（信号与信息处理专业论文）短波数据通信系统研究.pdf

东南大学硕士学位论文 o nh fc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y p e n gl i n n i n g s u p e r v i s e db y p r o f w ul e n a n s c h o o lo fi n f o r m a t i o ns c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 1 0 东南大学硕士学位论文 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南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了谢意。 研究生签名：地 日期： 2 0 t o 岁，8 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：碰 导师签名 期：墨：! 竺：! ：墨 摘要 摘要 随着通信技术的不断发展，寻求一种方便可靠的远程通信手段是各种组织不断努力的研 究方向。短波( 3 3 0 m h z ) 通信虽然不是现有的各种通信手段的主要方式，但是对于军事 和突发通信的各种通信方式，就顽存性、机动性和灵活性而言，短波通信具有比其它通信方 式无可比拟的优越性。不过，在电离层中反射的短波通信信号不仅会受到噪声的影响，也会 受到电离层变化产生的严重时延和多普勒效应。这些都是短波远程高速通信的巨大挑战。 本文系统地阐述了一种基于软件无线电设计的短波通信系统。 首先，分析了信道时延、多普勒效应和噪声的影响，重点针对短波信道环境的恶劣特点 分析了用于短波通信的调制和编码方式，给出了使用差分o f d m 技术可以很好地抵消这些 干扰的结论。根据短波通信系统带宽的限定给出了适用于短波通信的低速率语音编码的 m e l p 实现方案。 其次，分析了频域差分检测( f d d d ) 和时域差分检测( t d d d ) 的性能，给出了o f d m 子载波带宽和b e r 之间的关系，说明使用最佳的子载波带宽设计可以很好地提升差分检测 在短波通信中的性能，而结合l d p c 信道编码和l d p c b i c m - i d 译码结构可提升系统的差 错控制性能。 第三。提出了用于短波通信的软件无线电架构和实现方法，给出了具体的接收机同步系 统，针对上述的差分o f d m 调制结构设计了适合于短波数话混合传输的协议和帧结构。 最后，综合了上述各种设计方案后用c 语言实现了用于短波通信的d m - o f d m 系统的 原型设计。从仿真结果中可以得出结合了差分o f d m 调制和l d p c 信道编码的系统比d r m 标准定义的系统在高斯白噪声和各种短波信道下的性能都要好。同时，结合电台的实际系统 在各个方面也有不错的表现。 关键字：短波通信；正交频分复用；差分调制；低密度奇偶校验码；软件无线电 a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n s t h er e l a t i o n s h i po ft h es u b c a r r i e rb a n d w i d t ha n db e ri sd e m o n s t r a t e d , w h i c hs h o w st h a tt h es e l e c t i o no fo p t i m a ls u b c a r r i e rb a n d w i d t hc o n t r i b u t e sl a r g e l yt ot h e p e r f o r m a n c eo f 砸c o m m u n i c a t i o n s i na d d i t i o n t h es t r u c t u r eo fl d p c - b i c m - i nr e c e i v e r c o n t r i b u t e sal o ti nt h ef i n a lp e r f o r m a n c eo fs n r b e rc o m p a r i s o n t h i r d l y , as d ra r c h i t e c t u r ea n di m p l e m e n t a t i o nf o rs h o r t - w a v ec o m m u n i c a t i o n si sa d v a n c e d ， a l o n gw i t ht h ep r e s e n t a t i o no fp r o t o c o l sa n do f d mf r a m es t r u c t u r e sf o rt h em i x e dt r a n s m i s s i o no f v o i c ea n dd a t do v e r 也ed i f f e r e n t i a lm o d u l a t e d0 f d m ( d m o f d mf o rs h o r t ) s y s t e m , a n dt h e i l l u s t r a t i o no fi t sd e t a i l e ds y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e sa l s o f i n a l l y , t h i sp a p e rd e m o n s t r a t e sap r o t o t y p ep r o g r a mo fo n ed m - o f d ms y s t e mf o rh f c o m m u n i c a t i o n s w i t ht h ed e s i g ni d e am e n t i o n e da b o v e 1 1 舱s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e i n n o v a t e ds y s t e mw i t hd m 0 f d ma n dl d p cc o d i n go u t p e r f o r m a n c et h ed r md c f m e ds y s t e mi n v a r i o u sh fc h a n n e l sa sw e l l 勰a w g n m e a n w h i l e t h er e a l i z e ds y s t e ma l s ow o r k sw e l li nt h e e x p e r i m e n t a t i o n s k e y w o r d s ：i - i fc o m m u n i c a t i o n s ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，d i f f e r e n t i a l m o d u l a t i o n , l o w - d e n s i t yp a r i t y - c h e c kc o d e ，s o f t w e r ed e f m e dr a d i o 目录 摘要 目录 i i l 1 1 i a b s t r a c t 目录 第1 章前言l 1 1 短波数字通信l 1 1 1 短波通信的历史l 1 1 2 短波通信的特点2 1 1 3 现代短波通信的进展3 1 2 低速率语音编码在短波通信中的应用4 1 3o f d m 技术及其应用。5 1 3 1o f d m 的摹本原理5 1 3 2o f d m 的发展历程5 1 3 3o f d m 差分调制在短波数字通信中的应用6 1 4 现代信道编码技术7 1 5 基于s d r 的数字化中频短波通信系统设计。：8 1 6 本文研究内容8 第2 章短波信道和短波通信低速率语音编码1 0 2 1 时变多径信道概述1 0 2 1 1 无线衰落信道1 0 2 1 2 时变多径信道数学模型一l o 2 2 短波广播信道及参数n 2 3 用于短波通信的m e l p 声码器1 2 2 4 合成语音质量测试1 4 2 4 1 合成语音质量：1 4 2 4 - 2m e l p 在实际通信信道中的性能比较1 5 2 5m e l p 码流的设计j 1 5 2 6 本章小结1 6 第3 章短波通信的差分调制与编码 1 7 3 1 差分o f d m 调制的原理1 7 3 1 1o f d m 调制原理1 7 3 1 2 频域差分o f d m 系统的设计1 7 3 1 3 时域差分o f d m 系统的设计1 8 3 2 差分o f d m 系统的干扰分析1 9 3 2 1 频域差分o f d m 系统的干扰分析1 9 m 东南大学硕士学位论文 3 2 2 时域差分o f d m 系统的干扰分析2 0 3 3 用于差分o f d m 的最优子载波设计2 0 3 4d m - o f d m 短波通信系统中的信道编码2 3 3 4 1r c p c 的原理及应用2 3 3 4 2l d p c 码的原理及应用2 4 3 4 3l d p c b i c m i d 结构的应用2 5 3 5 差分o f d m 系统中信道编码与调制的设计及分析2 6 3 6 编码调制方案的性能比较2 9 3 7 本章小结3 3 第4 章短波通信系统的数字化实现 4 1 软件定义的短波通信系统3 4 4 1 1 软件无线电与软件定义的无线电。3 4 4 1 2 短波波段的软件无线电系统3 5 4 2 数字化中频处理结构3 6 4 3 基于p c 的虚拟无线电短波通信系统设计3 6 4 3 1 基本设计思路3 6 4 3 2 处理流程与特点。3 8 4 4 短波数字接收机的信号检测4 0 4 5 短波通信接收机的同步技术4 3 4 5 1 频率同步算法4 3 4 5 2 时间粗同步算法4 4 4 5 3 时间跟踪4 5 4 6 帧结构与帧处理4 6 4 6 1 系统的o f d m 帧结构4 6 4 6 2 采样数据的帧处理4 7 4 7 语音数据混合传输的简易协议设计4 8 4 7 1 高频谱利用率的符号复用协议4 8 4 7 2 简易短波通信协议5 2 4 7 3 协议设计的优化与展望5 3 4 8 本章小结。5 4 第5 章短波通信系统仿真与测试 5 1d m - o f d m 系统定义5 5 5 1 1 信源编码5 5 5 1 2 信道编码与差分调制。5 5 5 1 - 3 系统的o f d m 参数设置5 6 5 2d m o f d m 系统与传统短波通信系统的性能比较5 7 5 2 1d m - o f d m 系统的吞吐量5 7 目录 5 2 2 短波数字广播d r a m 系统的吞吐量5 7 5 2 3d m o f d m 与d r m 的系统性能比较5 8 5 3d m o f d m 系统的实际电台传输6 l 5 3 1 系统传输结构6 l 5 3 2 接收机性能6 l 5 4 本章小结6 2 第6 章总结与展望 6 1 全文工作总结6 3 6 2 进一步工作展望6 3 致谢 参考文献 作者简介 v 6 6 6 7 7 1 前言 1 1 短波数字通信 1 1 1 短波通信的历史 第1 章前言 1 8 4 2 年，美国物理学家亨利( h e n r y ) 发现“放电就是振荡”。1 8 6 4 年，苏格兰物理学家 麦克斯韦( m a x w e l l ) 发表了“电和磁”的论文，证明所有电与磁现象都可以归纳为一种媒质 中的应力和运动，他把这种媒质称作“以太”，并进一步提出自己的理论：认为电波在空间的 传播速度与光相同，只是波长不同。德国科学家赫兹( h e r t z ) 用实验证实了麦克斯韦的“以 太”波理论，并证明了这些波能够反射、折射、绕射、极化和干涉。1 8 9 4 年，英国物理学家 洛奇( l o d g e ) 第一次解释了谐振和调谐现象。这些成就都为无线电的发明奠定了理论基础【1 1 。 1 8 9 5 年，意大利人马可尼( m a r c o n i ) 试验成功无线电报机，使用了普通的火花感应线圈 和自制的布兰利式金属屑检波器，在感应线圈的初级电路中安装了一个用来控制放电的电报 电键，这样就产生一串长短不一的电火花。它还发现天线高度与发射距离有着直接的关系。 他发明的一套高效无线电报系统遍及全球。因此，马可尼在1 9 0 9 年获得诺贝尔物理奖。同在 1 8 9 5 年，俄国人波波夫( p o p o v ) 展示了用于检测和记录电振荡的世界上第一部无线电接收机。 并于1 8 9 6 年，用无线电报机进行了莫尔斯电码的发送和接收。 1 9 0 6 年，美国人弗雷斯特( f o r e s t ) 发明了真空三极管，使整个无线电技术发生了很大变 化。这种电子管不仅能放大接收到的无线电微弱信号，而且与振荡器结合能够产生强大的电 磁波，可作为无线电波连续发生器。这对建立无线电话通信起到了很大促进。1 9 2 4 年，实验 发现了受太阳高能辐射及宇宙线激励而形成的电离层，实现了短波通信，并于1 9 2 7 年开通了 美国和英国间的商业无线电话通信。 在长达3 0 余年的期间，利用电离层传输的短波通信在远距离通信方面一直占据着重要地 位，被认为是有效而经济的远程通信手段。比其它通信手段传输距离远，机动性好，顽存性 强，并有多种通信能力不容忽视的独特优点。但短波通信也有严重缺点：如电离层是时变色 散信道，传输特性随不同季节和昼夜随机变化，衰落严重；它的通频带比微波和超短波窄得 多，不能传输电视信号或高速数据；易受电离层骚扰及高空核爆炸的影响；传输方向性弱而 易被窃听和截获等l z j 。当1 9 6 0 年代卫星通信崛起后，在远距离通信方面几乎替代了短波通信。 因而，当时的短波通信科研和使用出现了低潮。 在较长时间使用卫星通信后，又发现其易受干扰、易遭攻击的弱点，不能保证战时通信 的顽强性。自1 9 7 0 年代末后，国际上又重新看好短波通信，使其进入了复兴时期。 1 9 8 0 年2 月，美国国防部核武器局( d e f e n s e n u c l e a r a g e n c y ) 在一份报告中提出：“一个 国家，在遭受原子袭击后，恢复通信联络最有希望的解决办法是采用价格不高、能够自动寻 找信道的高频通信系统”。目前许多国家加速对短波通信技术的研究与开发，又陆续推出了一 些性能优良的新型设备和系统。1 9 7 9 年，美国国防部在修改的综合战术通信计划中，又突出 了短波通信的地位，把它列为第一线指挥控制通信手段之；1 9 8 0 年代开始，美军实施了遍 东南大学硕士学位论文 _ _ 一一 及三军的一系列短波通信改进计划；在海湾战争中，美国、英国等军队大量运用短波通信， 取得了突出的效果。近年来。其他一些国家的军队也把短波通信列为重要的通信手段之一。 此外，在民用通信的某些领域，短波通信的应用也有很大的发展。1 9 8 0 年代以来，随着大规 模集成电路技术、计算机技术、数字信号处理技术、高速数字信号处理器( d s p ) 的迅速发展， 短波通信已完全进入数字化时代【2 】o 1 1 2 短波通信的特点 根据国际无线电咨询委员会( c c i r ) 对短波频率的划分，3 - - 一3 0 m h z 、波长为l o o 1 0 m 的电磁波称为短波。短波通信也称为高频( i - i f ) 无线电通信【3 1 ，被广泛用于广播、军事、气 象、商业、外交以及政府各部门等，用以传递语言、文字、图像和数据等信息。特别是在广 播及军事部门，始终作为远距离传播信息的重要手段之一。 短波主要靠电离层反射( 天波) 来传播，也可以靠地波短距离传输。其基本原理如图l l 所示。 图1 - 1 短波通信示意图 短波远距离通信应用电离层反射，如图中的发射天线t 经电离层反射至r 2 为电波的一次 跳跃( 简称一跳) ，距离为4 0 0 0 k i n 。跳跃可以多次，如t 到r l 再到r 2 等，但信号强度越来 越弱。发射天线仰角越低，跳跃距离越远，所以应当使发射仰角尽量低。 电离层的形成是受太阳高能辐射以及宇宙射线激励而成的电离大气高层。由于热运动和 电磁力的作用，从某个分子逸出的电子与另一失去电子的阳离子碰撞而复合，也可与中性分 子暂时结合而成阴离子。在电离层中，电离与复合总在不断地进行着，但在一块地区内，自 由电子和阴离子的浓度与阳离子的浓度基本上是相同的，因而总体呈电中性。这是物质的第 四态，称为等离子状态。电离层的温度最高不超过1 0 0 0 ，属于冷而弱的等离子体。 大气分子有向外散逸的趋势，这样会与地球引力对抗，大气压力随高度按指数规律衰减。 各种成分所含的离子数可能在某一高度上出现最大值，但因各种因素( 包括地磁场) 对电离 层的同时作用以及带电粒子迁移、散逸的结果，实际的离子浓度随高度的变动并不是几种成 分理论分布的叠加。大体上，阴离子只存在于7 0 k i n ( 白天) 或9 0 k i n ( 夜晚) 以下，主要是 浓度基本相同的阳离子和自由电子。浓度随高度的分布曲线在某几个高度上出现逗留，这些 高度对于电磁波的反射有重要的作用，各区域从离地面的高度来划分：4 0 9 0 k m 为d 层、9 0 1 5 0 k i n 为e 层、1 5 0 - - - - 2 0 0 k i n 为e s 层，2 0 0 1 0 0 0 k m 为f 层( 还可延展到数千虹以外) 1 4 1 。 如图1 - 1 。 2 前言 电子浓度随高度的分布受时间、季节和太阳活动的影响很大，浓度值和各层的范围不固 定。电离层是沿地球径向渐变的媒质，其对电波传播的影响，可归纳为折射和吸收。对于频 率 3 0 0 k i - i z 的电磁波，d 层是吸收层；当频率 3 0 0 k i - i z ，d 层对无线电波有折射作用。d 层 的作用在白天最显著，尤其在中午，晚上消失。e 层的作用也是正午时最显著，太阳落山后e 层几乎消失。f 层随着太阳的升起，电离作用逐渐加强，中午达到最强，太阳落山后逐渐减弱。 f 层在白天会分裂成两层，晚上又合并成一层。f 层是折射层，d 、e 层是吸收层，波长更短 的电磁波不会被电离层反射，但会受到吸收损耗。电离层一次反射的最大距离约为4 0 0 0 k i n 。 如果通过两次反射，可达8 伽o k _ , n 。 由于上述特点，在同一条通信线路上，昼夜、不同季节、不同年份，应选用不同的载波 频率。但即使如此，短波通信在电离层中传播仍然受到恶劣影响而导致其信道呈现快衰落与 多径时延失真。 当天线假设较低，且其最大辐射方向沿地面时，主要是地波传播。其特点是信号传输比 较稳定，基本上不受气象条件的影响，但随着电波频率的增高，传输损耗迅速增大。 1 1 3 现代短波通信的进展 随着微处理技术、数字信号处理技术、自适应技术、扩频通信技术等现代信息技术的应 用，大大提高了短波通信的质量和数据传输速率，增强了自动化、新业务能力，提高了自适 应与抗干扰能力，形成了现代短波通信新技术、新体制。 ( 1 ) 现代短波信道技术主要可分为两大类【2 l ： 1 ) 针对短波变参信道的特点，为了克服短波空间信道的不稳定性对通信质量的影响，特 别是为了提高可靠性和有效性而发展起来的，就是实时、最佳地调整系统参数以适应信道变 化，称为信道白适应技术。此类技术以短波实时选频与频率自适应为主体，它使短波通信系 统能实时或近实时地选用最佳工作频率，以适应电离层的种种变化，同时克服多径衰落影响 和避免邻近电台及其他下扰的作用。这样对提高短波通信的可靠性与有效性具有关键的意义。 短波自适应的含义很广，包括自适应选频、自适应调制解调、自适应跳频、自适应数据速率、 自适应功率控制、自适应零位天线、自适应误差控制、自适应网管等。近年来短波通信最重 要、最显著的发展正是在这个方面。 2 ) 针对短波通信存在的保密性不强、抗干扰能力弱以及为提高抗测向、抗侦察、抗截获 等防御能力而发展起来的短波通信电子防御技术以短波扩频技术为主体，包括跳频、自适应 跳频及短波直接序列扩频等。无论是短波跳频通信技术，还是短波直接序列扩频通信技术， 不仅对提高短波通信电子防御能力具有重要作用，而且对于改善短波信道性能，提高数据通 信的可靠性和有效性具有良好的作用。 ( 2 ) 现代短波通信终端技术主要是针对短波通信存在的电磁干扰问题，满足对数据业务、 提高数据传输的可靠性和速率发展的。主要包括调制解调技术和差错控制技术【2 j 。 1 ) 调制解调技术 目前短波通信中存在串行制和并行制两种体制【5 1 。串行体制使用单载波调制发送信息，并 行体制是将发送数据并行分配到多个子信道上传输。 串行体制的特点是在一个话路带宽内采用单载波串行发送高速数据信号，因此提高了高 3 东南大学硕士学位论文 频发射机的功率利用率，克服了并行体制功率分散的缺点。由于串行体制综合采用了高效的 自适应均衡、序列检测和信道估计等技术，能够克服由于多径传播和信道畸变引起的符号干 扰( i s i ) 。 并行体制已经存在几十年，1 9 9 0 年代中期以前，并行体制的各个子载波在频率上互不重 叠，未采用正交频分复用( o f d m ) 技术，如美国的第三代军用标准m i l - s t d 1 8 8 - 1 4 1 b 6 1 和 m i l - s t d 1 8 8 一i l o b 7 】在并行调制方式中定义了1 6 音和3 9 音两种模式，子载波之间不相交。 多载波o f d m 调制是一种并行数据传输系统，具有较强的抗多径干扰能力，能有效抑制i s i 和子载波干扰( i c i ) ，已成功应用于数字声音广播的d r m 标准中。值得注意的是d r m 同样 规范了短波频段音频和数据信息的传输方式。 2 ) 差错控制技术 短波信道中，随机噪声会导致随机差错，衰落及脉冲干扰会导致突发差错，严重影响数 据通信，通常符号差错率会在1 0 - 3 数量级。采用差错控制技术，可改善2 - - - 3 个数量级，达到 1 0 - 6 数量级。短波通信通常采用两种差错控制技术：一是自动请求重发( a r q ) ，a p 接收端检 错，通知发送端重发，因而也称反馈纠错，对随机和突发错误都有良好的效果，但频繁重发， 信号延时大；二是前向纠错( f e c ) ，是利用纠错码，接收端自动纠错，需要大量冗余码，占 码元总数的2 5 - 5 0 。采用交织码扩散卷积码，可把突发差错分散成随机差错，不需反馈 信道。 1 2 低速率语音编码在短波通信中的应用 语音压缩编码一直是在用尽可能低的速率获得尽可能好的合成音质的矛盾中发展的。其 意义在于去除语音信息中的冗余度，降低传输比特率或存储空间。这就要求对原始语音信号 进行处理，当然，压缩率越高，其运算复杂度也越大。然而，语音通信往往要求实时进行， 故这些运算必须快速完成。 1 9 8 0 年代以后，随着超大规模集成电路( v l s i ) 技术的发展，专用高速数字信号处理器 ( d s p ) 芯片的产生，特别是通用d s p 指令效率和运算速度的不断提高，使语音编码算法的 实时处理成为可能。也正是依托于高速d s p 器件的硬件基础，低速率语音编码技术才得到进 一步发展与应用。 随着短波通信数字化的实现，传统的语音传输也需要数字化。而短波通信带宽有限，传 输数据码率不高，所以需要尽可能压缩信源端语音编码的码率，使其可以在有限的带宽内传 输语音和混合数据。同时，使用语音编码技术对原有的语音信号数字化可以很好地实现保密 通信，在军事等领域有着极其重要的地位。由于窄带通信的要求以及对语音信号的高效存储， 促使语音编码技术不断向着低速率、高可懂度和自然度的方向发展。实用系统的最低速率已 达2 4 k b s 甚至更低，在大大节省信道带宽的同时还保证了语音质量。 除了2 器、混合激 持足够的清 前言 1 3o f d m 技术及其应用 1 3 1o f d m 的基本原理 无线信道一般都是时变多径信道【9 l ，会产生i s i 。当数据传输速率非常高时，传输波形的 重叠将进一步加深，i s i 将更严重。在单载波系统中，信道的时间弥散是无线传输速率受限的 主因之一j 。正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 是一种无 线环境下的高速传输技术，基本原理是将高速串行数据变换成多路相对低速的并行数据并对 不同的载波进行调制。这种并行传输体制大大扩展了符号的脉冲宽度，提高了抗多径衰落的 性能。传统的频分复用( f d m ) 各子载波频谱互不重叠，需要大量的发送和接收滤波器，这 就大大增加了系统复杂度和成本。同时为减小串扰，各子载波间必须保持足够的间隔，这会 降低系统的频率利用率。而现代o f d m 系统各子载波的产生和接收都由数字信号处理算法完 成，极大地简化了系统结构。同时为了提高频谱利用率，使各子载波频谱相互重叠。但在整 个符号周期内满足正交性，从而保证接收端能不失真地复原信号。更重要的是o f d m 的调制 解调可以直接通过i f f t f f t 快速实现。在每个o f d m 符号问插入合适的保护间隔( c p ) 可 有效地消除i s i ，这样o f d m 调制技术可以有效抵抗多径效应i l 。图1 2 是o f d m 时频域的 示意图。 图1 2o f d m 调制时频示意图 1 3 2o f d m 的发展历程 o f d m 的历史要追溯到1 9 6 0 年代中期【1 2 】【”1 ，r w c h a n g 首先提出正交频分复用的概 念和利用线性带限信道无i c i 和i s i 地同时传输多个信息的原理。此后不久，s a l t z b e r g 【1 4 1 完成 了o f d m 性能分析，表明o f d m 系统最主要的不足是i c i 。1 9 7 0 年，o f d m 专利发表，其基 本思想就是通过采用允许子信道频谱重叠但又互不影响的f d m 方法来并行传送数据，不仅无 需高速均衡器，有很高的频谱利用率，而且有较强的抗脉冲噪声及多径衰落的能力。在早期 的o f d m 系统中，发射机和相关接收机所需的副载波阵列是由正弦信号发生器产生的，且在 相关接收时各副载波需要准确同步，因此当子信道数很大时，系统非常复杂和昂贵。 对o f d m 做主要贡献的是w e i n s t e i n 和e b e r t 在1 9 7 1 年的论文【”】，建议使用离散傅里叶 变换( d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ，d f d 实现o f d m 系统全部调制和解调功能。因而简化了振荡 5 东南大学硕士学位论文 器组以及相关接收机中本地载波之间的严格同步问题，为实现o f d m 的全数字化方案作了理 论准备。用d f t 完成基带调制和解调不是集中在单个信道，而是旨在引入消除i c i 的处理方 法。另一个主要贡献是p e l e d 和r u i z 在1 9 8 0 年的论文【l6 1 ，引入循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 解决了正交性的问题。他们不用空保护间隔，而是用o f d m 符号的循环扩展来填充，这可有 效地模拟一个信道完成循环卷积，这意味着当c p 大于信道的脉冲响应时就能保证子载波间的 正交性。 随着多媒体业务的发展，人们认识到o f d m 是一种实现高速无线数据通信的好方法。1 9 8 1 年，h i r o s a k i 研究了o f d m 与多电平q a m 相结合的方案并用于高速调制器【1 7 l 。1 9 8 5 年，c i m i n i 分析了o f d m 调制在移动信道的性能0 8 1 。1 9 9 5 年，r o h l i n g 调查了o f d m 与多电平差分调制 d a p s k ( d i f f e r e n t i a la m p l i t u d ep h a s es h i f tk e y i n g ) 结合的方案在频率选择性慢时变信道环境下 的系统性能0 9 1 。 进入1 9 9 0 年代以来，研究深入到无线调频信道上的宽带数据传输。在高速宽带无线应用 环境下，o f d m 技术优势突出。经过多年发展，该技术在数字广播领域已得到广泛应用：欧 洲的数字音频广播( d a b ) 系统【2 0 1 ，数字调幅广播( d l u 订) 【2 1 1 系统和数字视频广播( d v b - t ) 系统 【2 2 1 。 由于v l s i 的迅速发展，已经出现了高速f f t 专用芯片及可用软件快速实现f f t 的d s p 通用芯片，且价格低廉，使利用f f t 实现o f d m 成为可能。在高速无线环境下，o f d m 作为 一种频谱利用率高、可以有效对抗多径衰落的高速传输技术，引起了广泛关注。随着人们对 通信数字化、宽带化、个人化和移动化的需求，o f d m 技术有着广泛的应用前景。现在，人 们开始集中越来越多的精力开发o f d m 技术在移动通信领域的应用。 1 3 3o f d m 差分调制在短波数字通信中的应用 在时变多径的无线信道下，选择一种高速和可靠的调制解调技术是无线通信系统设计中 的关键问题。一般来说，在o f d m 系统中，解调技术可分为相干解调和非相干解调两种。 d r m 标准定义的系统采用的就是q a m o f d m 方案，在接收端使用相干解调。相干解调 系统需要接收机进行精确的同步和准确的信道估计。通过2 维维纳插值滤波可以很好地实现 信道估计，但系统复杂度较高。而o f d m 差分系统无需信道估计和均衡，性能稳健，且终端 实现复杂度低。因此，d q p s k - o f d m 方案被d a b 系统采用【2 0 1 。但在时变多径信道环境下， 一直以来，人们认为差分调制方案载噪比门限高、性能较差，只适用于低数据率传输。因此， d a b 系列标准只采用了d q p s k 低阶调制。为了保证高阶调制器在衰落信道环境下的性能， 现有方案都是采用相于解调如d v b h 系纠2 3 】【2 4 】【2 5 】，其性能增益是以牺牲系统频带效率和增 加系统复杂度为代价。但是，时变干扰将严重影响信道估计性能。如何有效抵抗快速衰落同 时保证系统在高频谱利用率条件下具有较好的性能且实现复杂度低，是目前o f d m 系统研究 的一个热点和难点问题。 但在时变多径信道环境下，相干系统在发端需插入大量训练符号，在终端需进行复杂的 信道估计特别是对于快速衰落信道，因而终端实现复杂度高且效率低。短波信道是一个复杂 多变的信道。由于电离层是分层、不均匀、各向异性、随机、有时空性的介质，因而短波信 道存在多径时延、衰落、多普勒频移、频移扩散、近似高斯分布的白噪声和电台干扰等一系 列复杂现象。此外对现代短波通信系统，信道大多数具有频率选择性，多径传输产生了信号 6 前言 的相干衰落与i s i ，通信性能在很大程度上取决于系统设计对信道传输补偿的效果。短波信道 通常情况下是一种缓慢变化的信道，多径延迟典型值2 8 m s ，多普勒频率扩展的典型值0 1 h z ， 多普勒频移在0 0 1 1 0 h z 范围内变动【2 6 】【27 1 ，在高纬度地区多径延迟可达1 3 m s 以上，多普勒 扩展可达7 3 h z 【2 8 1 。在此条件f ，相干解调系统需要插入大量的导频才能完成有效的信道估计。 而短波通信系统的带宽极其有限，一般不到3 1 d i z ，如果将大量资源用于插入导频是不合理的， 将大大降低系统的吞吐量。 实际上，差分调制技术能够保证在高速移动环境和高频谱利用率条件下系统稳定可靠且 性能良好。目前o f d m 与高阶差分调制方案相结合并应用于高速无线通信也仅限于理论研究， 而o f d m 与差分调制在短波通信中的应用研究也很少。 1 4 现代信道编码技术 信道编码技术自从问世以来有了长足的发展，并产生了很多编码方式。本节只选取和短 波通信相关的一些信道编码技术进行简单的阐述。 卷积码是1 9 5 5 年由e l i a s 等人提出的【2 9 】，已经成功应用在很多通信领域，可以和很多硬 判决编码技术如r - s 码( r e e ds o l o m o n ) 相结合，达到更加接近香农( s h a n n o n ) 限的性能。 美国的第三代军用短波通信标准m i l s t d 1 8 8 1 4 1 b 和m i l - s t d 1 8 8 1 1 0 b 中都使用卷积码作 为其信道编码方式1 6 儿。 在卷积码基础上发展出来的变速率信道编码技术是删除型卷积码，其中率适配删除卷积 码( r a t e c o m p a t i b l ep u n c t u r e dc o n v o l u t i o n a lc o d e s ，r c p c ) 能通过对卷积码的输出进行周期性删 除实现较大范围内可变的多种信道编码效率。r c p c 最早于1 9 8 8 年由h a g e n a u e r 提出p 们其 后得到了非常广泛的应用。大多数情况下比相同效率的卷积码性能略差，以很小的性能损失 换取了信道编码效率上巨大的灵活性，这使得r c p c 在很多场合中得到了成功的应用。如变 速率的混合a r q f e c 、非等重保护等。很多通信标准也采用了r c p c 码作为其信道编码标准， 如d a b 2 0 ，d r m 2 h 。在d r m 系统中，使用多级编码结构( m l c ) 可以将r c p c 码和调制之 问进行优化，使整个系统达到最佳的性能。 t u r b o 码作为一个高性能的f e c 编码方式，在1 9 9 3 年被b e r r o u , g l a v i e u x 和t h i t i m a j s h i m a 发现p 。t u r b o 码巧妙地将卷积码和随机交织器结合在一起，实现了随机编码的思想，为 s h a n n o n 随机码理论的应用研究奠定了基础。通过多个软输出译码器之间的迭代，t u r b o 码的 系统渐进性能逼近最大似然译码，并已经用于卫星通信( d v b r c s ) 3 2 1 等领域。 l d p c 码最早由g a l l a g e r 于1 9 6 0 年代初期在其博上论文中提出p 3 3 4 1 ，故又称为g a l l a g e r 码，但其后长期被忽视了。直到1 9 9 6 年，m a c k a y 等发现l d p c 码同样具有逼近信道容量的 译码性能且成本远低于t u r b o 码【 儿孙j ，才又引起了人们的研究兴趣。近期的一些研究表明不 规则l d p c 码在某些信道的性能已经优于t u r b o 码【3 7 】【3 8 】。此外，l d p c 码本身也有很多优势： 首先，其和积译码算法可以完全并行执行，这样就可能在专用集成电路上实现( a s i c ) l 3 9 j o 其次，其正确译码可以通过检查校验矩阵而完成，这样可以在优良信道中快速译码。此外， l d p c 码具有随机码特性，在与信源或者信道级联时不需要额外加交织器，系统的复杂度和 延时都比t u r b o 码低。最后，其高码率编码性能也很突出【删。这些优势使得l d p c 码逐渐成 为现代通信的主要信道编码手段，并已经用于数字电视卫星广播( d v b s 2 ) 【4 l 】，中国移动多 7 念和结构是m i t r e 公司的j o s e p hm i t o l a 于1 9 9 2 年5 月在n a t i o n a lt e l e s y s t e m s 会议上明确提 出【4 4 1 ，核心是在通用的通信硬件平台上加载不同的通信软件，以实现不同的通信方式间的转 换。在基于s d r 设计的通信系统上，所有传统通信系统中的元件( 乘法器，滤波器，放大器， 调制解调器，检测器等) 都由软件、个人电脑( p c ) 或者嵌入式系统实现。尽管s d r 的设计 理念提出才十几年，但其强大的整合设计方式使原先的通信系统设计周期大大缩短，并能以 更低的成本实现更加高效率、高性能的基带处理，越来越多的数字通信系统开始使用这种设 计方式。s d r 设计的接口可以是一台p c 声卡，或者其它模拟数字转换器( a d c ) ，接上前端 的射频( r f ) 模块。处理器可以是a s i c 、可编程门阵列( f p g a ) 、d s p 及p c 的中央处理器 ( c p u ) 。 理想的软件无线电设计理念是将a d c 直接和天线连接，如图1 3 。采样数据直接交由d s p 处理。其下变频混频、带通滤波、载波提取、i q ( 同相与正交) 解调、低通滤波、位同步提 取、信道编码、信源编码、加密等