（通信与信息系统专业论文）流星余迹通信信号接收技术与fpga实现.pdf

摘要 流星余迹信道具有快衰落的特性，经过流星余迹信道传输的信号功率一般按 照指数规律衰减，且流星余迹持续的时间很短，所以流星余迹通信的平均传输速 率比较低。针对这个问题，本文讨论了流星余迹通信系统中自适应门限检测技术 和自适应变速率传输机制，并通过软件仿真、基于f p g a 的硬件实现和远距离线 路试验证明了相关方法的有效性。 论文的第一部分介绍了流星余迹通信的发展及其重要性，并分析了流星余迹 信道的物理特性。第二部分对两种常用的自适应门限检测方法进行了分析和对比， 在此基础上提出了一种基于并行检测的自适应门限检测方法，仿真结果表明，该 方法在低信噪比条件下可以提高正确检测概率，改善系统的信号接收能力。第三 部分介绍了流星余迹通信系统中三种常用的自适应变速率传输机制，根据实现复 杂度，讨论了一种联合调制与编码的自适应变速率传输方法，对该方法的工作过 程、速率识别方式以及确定速率转换阀值的方法进行了分析和说明；采用自顶向 下和模块化的设计方法，完成了自适应变速率传输的f p g a 系统设计方案，使用 v h d l 语言在a l t e r a 公司的c y c l o n ei ie p 2 c 5 0 芯片上进行了实现和验证，并应用于 实际的流星余迹通信系统中。室内测试和远距离线路试验结果证明，与固定速率 传输方法相比，该方法能够有效提高流星余迹通信系统的平均传输速率。 关键字：流星余迹通信自适应门限检测自适应变速率f p g a a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ef a s tf a d i n gc h a r a c t e r i s t i co fm e t e o rb u r s tc h a n n e l ，t h er e c e i v e d p o w e rf r o mam e t e o rt r a i ld e c a y sr a p i d l y ，g e n e r a l l ye x p o n e n t i a l l y ，a n dt h et r a i l h a sa s h o r tl i f et i m e t h e s ef a c t sc a u s et h et h r o u g h p u t ，i e a v e r a g en u m b e ro fb i t sp e rs e c o n d ， t ob ef a i r l yl o wr e l a t i v et oo t h e rs y s t e m s i no r d e rt om a k ef u l lu s eo f t h em e t e o rt r a i l ， a d a p t i v et h r e s h o l dd e t e c t i o na n da d a p t i v ev a r i a b l er a t et r a n s m i s s i o ni s s t u d i e di nt h i s p a p e r f i r s t l y , t h ed e v e l o p m e n t o fm e t e o rb u r s tc o m m u n i c a t i o n ( m b c ) a n dt h e p r o p e r t i e so ft h em e t e o rb u r s tc h a n n e la r ei n t r o d u c e d b a s e do nt h er e s e a r c ho ft w o a d a p t i v et h r e s h o l dd e t e c t i o ns c h e m e s ，as c h e m ew i t hp a r a l l e ld e t e c t i o ni sp r e s e n t e di n s e c t i o ni i c o m p u t e rs i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h ed e t e c t i o np r o b a b i l i t yi si m p r o v e db y u s i n gt h i sm e t h o dw h e nt h ec h a n n e li s i np o o rc o n d i t i o n i ns e c t i o ni i i ，t h r e et y p e so f a d a p t i v ev a r i a b l er a t es c h e m e sa r ei n t r o d u c e d a na d a p t i v ev a r i a b l er a t es c h e m eb a s e d o nm o d u l a t i o na n dc o d i n gi sc o n f i r m e da c c o r d i n gt ot h ec o m p l e x i t y i t sw o r kp r o c e s s ， r a t ed e t e c t i o na n ds w i t c h i n gt h r e s h o l dd e t e r m i n a t i o ni st h e nd e v e l o p e di nd e t a i l t h e f p g ad e s i g nu s i n gt o p - d o w na n dm o d u l a r i z a t i o nm e t h o di si m p l e m e n t e do nt h ec h i po f a l t e r a sc y c l o n ei ie p 2 c 5 0w i t hv h d l f i n a l l y , t h ee f f i c i e n c yo ft h es c h e m ei s d e m o n s t r a t e db yt h er e s u l t so ft r a n s m i s s i o nt e s ti nl a b o r a t o r ya n df i e l d k e y w o r d ：m b ca d a p t i v et h r e s h o l dd e t e c t i o na d a p t i v ev a r i a b l er a t e f p g a 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 流星余迹通信，又称流星突发通信( m b c ，m e t e o rb u r s tc o m m u n i c a t i o n ) ，是 利用流星高速进入大气层( 8 0 - - 1 2 0 公里高空) 中摩擦燃烧而形成的电离余迹对 v h f 无线电波的反射和散射作用而实现远距离通信的一种无线通信方式，也是一 种突发通信方式。流星余迹的长度通常可达1 5 - - 一4 0 k r n ，存留的时间大约为几百 毫秒至几分钟，通常使用的通信频段为甚高频频段( 3 0 - - - 1 0 0 m h z ) 。典型的流星 电离余迹的高度大约为1 0 0 k m ，支持最远相隔1 6 0 0 k m 的超视距通信【l 3 】。 流星余迹通信由于具有以下一些特点，使其在许多领域得到很多的应用【4 】。 ( 1 ) 保密性好，抗干扰能力强。流星余迹瞬间即逝，并且对无线电电波反射 具有明显的方向性，不易遭敌方侦察、截获和干扰。 ( 2 ) 传输距离远，通信稳定性好。试验表明，当发射机输出功率为千瓦时， 通信距离可以达到2 0 0 0 余公里，而且不会因时空、气候等变化或受到高空电离层 的骚扰而影响通信质量。 ( 3 ) 设备简单，自动化程度高，无需频率配置，操作十分方便。 ( 4 ) 有较大的自主权，不像卫星通信，必须申请使用权，一次性投资和运营 费用均低于卫星通信。流星通信系统无需像卫星那样要租用转发器，工作费用仅 为卫星通信的几分之一。 ( 5 ) 受核爆炸、太阳黑子和极光影响小，不会像短波通信那样长期中断通信， 尤其是核爆时也能进行通信，具有极强的抗毁性。 近年来，世界上许多国家都已经拥有了自主的流星余迹通信设备和系统，广 泛应用于民用领域，例如：气象数据采集、水文检测、灾情报告以及突发事件时 的应急通信等。不仅如此，美国、日本等国家还将流星通信系统装备了国家部队， 并在此基础上建立了流星余迹通信网络。目前，我国也正在着手进行这方面的研 究。 1 2 课题背景 本文选题来源于国家“十一五”重点项目“流星余迹通信关键技术”，国家 自然科学基金项目“流星突发通信中的极低信噪比信号检测和传输技术”和新世 纪优秀人才支持计划项目“流星余迹最低限度通信保障体系 。 流星余迹通信系统具有保密性好，抗干扰能力强等优点。但是由于其信道本 身的特性，同时也存在一些不足，主要表现为流星余迹信道的衰落特性和单个余 2 流星余迹通信信号接收技术与f p g a 实现 迹的持续时间短，并且在某个位置能提供一个足够合适的通信路径的流星余迹不 会总是连续存在的。一个流星的电离余迹消失之后，到下一个适用的流星出现， 通常要等待几秒到几分钟的时间，有时甚至十几分钟。因此，这种通信方式只能 是间断的，突发的。因此，流星余迹通信适用于小容量且无实时要求的场合，而 不适用于大容量的实时通信。尽管如此，由于流星余迹通信的大跨距、抗干扰、 低截获概率特性和抗毁性特点以及核爆炸时快速恢复通信的特性，使得这种通信 方式可应用于解决现代战争条件下指挥控制通信系统受到物理和电子攻击时的生 存能力问题，成为最低限度应急通信保障的一种重要手段。 我国开始研究流星余迹通信的时间较早，我校曾于1 9 6 0 年左右开发出“红星 a e 系列的实验开发系统，并得到了大量有关通信信道性质的数据。但是由于 多种原因，其发展速度比较缓慢，技术水平与先进国家存在一定差距。目前，流 星余迹通信系统在我国的应用非常有限，只是在某些单位引进了一些国外的流星 余迹通信设备用于偏远山区的水文监测。由于我国国土面积广大，并且偏远地区 较多，因此很适合流星余迹通信系统的应用。为了消除对国外设备的依赖以及国 外对我国的技术封锁，填补我国流星余迹通信领域的空白，通过对此项目的研究， 攻克流星余迹通信的关键技术，为下一步实现流星余迹通信设备实用化和国产化 打下坚实的基础。 1 3 本文所做的工作 由于流星余迹信道具有快衰落特性，所以流星余迹通信系统的数据通过量较 低，为了提高数据通过量，本文主要研究了流星余迹通信系统中的自适应门限检 测技术和自适应变速率技术，并通过仿真和实验证明了上述方法的有效性。 本文主要分为5 个章节，每个章节的内容安排如下： 第一章绪论，简要介绍本文的研究背景和论文内容安排。 第二章流星余迹通信，介绍了流星余迹通信的发展状况和流星余迹信道的物 理特性。 第三章流星余迹通信系统中的自适应门限检测机制，对现有的自适应门限检 测方法进行分析和总结，给出了一种基于并行检测的自适应门限检测方法，通过 m a t l a b 仿真对该方法的性能进行了分析。 第四章流星余迹通信系统中的自适应变速率机制，主要讨论了基于调制方式 和信道编码效率的自适应变速率传输方法，并给出了相应的f p g a 实现方案，通 过室内测试和线路测试对系统的功能进行了验证。 第五章结束语，总结本文所做的工作，并指出了需要进一步研究的问题。 其中第三章和第四章是本文的重点。由于个人能力以及时间等因素的限制， 第一章绪论 本文中如果出现疏漏或者不足之处，希望阅读本文的老师和同学给予批评和指正， 欢迎提出宝贵意见和建议。 4 流星余迹通信信号接收技术与f p g a 实现 第二章流星余迹通信 第二章流星余迹通信 2 1 流星余迹通信的发展概况 早在1 9 2 9 年，位于美国的一家长波传输局在进行电波观测试验时，发现流星 群的出现和电波的接收之间有着明显的关系，这是流星对无线电通信的最早报告， 但后来很多年都没有流星余迹通信的新进展，直到1 9 4 6 年才发表了关于无线电信 号与流星余迹的确切关系的报告。二战时，英国的雷达常常被流星发射信号所干 扰，因此，战后美国、加拿大和前苏联等国投入大量人力物力对流星余迹这种媒 质进行研究。 第一代流星余迹通信系统始于2 0 世纪5 0 年代。1 9 5 2 年，加拿大国防科学委 员会无线电物理研究中心开始进行远距离超短波流星余迹通信的试验。并于1 9 5 4 年成功地建成了世界上第一条流星余迹电报通信线路，即j a n e t 系统。这是一 个点对点系统，两站相距9 0 0 k m ，工作频率3 0 - - 5 0 m h z ，发射功率5 0 0 w ，采用 五单元八木天线，平均每分钟传3 4 个字。6 0 年代初，欧洲盟军最高司令部的技 术中心对j a n e t 系统进行了研究和改造，建立了可用于军事通信的c o m e t 系 统。该系统于1 9 6 5 年到1 9 6 6 年在荷兰与法国南部之间1 0 0 0 k m 线路上进行了通 信，工作频率为3 9 m h z 和3 6 m h z ，发射功率为2 0 0 w ，天线采用双层五单元八 木天线。该系统后来又被应用到欧洲盟军两个指挥部之间的值勤线路上。 第二代流星余迹通信系统以美国阿拉斯加的s n o t e l 系统为代表，它是由美 国水土保持部( c s c ) 和美国农业部( u s d a ) 赞助的，它的目的是为了协助预测春 夏季节河流冰川的流向。该系统有两个主站和5 0 0 个无人值守的遥控数据收集站， 远端站是由太阳能充电电池提高能量的，且维护费用很低。1 9 8 9 年，出现了用于 交通跟踪的流星余迹通信系统：t r a n s 仃a c k 系统和l o a d t m k 系统。它们不仅可以 进行交通跟踪，还支持双向通信。以t r a n s t r a c k 系统为例，该系统用5 个2 0 0 0 瓦 的主站覆盖全美国，主站利用一个发送机在4 0 一- - 4 5 m h z 频率通过全方向天线进 行全双工通信，移动站用3 0 0 瓦功率的发射机，作半双工通信，传送的数据速率 为4 0 0 0 波特。 2 0 世纪9 0 年代初出现了以美国的a m b t b 系统和h p t l 系统为代表的第三 代流星余迹通信系统。a m b t b 系统使用1 0 0 0 0 w 的发射功率和自适应天线阵，2 1 2 8 k b p s 自适应变速，消噪技术和数据压缩技术使平均数据通过率达到4 k b p s 。 在这个速率支持下进行了多媒体通信试验，业务包括文本信息、相互交谈、语音 图像慢扫描电视等，并在车辆和舰船上安装了高增益移动天线，实现了移动流星 余迹通信。网络拓扑结构也由高性能的链路协议发展为栅格网、星形网和骨干网 6 流星余迹通信信号接收技术与f p g a 实现 组成的交互式网络。 我国自六十年代起由西安电子科技大学( 原军事电信工程学院) 开展了流星 余迹通信系统的研究。自6 0 年代起至8 0 年代，我国研制出h x 一1 0 1 a 至h x 1 0 1 e 的一系列流星余迹通信设备。1 9 6 3 年，在北京至西安线路上对流星余迹散射传播 进行了连续一年的测试，得到了大量的流星余迹散射信道特性的第一手资料。1 9 7 6 年，h x 1 0 1 c 型机和h x 1 0 1 d 型机参加了我国最后一次核效应试验，证明流星 余迹通信不受电离层骚动和核爆炸的影响，可以作为特殊情况下的最低限度通信 保障系统。由于种种原因，国内流星余迹通信的研制工作一度中断，直到本世纪 初才重新启动，并列为“十一五国家通信预研计划。 2 0 0 0 年至今，我国在流星余迹通信理论研究和设备研制方面紧跟国际步伐， 积极开展流星信道特性、传输体制等方面的深入研究，取得了丰富的研究成果， 研制出基于自适应变速率的全双工流星余迹通信主站样机和半双工流星余迹通信 从站样机，并顺利组织开展了5 0 0 1 5 0 0 k m 全国范围内的远距离线路试验，为下 一步的研究打下基础。我国还先后派遣科研人员赴南极，参加中国极地研究所与 日本国立极地研究所关于流星余迹极区通信性能的测试和研究，获得大量的相关 测试数据。目前，我国正在进行第三代流星余迹通信系统的研制，并力争尽快研 制出一流的流星余迹通信设备来满足国内需求，进一步跻身于国际市场。 目前，新一代流星余迹通信系统的发展主要具有以下几个特点： ( 1 ) 设备趋于小型化和机动化，使其具有更好的机动性和灵活性； ( 2 ) 采用前向纠错、自适应、噪声消隐和频率合成等新技术，提高自动化和 抗干扰能力； ( 3 ) 组网方式从星型网向格栅网发展，组网能力大大加强，提高了网络的抗 毁性和隐蔽性； ( 4 ) 系统容量不断扩充，可提供话音、数据、静态图像、传真等多种传输业 务。 2 2 流星余迹信道的物理特性 2 2 1 流星余迹的形成及其分类 宇宙空间存在着大量的物质粒子和尘埃，它们以最高7 2 k m s 的运动速度围绕 太阳运动。当它们的轨道与地球相交时，就落入地球的大气层。这些流星和大气 层摩擦，产生非常高的温度，使自己发光而燃烧。在其燃烧过程中所蒸发出来的 分子具有极高的能量，这些高能分子又猛烈的撞击周围气体分子，并使之电离。 这样在流星运行的轨道上就留下了一条细而长的高电离密度的电离气体柱，称之 为流星余迹。据统计每天进入大气层且能产生有效电离余迹的流星多达几十亿个。 第二章流星余迹通信 7 流星余迹刚形成时电离密度很高，直径很小，其直径一般约在0 3 - - - 4 5 米之 间。然后流星余迹逐渐扩散膨胀，电离密度下降，直至最后消失。流星余迹的寿 命与其质量成比例，质量越大其余迹的寿命越长。一般流星余迹的寿命在几毫秒 到几秒之间，平均寿命约半秒钟左右。典型的流星余迹有几十千米长，几米宽， 位于8 0 - - - - 1 2 0 k m 的高度上。 图2 1 流星余迹形成图 流星余迹每米中的电子个数称为电子线密度，它是判断流星强弱的标准。按 照电子线密度的大小，流星余迹可以分为两类：电子线密度小于2 x 1 0 1 4 e 朋的称 为欠密类流星余迹，电子线密度大于2 x 1 0 1 4 e m 的称为过密类流星余迹。进入到 大气层的流星数目与余迹的电子线密度成反比，即电子线密度越大的流星余迹的 数量越少，所以可用的余迹绝大多数为欠密类余迹。但是由于过密类一般持续时 间较长，过密类余迹传播信号的累计持续时间比欠密类要多。 对于过密类余迹，电波无需到达其内部，直接在表面反射，反射信号的强度 先缓慢地到达峰值，然后再缓慢衰落。对于欠密类余迹，电波渗入表面，受各个 电子反射。严格说来，欠密类余迹是对信号进行再辐射，反射信号在几百微秒内 达到峰值，然后由于余迹的扩散，接收信号的功率呈指数衰减。图2 2 和图2 3 分别给出了通过欠密类和过密类流星余迹的通信系统接收端的接收功率波形。 雾 率 c l b a 时间( 量s ) 图2 2 欠密类流星余迹接收功率波形 8 流星余迹通信信号接收技术与f p g a 实现 接 收 功 塞 d e i ? v 、 ， 一、 i、 k 科 溅。j 锄 v i - - - - ，_ _ - - - _ 时间( i s ) 图2 3 过密类流星余迹接收功率波形 2 2 2 流星出现的概率 流星的质量与其体积、电子线密度成线性关系。流星出现的概率与其大小， 电子线密度有关，流星的电子线密度越高体积越大，其出现的概率越小，电子线 密度越低体积越小，流星出现的概率越大。具体说来，就是电子线密度每升高一 个数量级，流星出现的数目就降低一个数量级。 表2 1 不同电子线密度的流星出现的概率 质量( g ) 半径( c n l )每天出现的次数电子线密度 1 0 481 0 1 0 341 0 2 ， 1 0 221 0 3 1 0o 81 0 41 0 1 8 l 0 41 0 51 0 1 7 1 0 l o 21 0 61 0 1 6 1 0 20 0 81 0 71 0 1 5 1 0 30 0 41 0 81 0 1 4 1 0 - 40 0 21 0 91 0 1 3 1 0 50 0 0 81 0 l o1 0 1 2 1 0 6 0 0 0 41 0 1 11 0 l l l0 - 70 0 0 21 0 1 2l o l o 电子线密度的概率分布如表2 2 ： 第二章流星余迹通信 9 表2 2 电子线密度的分布率 电子线密度单位：e m 1 0 1 3 1 0 1 41 0 1 4 1 0 1 51 0 1 5 1 0 1 61 0 1 1 0 1 7) 1 0 1 7 概率分布 0 90 0 90 0 0 90 0 0 0 90 0 0 0 l 为： 可以看出电子线密度具有一定的规律：电子线密度为x ，对应的概率密度函数 f ( x ) = 1 0 1 3 x 2 , x 1 0 1 3 佃) 2 2 3 年变化和日变化 式( 2 1 ) 流星出现数目与季节和每天的时段有关。 年变化规律 流星出现数目的年变化是由流星体在地球公转轨道上的分布不均匀以及地球 地轴相对于椭球面的倾斜这两种现象共同造成的。 北半球流星出现数目的年变化如图2 4 所示。图中横轴表示一年中每月份，纵r 、 轴表示本月内平均每小时出现的流星数量。我们可以看出，在北半球流星在夏季 较多，冬季较少。最高值出现在7 月份，而最低值出现在2 月份，这两个值的比 值约为4 ：l ，而南半球的情况则刚好相反。 2 3 02 2 5 2 0 3 1 3 7 1 2 8 1 2 0 l l o l o o 9 0 7 2 8 l 5 0 图2 4 北半球流星出现数目的年变化示意图 日变化规律 流星数目的昼夜变化取决于地球的自转及地球绕太阳的公转运动。假如地球 不动，而流星微粒从各个方向均匀地进入大气，那么在地球上任意点观察到的流 星数目将是常数。然而由于地球绕太阳轨道运行，如图2 5 所示，地球太阳升起 的一面正是地球公转轨道上朝向地球运行方向的一面( 图中时间为0 6 ：0 0 时刻的 一面) ，所以该面上掠过流星的数目总是比较多；而另一面( 图中时间为1 8 ：0 0 时 l o 流星余迹通信信号接收技术与f p g a 实现 刻的一面) 则较少。 地球 流星体 爹体 慕。流星体 、 图2 5 流星出现数目日变化的原因 如上图所示，黎明时( 0 6 ：0 0 ) 太阳方向与水平面方向平行，地球公转方向与 地球水平面垂直，流星观测的视线方向与地球的公转运动方向相同，流星体和地 球迎面相碰，由于迎面和被追上的流星数目在增长，相对速度大，因此能看到的 流星数目多。相反傍晚时( 1 8 ：0 0 ) 地球公转方向同样与地球水平面垂直，在地球 公转方向的背面，流星观测站处在背对地球运动的方向上，只能看到那些从地球 后面追上来的流星，这些流星相对速度小，所以观测到的流星数目就相应的减少。 流星数目的日变化如图2 6 所示。图中横轴表示2 4 小时进行观测的时间，纵 轴表示平均每小时流星出现的相对概率，日出( 0 6 ：0 0 ) 和日落( 1 8 ：0 0 ) 时流星 数目之比约为4 ：l 。但是对于流星余迹通信来说，日出和日落时的数据传输率却 不是简单的4 ：1 关系，具体情况与设备对流星信道的利用率和通信协议等有关。 流 星 出 现 的 相 对 概 塞 7 。i ? 、 j专 一 l 弋 、 z o5t 01 52 0 时间( h ) 图2 6 流星数目的日变化示意图 第二章流星余迹通信 赤道地区流星数目的日变化最大，在两极地区变化最小；而两极地区流星数 目的年变化却大于赤道区。如果以年为周期，可以根据流星出现数目的年变化和 日变化，很容易得到通信链路出现的最大变化比例为1 6 ：l 。 2 2 4 工作频率 工作频率的选择在流星余迹通信中是很重要的一个部分。因为不同频段的电 磁波具有不同的传输特性；流星余迹信道衰减系数是通信距离和工作频率的函数； 而且噪声特性也是随频段的变化而变化的。因此，在设定工作频率之前，需要将 频率对系统性能的影响进行分析，进而提高链路性能。 在流星余迹通信中，如果频率选择的太低，将会带来下列影响： 天线的方向性变差： 由于电离层中的d 层位于典型的流星余迹的下方，d 层会吸收大量的信 号功率； 宇宙噪声和人为噪声随着频率的降低而增加； 天线的尺寸和造价会随着频率的降低而增加。 相反地，如果工作频率选择太高也会给系统带来一些问题： 自由空间传输损耗随频率的升高而增加； 接收信号的峰值功率和工作频率的3 次方成反比； 平均突发的时间长度、占空因子与频率的二次方成反比。 。 ，。 因此，折中考虑各种因素，根据实际系统的设计指标和应用需求，大多数流 星余迹通信系统都采用3 0 - 5 0m h z 之间的某个频率作为工作频率。 另外，进行双工通信时，通信的两个频率要适当选择，它们之间必须有一定 的间隔，以排除干扰。但是这个间隔又不能太远，否则会给天线和双工器的设计 带来困难。般选择频率间隔为1 7 , 3 m h z 。还要注意的是在不同的站点，环境 特性也是不同的，因此在选择工作频率时还需要考虑环境因素。 2 2 5 接收信号的强度 流星余迹反射信号的初始强度与流星的电子线密度密切相关。可用流星的电 子线密度一般为1 0 1 3 e m 以上。假设接收到的噪声是高斯白噪声。由表2 1 可以发 现流星出现的数目与其电子线密度成反比。 接收功率与距离、波长、电子密度等有关，对欠密类5 】： 删= 丽丽p t g 丽r g w 丸3 q 而2 r fs i n 而2a 而唧( 蔫 ( 2 - 2 ) 1 2 流星余迹通信信号接收技术与f p g a 实现 f ：、1 2 1 0 - 厂2 7 0 9 【1 + 砰一3 4 案l2 聊脚 式( 2 3 ) 只( f ) = 岛( o ) e x p ( - 三) 式( 2 - 4 ) 对于过密类，接收信号的功率为： 啪m l 等s n 菇篙4 d t | 1 ，2 北射 e c 口万。i n +l j 二一， 最( 。) = 面葡瓣p r g 习r g r 丽l ? s ；i n 2o两t 式( 2 6 其中足( o ) ，弓分别为接收信号最大功率和发送信号功率；嚷，q 分别为发 送天线增益和接收天线增益；辱，尺。分别为发射天线和接收天线到余迹的距离； a 为波长；q 是余迹电子线密度；r e 为电子半径2 8 2 x 1 0 _ 1 5 ；r o 为余迹初始半径； a 是余迹电场矢量e 与r r 之间的夹角；d 是扩散系数；f 代表时间；妒是辱，& 之间夹角的一半；p 是余迹轴向与辟，构成平面的夹角；z 为发射机发射频 率；。是站点之间的距离。图2 7 为流星余迹信道中的信号传输示意图，从图中 可以更直观地看出各参数的意义。 图2 7 流星余迹通信中的信号传输示意图 第三章流星余迹通信系统中的自适应门限检测机制 1 3 第三章流星余迹通信系统中的自适应门限检测机制 同步是数字通信系统和某些采用相干解调的模拟通信系统中一个重要的问 题。由于收、发双方不在同一个地点，要使它们能够步调一致地协调工作，必须 要有同步系统来保证。 图3 1 通信系统的一般模型 按照同步的功能可以分为：载波同步、码元同步、帧同步和网同步【6 】。 ( 1 ) 载波同步。载波同步是指在相干解调时，接收端要提供一个与接收信号 中调制载波同频同相的相干载波。这个载波的获取称为载波提取或者载波同步。 ( 2 ) 位同步。位同步又称码元同步。在数字通信系统中，消息都是通过一连 串码元序列传送的，所以接收时需要知道每个码元的起始位置，以便在恰当的时 刻进行取样判决。因此，接收端必须要提供一个位定时脉冲序列，该序列的重复 频率与码元速率相同，相位与最近取样判决时刻一致。我们将这种提取定时脉冲 序列的过程称为位同步。 ( 3 ) 帧同步。帧同步又称群同步。在通信系统中，信息通常是按照一定的帧 结构进行传输，为了使接收端能够正确接收，发送端必须提供每个帧的起止标记， 在接收端检测并获取这一标志的过程称为帧同步。 ( 4 ) 网同步。在获得了载波同步、码元同步和帧同步之后，两点之间的数字 通信就可以有序、准确、可靠地进行了。然而，随着数字通信的发展，多个用户 之间的通信和数据交换构成了数字通信网。为了保证通信网内各个用户之间可靠 地通信和数据交换，就需要利用网同步为全网提供一个统一的时间标准时钟。 同步本身虽然不包含所以传送的信息，但是只有收、发双方之间建立了同步 之后才能开始传送信息，所以同步是进行信息传输的前提。同步性能的好坏将直 接影响到通信系统的性能。 流星余迹通信接收机必须具有精确的同步才能准确地恢复传送的信息。为了 进行同步，流星余迹通信需要在数据帧中插入帧同步序列，该序列可以承担帧同 步、位定时恢复以及信道估计等任务，因此，对帧同步序列的检测对数据恢复是 1 4 流星余迹通信信号接收技术与f p g a 实现 至关重要的。伪随机序列具有良好的自相关特性，由于干扰信号与伪随机序列不 相关，在接收端进行相关处理时，干扰信号被扩展，使得落入信号频带内的干扰 信号功率大大降低，从而提高了系统的输出信噪比，具有很强的抗干扰作用。因 此，在流星余迹通信系统中选择伪随机序列作为帧同步序列。本章将重点讨论伪 随机序列的检测方法。 3 1 自适应门限检测方法 假设流星余迹通信系统接收端对接收信号进行了s 倍的过采样，采样信号表 示为r ( n ) = 9 ( 行) + ，i ( n ) 。本地伪随机序列z ( 其中，1 i l ，l 表示伪随机序 列的长度) 与采样信号的相关值u ( n ) 可以通过下面算式获得。 1， “( 甩) = 哼z q ( n + s x ( i - l ) ) 2 + 哼z i ( n + s x ( i - l ) ) 2 式( 3 1 ) li = l - i = l 对于伪随机序列的检测是通过将相关值与判决门限进行比较，如果相关值大 于或者等于判决门限，则认为接收到了该伪随机序列；否则，认为没有接收到。 下面将介绍一些常用的伪随机序列检测方法，并对它们进行分析。 3 1 1 固定门限检测方法 固定门限检测方法是指利用预先设定的固定门限进行序列检测的方法，如图 3 2 所示。在流星余迹通信系统中，接收信号由于受到流星余迹信道的影响，接收 信号的衰落和受噪声的影响都是时变的。如果采用固定门限检测方法，就必须要 求系统的自动增益控制系统( a g c ，a u t o m a t i cg a i nc o n t r 0 1 ) 的动态范围达到 4 0 - 、一6 0 d b ，并且要在很短的时间内能够快速建立和跟踪。有些时候还要求电平波 动小于l d b ，增益变化为单调递增等。而这些要求一般的a g c 电路是很难实现 的【7 】。 图3 2 固定门限检测方法示意图 图3 2 中t h c 代表判决门限，它是一个预先选定的值，在序列检测过程中始 第三章流星余迹通信系统中的自适应门限检测机制 1 5 终保持不变。在流星余迹通信中，接收信号的功率随时间不断变化，而且变化范 围比较大，如果采用固定门限检测方法很容易出现漏检或者误检的现象，所以在 此对该方法不进行详细分析。 3 1 2 自适应门限检测方法 自适应判决门限技术的出现弥补了固定门限检测方法的不足，或者说降低了 系统对a g c 性能的要求。所谓的自适应门限技术，就是判决门限可以根据接收 信号的变化而变化的序列检测的方法。 常用的自适应门限技术通过对接收信号的功率进行估计，并根据接收信号的 功率估计值来调整判决器的门限【8 1 5 】。文献【1 3 】中归纳出两种方法：一种称为基于 接收信号功率的自适应门限检测方法，另一种称为基于噪声功率的自适应门限检 测方法。下面对这两种方法分别进行说明。 基于接收信号功率的自适应门限检测方法 基于接收信号功率的自适应门限检测方法如图3 3 所示，其中p 代表接收信 号的功率，c 代表映射系数，t h 代表判决门限。判决门限t h 表示为： t h = c x 尸 式( 3 2 ) 其中映射系数c 通过下式得到： c = i - 1 ：( 卜1 式(33)o 其中p 向表示系统的虚警概率。 接收信号的功率p 表示为： ， p = 了1 - 【，2 ( 以+ s ( f 一) ) + q 2 ( ，z 十s o 一) ) 】 式( 3 - 4 ) l1 = 1 该检测方法是以接收信号的功率作为门限调整的依据，而接收信号的功率是 由信号功率和噪声功率两个部分组成的。该方法在接收信号的信噪比较高的情况 下可以取得很好的序列检测性能，而在接收信号的信噪比较低的情况下，如果接 收信号的功率值较高，那么检测门限也会相应升高，但是此时序列的相关峰值很 小，这样会导致漏检。 1 6 流星余迹通信信号接收技术与f p g a 实现 图3 3 基于接收信号功翠的自适应i 限检测方法不恿图 基于噪声功率的自适应门限检测方法 基于噪声功率的自适应门限检测方法如图3 4 所示，其中k 代表映射系数， t h 代表判决门限，艿2 代表噪声功率，l 表示本地序列的长度。判决门限1 1 1 表示 为： t h = k x 6 2式( 3 5 ) 其中映射系数k 表示为： k = 2 l x ( 匕。1 化一1 ) 式( 3 6 ) 其中p 向表示系统的虚警概率。 噪声功率6 2 可以表示为： 矿2 壶( i = i 姒矿甜一( 砌 式 。7 其中珥( 刀) 表示相关值，( 刀) 表示连续n 个相关值中的最大值。根据上面3 个 表达式，基于噪声功率的自适应门限检测方法的判决门限n 1 可以表示为： 砌= ( 吃_ 儿一1 ) ( “肋) 一( ，z ) ) 式( 3 - 8 ) 基于噪声功率的自适应门限检测方法设置判决门限的时候考虑到了接收信号 的信噪比对序列检测的影响，所以相对于前面所提到的基于接收信号功率的自适 应门限检测方法而言，它的序列检测性能要好【1 3 】。 第三章流星余迹通信系统中的自适应门限检测机制 1 7 图3 4 基于噪声功率的自适应门限检测方法示意图 如果帧同步序列是由一条p n 序列构成的，由于环境噪声和突发干扰的影响， 会使系统的误检概率较高。虽然可以使用循环冗余校验码( c r c ，c y c l i c a l r e d u n d a n c yc h e c k ) 等检错码降低误检对系统数据传输的影响，但是一旦出现误 检，系统将暂时停止对帧同步序列的检测，直到完成对这一帧数据的处理，才继 续进行检测。在这段时间内，如果有数据帧达到接收端，那么这一帧数据将会被 丢弃。由于帧同步序列在数据帧中所占的比例较小，所以误检也会导致系统的漏 检概率上升，从而使系统的正确检测概率明显下降。为了解决这个问题，我们用 3 条相同的p n 序列构成帧同步序列，并且要求这3 个相关峰值都达到判决门限 时，才认为接收到了数据帧，这样处理可以降低系统的误检概率。在后面的仿真 中，数据帧中的帧同步序列都是由3 条相同的p n 序列构成的，p n 序列的长度为 6 4 。 基于接收信号功率的自适应门限检测方法和基于噪声功率的自适应门限检 测方法的区别在于计算判决门限的方法不同，具体表达式参见式( 3 2 ) 和式( 3 8 ) 。 下面通过m a t l a b 仿真对这两种自适应门限检测方法进行比较，仿真中使用的是加 性高斯白噪声( a w g n ，a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e ) ，并且假设系统中使用的 是理想的a g c ，即接收信号功率基本保持不变。为了便于叙述，将基于接收信号 功率的自适应门限检测方法确定的判决门限简称为信号功率门限；将基于噪声功 率的自适应门限检测方法确定的判决门限简称为噪声功率门限。 图3 5 和图3 6 是基于接收信号功率的自适应门限检测方法在信噪比分别为 l o d b 和1 0 d b 时的相关值和判决门限t h ，此时系统的误检概率，即虚警概率， 设置为1 0 4 。对比这两幅图可以看出：在高信噪比时，该方法获得的判决门限基 本保持不变，并且满足序列检测的要求；而在低信噪比时，该方法获得的判决门 限有较大的波动，并且这些判决门限高于相关峰值，会导致漏检。 1 8 流星余迹通信信号接收技术与f p g a 实现 信号功率门限 e 相关值 h- 一一一。一_ h 一7 7 下 r 盥豳2妇纛：瓿耋瓤泓 时问 l s 图3 5 信噪比为1 0 d b 时接收信号功率门限与相关值 图3 6 信噪比为1 0 d b 时接收信号功率门限与相关值 图3 7 和图3 8 是基于噪声功率的自适应门限检测方法在信噪比分别为1 0 d b 和1 0 d b 时的相关值和判决门限。对比这两幅图可以看出：该方法获得的判决门 限波动也比较明显，而且这些判决门限较低，将会带来较高的误检概率。 图3 7 信噪比为1 0 d b 时噪声功率门限与相关值 第三章流星余迹通信系统中的自适应门限检测机制 1 9 噩 图3 8 信噪比为1 0 d b 时噪声功率门限与相关值 图3 9 图3 1 1 是在系统使用理想a g c 的条件下，采用上述两种方法、固定 门限1 5 和固定门限7 0 在每个信噪比下进行1 0 0 0 0 次序列检测仿真得到的正确检 测概率p d 、漏检概率p l 和误检概率p f 的对比图，使用的是a w g n 信道，信噪 比变化范围为1 5 - 0 d b 。在当前仿真条件下，基于接收信号功率的自适应门限检 测方法与固定门限7 0 所获得的序列检测性能基本相同，而基于噪声功率的自适应 门限检测方法与固定门限1 5 所获得的序列检测性能基本相同。该仿真结果说明， 在使用理想a g c 的条件下，信号功率门限和噪声功率门限都可以用一个固定门 限值进行替换，也就是说它们都具有一个等效门限值。 s n r ( d b ) 图3 9 两种检测方法的正确检测概率对比图 流星余迹通信信号接收技术与f p g a 实现 s n r c d b ) 图3 1 0 两种检测方法的漏检概率对比图 s n r ( d b ) 图3 11 两种检测方法的误检概率对比图 从图3 9 图3 1 l 可以看出，信号功率门限的等效门限值过高，导致在低信 噪比条件下系统的漏检概率p l 很高，所以需要降低其等效门限。但是如果等效 门限值很低，又会造成在低信噪比条件下系统误检概率p f 显著增加。这里给出 一种检测方法，即自适应多门限检测方法，来解决这个问题。 3 2 自适应多门限检测方法 自适应多门限检测方法是一种基于并行检测的自适应门限检测方法。该方法 的系统框图如图3 1 2 所示，该系统主要由本地p n 序列发生器、相关器、功率估 计单元、门限生成单元、相关值延时单元、多门限判决器、信号延时单元和多路 选择器组成。为了便于叙述，将自适应多门限检测方法简称为多门限检测方法。 第三章流星余迹通信系统中的自适应门限检测机制 2 l 图3 1 2 多门限检测方法的系统框图 本地p n 序列发生器 用于产生本地p n 序列。 相关器 利用接收信号和本地p n 序列计算相关值，相关值表达式参见式( 3 1 ) 。 相关值延时单元 对相关器计算得到的相关值进行延时，输出m 路时延长度不同的相关值，其 中第m 路输出甜。( 刀) 的延时长度为( m 一1 ) x d 个采样时钟周期，d 为判决间隔， 1 m m 。 掰。( 拧) = u ( n - ( m - 1 ) x d ) 式( 3 9 ) 功率估计单元 对接收信号的功率进行实时估计，功率估计值的表达参加式( 3 4 ) 。 门限生成单元 根据功率估计值和预先设定的门限映射规则产生m 个判决门限巩，其中 1 m m ，这m 个判决门限满足观 砌，其中1 f 多门限判决器 多门限判决器由m 个相互独立的判决器组成，第m 个判决器的输入为u r n ( ，z ) ， 判决门限为观。如果相关值材。0 ) 大于或者等于相应的判决门限砜，则认为接 收到帧同步序列，产生选通信号给多路选择器，并停止检测，直到这帧数据被完 全接收再继续进行检测；否则，认为没有接收到帧同步序列，将继续进行检测。 信号延时单元 对接收信号进行延时，输出m 路时延长度不同的信号，其中第m 路输出( 刀) 的延时长度为( m 一1 ) d 个采样时钟周期，1 m s m 。 ) = r ( n - ( m - 1 ) x d )式( 3 - 1 0 ) 流星余迹通信信号接收技术与f p g a 实现 多路选择器 根据多门限判决器产生的选通信号，从m 路延时信号中选出一路作为输出信 号。 多门限检测方法的工作流程图如图3 1 3 所示，具体工作过程如下： ( 1 ) 对接收信号的功率进行估计，同时，计算接收信号与本地p n 序列的相 关值； ( 2 ) 对接收信号和步骤( 1 ) 中计算得到的相关值进行m 种不同时间长度的 延时； ( 3 ) 根据接收信号的功率估计值和预先选定的映射规则，产生m 个不同的判 决门限，并对这些门限进行相应的延时； ( 4 ) 将步骤( 3 ) 中经过延时处理的m 个判决门限分配给m 个判决器，判决 器对应的门限越高，其输入相关值的延时就越小，如果某个判决器的输入相关值 大于或者等于判决门限，则认为接收到同步序列，此时，m 个判决器都停止比较， 并从m 路延时的接收信号中选出相应的一路作为输出；否则，认为没有接收到同 步序列，继续进行比较。 厂萧 估计接收信号功率 产生m 个判决门限 并进行延时处理 计算接收信号与本地 p n 序列的相关值 _ t 一