（通信与信息系统专业论文）短波低速数据传输性能提升技术研究.pdf

摘要 本文主要研究了美军标1 1 0 b 中的短波低速数据传输体制，将数据解扩，多径 合并以及抗单音等关键技术作为主要研究对象，以提高系统在抗多径、抗衰落和 抗干扰等方面的能力，充分挖掘系统的性能。 首先，针对极低信噪比条件下捕获时间过长的问题，将同步前导序列的数据 格式和长度做了相应的修改，缩短了捕获时间：其次，讨论了多采样点的信号检 测方法，并分别对最佳采样点、三个和五个采样点的检测方案进行了硬件仿真和 实现；然后，针对短波通信系统的特点，给出了多径信号的三种合并方式，即选 择式合并、等增益合并和最大比值合并，并在硬件仿真系统上，实现了这三种合 并方式以及对性能进行了比较。 最后，研究了抗单音干扰技术，从干扰的参数估计入手，针对于整数和非整 数谐波干扰，分析了直接法、改进f f t 法和加窗法等算法。接着，从频域和时域 角度，分别采用频域消除法、频域陷波法和时域消除法等算法抑制了强单音干扰， 并对这些算法进行了分析和比较。 关键词：短波美军标1 l o b 捕获多径合并抗单音干扰 a b s t r a c t 。i h eh fl o wr a t ed a t at r a n s m i s s i o ns y s t e m sb a s e do na m e r i c am i l i t a r ys t a n d a r d llo ba r em a i n l ya n a l y z e di nt h i st h e s i s i no r d e rt oi m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c eo f a n t i m u l t i p a t h , a n t i - f a d i n ga n da n t i - j a m m i n g ，t h ek e yt e c h n i q u e s ，i n c l u d i n gt h es i g n a l d e s p r e a d ，m u l t i p a t hc o m b i n i n ga n da n t i s i n g l e - t o n ej a m m i n g ，a r ec h i e f l yd i s c u s s e d f i r s t l y , t h el e n g t h a n df o r m a to f s y n c h r o n i z a t i o np r e a m b l es e q u e n c e i s m o d i f i e d ，b e c a u s et h ec a p t u r et i m eo fo l dl o wr a t ed a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mi st o ol o n g s e c o n d l y , m u l t i s a m p l i n gp o i n t sm e t h o df o rs i g n a ld e t e c t i o ni sd i s c u s s e da n dr e a l i z e d o nt h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，r e s p e c t i v e l yu s i n gt h eo p t i m a ls a m p l i n gp o i n t s ，t h r e ea n df i v e s a m p l i n gp o i n t sf o rd e t e c t i o n t h i r d l y , b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es h o r t w a v e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，t h r e em e r g i n gm e t h o d sf o rm u l t i p a t hs i g n a l sa r ep r e s e n t e d a n di m p l e m e n t e do nt h ed s ph a r d w a r ep l a t f o r m ，w h i c ha r es e l e c t i v ec o m b i n i n g ，e q u a l g a i nc o m b i n i n ga n dt h em a x i m u mr a t i oc o m b i n i n g f i n a l l y , s t a r t i n g w i t ht h ee s t i m a t eo fs i g n a lp a r a m e t e r , f o rt h ei n t e g e ra n d n o n - i n t e g e rh a r m o n i cj a m m i n g ，t h ed i r e c ta l g o r i t h m , i m p r o v e df f ta l g o r i t h ma n d w i n d o w i n ga l g o r i t h ma r er e s e a r c h e d a n dt h e nr e m o v i n gm e t h o db a s e do nf r e q u e n c y d o m a i n , t r a p p i n gm e t h o db a s e do nf r e q u e n c yd o m a i na n dr e m o v i n gm e t h o db a s e do n t i m ed o m a i nt or e s t r a i ns t r o n gs i n g l es i n ew a v ei n t e r f e r ef r o mt h ea n g l eo f t h ef r e q u e n c y d o m a i na n dt i m ed o m a i na r ed i s c u s s e da n da n a l y z e d k e yw o r d s ：s h o r t w a v e a m e r i c am i l i t a r ys t a n d a r dl l o b s i g n a lc a p t u r i n g m u l t i p a t hc o m b i n i n gs i n g l e - t o n ej a m m i n g 第一章绪论 第一章绪论 短波通信由于其在传输过程中的固有特点，一直被广泛应用在政府、军事、 商业等各个领域。本章首先概述了短波通信的主要特点，然后介绍了短波通信的 研究现状和发展趋势，最后对本文的章节安排及其主要内容作了简单的介绍。 1 1 短波通信简介 短波通信也叫做高频通信，使用的频带范围为3 m h z - - - 3 0 m h z ，可以通过地波 来进行近距离传输，也可以利用天波来进行远距离传输。在利用天波传输过程中， 电磁波通过电离层反射，不需要建立中继站也可以实现远距离的通信。而且由于 电离层的不可摧毁性，短波通信成为军事指挥的重要手段之一，得到广泛的应用。 现在对短波通信的研究，主要集中在电离层远距离传输上。 短波通信在进行远距离传输时，信号由天线发出，经电离层反射回地面，又 由地面反射回电离层，经过多次反射，最终到达接收端。传播距离很远( 几百至 上万公里) ，而且不受地面障碍物的阻挡，信号在传输过程中的损耗较小，它仅需 要适中的设备费用和不大的发射功率。但是电离层易受到外界环境的影响，很不 稳定，它随着天气、昼夜等因素的变化而变化，是典型的时变信道，这大大地影 响了短波通信的可靠性。相对而言，通过地波传输则比较稳定，它沿地球表面传 播，不受天气等因素的影响，信道参数基本不变，可认为是恒参信道。但是信号 能量在传输过程中的大量地被地面吸收，损耗很大，且随着工作频率的增大而增 大，通信距离最多只能到达几十公里。 短波通信是人们研究最早的通信方式之一，具有悠远的历史。随着科学技术 的发展，通信方式也越来越多，主要包括卫星通信，光纤通信等新型通信方式。 但是短波通信由于其独特的优点，一直活跃在各种通信体制中。短波通信设备简 单，机动性好，而且在远距离传输过程中不需要中继站，成本较低。虽然卫星通 信相对于短波通信能提供更宽的通信频带和更稳定的通信线路，但是它不能从根 本上替代短波通信。另外，也不是所有用户都需要进行卫星通信，能得到卫星通 信的线路，特别是在军事领域中，卫星容易被敌方摧毁。所以短波通信具有不可 替代的重要作用。 当然，短波通信也具有不可避免的缺点。它的通信容量较小，频带窄，仅为 3 k h z 。信道为典型的时变信道，受天气、气候等因素影响较大，通信质量不稳定。 2 短波低速数据传输性能提升技术研究 多径现象严重，时延大，多普勒频偏较大，而且在传输环境中，存在工业噪声等 各种干扰，这些因素都给人们的研究带来很大的挑战。 1 2 短波通信技术的发展趋势 这些年来，随着科学技术的不断发展，短波通信技术也取得了一系列的突破 和进步。各种新技术的提出，如差分调频技术、信道自适应技术、均衡技术、组 网技术等等，使得短波通信存在的许多问题得到了解决。而且随着微电子技术、 微型计算机技术的迅猛发展，短波通信设备的性能也大大地提高。比较著名的有： 澳大利亚q m a c 公司推出的h f 9 0 h 超小型跳频短波电台和美国l o c k h e e d s a n d e r s 公司推出的c h e s s 系统【2 1 1 。 短波通信未来在以下的几个方面心3 1 仍需要进一步研究和实现： l - 短波自适应数字通信技术 如上一节所述，短波信道受天气、气候、多经时延等因素的影响而随机变化， 为了保证通信的可靠性和实时性，数据传输系统需要根据信道的变化自适应地改 变系统结构和各项参数。现在的短波自适应技术，主要是指自适应跳频和自适应 编码技术。 1 1 自适应跳频技术。该技术首先分析各频段的频率利用率，自动搜索出无干 扰或没有被利用的频带范围，然后利用这些频带作为跳频信道，进行跳频。这样 不仅避免了各种干扰，而且也不会出现频谱被多次利用的情况。 2 ) 自适应编码技术。它是指根据信号质量的实时估值，自动选择合适的系统 编码方式，使得在一定误码率的情况下，数据的传输速率最高。 2 高速调制解调技术 数据传输速率低是传统短波通信难以发展的一个重要的原因。在现代化通信 过程中，人们对短波通信的要求也不断提高，不仅需要传输语音信息，还需要实 时地传输高速图像等一些需要高数据传输速率的信息。这就要求我们研究如何增 加信道的容量。 对于调制解调器来说，除了传统的串行体制，我们还可以采用利用多个载波 传输的并行体制，并行调制解调器的传输速率远远高于串行体制9 6 k b p s 的传输速 率。 正交频分复用( o f d m ) 调制方式因为其具有抗频率选择性衰落、频谱利用率 高、实现简单和有利于m i m o 技术的应用等优点，受到人们越来越多的重视，被 逐渐应用到短波通信领域。 3 抗干扰技术 短波通信由于具有抗摧毁特性，成为在战争状态下军事通信的可靠途径之一， 第一章绪论 3 但是它仍不能摆脱现代通信各种工业、人为干扰的威胁。随着干扰手段的不断发 展，抗干扰技术的性能也应该不断增强。目前抗干扰技术的主要发展方向为： 1 ) 信号处理。比如自适应跳频技术，它首先利用可靠的通信链路质量分析技 术( l i n kq u a l i t ya n a l y s i s ，l q a ) 估计出信道对应的干扰频率，得到跳频可使用的 频率集，然后将其反馈给发送端，使得自适应跳频技术能够自动地避开干扰频带。 2 ) 空间处理。可利用天线的自适应调零技术，当信号受到干扰时，调整天线 使其零点自动地指向干扰方向。 3 ) 时间处理。如猝发通信技术，首先将信息存储压缩，在某一瞬间以高速比 特流完成通信。由于其猝发时间很短而且随机，所以可以避开对方的干扰影响。 4 设备数字化和组网技术 随着短波通信技术的发展，传统的通信业务已经不能满足数字化战场需要， 当前的短波通信需要和其他通信方式一样，进入网络化时代，成为i n t e m e t 的一部 分。现代短波通信网络已经发展到第三代，它建立在美军标m i l s t d 1 8 8 1 4 1 b 的基础上，相对于第二代网络，它在信道效率、自动链路控制和i n t e m e t 互联等方 面都有了很大地发展。 1 3 主要内容安排 本文针对短波信道数据传输的主要特点，以提高系统的实时性和可靠性为目 标，主要研究了短波中低速数据传输过程中的关键技术。首先针对短波数据的捕 获性能，给出了缩短捕获时间的方法；然后在数据检测方面，阐述了如何利用多 采样点以及多径信号合并技术来提高数据的检测性能，并且讨论了如何利用改进 f f t 算法来抑制单音干扰的影响。 章节安排如下： 第一章：对短波通信的特点以及其研究现状和发展趋势作了简单的介绍，并 概述了本文的主要框架。 第二章：阐述了短波信道的主要特点和美军标m i l s t d 1 8 8 1 4 1 b 体制，概述 了短波通信过程的基本原理。 第三章：讨论了短波中低速通信过程中的关键技术，针对于信号的捕获给出 了改进算法；并且为了提高信号的检测性能，给出了多采样点技术和多径合并技 术。 第四章：针对非整数谐波单音干扰，给出了高精度的参数估计算法，即改进 f f t 算法。并且研究了抗单音干扰的各种措施和性能，主要包括频域消除法、频 域陷波法和时域消除法。 最后，本文针对所作的工作做了一定的总结，并讨论了其中存在的不足和未 4 短波低速数据传输性能提升技术研究 一 来的研究方向。 第二章短波低速数据传输系统 5 2 1 1 多径效应 第二章短波低速数据传输系统 2 1 短波信道的传输特性 电离层由于具有分层性，在地球磁场的影响下会表现出各种异向特性，电磁 波在其中传输时，会产生多径现象。也就是电磁波可以通过若干路径或者不同的 传输模式到达接收端。常见的传输模式2 习如图2 1 所示。 f e f e 发收发收发收 单跳与多跳寻常波与非寻常波高波与低波 发收 m 模式 f e 发收 n 模式 f e f e 发收 多跳与多跳 f e 图2 1 常见的短波传输模式 由于不同的路径具有不同的长度，所以到达接收端的各条射线，他们经历的 传播时间是不同的，也就是具有时延差值。一般来说时延差值等于或大于2 4 m s 的约占5 0 ；等于或大于0 5 m s 的占9 9 5 ；而超过5 m s 的仅占0 5 。 多径时延随着工作频率偏移最高可用频率1 3 1 1 ( m u f ) 的增大而增大，而且和 通信距离有密切的关系。在2 0 0 3 0 0 k m 的短波线路上，由于电离层和地面间的多 次反射，是多径时延严重，可达到8 m s ；在2 0 0 f f - - 8 0 0 0 k m 的线路上，可能存在的 6 短波低速数据传输性能提升技术研究 传输模式减少，故多径时延只有2 - 3 m s 。当通信距离进一步增加时，由于不再存 在单跳模式，多经时延又随之增大，当距离为2 0 0 0 0 k _ r n 时，可达6 m s 。多径时延 也会随着时间的变化而变化。因为电离层的电子密度会随时间变化，从而导致m u f 的变化。电子密度变化越急剧，多径时延的变化越严重。 多径效应的不同会引起不同情况的衰落。假设信号的平均时延为馘，码元周 期为正。当缸 疋且z 较小时，会发生平坦衰落，接收信号的电平下降且服从瑞 利分布；当馘较大且不满足馘“z 时，会发生频率选择性衰落，接收信号的电 平和相位随时间急剧变化，不再平坦。 2 1 2 衰落 在短波通信中，我们将接收端信号振幅忽大忽小的随机变化称为“衰落 。衰 落分为慢衰落和快衰落。快衰落是指连续出现时间仅为几分之一秒的信号起伏。 慢衰落是指从持续时间比较长的衰落。 产生衰落的原因主要【2 0 l 有以下几个方面： 1 ) 干涉衰落 多径信号由于经过不同的路径，受到的衰落不同，到达接收端的时间不同， 相位也不同。在接受端，这些信号合并使最终合成信号的振幅随机起伏，这就叫 做干涉衰落。它是由于多径信号的相互干涉生成的。干涉衰落具有明显的频率选 择性，即干涉衰落只对某窄频带产生影响，而且衰落的振幅服从瑞利分布。 2 ) 吸收衰落 电离层d 层衰减特性的慢变化是产生吸收衰落的原因。它属于慢衰落，持续 时间可达一个小时或者更长。吸收衰落的信号振幅变化比较慢，而且对短波整个 频带的影响程度是相同的。 3 ) 极化衰落 极化衰落是由于电磁波被电离层反射后，其极化不再和发射天线的相同，而 是变为受电磁场影响的椭圆状。当接收天线与椭圆的长轴方向垂直时，接收信号 的强度很小，产生极化衰落。极化衰落产生的概率较小，仅占全部衰落的1 0 - 1 5 。 可采用不同极化的接收天线来避免这种问题，也就是极化分集。 2 1 3 多普勒频移 天波传输时，信号不仅会由于衰落产生振幅的起伏，还会由于多普勒效应产 生频率的漂移。我们将这种频率的漂移称为多普勒频移。 多普勒频移一般在+ 7 5 h z 以内，产生的主要原因为短波信道的随机性和收发 双方的相对运动。在通信终端移动的情况下，多普勒频移随移动速度的增大而增 第二章短波低速数据传输系统 7 大。 多普勒频移会使发射信号的频谱结构发生变化，产生畸变。在时域角度，这 意味着短波信号产生时间选择性衰落。 2 1 4 无线电干扰 无线电干扰【2 0 l 有内部干扰和外部干扰之分。顾名思义，接收设备从外部接收 到的各种噪声即为外部干扰，内部产生的噪声即为内部干扰。本文主要研究对象 的是外部干扰中的电台干扰。 电台干扰是指敌方有意识的干扰，它与信号的传输频率相近，随着无线电用 户的增加，电台干扰越来越严重。所以在军事领域中，电台干扰成为主要的干扰 源。 电台干扰可以分为几类： 1 ) 单音干扰，也叫做固频干扰、单频干扰，此时干扰频率正取某一固定值。 本文的第四章主要是针对这种干扰展开研究讨论。 2 ) 窄带干扰，这种干扰的频带很窄，全部落入信号频带内，对有用信号的影 响较大。单音干扰可以看成窄带干扰的特殊情况。 3 ) 正弦脉冲干扰，频谱和单频干扰类似，不同的在于它是以脉冲形式发送的， 具有较强的峰值功率。 4 ) 跟踪式干扰，它是由频谱分析仪和干扰机组成，针对频谱分析仪测定的信 号频率进行干扰。 5 ) 转发式干扰，它对信号有接收、干扰和转发的过程，首先接收存储信号， 然后加上相应干扰转发。 6 ) 宽带阻塞式干扰，它阻塞了整个通信频带，对所有范围都施放很强的干扰， 使得通信双方无法通信。 2 2 硬件平台芯片介绍 本仿真试验主要使用的芯片为t m s 3 2 0 v c 3 3t 3 1 1 。t m s 3 2 0 v c 3 3 隶属于1 r i 公 司的t m s 3 2 0 v c 3 x 系列，是3 2 位的浮点处理d s p ，目前在国内外的使用比较广 泛。它的主要型号有：v c 3 3 1 2 0 和v c 3 3 1 5 0 。v c 3 3 1 2 0 的指令周期为1 7 n s ，运 算速度达1 2 0 m f l o p s ( 百万次浮点运算每秒) ，6 0 m i p s ( 百万条指令每秒) ： v c 3 3 1 5 0 的指令周期为1 3 n s ，运算速度达1 5 0 m f l o p s ，7 5 m i p s 。 t m s 3 2 0 v c 3 3 主要组成部分包括：c p u 、总线、存储器、外围电路、串行口 以及外部总线接口等。该芯片的主要特性瞄】有： 8 短波低速数据传输性能提升技术研究 1 c p u 的特性 1 ) 高品质的3 2 位浮点c p u 。 2 ) 功耗较低( 2 0 0 r o w ) ，外部供电电压为3 3 v ，内部供电电压为1 8 v 。 3 ) 一个4 0 位的硬件乘法器和一个4 0 位的算术逻辑运算单元( a l u ) 。 通过并行指令，可以在单周期内共同完成一个乘操作和一个a l u 操作。乘法 器存在对整数和浮点数的两种操作，若输入是2 4 位的整数，则输出为3 2 位的整 数；若输入为3 2 位的浮点数，则输出为4 0 位的浮点数。同样，a l u 也可以完成 对整数或浮点数的单周期操作。 4 ) 一个3 2 位的桶形移位寄存器。在单周期，他能将数据左右移位3 2 b i t 。 5 ) 在单周期内，可以产生两个地址。 2 总线的特性 总线包括3 条3 2 位的数据总线、4 条2 4 位的地址总线和一系列的控制信号。 1 ) 通过存储器映射的外部接1 ：3 控制寄存器进行设置。 2 ) 可保持请求信号，使外部存储器信号处于高阻模式，允许处理器访问外部 总线。 3 ) 可选择总线等待状态，通过软件、硬件、软硬件混合模式使用方式进行控 制。 4 ) 数据、程序、i o 拥有统一的空间。 3 存储器的特性 有3 4 k x 3 2 b i t 的片内双存取s r a m 。一般情况下，没必要使用外部扩展存储器， 提高了程序运行速度，使用方便且节省了开销。 4 外围电路的特性 1 ) 存在用来生成中断的2 个独立的3 2 位定时器。 2 ) 有1 个独立的同步串行端口，可用来同时双向发送8 、1 6 、3 2 位的数据。 3 ) 存在直接存储器访问控制器( d m a ) 。它支持单通道的d m a 传输，能够对 处理器的任意存储单元进行输入输出操作，并且不影响c p u 的传输速率。 4 ) 采用了0 1 8 u m 技术，存在l q f p 封装的1 4 4 个引脚。 5 ) 增加了4 个内部译码页引脚。 2 3 美军标m i l s t d 1 8 8 11 0 b 简介 2 3 1 同步前导序列 串行调制解调器在发送信息序列前首先要先发送同步前导序列，其主要作用 如下：一是用于信号的捕获，判断空中是否存在信号；二是保持收、发双方的帧 第二章短波低速数据传输系统 9 同步和位同步；三是传输速率和交织信息。同步前导序列由多个2 0 0 m s 的数据段 组成，段的个数取决于交织的形式。无交织或短交织时，发送3 个；长交织时， 发送2 4 个。每段可表示为o ，l ，3 ，0 ，l ，3 ，1 ，2 ，0 ，西，破，g ，c 2 ，c 3 ，0 。 其中，q 、c 2 和c 3 用来表示段的序号，届、吐用来表示速率和交织信息，如表2 1 所示。 表2 1d l 和d 2 的具体表示信息 比特速率短交织长交织 d ld 2 d ld 2 4 8 0 076 2 4 0 0 ( 密话)77 2 4 0 0 ( 数据)6444 1 2 0 0 6545 6 0 0664 6 3 0 0674 7 1 5 07454 7 5 7555 同步前导序列发送时需要进行扩频映射，每个符号映射成3 2 位的八进制序列， 具体映射规则见表2 2 。 表2 2 同步前导序列的扩频映射表 信道符号八进制序列 0 0 0 ( o o o oo o o o ) 重复4 次 0 0 1 ( 0 4 0 40 4 0 4 ) 重复4 次 0 1 0 ( 0 0 4 40 0 4 4 ) 重复4 次 0 1 1 ( 0 4 4 00 4 4 0 ) 重复4 次 1 0 0 ( o o o o4 4 4 4 ) 重复4 次 1 0 1 ( 0 4 0 44 0 4 0 ) 重复4 次 1 1 0 ( 0 0 4 44 4 0 0 ) 重复4 次 l l l ( 0 4 4 04 0 0 4 ) 重复4 次 2 3 2 前向纠错编码 美军标m i l s t d 一1 8 8 1 1 0 b 规定不同速率信息的编码方式不同，具体的如表 2 3 所示。 其中1 2 编码采用约束长度k = 7 的卷积码，编码器框图如图2 2 所示。其生成 多项式为：五：x 6 + _ + 恐+ x + l 和互：旄+ 屯+ _ + 而+ l 。 1 0 短波低速数据传输性能提升技术研究 表2 3 不同速率信息的编码方式表 数据速率( b p s )有效码率编码方式 4 8 0 0无编码无编码 2 4 0 0l _ 2l 2 编码 1 2 0 01 21 2 编码 6 0 0 l 2l 2 编码 3 0 0 1 41 2 编码，重复2 次 1 5 0 1 81 2 编码，重复4 次 7 5 1 2 1 2 编码 石( x ) 2 3 3 交织 乏 图2 2 约束长度k = 7 ，码率r - _ 1 2 的卷积码编码器 交织运算是为了抵制突发干扰的影响。交织分为三种形式：无交织、短交织 和长交织。短交织对应于0 6 s 的数据块，长交织对应于4 8 s 的数据块。接收端通 过检测同步前导序列中的交织信息，来进行解交织运算。各速率信息的交织块大 小如表2 4 所示。 第二章短波低速数据传输系统 表2 4 各速率信息的交织块大小 比特速率长交织短交织 c o p s )行数列数行数列数 2 4 0 04 05 7 64 07 2 1 2 0 04 02 8 84 03 6 6 0 04 01 4 44 01 8 3 0 04 01 4 44 0 1 8 1 5 04 01 4 44 01 8 7 52 03 61 09 2 3 4 数据比特映射 短波数据传输系统采用直接序列扩频技术，每组数据信息映射成对应的w a l s h 序列，不同速率的数据信息采用不同的映射方式。 信息速率为6 0 0 1 5 0 b p s 时，每次从交织器读出1 比特信息，按图2 3 所示的 星座图进行映射，则映射成的数据为0 或4 ；信息速率为1 2 0 0 b p s 时，每次读2 比 特数据来进行映射，映射成的数据为0 ，2 ，4 或6 ：信息速率高于1 2 0 0 b p s 时，每 次将3 比特数据进行映射，映射后数据为0 到7 之间的八进制数。 9 0 2 ( 0 1 ) ( 0 1 0 ) 1 3 r 4 y 7 l0 ( 0 0 0 ) ) 3 1 1 广 淼 l ( 1 0 0 ) f 一i v 一 ，( i 0 1 ) 入掣 3 1 5 ， 2 2 ，l ( 1 1 ) 6 ( 1 1 0 ) 2 7 0 图2 3 数据比特的星座映射图 比较特别的是，当信息速率为7 5 b p s 时，映射方式按表2 5 所示；而且为了辨 别交织块的结束位置，交织块末尾的2 比特信息也按照特殊的映射方式，如表2 6 1 2 短波低速数据传输性能提升技术研究 所示。 表2 5 速率为7 5 b p s 的数据映射表 数据比特w a l s h 序列 0 0( o o o o ) 重复8 次 0 1( 0 4 0 4 ) 重复8 次 1 0 ( 0 0 4 4 ) 重复8 次 l l ( 0 4 4 0 ) 重复8 次 表2 6 速率为7 5 b p s 的交织块末尾2 比特数据映射表 数据比特w a l s h 序列 o o ( 0 0 0 04 4 4 4 ) 重复4 次 0 1 ( 0 4 0 44 0 4 0 ) 重复4 次 1 0 ( 0 0 4 44 4 0 0 ) 重复4 次 1 l ( 0 4 4 04 0 0 4 ) 重复4 次 2 3 5 数据扰码 为了抵制w a l s h 序列的规律性，数据信息在映射完成后还需要加上一个随机 扰码序列。该序列由1 6 0 个八进制数据组成，使用长度为1 2 的移位寄存器产生， 其框图如图2 4 所示。令各移位寄存器的初始值为1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 ( 从左到右) ，依 次移位8 次后，取图中对应的3 比特信息转换为八进制数据。上述操作共重复1 6 0 次。数据经过2 5 5 节的扩频映射后，与扰码序列模八加，得到调制前的最终序列。 m s b m i d d l e l s b b i t 2 3 6 调制与波形成形 图2 4 扰码发生器 加扰后的信号采用8 p s k 调制方式，每个八进制码元映射成相应的相位信息， 星座映射图如图2 3 所示。短波通信电台的频谱范围为3 0 0 n 3 3 0 0 h z ，为了将信号 第二章短波低速数据传输系统 1 3 的频谱约束在该频率范围内，我们在调制过程中还采用了波形成形技术，如图2 5 所示。 图2 58 p s k 的调制原理框图 出信号 我们用升余弦滚降滤波器来进行波形成形，其传递函数办和频谱表达式 日( w ) 为： = 掣t ，船1 4 a t i2 1 ，7 r ii) j h ( c o ) = 式( 2 1 ) t , , 0 - i 小学 扣s m 丢哮碱半郸半 地， 喇半 其中，z 为码元周期，a 为滤波器滚降系数，0 a l 。a 的取值影响了滤波 器的时域和频域特性，a 越大，滤波器的传递函数尾部衰减越快，频域带宽越大。 在硬件平台系统中，仿真参数为：载波频率f =，采样频率f =，c 1 8 0 0 h z9 6 0 0 h z 码元速率为兀= l r , = 2 4 0 0 b a u d 。因为信号经过波形成形后带宽变为 b = ( 1 + 仅) 2 t , ，为了使信号的频谱在3 3 0 0 h z 以内，我们选择a = 0 2 5 ，此时 b = 1 5 0 0 h z ，加上载波频率后正好满足要求。因为升余弦滤波器是时域无限的， 不可实现，所以我们在m a t l a b 仿真时需要对该滤波器进行一定的截断，参数 d e l a y 就表明了截断位置，即单边通过零点的个数。图2 6 显示了对应于a = 0 2 5 ， d e l a y - - 4 的升余弦滤波器的时域波形和频谱特性。 1 4 短波低速数据传输性能提升技术研究 时域波形 n 频谱波形 弋：一卜一j 一i - 一j i 一? 一一广r 一 i ；i ： ：。ii ： ；：i：i 、， 01 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 04 0 0 05 0 0 06 0 0 0 7 0 0 08 0 0 0 o o 频率f l - l z 图2 6a = 0 2 5 ，d e a y = - 4 的升余弦滤波器时域波形和频谱特性 综上所述，短波数据传输系统的整个发送过程如图2 7 所示。 信 同步前导序列 i 泵 卷 交 格 积 雷 、 扰调 一 一 o 映 码织码制 射 t 训练序列 图2 7 短波通信过程的发送框图 端 第三章极低速数据传输关键技术的研究及实现 l5 第三章极低速数据传输关键技术的研究及实现 3 1 1 捕获的基本原理 3 1 信号捕获 在对信号进行解调前应先解决的问题是从什么时候开始接收到的不是噪声而 是发送端发送过来的信息，即寻找信号的起始时刻。这时候我们就可以利用已知 发送数据帧的同步前导序列。如第二章所言，发送端在发送信息前，总要发送若 干个同步前导序列，接收端通过接收和检测同步前导序列，以确定是否有信号传 输和得到接收信号所需要的信息，如频率偏移、信息速率、同步位置和多径位置 等。上述过程就是捕获过程。 现代短波中低速数据传输系统一般采用滑动相关f f t 算法来进行捕获，这种 算法能快速地捕获到同步前导序列，而且实现简单。其框图如图3 1 所示。 图3 1 信号捕获框图 同步前导序列一般具有良好的相关特性，假设该随机序列为甜( j | ) ，则其互相 关函数r ( 后) 为： 眦) = 军删w 州_ 菇嚣 胡) 其中n 是同步前导序列的码元个数。 假设接收到的第i 个码元信息的表达式为： x ( 七) = s c k ) + n ( k ) = g ( k ) e x p j ( 2 z c f c 七丁+ ( f ) + 9 ) + 挖( 七) ，k = 1 ，2 ，3 ，4式( 3 - 2 ) 其中，s ( 七) 是信号项，z 是载波频率，取z = 1 8 0 0 勉，采样频率 石= 1 t = 9 6 0 0 h z ，信道的码元速率是厶= 2 4 0 0 b a u d ，因此对每个码元采四个样 点。g ( 七) 是波形形成函数，如第二章所述，在理想情况下，最佳采样点对应的 g ( k ) = l 。妒( f ) 是同步前导序列的第i 个码元经8 p s k 调制映射成的相位，对同一 1 6 短波低速数据传输性能提升技术研究 个码元的四个采样点，咖( f ) 是相同的。日是载波初始相位，一般认为0 = 0 。刀( 七) 是 高斯白噪声的采样点。 对接收信号每隔4 个采样点取一个，共取n 个样点信息，若每个采样点都是 最佳采样点，且令0 = 0 ，则这n 个样点的表达式为： x ( k ) = s ( 七) + 疗( 七) = e x p j ( 2 9 f c k t 。+ 妒( 七) ) + 珂( 七) ，k = l ，2 n式( 3 - 3 ) 其中，t = 4 丁= 4 f = 1 厶，正好是码元周期，表示每个码元取一个采样 点。 接收端的本地序列为： l o c a l ( n ) = e x p j ( 2 r c f c n t + ( ，z ) ) ) ，n = 1 ，2 n 式( 3 4 ) 忙驯1 2 _ x ( n + m ) * l o c a l ( n ) 1 1 2 = 峪s ( n + m ) l o c a l ( n ) + 薹n ( n + m ) l o c a l ( n ) | 1 2 - - i i r 硝( 历) + 如( m ) 1 1 2 式( 3 - 5 ) 又根据同步前导序列的相关特性知： 卧m ) i i = | f 兰砌训宰l o c a l ( i in = l州1 1 0 r 对( m ) 0 = 0 x ( 以+ m ) 宰甩) 0 = i l e x p ( ) ) l i = 麓嚣 式( 3 6 ) 式( 3 5 ) 中等式右边的第二项是噪声分量，对于不同的m ，尺村( 聊) 的取值是随 机的，在一定信噪比情况下，式( 3 5 ) 的取值主要由i i r “( 聊) 0 决定。而由式( 3 6 ) 可以 看出，当m = 0 时，也就是本地序列和信息序列正好对齐的情况下，相关值忙对( m ) 0 很大，当所0 时，也就是本地序列和信息序列存在位置偏差的情况下，相关值 i i r “( 朋) 0 很小。所以，在接收端我们可以用0 r “( 聊) 旷作为判定度量值。 但是以上讨论是在较理想的情况下，实际上信号在传输过程中，若发送端或 接收端处于移动状态会产生多普勒频偏，且多普勒频偏随时间漂移。这时接收信 号载波频率和原始载波频率会有一定的偏差厶，疗，接收信号载波频率 l ：= c 蝴。 若厶0 ，相关值如( 聊) 的表达式应修正为： i i r 。, ( m ) u = 0 【e x p ( 2 厅厶驴 + m ) r ) * e x p ( y ( o ( 刀+ 聊) 一( 咒) ) ) 0 式( 3 7 ) 第三章极低速数据传输关键技术的研究及实现 l7 乘因子e x p u 2 矾i 疗 + 肌) 丁) 会影响最终的相关值，但是当时m = 0 有： 上 如( o ) = 幸：e x p ( ，2 巧乞驴n t 。) 式( 3 8 ) 石 此时虬( 0 ) 是个单音信号，其频谱在处有明显的峰值，也就是说当接收序 列和本地序列同步的时候，相关f f t 会出现明显的谱峰，而当没有同步的时候， 相关f f t 不会出现明显的谱峰。我们可以利用相关f f t 作为判断是否有信号的标 准。 接收端在接收到信号以后，首先做接收序列与本地序列的相关f f t ，如果谱 峰没有达到门限，则采样序列向前移动，若达到门限则将其记录，并向前移动； 将连续几个点的谱峰都达至o l - j 限值的点作为同步的位置。比较其谱峰值，选取谱 峰最大的点作为捕获点，谱峰最大的点对应的频率作为频偏估计厶胪谱峰的门限 要能根据信号动态变化，因为信号在传输过程中信道的参数是变化的。 由于f f t 变换对位同步不敏感，所以上面求得的最大谱峰位置只能作为粗同 步位置，还必须进一步确定准确的码元相位信息，即位同步位置。而且因为相差 一个码元内的序列，f f t 变换都有明显的峰值，为了能快速地捕获到信号，我们 在作滑动相关时，不用每个采样点都作，也就是说滑动步长可以是两个采样点， 即每隔一个采样点作一次相关f f t ，得到码元级同步位置。 在粗同步后，可首先利用估计出的频率偏移厶沂，对本地序列作修正，使本地 序列和信息序列的载波频率相同，这样我们就可以利用本地序列和信息序列的相 关值作为相关度量值。在粗同步位置附近几点处，计算本地序列和对应信息序列 的相关值陋d m ) l l 。，取最大的相关值位置为位同步位置。 3 1 2 极低速数据传输的捕获 在短波极低速数据传输系统中，数据的发送格式如图3 2 所示。 i 同步头序列速率和交织信息序列 l i同步前导序列信息序列 图3 2 短波极低速数据的发送格式 同步头序列以及速率和交织信息序列共同组成了同步前导序列，接收端先通 过接受和检测同步头序列，确定此时接收的是否为信号。然后检测后面的速率和 交织信息序列，获得后面信息序列的速率和交织信息，为后面的信息序列的检测 作准备。 其中同步头序列是由几个1 0 2 4 长的随机序列循环重复组成，至于具体有多少 1 8 短波低速数据传输性能提升技术研究 个重复序列，是由后面的速率信息决定的。一般速率越低，所需要随机序列的个 数越多。因为速率越低，其所适用的信道情况越差，性能要求越高，所以需要的 循环重复块越多。同步头序列的数据格式如图3 3 所示。 1 0 2 4 长随机序列 l 1 0 2 4 长随机序列 i 1 0 2 4 长随机序列 i 图3 3 同步头序列的数据格式 其中n = 1 0 2 4 的随机序列是8 进制数据，具有良好的自相关特性。图3 4 显示 了该随机序列的相关特性。 图3 4 极低速同步前导序列的相关特性 上图中的短相关值，是由于随机序列的非理想性形成的，只有理想的随机序 列，才具有如式( 3 1 ) 所示的相关特性。 接收端采用相关f f t 的算法捕获同步头序列，由于同步头序列的循环重复性， 相关f f t 的谱峰值也是重复出现的，每隔1 0 2 4 个码元出现一次。也就是说在滑动 相关时，如果对应某采样序列出现相关f f t 峰值，那么每滑动1 0 2 4 个码元也会有 出现相关f f t 峰值，利用该性质可以抑制信道衰落的影响。 在短波信道的电离层反射传播过程中，通过不同路径到达接收端的信号到达 时间不同，信号相位也不同。不同相位的多个信号在接收端叠加形成衰落，导致 某一同步位置的相关f f t 峰值不是很明显，所以有可能会错过该同步位置。为了 抵制这种情况，我们引入长相关的概念。也就是在接收端我们不是仅仅利用该采 样序列的相关f f t 峰值作为判断标准，而是将多个与该序列相隔1 0 2 4 个码元的整 数倍的采样序列的相关f f t 峰值相加，作为最终的判断标准。对于长相关信息， 就算某同步位置处有衰落，相关f f t 峰值不明显，也不会对最终的判断产生很 第三章极低速数据传输关键技术的研究及实现 1 9 大的影响，因为其他对应同步位置处相关f f t 峰值很大，相加后就能很好地抑制 信道衰落的影响。 极低速情况下，要求系统在信噪比s n r = - 2 0 d b 的情况下，捕获率达到9 5 以 上。为了达到这个要求，同步头序列以及速率和信息序列共需要2 3 个1 0 2 4 长的 随机序列，同步开销为9 8 1 3 s ，这对于短波数据传输系统而言，捕获时间过长了。 一方面同步前导序列没有传送信息，属于短波系统的通信开销，时间越短越好。 另一方面在突发通信过程中，要求系统能快速地捕获到信号，这同样要求捕获时 间越短越好。所以下面我们给出了一种缩短短波极低速数据传输同步开销的方法。 要缩短短波数据传输的捕获时间，可以增加单位信息序列中所包含的同步信 息，因为接收端采用长相关信息作为同步判断标准，所以我们可以增加单位采样 序列内的长相关信息。 改变原来的同步头的数据格式，原来是1 0 2 4 长的随机序列，现在改为2 5 6 长 的随机序列，如图3 5 所示。 图3 5 新同步头序列数据格式 j 磐 磐 卜i 止 止 斗k 罂 趔 鹫 卜- u 止 水 罂 1 0 0 0 0 原同步前导序列的相关f f 礴性 。一j 。一一i 。一j 。一一1 。一 t1 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 01 8 0 0 2 0 0 0 k 新同步前导序列的相关f f 惰性 图3 6 两种数据格式相关f f t 特性比较 相关长度还是1 0 2 4 个码元，每1 0 2 4 个码元求一次相关f f t ，但是这时每隔 2 5 6 个码元有一个相关f f t 峰值。单位相关长度内的同步信息增加了，由原来每 短波低速数据传输性能提升技术研究 1 0 2 4 个码元一个相关信息增加到4 个相关信息，如图3 6 所示。这样我们就能更 好地确定信号同步位置，减少要发送的同步前导序列的码元个数，缩短了捕获时 间。 速率和交织信息是否检测正确是后面信息序列检测是否正确的关键因素，如 果速率和交织信息没有检测正确，那么后面的信息序列一定检测错误，所以为了 能更好地检测出速率和交织信息，我们在同步头序列后加上了开始标志序列，标 志着速率和交织信息序列的开始位置。而且为了保持同步前导序列同步位置的一 致，开始标志序列以及速率和交织信息序列，都是