合并不能产生 最长周期的序列。对于何种抽头能产生何种长度和结构的码序列，已经进行了大 量的研究。现在已经得到3 l o o 级辨序列发生器连接图和产生的挪序列结构。 其 ”， m ， ， 。 o m f _ 1 d m a ，c w t l 孙l 卫星通信系统研究 2 、m 序列 膨序列是由n 级非线性移位寄存器产生的周期为2 弗的伪随机序列，膨序列的 数量极其庞大，有2 2 ”一押条。 ii 图2 7 ( a ) 1 5 位肘序列循环自相关( b ) 频谱图 m 序列的构造方法有很多种，其中一种方法就是通过肌序列直接构造。众所 周知，在脚序列的最长圈中插入一个全o 状态，就是在m 序列的线性反馈函数上 加小项五而毛一。，由此得到的函数就是一个本原m 序列的反馈函数，这样就得 到一个材序列。值得一提的是，肘序列相对于肼序列来讲，自相关性能和类高斯 白噪声性能要差，这从上图可以直观看出。 3 、巴克码 巴克码是一种有限长的非周期序列，一个一位长的码组 玉，而，) ，其中， 葺的取值为+ l 或1 ，若它的局部自相关函数满足下式，则称这种码组为巴克码： 州f n ，= o r ( _ ，) = 而+ j = o 或l ，o g 栉 ，( j 表示错开的位数)( 2 _ 4 ) 浮1 l o ，即 f f f f ? 7 f f f f7 f f 7 7 7 f f f f 图2 8l l 位巴克码归一化循环自相关 表2 1 典型巴克码组 位数n巴克码组 2 1 1 】 3 11o 】 4 【1 11o 】，【1 l0 1 】 5 【1 11o1 7 【1 11o olo 】 1 1 【1 1 100 0 1oo lo 】 1 3 【1 11 110 01 lolol 】 第二章基于p n 码的分帧交替c w t d m 传输方式 1 l 4 、g o l d 序列 胁序列虽然性能优良，但同样长度的m 序列个数不多，且序列之间的互相关 值并不都好。r g o l d 提出了一种基于m 序列的码序列，称为g o l d 码序列。这种 序列有较优良的自相关和互相关特性，构造简单，产生序列多。它实际上是由两 个辨序列优选对进行模2 加所产生的。 图2 9 所示的是一个3 l 位g o l d 序列发生器，产生3 1 位g o l d 码，图2 1 0 所示 的是对应的循环自相关函数。可见，9 0 1 d 序列的自相关是个多值函数，这不同于脚 序列，因此其自相关性要比所序列差些。但是两个m 序列优选对不同移位相加所 产生的序列都是g o l d 序列。因为有2 1 1 个不同位移，再加上原来两个m 序列优选 对，共有2 ”+ 1 个g o l d 序列，因此序列数比较多，利于多址接入。 舢舢 图2 93 1 位g o l d 序列发生器图2 1 09 0 1 d 序列循环自相关 本文将主要针对前三种码字作为插入的帧头，进行组帧传输。因为本文的组 帧格式中只采用一种码字，所以对互相关性要求不大，对可用码字的个数要求并 不像码分多址那么严格。以上通过各种码字的自相关性分析可以看出。巴克码字 和m 序列是最好的，其峰值和旁瓣的差距是最大的，其次是g o l d 序列和m 序列。 因此，星上组帧时应尽量采用巴克码组或m 序列。至于由m 序列所改进的互相关 特性较好，码组较多的m 序列、9 0 l d 序列和k 秘锄i 序列则比较适合多址接入的情 况。 图2 1 1 为帧数据长4 = 2 8 8 ，保护间隔c = 4 条件下，三种码字的误码性能曲线。 其中，巴克码采用1 3 位，掰和膨序列采用1 5 位和1 6 位。由于构成g o l d 码所需 的m 序列优选对一般存在于3 1 位以上的聊序列中，因此g o l d 码都较长，这里就 不予比较了。 从图中可以看出，帧头采用1 5 位的m 序列所得到的误码率比采用1 6 位m 序 列的误码率还要好一点，这是由它们的自相关优劣所决定的。当然，它们都要比 1 3 位巴克码的性能好一些，但是这三种码都达到了传输数据的条件，例如在归一 1 2m f _ r d m 佣r m m 卫星通信系统研究 化信噪比为6 8 d b 的时候，采用三种码字的误码率都比较接近理论的误码率 l 1 0 4 ，因此完全可以选择长度较短的巴克码作为p n 码。 误码率曲线 1 0 1 0 - 2 1 0 _ 3 1 矿 1 0 1 0 o 一1 3 位巴克码； 十1 5 位m 序列 鬻 裂； + 1 啦m 序列 - 8 黾 i i ：壤 ： ：l 34567b9 e b f 岫( d b ) 图2 1 l 采用三种码字作帧头的误码率曲线 同步码的长度会给系统的抗噪声性能带来影响。设假同步概率为尸，并且假 设要传送的码流中1 和o 是等概率出现的，则其组合成月位长的码组数目为2 ”个。 假设允许错码个数为r 个( 即：帧头出现有，个错误，接收端仍然能够检测出帧头) ， 那么出现，个错误也被判为同步码的组合为c 个，可得到假同步概率为： p = 2 ”c ( 2 - 5 ) r = 0 由上式可见码字越短，假同步概率越大，例如采用5 位码字的话，即使允许 错码个数为0 ，假同步概率也达1 2 5 ，极有可能会产生假同步现象。码字越长，假 同步概率也越小，而且相关峰值越明显，接收端容易检测到帧头。另外，保护时 间越长，帧头对后续数据的影响越小，得到的误码结果也就越好。但是另一方面， 码字和保护间隔过长，数据过短的话会使帧效率严重下降。那么就应当在这两个 因素中寻求一种平衡，找到合适的帧格式来达到特定信噪比条件下的误码率要求。 第二章基于p n 码的分帧交替a 期d m 传输方式1 3 ：! ! q 引0 j 蔷蒹茹赫“ ： 橐卜5 徘州席 jx 、j j ：、 鎏 一一莓x i j 吣 ：1 图2 1 2 选择不同长度巴克码的误码率图2 1 3 选择不同长度保护时隙的误码率 如果采用巴克码作为帧头，从图2 1 2 我们不难看出，7 位巴克码组帧下的帧 格式对传输质量是没有保障的，信噪比低于5 d b 时，数据已无法恢复。1 1 位和1 3 位码字组帧下的误码率相差无几，这时接收端的同步效果已经相当好了，再进一 步增加码字长度对误码率改善效果应当不大，故而建议采用1 1 位巴克码来产生帧 头。对于图2 1 3 ，在选择1 1 位巴克码来产生帧头的情况下，保护间隔数c 分别为 3 、4 、5 时得到的误码率曲线。可以看到，时隙数越多，误码率会越低。但是增加 过多保护间隔对于整条曲线的改善并不是很大，因此，建议采用4 个码元间隔即 可。如果采用1 1 位巴克码，保护间隔为4 ，数据长度为3 7 6 的格式进行组帧，此 时的帧效率可以达到9 2 6 。 2 2 4p n 码样点产生的设计 二需m 二 _ 础 l ”_ 6 一一f i i ii 一甲从卫： 飞。圳 ! o ， 。 图2 1 4 ( a ) p n 码成形( b ) 截取的样点 3 2 ， 0 ， 2 3 1 4m f - t d m a ，c 、d m 卫星通信系统研究 p n 码的样点由p n 码经过成形采样获得，按照2 2 3 设计，p n 码选取1 1 位的 巴克码，p n 码要与上行的数据采用相同的升余弦成形滤波器，本文中按两倍上采 样成形设计，并且保留4 位保护间隔，因此帧头样点个数为2 ( 1 1 + 4 ) = 3 0 。如图 2 1 4 所示。 2 2 5 组帧模块的设计 分帧交替a ) l ，t d m 组帧的基本方法如2 2 1 所述，即将多个复包络基带信号的 样点序列，轮流截取4 长度的样点，进行交替组帧。第一子帧前插入正的长度为 2 f 6 + c ) 的p n 码样点，后面是4 长度的数据，后续子帧前插负的p n 码，n 路子帧 形成一个总帧，如图2 2 所示。 为了保证能够恢复出基带信号的复包络，对它的采样速率应至少为信息速率 的两倍，本文的设计按照两倍于信息速率的速率进行采样，然后在截取的样点前 面加上p n 码样点。 至此，分帧交替c w ) m 传输系统发送端部分的设计就全部介绍完了。由于 分帧交替的特殊性，使得其复接过程比较简单。如何有效的插入p n 码样点序列是 这种组帧方式的关键所在。 2 3 基于p n 码的分帧交替c w 皿m 系统接收端 2 3 1 接收端的总体结构 采用分帧交替方式的多路离散信号时分复用传输方法的接收系统包括正交下 变频器、模数转换器( d ) 、频偏相偏纠正单元、频偏相偏估计单元、多相滤波 器、同步捕获与跟踪单元和时分分接单元，其结构框图如下所示。 图2 1 5 地面接收端结构图 第二章基于p n 码的分帧交替c w t i ) m 传输方式 1 5 分帧交替方式收端信号处理过程： 1 ) 正交下变频器将接收信号转换为“零中频”复数信号，“零中频”复数信 号送到模数转换器( a ，d ) ，模数转换器按按符合奈奎斯特采样定理的采样率进行 采样。采样输出的数字信号送到频偏纠正单元和频偏估计单元； 2 ) 频偏估计单元产生纠正控制信号送到频偏纠正单元，频偏纠正单元将v d 送入的复数信号进行频偏纠正，纠正后信号送到多相滤波器； 3 ) 采用多相滤波来获取高精度的码元同步，多相滤波的系数根据同步捕获与 跟踪单元返回的同步误差估计的值进行调整； 4 ) 同步捕获与跟踪单元将从多相滤波器送入的复数信号与发端相同的p n 码 进行相关运算，得到帧同步信号，送到时分分接单元； 5 ) 时分分接单元根据同步捕获跟踪单元送来的帧同步信号，将离散复数序列 进行时分分接，恢复n 路的离散复数序列。 2 3 2 频偏纠正模块的设计 收端收到发端传来的连续信号后，通过正交下变频和采样数字化得到一个零 中频复数字信号【1 2 】： ，伽1 ) = 占( j 旧埘解+ 神+ “旧，掰= 哪；，1 ，0 ，1 ， f 2 6 1 这里采样时间间隔r ，v ( m d 是信道噪声1 ，( f ) 的采样，v 和妒分别为因接收机 和发射机时钟的相对偏差而在信号中引入的频偏和相偏。 频偏和相偏的存在，会对后面同步的提取产生不利影响。例如，在4 = 3 7 6 ， 6 = 1 1 ，c = 2 ，且f = 1 0 材拓的条件下，频偏对归一化相关峰值的影响如图2 1 6 所示。 7 、 一 x 囊蕾( 目 图2 1 6 频偏对归一化相关峰的影响 本系统采用载波锁相环消除接收信号r ( m ) 中频偏、相偏的影响。该载波同步 锁相环由图2 1 5 中所示的同步码匹配滤波器、频偏估计单元和频偏纠正单元构成。 水霉晕l 皿 1 6m f d m a c w l d m 卫星通信系统研究 其中频偏估计单元根据同步码匹配滤波器输出的复信号在相邻两个周期的相关峰 位置处的相位推进估计频偏，同时估计出相偏。然后将各时刻的频偏估值通过环 路滤波器处理后，得到更加稳健的频偏估值尹，并反馈到前面的频偏纠正单元来 纠正频偏，即将输入信号乘频移因子r ( 一) 一2 枷。如果接收机采用的是基于数控 振荡器( n c o ) 的数字正交下变频器提取基带复包络信号的，则上述频偏纠正单元可 省去。而直接将频偏估值反馈到n c 0 ，改变其振荡频率，使输出信号的频偏逐步 减小。 2 3 3 同步匹配滤波器的设计 对于分帧同步，其接收端采用2 6 阶的f 瓜滤波器，其系数由帧头反转插零得 到。当接收信号到来，通过此同步滤波器，实际上是和系数进行了一个相关运算， 这样就会在帧头末位产生一个比较大的相关峰。首子帧处出现正的相关峰，其他 子帧处出现负的相关峰。接收端判断相关峰的精确位置，并依据相关峰的位置和 后续保护时间的长度，以及数据的长度，便可以轻松取得数据帧的起始和结束位 置( 即相关峰后隔c 个保护时间间隔即为数据起始点) 。接收端按照此位置取出帧 数据，并恢复各路的复包络样点序列。至此，我们就完成了多路离散数据的时分 复用传输。地面接收端再经过对此多路离散数据进行下采样，恢复码元速率的样 点序列，再对其进行判决、译码恢复原信息码元序列。最后与原码元序列进行比 较，从而得出误码率。 为了提高同步精度，接收端采用了基于多相滤波器组的重新抽样法。下面小 节将介绍其设计方法。 2 3 4 多相滤波器的设计 这里采用一种基于多相滤波器组的重新采样法，实现帧同步和采样点同步的 精确定时【l3 1 。所谓重新抽样是指：先将输入信号的采样率提高n 倍，找到同步点 后再按其位置进行n ：1 下采样恢复原采样率。其同步精度比一般的方法提高了n 倍，但需要在n 倍信号采样速率的时钟下进行滤波操作，不仅复杂度高，而且能 处理的信号带宽和能得到同步精度都将受到硬件条件的限制。因此，这里提出一 种基于多相滤波器组的重新抽样法处理信号。该方法设计了一个多相滤波器组， 它包含5 1 个具有恒定群延迟值的3 3 阶升余弦低通滤波器，各滤波器的幅频特性 完全一致，但相频特性的群延迟值各不相同，其中第g ( 0 窖5 0 ) 个滤波器吃( 阼) 的 群延迟值为( g 5 0 o 5 ) 个样点间隔。所以每次只需从该多相滤波器组中选取一个 滤波器作为信道匹配滤波器对信号进行匹配滤波，就可完成对信号的重新抽样处 理，也就是说在原信号采样速率时钟下就可以完成对信号的插值、低通滤波、以 第二章基于p n 码的分帧交替c w t d m 传输方式 1 7 及从不同的位置开始重新进行抽样这一系列处理过程，如图2 1 7 所示。 在帧同步反馈环路的控制下，不断更换信道匹配滤波器的系数，即相当于不 断调整采样点的精确位置，最终可使同步精度达到1 个样点间隔。 型! ! 鸳 t 下采样 i星塑堡墨塑 f 图2 1 7 多相滤波的重新抽样 多相滤波器系数存储器中存储着构成上述多项滤波器组的5 1 个群延迟值恒定 的3 3 阶低通滤波器的系数。其中每个滤波器的幅频特性均为口= o - 3 5 的升余弦。 因此，如果在传输过程中没有因为多径效应等引起的信道畸变，那么整个信道的 总特性就符合奈奎斯特第一准则，不存在信道间的干扰，可以实现无失真的子帧 时分分接。 下面推导这5 1 个3 3 阶升余弦滤波器的系数设计法。根据图2 1 7 所示的基于 多相滤波器组的重新抽样法原理可得： 丸( 帕= z ( ，t + g ) = ) ，( f ) _ j l ( 枷+ g f ) 5 争枷肌 ( 2 7 ) = 工他) m o 一七) + 们 = 工( 雄) + j j l ( ，t + g ) 于是有 k ( n ) = ( ，w + g ) ， g = o ，l ，一l( 2 8 ) 因此可以先设计一个5 1 3 3 阶，口= 0 3 5 ，且频率响应过渡段的中点位于 = 疗2 处的升余弦滤波器 ( n ) ) ，然后从不同的起始点开始，对该滤波器进行 5 1 ：1 的下采样，即可得到5 1 个群延迟值为( g 5