（电路与系统专业论文）磁悬浮列车车地通信系统数字化接收及仿真.pdf

摘要 摘要 车地通信系统是磁悬浮列车与地面控制中心信息传输的通道，其可靠而有效 的运行是保证磁浮列车安全运行的关键。“十五期间，基于模拟中频接收机的车 地通信系统达到了设计要求，但随着“十一五 期间新系统对传输带宽和可靠性 要求的进一步提高，原设计方案已经不能适应新的要求。本文在详细分析“十一 五 系统设计要求的基础上，结合国外磁浮通信新发展和现代通信新技术对原方 案进行了改进，提出了基于数字中频接收机的数字化车地通信接收方案。从方案 设计、论证、系统关键模块算法研究及实现等几个方面完成了以下工作： ( 一) 介绍了国内外磁浮车地通信系统研究现状，对比了“十五 、“十一五 磁浮试验线系统设计指标，明确了系统任务和设计要求。 ( - - ) 对x x x 毫米波磁浮无线通信信道进行研究，对信道衰落情况和信道 主要参数进行了详细分析和仿真。 ( 三) 针对“十一五一系统设计要求，提出了两种数字中频接收方案：一种 是先对多路信号解调，后分集合并；一种是直接在信号中频分集合并，输出一路 信号进行解调。结合系统实际应用环境和工程可实现性，对两种方案进行了详细 的对比和分析。对系统调制解调方式进行了仿真分析，确定了接收机解调实现方 案。 ( 四) 分析了系统分集合并模块的任务环境，针对提出的两种接收机结构给 出了相应的两种分集合并实现方案：一种是基带信号分集合并，该方案与“十五 期间实现相类似，可参考原有设计；一种是在信号中频进行分集合并，但是中频 信号的同步、信噪比估计等实现具有一定难度。本文针对这两点进行了详细说明， 提出了一种简化的基于信号互相关的中频信号同步算法和一种频域信噪比估计算 法。最后对分集合并性能进行了仿真分析。 ( 五) 对o f d m 和t c p i p 技术在磁浮通信系统中的应用做了简单尝试。 关键词：车地通信系统，数字中频接收机，分集合并，信号同步，信噪比估计 a b s t ra c t a b s t r a c t t h e t r a i n g r o u n d c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ( t g c s ) s e r v e s嬲 a n i n f o r m a t i o n - t r a n s m i t t i n gc h a n n e ll i n k i n gm a g l e vt r a i n sa n dt h eg r o u n dc o n t r o lc e n t e r , a n di t sr e l i a b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s si so fc r u c i a li m p o r t a n c ef o rt h es a f eo p e r a t i o no f m a g l e vt r a i n s d u r i n gt h ep e r i o do f t h el o t hf i v e - y e a rp l a n ( i o f y p ) ，t h et g c s b a s e do nt h ea n a l o gi n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ( ) r e c e i v e rr e a c h e dt h ed e s i g ns t a n d a r d a f t e re n t e r i n gt h e “ll t hf i v e - y e a rp l a n ”p e r i o d ( 11 f v r ) ，h o w e v e r , t h es y s t e mh a sb e e n c o n f i o n t e d 、 ，i 廿lh i g h e rs t a n d a r d sf o rc o m m u n i c a t i o nb a n d w i d t ha n dr e l i a b i l i t y , 、加t l l w h i c ht h ef o r m e rd e s i g nb e c o m e sn ol o n g e rc o m p l i a n t s t a r t i n gw i t had e t a i l e da n a l y s i s o ft h ed e s i g ns t a n d a r df o rt g c si nt h e1 1f y pp e r i o da n da ni n t r o d u c t i o no ft h el a t e s t m a g l e vc o m m u n i c a t i o nd e v e l o p m e n t sa n dt e c h n o l o g i e sa b r o a d , t h et h e s i sp r o p o s e sa n i m p r o v e dd e s i g no ft g c s ，n a m e l yt h ed i g i t a lt g c sb a s e do nt h ed i g i t a li fr e c e i v e r t r e a t i n go fs c h e m ed e s i g n , a r g u m e n t a t i o n , r e s e a r c ho nk e ya l g o r i t h mm o d u l ea n di t s r e a l i z a t i o n , i tc o n s i s t so ff i v ep a r t s ： p a r tif i r s tr e v i e w st h ea v a i l a b l el i t e r a t u r ea th o m ea n da b r o a do nt h et g c s r e s e a r c l l ，t h e nc o m p a r e st h e 10 f y pa n d1 1f d e s i g ns t a n d a r df o rt h em a g l e v t r i a ls y s t e m ，a n df i n a l l yi l l u s t r a t e st h et a s ka n dt h ed e s i g ns t a n d a r d p a r ti ip r o b e si n t ot h em a g l e vr a d i oc o m m u n i c a t i o nc h a n n e lo fm i l l i m e t e rw a v e a n dm a k e sad e t a i l e da n a l y s i sa n dac o m p u t e rs i m u l a t i o no ft h ec h a n n e ld e c l i n i n ga n d i t sm a j o rp a r a m e t e r s p a r ti i i ，i nc o m p l i a n c ew i t ht h el ln 俾d e s i g ns t a n d a r d ，p r o p o s e st w od i g i t a li f r e c e i v i n gd e s i g n s ：o n ei st of i r s td e m o d u l a t ea n dt h e nc o m b i n e t h em u l t i - c h a n n e ls i g n a l s ； a n o t h e ri st oe x p o r tas i g n a lt od e m o d u l a t ea f t e rd i v e r s i t y - c o m b i n i n gt h ei fs i g n a l i t c o m p a r e sa n da n a l y z e st h e s et w od e s i g n s c o n s i d e r i n gm e i rf e a s i b i l i t ya n dp o s s i b l e w o r k i n gs c e n a r i o s i ta l s oa n a l y z e st h es y s t e m sm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o na n d w o r k so u tar e c e i v e rd e m o d u l a t i o ns c h e m e p a r ti va n a l y z e st h ew o r k i n gc i r c u m s t a n c eo fd i v e r s i t y - c o m b i n i n gm o d u l e ，a n d p r e s e n t st w op r o j e c t sf o r t h ed i v e r s i t y - c o m b i n i n gr e a l i z a t i o no ft h et w op r o p o s e d r 喇v e r s o n ei sb a s e b a n ds i g n a ld i v e r s i t y - c o m b i n i n gs i m i l a rt ot h a to f1 0 f y p ；a n o t h e r a b s t r a c t i si fs i g n a ld i v e r s i t y - c o m b i n i n g , w h i c hi ss t i l lo fc e r t a i nd i f f i c u l t yt or e a l i z ei nt e r m so f t h ei fs i g n a ls y n c h r o n i z a t i o na n dt h es n re s t i m a t i o n t h et h e s i sa n a l y z e st h o s et w o d i f f i c u l t i e sa n dp u t sf o r w a r dt w oa r i t h m e t i cs o l u t i o n s ，n a m e l yas i m p l e s i g n a l s y n c h r o n i z a t i o na r i t h m e t i cb a s e do ns i g n a lc o r r e l a t i o na n da ne s t i m a t i o na r i t h m e t i co f s n ri nf r e q u e n c yd o m a i n a tl a s t , i ta n a l y z e st h ep e r f o r m a n c eo fd i v e r s i t y - c o m b i n i n g b yc o m p 咖s i m u l a t i o n s p a r tvd e m o n s t r a t e ss o m es i m p l ee x p e r i m e n t so nt h ea p p l i c a t i o no fo f d ma n d t c p 理i nt h es y s t e mo f m a g l e vc o m m u n i c a t i o n k e y w o r d s ：t r a i n - g r o u n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ；d i g i t a li n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y r e c e i v e r ；d i v e r s i t y - c o m b i n i n g ；s i g n a ls y n c h r o n i z a t i o n ；s n re s t i m a t i o n 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得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作了明确的 说明并表示谢意。 签名：囱泠日期年月土日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 日期：瑚年多月。日 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 “十五 期间，我国在上海修建了1 5 k m 磁浮试验线，用于高速磁浮列车的 国产化技术研究。该试验线包括轨道系统、试验磁浮架、地面伺服控制系统等设 施。其中车地无线通信系统是地面伺服控制系统中的关键模块之一，提供车载和 地面基站设备之间的双向数据连接，实现运行控制数据、牵引系统数据、诊断数 据、旅客信息以及语音通信等信息的车地间传输n m 。 包括车地通信系统的1 5 公里磁浮试验线已经初步完成，原系统采用模拟中频 接收机方案。模拟中频接收机优点是带宽比较宽、响应速度快，缺点是容易给视 频信号引入噪声，系统动态范围小，以及由于模拟检波器件引起的幅相不平衡会 产生严重的镜像分量b ，。高速磁浮列车控制指挥系统需要实时保持地面集站与车载 移动台重要的伺服及定位信息的交换，高效而可靠的车地通信系统是保证列车指 挥调度、运行安全的关键。因此考虑新的接收机体制显然非常必要。随着大规模 集成电路技术的发展，高速的模数转换芯片( a d c ) 已经可以代替检波器在中频 甚至射频直接采样，后续过程即可采用大规模集成电路进行全数字处理，减小了 噪声的影响，大大提高了系统的动态范围，可以有效提高车地无线通信系统的通 信可靠性。 由于受到磁浮列车高移动速度、车载设备强烈的电磁干扰、城市及隧道内穿 行时建筑物的多径反射等因素的影响，无线信道环境存在严重的多普勒扩展及大 动态快衰落，信道环境恶劣。在单路接收的情况下即使可以加大发射功率，也不 能得到理想的通信效果。为满足列车控制指挥系统的苛刻要求，最大限度地利用 接收信号功率，减小信道衰落等因素的影响，车地通信系统必须采用特殊的抗衰 落措施以提高数据传输的可靠性。在诸多抗衰落措施中，分集合并技术是提高系 统性能最为有效的措施。“十五期间车地通信系统采用模拟中频接收机方案，其 分集模块也是基于模拟接收机进行设计的，分集合并方式受到一定限制，一些高 效的分集合并方式如最大比合并、等增益合并无法在基于模拟中频接收机的体制 中得到应用，而只采用了简单的基于位相关质量估计的选择性合并方案。针对以 电子科技大学硕士学位论文 上问题，“十一五 期间对整个试验线进行了改进，本文所涉及的是车地通信系统 中的数字接收机部分，新方案采用数字中频接收机，分集合并模块可采用性能较 好的最大比合并、等增益合并等高效的合并方式，从而提高分集模块的性能，有 效提高车地通信抗衰落能力。 1 2 国内外研究现状及发展态势 最早的磁浮列车车地通信系统是德国研发的t v e 磁浮试验车车地无线通信系 统，该系统采用多天线空间分集方式实现高质量数据传输。该系统沿列车轨道布 置多个基站，与位于车头车尾的车载移动站保持双向无线通信。磁浮列车沿轨道 运行中，基站相继与车载移动站建立无线通信，实现数据信息的双向交换。西门 子公司在其开发的商用磁浮列车车地通信系统中，对t v e 系统进行了一定的改进， 增加了车载和基站的信道数量，提高了系统分集性能。改进后的系统，能够在一 定程度上改善由信道深度衰落引起的传输错误，提高了系统性能h 儿朝。已有的车地 通信试验系统包括德国磁浮试验线车地通信系统、日本山梨磁悬浮列车示范线通 信系统等。其中我国在采用德国技术建成的磁悬浮示范运营线是世界上唯一进入 实际应用的磁悬浮车地通信系统m 1 。 随着模数变换器件( a d c ) 的发展和数字信号处理器处理速度的提高，数字 接收的理论和技术越来越先进和成熟，国内外学者对此的研究也很多。数字接收 机使用a d c 代替晶体检波器，a d c 的输出是数字化的数据，一旦信号被数字化， 随后的处理都将是全数字的，数字信号处理技术不存在模拟电路中的温度漂移、 增益变化、直流电平漂移等现象，因此不需要采用过多的校正技术，具有较好的 稳定性。得益于大规模集成电路技术的发展，数字信号处理器的性能越来越高， 一些高速高性能的f p g a d s p 芯片可以实现很多实时的复杂的数字信号处理算法 且具有很高的精度。 分集合并技术在磁浮车地通信中的应用，国内外学者已经对多信道车地通信 系统进行了大量的研究，并成功研制了多种应用分集技术的试验线，技术已经相 对比较成熟。但是由于商业保密等原因，一般较难找到分集技术在车地通信系统 中的具体应用资料。分析现有试验线车地通信的工作方式，其分集合并采用的都 是基于空间分集的选择性合并。事实上，选择性合并在各种分集合并方式中实现 最为简单，但是合并性能也最低，不能充分利用空间多天线多接收信号的优势。 我国要进行高速磁浮列车的国产化技术研究，就必须突破国外技术壁垒，提出自 2 第一章绪论 己的新的技术体制，分集合并技术正是国外技术保密的重点。采用新的基于数字 中频接收机的分集合并方式，相对于现有系统，作为车地通信的一种全新体制具 有重大研究意思。在这些方面的技术突破对于形成专利进而形成具有我国自主知 识产权的磁浮列车通信系统都具有重大意思。 1 3 系统总体结构和功能 在列车高速运行过程中，车地通信系统必须保证传输数据的完整性、可靠性 和实时性，这是高速磁浮列车实现安全、可靠自动运行的前提。 所设计实现的车地通信系统由如下子系统构成 中央无线电控制单元( c r c u ) ：设置在中央控制系统( c c s ) ； 分区无线电控制单元( d r c u ) ：设置在分区控制系统( d s c ) ； 车载无线电控制单元( m r c u ) ：设置在列车上； 光纤网络( 0 f n ) ：设置在轨道沿线； 无线电基站( r b s ) ：设置在轨道沿线； 移动无线电基站( m b s ) ：设置在列车上。 地面部分系统框图如图1 1 所示，由a 、b 两个冗余数据通道组成。 图1 - 1 磁浮列车车地通信系统总体框图 将图1 1 虚线椭圆内详细框图示于图1 2 。 3 电子科技大学硕士学位论文 图1 - 2 磁浮列车车地通信系统框图 本文所设计的数字接收机应用于图1 2 中的车载和地面基站中，接收机前端连 接模拟射频前端，后端通过光电转换器件与光纤网络相连。 1 4 论文主要内容 论文在详细分析“十一五 系统设计要求的基础上，结合国外磁浮通信新发 展和现代通信新技术对原方案进行了改进，提出了基于数字中频接收机的数字化 车地通信接收方案。论文的主要结构如下： 第一章为绪论，介绍国内外磁浮车地通信系统研究现状，对比“十五”、“十 一五 磁浮试验线系统设计指标，明确了系统任务和设计要求。 第二章对x x x 磁浮无线通信信道进行研究，对信道衰落情况和信道主要参数 进行详细分析和仿真。 第三章针对“十一五系统设计要求，提出了两种数字中频接收方案：一种 是先解调，然后分集合并；一种是直接在信号中频分集合并后输出一路信号进行 解调。结合系统实际应用环境和工程可实现性，对两种方案进行了详细的对比和 分析。对系统调制解调方式进行了仿真分析，确定了接收机解调解调实现方案。 第四章分析了系统分集合并模块的任务环境，针对提出的两种接收机结构给 出了相应的两种分集合并实现方案：一种是基带信号分集合并，该方案与“十五 期间实现相类似，可参考原有设计；一种是在信号中频进行分集合并，但是中频 信号的同步、信噪比估计等实现起来具有定的难度。本文针对这两点进行了详 细说明，提出了一种简化的基于信号互相关的中频信号同步算法和一种频域信噪 比估计算法。最后对分集合并性能进行了仿真。 第五章简要分析了o f d m 和t c p i p 技术在磁浮通信系统中的应用。 最后一章是全文的总结和后续工作的展望。 4 第二章磁浮无线通信信道特点及仿真 第二章磁浮无线通信信道特点及仿真 2 1 毫米波无线通信信道特征 无线通信信道即信号在发射机与接收机之间的空间传播路径，无线信道一般 具有很大的随机性，通常用统计方法进行建模。很多专著中对无线信道都有比较 详细的描述口儿町，本章只是针对毫米波无线通信系统对无线信道特征做简单分析， 为后面的研究做铺垫。 在毫米波无线通信系统中，由于天线长度远远大于电波波长，地表绕射波的 影响可忽略不记。天波一般指电离层反射波，一般限于3 0 m t t z 以下频率，因此毫 米波通信不存在天波传输。在毫米波频段内最大波长只有l o r e ，比起照射区域内 的建筑物、树林、山丘等物体的尺度要小得多，电波传播主要以反射和散射为主。 因此，直达、反射和散射波是毫米波移动通信电波传播的主要方式。对传播模型 的研究，传统上集中于特定范围内平均接收场强的预测和特定位置附近场强的变 化。对于预测平均场强并用于估计天线覆盖范围的传播模型，其描述的是发射机 与接收机之间长距离( 几千米) 上的场强变化，称为大尺度传播模型。描述短距离 ( 几个波长) 或短时间( 秒级) 内的接收场强快速波动的传播模型，称为小尺度衰落 模型。 2 1 1 小尺度衰落模型 在小尺度衰落情况下，由于同一传输信号沿两个或多个路径传播，以微小的 时间差到达接收机，相互干涉从而引起信道衰落。接收机天线将几路信号合成为 一个幅度、相位都急剧变化的信号，其变化程度取决于多径信号的强度、相对运 动速度及传输信号的带宽。多径信道的接收信号由若干个被减弱、有时延、有相 移的传输信号叠加而成，基带冲激响应模型可表示为 掣 i l ( f ，f ) = 口f ( f ，f ) e x p 歹( 2 万z l ( f ) + 仍o ，r ) ) 】艿0 一r a t ) ) ( 2 - 1 ) 其中，q ( f ，f ) 、q ( f ) 是在t 时刻第i 个多径分量的幅度和时延，2 z f r ，( t ) 、e p ，( t ，r ) 是第i 个多径分量由多普勒频移引起的相移和附加随机相位。 电子科技大学硕士学位论文 2 1 2 多普勒扩展与相干时间 多普勒扩展和相干时间是描述小尺度衰落模型频率色散或时变特性的两个重 要参数。在移动通信系统中，由于移动台相对于基站的运动，接收到的信号频率 会相应产生变化，该频率变化值称为多普勒频移，表达式为 石= 西1 警= 、2 ：r v a t c o s 9 | 丸 2 万f ；z c o s o( 2 2 ) 五 、 其中，v 是移动台移动速度，元是载波波长，秒是移动台运动方向和入射波之间的 夹角。由式( 2 2 ) 可见，若移动台沿入射波方向运动，则多普勒频移为正( 即接收 频率上升) ；若移动台逆入射波方向运动，则多普勒频移为负( 即接收频率下降) 。 由于多径信号到达的方向各不相同，所以导致接收信号各径的多普勒频移是各不 相同的，并散布在一个区间内，该多普勒频移变化范围，称为多普勒扩展。由 ( 2 2 ) 式知，最大多普勒频移为丘= ；。对单频信号，若信号频率为z ，则其谱展 宽为眈一丘，z + 丘】，若只考虑单边谱，则有如= 丘。若基带信号带宽远大 于，则该信道相对于信息速率是一个慢衰落信道，那么在接收端就可以忽略多 普勒扩展的影响。 相干时间互是多普勒扩展在时域的表示，用于描述信道频率色散的时变特性， 也可用来度量时间相关函数尺( f ) 。z 是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计 平均值。换句话说，z 就是指一段时间间隔，在此间隔内到达接收机的不同径信 号之间具有很强的幅度相关性，而时间间隔大于z 的多径信号受信道的影响各不 相同。多普勒功率谱s ( f ) 和时间相关函数r ( f ) 之间可用傅里叶变换相互联系， 两者关系可表示为 尺( f ) 垡皇生奎垫js(d(2-3) 相干时间z 的大小可用多普勒扩展的倒数来近似估计： 6 第二章磁浮无线通信信道特点及仿真 个1 t 万 ( 2 4 ) 相干时间和多普勒扩展之间没有精确的关系，如果相干时间被规定为这样的 时间，在这个时间上时间相关函数值在0 5 以上，那么相干时间z 可近似为 互岛丽9 ( 2 - 5 ) 如果基带信号带宽的倒数大于信道相干时间，那么信号传输过程中基带信号 可能发生改变，导致接收信号失真。反之，信道的时变特性就不会导致信号失真， 但是不排除多径时延引起的信号失真。根据多普勒扩展和相干时间的关系，可以 把小尺度衰落分为快衰落和慢衰落。 当信道变化快于基带信号变化时，信号为快衰落，判断准则为 乏 王，也 ( 3 - 2 ) 其中兀是峰值频率偏移，九是载波的初始相位9 1 。对应的载波调制信号可以表示 为 s ( f ) = ac o s 2 z f 。+ o ；j ) + 死】 ( 3 3 ) 其中( f ；，) 表示载波的时变相位，定义为 # ( t ；1 ) = 4 z t 兄ld (t)dt(3-4) 代入( 3 1 ) 式，得 # ( t ；i ) = 4 z t f alt , i g ( t 一力t ) d t ( 3 - 5 ) 在( 3 4 ) 中，虽然d ( t ) 具有不连续性，但是d ( t ) 的积分是连续的，因此调制信号 相位是连续的。进一步推导得 # ( t ；i ) = 2 z t f a i k + 2 z t f a ( t - n t ) i ( 3 - 6 ) k = - - , * o 定义 h = 2 z r f , 或= j i l 厶 1 9 电子科技大学硕士学位论文 则 祀，七辫 矽( f ；，) = 幺+ 2 7 r h i q ( t n t ) ( 3 - 7 ) 其中h 称为调制指数【2 0 】f 2 l 】。 对于c p m 信号解调，通常采取的步骤为：解调最大似然序列估计 v i t e r b i 译码一码元判决。 在高斯白噪声信道传输的信号，接收信号可以表示为 ，；o ) = ( f ) + 刀o ) ，( os t r ) 其中，( f ) 是发送的m 个信号波形，m = l ，2 ，m ，万( f ) 是高斯自噪声。接收机首 先将接收波形变换成n 维向量；= 【吒，呢，】，这里，n 是发送信号波形的维数。 然后送入检测器，根据向量r 一，判定出在m 个可能的信号波形中是哪一个被发送。 解调器原理框图如图3 - 9 所示。 图3 - 9 解调器原理框图 解调器的解调步骤为： ( 1 ) 由带通滤波器b p f 对接收到的中频信号“d 进行带通滤波，滤除带外噪 士 尸； ( 2 ) 用两路正交载频分别对经滤波的信号进行差频，再经过低通滤波器l p f ， 就得到两路正交的低通信号分量； ( 3 ) 对两路正交低通信号分量进行“附加增量计算 ，得到增量； ( 4 ) 对增量进行v i t e r b i 译码，输出即为信息码元，串并转换后得到信息比特 流 2 2 1 。 鼐三章数，接收机理论压部分功能模块仿真 34 3o p f s k 信号调制解调仿真 “rf - ”期f n j 磁浮试验线设计信号码牢4 m h z ，编码、组帧后信号带宽为 1 0 m h z 。“4 一五”期间为满足控制及增值服务的要求，增加通信带宽至8 m h z ， 编码、组帧后设计信号带宽1 0 m h z 2 0 m h z 。本文中殴传输信号带宽1 4 m h z ， “l 血”、“卜m ”j 啊州两种信号一p 频浆样后的t 域波形和! ；= i 一化频谱示于图3 1 0 和图3 1 l ，中频采样率1 0 0 m h z 。 l j 瓣l 蓁 。 2 h 3 4 ? ：! 竺竺竺堕! ! 壁! 鞴燃删揪i 二一一j h m ， 圈3 - 1 01 0 m h z 、1 4 m h z 信号时域波形 o2 7 7t 群 ” 1 幽3 - 1 1i o m h z 、1 4 m i i z 信号门一化频谱 卜文针对1 4 m h z 带宽信号的c p f s k 调制中涉及的参数和性能进行综合仿真。 赴c p f s k 调制方a 中，调制指数足一个重要参数，凋制指数分别取o7 、o6 、0 4 ， 倍道环境为多径菜斯信道( 仿真条r 蛐2 3 节) 0 ；5 斯r l 噪卢信道的蒋加，4 1 4 信 l 噪比下的误码率曲线如图3 1 2 所示。 o m r - o 幽 轧 卧姝 、。 械一二： 三降蒸己。 。；n ；? 土 4 。5 8 1 0 ”1 l t 61 8 2 0 f 【， 倒3 1 2 不同弼制指数的误码率曲线 ， 蜒衄 _ | | h 电子科技大学硕十学位论文 由幽3 1 2 可见，阔制指数h 为o7 时，系统的误码性能最优 增大解调误码性能会更好，但是，c p f s k 调制信号带宽 b = ( 2 + ) 随着h 的继续 r 3 8 1 其巾h 为凋制指数 为基带带宽。h 的增大导致调制信号带宽增加，系统歼销变 大。 “十一五”系统要求的基带信号带宽大大增加，由式( 3 - 8 ) 可知，基带信号带 宽增加导致调制信号带宽增加，可以考虑应用多相c p f s k 调制以降低调制信号带 宽。调制指数为07 的四相c p f s k 信号中频采样后的归一化频谱如图3 - 1 3 所示， 与二相调制对比。信道环境为多径菜斯信道( 仿真条件如23 节) 与高斯白噪声信 道的叠加时，不同信噪比下二相和四相c p f s k 信号解调误码率如图3 1 4 所示。 “ 。2 o n 4 。o 6o8 1 ： 4 fc o f s k 7 2 ，i i o _ 卜 撤。撤，： 酗3 13 一相剌四相c p f s k 信t 归化频谱阿31 4 一相和四相c p f s k 信号解调误码率 由图3 1 3 町见，旧相c p f s k 调制信号的频带更为集中，有效带宽减小，带外 信号非常少。山图3 1 4 可见，相同基带信号条件下，信噪比较低时叫相调制性能 较好，说明四相调制抗噪声抗十扰能力好。但随着信噪比的增加，山于四相调制 解调器设训更为复杂，导致随着信噪比的增加解调误码率没有明显改善。这可以 通过优化和改进【q 相调制解州来政善，比如将四相调制与预编码相结合口”。 调制指数为07 的计目c p s f k 信弓分别通过高斯白噪声信道和多径莱斯信道 ( 仿真条件如23 节) 与高斯白噪卢信道叠加的情况，解调后信号洪码率曲线如图 3 - 15 所示。 第二= 章数字接收机理论及部分功能模块仿真 。鼻i 一勰徽i 差蝶“信道jo 琳 堕艇r ! 哩也童，垫 1 02 5 _ 。j 0 2 。 j 目o ”i j 0 1 1 专一 0 0 5 弋 ， 0 二二：。二i ：。! ! ，：一。嗡。 = o r _ # e e 自s 8 自e $ 信唾比，d b 幽3 - 15 不同信道环境r 的误码率曲线 由图3 - 15 可见，在相同信噪比条件f ，信号通过多径莱斯信道后，误码率大 大提高。信噪比为1 5 d b 时，将多径策斯信道环境下的调制信号时域波形( 除去噪 声后) 、调制前码元信号和解调后码元信号波形示于图3 - 1 6 。 剖3 - 1 6 差斯信道王1 = 境r 解涮码元分析 电子科技大学硕士学位论文 图3 1 6 中，第一个图为多径莱斯信道环境下的调制信号时域波形，信号存在 深度衰落；第二个图为调制前码元信号和解调后码元信号波形的对比；第三个图 将深度衰落位置( 第二个图中椭圆所示位置) 对应的码元放大显示；可以看出误 码主要出现在深度衰落位置。由此可见，系统误码主要是由深度衰落引起的，若 采用一定的抗衰落技术可以大大降低系统误码率，例如应用分集合并技术。 第四章分集合并模块研究与实现 第四章分集合并模块研究与实现 在磁浮列车车地通信系统中，深度衰落是影响通信质量的主要原因。第二章 的仿真实验和试验线实测的信道快衰落的深度达到3 0 , - , 4 0 d b ，此时采用加大发射 功率的方法来克服接收信号的深度衰落是不现实的。同时，当列车一组天线进入 基站阴影区时，信号质量也会出现严重下降。分集合并模块的主要功能是将多通 道接收机送来的多路信号合并为一路质量较好的信号，从而实现抗深度衰落、基 站区间切换的功能。保证磁浮列车进入基站阴影区时，通过合理精确的信道切换 做到不间断数据传输，通过对多路信号分集合并，尽可能抑制信道衰落对数据通 信的影响。 本章首先介绍分集合并的相关理论，然后对分集合并模块的任务环境进行分 析，明确了分集合并模块的实现方案，对分集合并模块实现中涉及到的问题进行 了详细说明。 4 1 分集合并理论 分集合并包含两重含义：一是分散传输，使接收机能够获得多个统计独立的、 携带同一信息的衰落信号；二是集中处理，即接收机把收到的多个统计独立的衰 落信号进行合并( 包括选择与组合) 以降低衰落的影响，提高系统性能。 4 1 1 分集方式 移动通信系统中主要有两种分集方式：一种称为“宏分集 ，一种称为“微分 集”。“宏分集 主要用于蜂窝通信系统中，可以减小慢衰落影响，保持通信不会 中断。“微分集 是一种减小快衰落的分集技术，在多种无线通信系统中都经常使 用。为了在接收端得到多个互相独立或基本独立的接收信号，一般可利用不用路 径、不同频率、不同角度、不同极化、不同时间、不同场分量等接收手段来获得。 相应的，“微分集”可以分为以下六种。 l 、空间分集 空间分集是接收端在不同的位置上接收同一个信号，只要各位黄间的距离大 到一定程度，所收到信号的衰落是互相独立的。接收端各天线的间距应满足 电子科技大学硕士学位论文 d 3 五 ( 4 _ 1 ) 其中，d 为接收端各天线的间距，名为工作波长。理论上，分集天线数( 分集重数) 越多性能改善越好。但是分集重数多到一定数时，随着分集重数继续增加，性能 改善将逐渐减小。一般分集重数在2 4 重比较合适。 实验线磁浮车地通信系统中，采用毫米波通信，同组天线间距远大于3 倍波 长，满足空间分集条件，同时车头车尾相距几十米，可实现大尺度的空间分集。 2 、频率分集 频率分集是将待发送的信息分别调制到不同的载波频率上发送，只要载波频 率之间的间隔大到一定程度，接收端所接收到信号的衰落就是相互独立的。实际 应用中，当载波频率间隔大于相关带宽时，则可认为接收到信号的衰落是相独立 的。载波频率的间隔应满足 1 矽皿= ( 4 - 2 ) 式中，为载波频率间隔，足为相关带宽， 试验线磁浮车地通信系统中，如图2 1 ， 于系统相关带宽。 a t 为最大多径时延差。 两个发射中频频差v = 5 0 m h z ，远大 3 、其它分集方式 其它分集方式还有极化分集、场分量分集、角度分集、时间分集等，试验线 系统中没有应用，这里不做具体介绍【2 4 l 。 4 1 2 合并方式 在接收端采用分集方式可以得到n 个衰落特性相互独立的信号，所谓合并就 是根据某种方式把得到的各个独立衰落信号相加后合并输出，从而获得分集增益。 合并可以在中频进行，也可以在基带进行，通常是采用加权相加的方式合并。 假设n 个独立衰落信号分别为( f ) ，r 2 ( t ) 9o * 0 9 r m ( t ) ，则合并器输出电压为 兰 r ( t ) = a l f i ( t ) + a 2 眨o ) + + 口| i i ，r m ( t ) = a k r k ( t ) ( 4 - 3 ) k = l 式中，a 。为第k 个信号的加权系数。 选择不同的加权系数，就可以构成不同的合并方式。常用的有三种合并方式： 第四章分集合并模块研究与实现 选择性合并( s c ) 、最大比合并( m r c ) 和等增益合并( e g c ) 。 l 、选择性合并 选择性合并是最简单的分集技术，其原理是通过多路选择器将具有最高瞬时 信噪比的接收支路与后级电路相连接。但是在实际应用中信噪比一般较难测量， 且各通道噪声功率基本相同，可采用s + 值最大的支路作为选择支路，其中s 和 分别表示信号和噪声的功率。原理如图4 - 1 所示。 图4 - l 选择性合并原理图 选择性合并一般是对中频信号解调后，对基带码元做信噪比比较，然后进行 选择。这种方法结构简单，容易实现。但是未被选择的信号弃之不用，抗衰落性 能不如后述两种方式。 2 、等增益合并 等增益合并原理如图4 _ 2 所示，当式( 4 - 3 ) 中加权系数a 。= 口：= = a 肘时， 即为等增益合并。无需对信号加权，各支路信号等增益相加，实现比较简单。 接收端 相 加 图牝等增益合并、最大比合并原理图 等增益合并输出的信号包络为 2 7 电子科技大学硕士学位论文 ( 4 4 ) 式中表示第k 路信号包络。 3 、最大比合并 最大比合并方法最早由k a h n 提出的，其原理可参见图4 2 。最大比合并原理 是各支路加权系数与该支路信噪比成正比。若每条支路的平均噪声功率是相等的， 可以证明，当各支路加权系数为 吒 q 。衰 ( 4 - 5 ) 时，分集合并后的平均输出信噪比最大。式中，m 为每条支路的噪声平均功率。 由此可得最大比合并输出信号包络为 咯= 善a k r k = 兰k = i 爰 咯= = 等 i i ”t 4 1 3 分集合并性能分析和比较 ( 4 6 ) 分集合并的性能用合并前后信噪比的改善程度来衡量。为便于比较三种合并 方式，假设它们都满足以下三个条件： ( 1 ) 各支路噪声均为加性噪声且与信号不相关，噪声均