（通信与信息系统专业论文）短波并行调制解调器关键技术研究.pdf

摘要 摘要 短波通信以其设备简单、通信方式灵活、抗毁性强、通信距离远等特点被广 泛应用于军事通信、应急通信等领域。o f d m 技术是一种频带利用率高、抗多径 能力强的多载波传输技术。本文所研究的短波3 9 音并行调制解调器就是一种基于 o f d m 技术的短波通信系统。 本文主要对短波3 9 音并行调制解调器的主要模块和关键技术进行了研究。首 先简要介绍了短波通信和o f d m 技术原理；在信道译码方面，着重研究了r s 码 的查表译码法和s t e p - b y - s t e p 译码算法，并分别对其进行了仿真和d s p 实现；接 着研究了基于c h a s e 2 算法的r s 码软判决译码实现；在同步方面，主要对信号捕 获、符号同步捕获及跟踪和帧同步三方面进行了研究；提出了基于同步头特征的 信号捕获算法和符号同步捕获算法，研究了基于循环前缀时域相关性的的符号同 步算法和基于信号频域特征的符号跟踪方法，并对各算法进行了仿真和分析；最 后研究了基于频域导频的信道估计及均衡问题。 关键词：短波通信o f d mr s 译码符号同步 a b s t r a c t a b s t r a c t h fc o m m u n i c a t i o ni sw i d e l yu s e di nm i l i t a r yc o m m u n i c a t i o na n de m e r g e n c y c o m m u n i c a t i o na n do t h e rf i e l d sd u et oi t sa d v a n t a g e so fu n c o m p l i c a t e de q u i p m e n t , f l e x i b l ec o m m u n i c a t i o ns t y l e ，h a r dt od e s t r o ya n dl o n gd i s t a n c et r a n s m i s s i o n o f d m i sak i n do fm u l t i c a r r i e rt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yt h a th a sh i g hf r e q u e n c ye f f i c i e n c y a n ds t r o n ga b i l i t yo fa g a i n s tm u l t i p a t he f f e c t ak i n do fh f3 9t o n e sp a r a l l e lm o d e m b a s e do no f d mt e c h n o l o g yi sr e s e a r c h e di nt h i st h e s i s i nt h i sp a p e r , t h em a i nm o d u l e sa n dt h ek e yt e c h n o l o g i e so fh f3 9t o n e sp a r a l l e l m o d e ma r es t u d i e d f i r s t l y , t h eh fc o m m u n i c a t i o na n dt h ep r i n c i p l eo fo f d m t e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e db r i e f l y f o rc h a n n e ld e c o d i n g , t h ed e c o d i n go fr sc o d e sb y t a b l el o o k - u pm e a s u r ea n db ys t e p b y - s t e pa l g o r i t h mi se m p h a t i c a l l ys t u d i e da n d 也e i r s i m u l a t i o na n dd s pr e a l i z a t i o na r ec a r r i e do n t h e nt h es o f td e c i s i o nd e c o d i n go fr s c o d e sb a s e do nc h a s e - 2a l g o r i t h mi sd e s c r i b e d a st os i g n a l s y n c h r o n i z a t i o n ，t h e p a p e rm a i n l yd i s c u s st h ec a p t u r eo fs i g n a la n dt h ec a p t u r ea n dt r a c k i n go fs y m b o l s y n c h r o n ya n dt h ef l a m es y n c h r o n i z a t i o n t h ec a p t u r ea l g o r i t h m so fs i g n a la n ds y m b o l s y n c h r o n yb a s e do ns y n c h r o n o u sh e a da r ep r o p o s e d t h es y m b o lt i m i n ga l g o r i t h m s b a s e do nt h et i m er e l a t i v i t yo fc y c l i c - p r e f i xa n dt h es y m b o lt i m i n gt r a c k i n gm e t h o d s b a s e do i ls i g n a lf r e q u e n c ys p e c t r u ma r es t u d i e da n ds i m u l a t e d f i n a l l y , t h ec h a n n e l e s t i m a t i o na n de q u a l i z a t i o nw i t hp i l o tt o n e sa r ed i s c u s s e d k e y w o r d ：h fc o m m u n i c a t i o n o f d mi t sd e c o d i n g s y m b o ls y n c h r o n i z a t i o n 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，本人承担一切的法律责任。 本人签名：去主鱼拖 日期主望1 2 ：圣：! ? 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攥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： 导师签名： 关艳诱 日期主翌乞：兰：! 里 醐幺呼丑。 第一章绪论 1 1 1 短波通信概述 第一章绪论 1 1 短波通信 短波通信是指利用波长在1 0 0 m - - , 1 0 m ( 频率为3 m 3 0 m h z ) 的电磁波进行的 无线电通信，又称高频( h f ) 通信。一直以来，短波通信被广泛地用于军事、公安、 指挥、气象、商业等部门，用以传送语音、电报和数据等信息。尤其是在军事通 信上，短波通信以其顽存性、机动性和灵活性等优势成为必备的军事通信手段之 一，特别是在海上通信和机载通信中，短波通信方式具有无可比拟的优越性。 短波通信的特点有：发射功率小、设备简单、成本低；通信方式灵活、抗毁 性强；通信距离远等。这主要是由于短波通信主要是靠天波传播，不受地面地势 地形的影响；无需中继和转发，不受网络枢钮和有源中继体的制约；天波经一次 或若干次反射电离层反射传播，距离可达几万公里。正是由于短波通信这样一些 特点，使得尽管各种新型无线电通信系统不断涌现，短波通信仍然受到全世界普 遍重视和研究。 另外，由于短波频率资源有限和短波信道特性的原因，短波通信的传输速率 较低、通信的稳定性和可靠性较差、易受干扰和窃听等，这些因素在一定程度上 限制了短波通信的应用和发展。然而，近年来微处理器技术、数字信号处理技术、 自适应技术、高速数据传输技术、跳频扩频通信技术等新技术和新体制在短波通 信中的应用，极大地提高了短波通信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。短波通信得到了迅猛发展，正在向数字化、 网络化、智能化、业务综合化方向发展。自适应实时选频技术、短波组网技术、 跳频抗干扰技术、自动链路评估等技术的开发和应用，使短波通信具有更强的生 命力和发展前景，越来越受到军事通信的重视。 1 1 2 短波信道特性 l 、短波传播模式 短波频段的电波传播有两种形式：一种是地波传播；另一种是天波传播。 地波传播模式是指电波沿地球表面进行传播的方式，短波采用地波方式传播 的频率范围大约1 5 m 5 m h z 。由于地波的衰减快并且随着频率的升高而增大，所 以这种传播形式，主要用于近距离通信。此外，传播距离还和传播路径上媒介的 电参数密切相关，例如，沿海面传播的距离远远大于沿陆面传播的距离。 2 短波并行调制解调器关键技术研究 天波传播是短波通信的主要方式，指的是电波经高空电离层反射而达到地面 接收点的一种传播方式，其距离可达数千公里，因此通过天波方式可实现远距离 通信。 2 、电离层简介 电离层对短波通信起着主要作用，因此这里首先介绍电离层及其结构。 在离地面6 0 k m , - 一8 0 k i n 以上的高空，对流作用很小，不同成分的气体按重量的 不同分为若干层。大气层在太阳辐射能的作用下，分子或原子中的一个或若干个 电子游离出来发生电离而成为自由电子，使高空形成了一个厚度为几百公里的电 离现象显著的区域，这个区域称为电离层。电离层电子密度呈不均匀分布，按照 电子密度随高度变化的情况，可将其依次分为d 层、e 层、f 1 层和f 2 层。电离层高 度越高，电子密度越大；即有f 2 层的电子密度最大，d 层电子密度最小。各层的高 度和特点如表1 1 所示。电离层的高度和电子密度随地区、季节、时间、太阳黑子 活动等因素的变化而变化。在白天，电离层包括d 层、e 层、f 1 层和f 2 层；在夜晚， 一般主要只有f 2 层存在。 表1 1 电离层各层结构及特点 电离层距离地面高度特点 出现在太阳升起时，而消失在日落之后； 6 0 k m - - 9 0 k m电子密度不足以反射短波，电波在穿过d 层时将遭受严 重的衰减，所以称d 层为吸收层； d 层在白天，d 层决定了短波传播的距离，以及为了获得良 好的传播所需的发射机功率和天线增益； e 层 9 0 k i n1 5 0 k m 出现在太阳升起时，消失在日落之后，在中午电离达到最 大值； f 层f 115 0 k m - 2 0 0 k m 具有最高的高度，因而可以允许传播最远的距离，f 层 层 又称为反射层。一般，远距离短波通信都选用f 层。 f 22 0 0 k i n - - - l0 0 0 k m 其中，f l 层只在日间起作用；f 2 层是f 层的主体，和其 层 它层不同，f 2 层在日落后并没有完全消失，仍保持有剩 余的电离。 不同的频率电波到达电离层，可能发生三种情况：被电离层完全吸收、折射回 地球或穿透电离层进入外层空间。电离层电子密度与其间传输的无线电波频率之 间的关系为：电离层电子密度越小，电磁波可穿透其中的深度越大，电磁波在其 中主要表现为损耗；电离层电子密度越大，电磁波可穿透其中的深度越小，电磁 波在其中主要表现为反射；电磁波的频率越高，穿过电离层时受到的损耗越小， 第一章绪论 穿透电离层越深。电离层最高可反射4 0 m h z 的频率，最低可反射1 5 m h z 的频率。 3 、短波信道基本特性 ( 1 ) 最高可用频率( m u f ) m u f 是指给定通信距离下的最高可用频率，是电波能返回地面和穿出电离层 的临界值，如果频率高于此临界值，则电波穿过电离层，不再返回地面。在确定 线路的工作频率时，不是取预报的i v i u f 值，而是取低于m u f 的最佳工作频率o w f ， 一般情况下取o w f = 0 8 5 m u f 。选用o w f 之后，能保证通信线路有9 0 的可通率。 ( 2 ) 多径传播 短波信道是一种多径信道。经过电离层传播后接收到的信号是不同时延、频 移的多个分量的组合。在短波的电离层反射传播过程中，电波通过不同的路径到 达接收端的情况主要包括：电波从电离层的一次反射和多次反射；反射区高度不同 造成的多径；由于地球磁场引起的寻常波与非寻常波；以及电离层不均匀性结构 引起的漫射现象。 短波通信中的多径时延具有如下的特征： 多径时延随着工作频率偏离m u f 的增大而增大。 多径时延和通信距离有密切的关系。在2 0 0 k i n - - - , 3 0 0 k m 的线路上，由于电离层和 地面之间的多次反射，使多径时延最严重，可达8 m s ；在2 0 0 0 1 m - - - 8 0 0 0 k m 的线路上， 可能存在的传输模式减少，多径时延只有2 m s 3 m s ，当通信距离进一步加大时， 由于不存在一次反射的单跳模式，多径时延又随之增大。 多径时延随时间而变化。 多径传播对模拟通信系统的影响主要表现在信号的衰落上，也就是多径传播 使接收信号的幅度随机变化。而对数字通信系统，多径使数字脉冲信号产生时间 扩散，形成码间串扰i s i ( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) ，严重影响短波数字通信的质量， 在传统的短波线路设计时，都采用降低数据传输速率的办法来减小多径时延的影 响。 ( 3 ) 衰落 在短波通信中，接收端信号的振幅总是呈现忽大忽小的随机变化，这种现象 称为衰落。根据信号衰落周期的长短，可分为快衰落和慢衰落。快衰落是指振幅 变化较快持续时间较短，一般为几分之一秒的信号起伏。慢衰落持续时间较长， 一般能达一个小时，甚至更长时间。短波通信中的衰落可根据产生的原因不同分 为干涉衰落、吸收衰落和极化衰落。 ( 4 ) 相位起伏和多普勒频移 信号相位起伏是指相位随时间的不规则变化。引起信号相位起伏的主要原因 是多径传播。此外，电离层折射率的随机变化及电离层不均匀体的快速运动，都 会使信号的传输路径长度不断变化而出现相位的随机起伏。 4 短波并行调制解调器关键技术研究 当信号的相位随时间变化时，必然产生附加的频移。无线信道中的频率偏移 主要是由于收发双方的相对运动而引起的。由传播中多普勒效应所造成的发射信 号频率的漂移称为多普勒频移。即使在单一模式传播条件下，由于电离层经常性 的快速运动，以及反射层高度的快速变化，使传播路径的长度不断的变化，信号 的相位也会随之产生起伏不定的变化。若从时间域的角度观察这一现象，则相当 于短波传播中存在时间选择性衰落。 1 2 软件无线电 软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通 过软件编程来实现无线电台的各种功能。理想的软件无线电应当是一种全部可 软件编程的无线电，并以无线电平台具有最大的灵活性为特征。全部可编程 包括可编程射频( r f ) 波段、信道接入方式和信道调制。在目前的条件下可实 现的软件无线电，称做软件定义的无线电( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ，s d r ) 。s d r 被认为仅具有中频可编程数字接入能力，还不能直接在射频端进行数字化。 软件无线电的主要特点是： 灵活性：软件无线电可以根据系统的需要通过增加或更换软件模块来增加或升 级系统的业务功能。 开放性：软件无线电采用了标准化、模块化的结构，不仅能和新体制的电台通 信，还能兼容旧体制电台。 软件无线电的实现是通过中频数字化，即减少模拟环节，把数字化处理( h d 和d a 变换) 尽量靠近天线。从功能模块来看，软件无线电系统的结构如图1 3 所示。 图1 3 软件无线电的系统结构 软件无线电主要由天线、射频前端、a d 和d a 转换器、数字上下变频、通用 和专用信号处理器以及各种软件组成。软件无线电的天线一般要求覆盖比较宽的 频段，例如1 m 2 g h z ，要求各个频段特性均匀，以满足各种业务的需要；射频前 端在发射时主要完成上变频、滤波、功率放大等任务，接收时完成滤波、放大、 下变频等功能；对a d 的要求是采样速率和位数，采样速率主要由信号带宽决定， 同时必须考虑到采样后处理精度的要求；数字下变频是a d 变换后首先要完成的工 第一章绪论 作，包括数字下变频、滤波和二次采样，基本功能是从输入的宽带数字信号中提 取所需的窄带信号，并将其下变频为数字基带信号；数字上变频的功能主要是对 输入的数据进行各种调制和频率变换，在数字域内实现调制和混频；而通用d s p 只对基带信号进行处理，主要完成基带处理、调制解调、比特流处理和编码解码 工作。如另外有跳频和扩频，则还可以进行解跳和解扩的工作。 软件无线电的主要研究内容包括： 数字中频理论，主要研究宽带中频信号的采样量化和波形合成、多采样率数字 信号处理、数字化信道选择、基带调制信号与带通调制信号通过正交调制( 解调) 的数字上下变频技术。 信号空间映射，研究在基带进行多模式的调制与解调。 软件无线电系统的体系结构，软件无线电的根本目标是要将多频段、多模式、 多业务结合到一个开放的、可扩展和重用的模块化平台中去，包括软件平台和硬 件平台。 软件无线电的应用技术研究，主要集中在军用电台、第三代移动通信系统雷达 与无线电测控通信系统等方面的应用。 1 3 本文各章安排 短波多音并行系统是一种采用o f d m 技术的短波通信体制，因此其研究重点 围绕在短波信道特性和o f d m 系统关键技术两个方面。短波信道对信号的影响可 以归结为多径、衰落和噪声等方面，所以对短波信道特性的研究就是如何在系统 中克服这些影响，使得信道总特性满足传输要求。o f d m 的关键技术主要包括调 制解调技术、同步技术、信道估计和均衡技术和降低峰平比技术等。结合短波多 音并行系统，本文的主要研究内容包括信道编译码技术、同步技术和信道估计与 均衡技术。相应的，各章内容安排如下： 第一章简要介绍短波通信的基本概况和短波信道基本特性。 第二章介绍o f d m 及短波3 9 音并行系统。主要阐述o f d m 的基本原理和关 键技术，并对短波3 9 音并行体制的基本技术参数和模块进行了介绍。 第三章重点研究r s 码的信道编解码技术。主要研究内容包括以下四个方面： r s 码的原理和一般编译码算法；基于伴随式矩阵的s t e p - b y - s t e p 译码算法；针对 r s 短码的查表法编译码；充分利用信道软信息的r s 软判决译码算法。 第四章研究同步问题，包括基于同步头的信号捕获算法、符号同步跟踪技术 和帧同步技术等。提出了基于同步头的信号捕获算法和符号同步捕获及跟踪算法， 最后简单分析了慎同步的实现方法。 第五章研究基于导频的信道估计和频域均衡。首先介绍了导频插入方法，然 6 短波并行调制解调器关键技术研究 后研究了导频信道基于l s 和m m s e 准则的信道估计算法及数据信道插值方法。 结束语是对全文的研究内容的总结，并对进一步的研究工作进行了展望和规 划。 第二章o m m 技术及短波3 9 音并行系统介绍 第二章o f d m 技术及短波3 9 音并行系统介绍 2 1o f d m 的基本原理和关键技术 2 1 1o f d m 基本原理 1 、o f d m 的基本思想 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 ) 是一种多载 波调制方式，其概念源自频分复用和多载波传输技术。 与单载波传输不同，通过串并转换，o f d m 系统将高速数据流拆分成多路低 速数据流，并通过多个载波分别进行发送。每个子信道上的信号带宽小于信道的 相关带宽，因此每个子信道可以看成平坦性衰落，从而可以降低符号间干扰。而 且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。 由于每个载波上的数据传输速率被大幅度降低，数据符号的持续时间相应的被大 大加长。因此，o f d m 系统对无线传输环境中普遍存在的多径时延扩展具有较强的 抵抗力，减小了符号间干扰( i s i ) 对系统性能的影响，即可以有效对抗频率选择性衰 落和各种窄带干扰。 在传统的多载波并行数据传输系统中，整个信道的带宽被分割为若干个互不 重叠的子信道，每个子信道分别进行独立的数据传输。信道的这种分割方式虽然 避免了子信道之间互相干扰，但信道利用率不高，不适用于频谱资源有限的情况。 与传统的多载波传输不同，o f d m 系统虽然也是将整个频带分成若干个子信道，但 各个子信道的频谱之间存在着重叠，在相同的信道带宽情况下，o f d m 对带宽的利 用率要高于传统的多载波并行传输。o f d m 各个子信道的频谱可以重叠的原因是由 于各子载波相互正交，每个子信道上的信号频谱均为s a ( x ) 形，在每个子信道载频 处来自其他子信道的干扰为零，这样在接收端就可以通过采用相关技术将正交信 号分开，做到无信道间干扰传输o c i ) 。 o f d m 系统与传统的多载波传输的频谱示意图如图2 1 所示。 2 、o f d m 的框图和信号数学表达式 首先，o f d m 调制的一般实现过程为：在发送端，串行码元序列首先经串并 转换化成n 路子码元，各路信号为d ( o ) ，d o ) ，d ( n 一1 ) ，然后分别调制在厶，z ，厶一l 共n 个正交子载波上，最后将n 路调制信号相加后发送；在接收端，首先对接收信 号进行采样，然后使用n 个本地子载波进行n 路解调，再将这n 路解调信号经并串 转换后输出，恢复发送的原始信号，其实现框图如图2 2 所示。 短波并行调制解调器关键技术研究 a ) 传统的多载波调制频谱 b ) o f d m 调制频谱 图2 1 传统多载波调制和o f d m 调制的频谱比较 t d ( 0 1 。氏入 。 天久d f o l 7 k y 7 刊 7 土p 例 ip 一，2 确f t 。 d1 ) 人a 。 国 n k 7 k y 7 d ( f ) 信 由+ 道并 | 头 串 1 l p ，2 矶 lp 一，2 矶一i t 七。 d ( n _ j 鼢 。 。尺久d f 一1 l 7 y y 7 1 6 ， 7 解 图2 2o f d m 调制解调实现框图 设n 表示子信道的个数，t 表示o f d m 的符号宽度，d 】( f = 0 ，l ，n i ) 为各子 信道的数据符号，z 是第i 个子载波的频率( f = 0 , i ，n - 1 ) ，则从t = t ，开始的一个 己调o f d m 符号可以表示为： 一l s ( f ) = r e d f e 删t s f f j + 丁( 2 1 ) o f d m 信号每个子载波在一个符号周期内都包含整数倍个载波周期，且各相邻子载 波之间相差1 个载波周期，即z = z 一+ i t ，( 1 i n - 1 ) 。设 是第0 个子载波的 频率，则有，= f o + i t ，( 1 i n - 1 ) 。相应地，有： s ( f ) = r e n q v i 2 x ( f o + 亭t ) f ，f 。f f 。+ r ( 2 2 ) 通常采用复等效基带信号来描述o f d m 的输出信号，为简化，设厶= 0 ，则 s o ) = n - id ，口j 2 1 r 争，f ，f f ，+ 丁( 2 3 ) 第二章o f d m 技术及短波3 9 ，音并行系统介绍 其中，实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相和正交分量，在实际中可以分别与 子载波的c o s 分量和s i l l 分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的o f d m 符号。 o f d m 调制要求用n 个正交的载波分别调s u n 路子信道码元序列，但实际中很 难独立产生n 个正交的载波。实际中一般采用球f t f f t 实现o f d m 调制解调。 根据式( 2 3 ) ，若对s ( t ) 以斋的间隔进行抽样，即令t - - 等 = o ，1 ，n 一1 ) ，可 得： s k ：j ( k t n ) = 致e x p ( j 争，o k n 一1 ( 2 - 4 ) 可以看到，s 。等效为对d ，进行i d f t 运算。 同样，在接收端为了恢复原始的数据符号d ，可以通过对s 。进行d f t ，即 如芝& e x p ( 一争，o i n 一1 ( 2 - 5 ) 通过以上分析可知，o f d m 调制和解调可以分别由d f t 和d f t 来实现。发方 调制时，对于n 个子信道的o f d m 系统，通过n 点i d f t 运算把频域符号d ，变换为时 域数据符号s 。；再经射频载波调制后发送到无线信道中。其中每一个符号j 。都是 对一个o f d m 符号周期内连续的多个子载波的叠加信号进行抽样得到的。接收方相 应地按相反的过程进行解调。 为了使信号在i d f t 和d f t 前后的功率保持不变，定义i d f t d f t 如下： 肼h = 击篓琊) e x p ( j 警) 畎胚- l ( 2 - 6 ) 。f t 删= 面1 篁n _ - o 砌) c x p 等) - 1 ( 2 - 7 ) 用i f f t f f t 实现o f d m 调制解调，n 个子载波自然是正交的，因此此避免了要 产生各子载波而带来的子载波频偏问题。当子信道数目比较多的时候，采用 f t f f t 方法可以大大减少系统的复杂度，提高o f d m 调制解调速度。随着数字 信号处理技术的不断发展，f 聊f t 的硬件实现越来越容易，这使得o f d m 调制 解调的实现变得更简单。 3 、保护间隔和循环前缀 为了能够进一步消除i s i ，通常在o f d m 符号中引入保护间隔，最有效的保护 间隔是使用符号的循环扩展，即把符号结尾的一段复制加到符号的起始端，这时 的保护间隔称为循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 。只要选取的保护间隔大于信道的最大 迟延扩展，就可以完全消除i s i 。 设一个o f d m 符号中数据信号的时间长度为z 。，信道延迟扩展的最大长度不 1 0 短波并行调制解调器关键技术研究 超过名。如果复制一个o f d m 符号时域信号中最后时间长度为名的波形，加到 本符号时域信号的前面，形成循环前缀c p ，这样就将一个o f d m 符号发送的时 厂、 霪：k 叠眨兰3 z l， 1 t = 2 ：+ 2 ： 7 图2 3 0 f d m 符号的循环前缀 接收端解调前去掉保护间隔，由于前一符号的拖尾在本符号的保护间隔内就 己经结束，则解调时前一符号不会对本符号产生影响，从而达到消除i s i 的目的。 另一方面，由于c p 中的信号波形与本符号中最后同样长度的信号的波形相同， 相当于在o f d m 发送信号中存在冗余信息，在接收端可以利用此冗余信息对信号 进行分析，如进行同步及信道特性的识别等。 4 、系统模型 图2 4o f d m 系统离散时间等效基带模型 根据前面对o f d m 基本原理的描述，这里给出一个o f d m 系统离散时间等效基 带模型，如图2 4 所示。其中s ( k ) 是待发送的频域数据序列，s ( n ) 是s ( k ) 经过i d f t 之后得到的时域数据序列，j ，( 刀) 是s ( n ) 加循环前缀后得到的时域数据序列，石。( 刀) 是接收端的接收信号，x ( n ) 是z ，( 万) 去除循环前缀后得到的时域接收数据序列， z 似) 则是相应的频域接收数据序列。 2 1 2o f d m 的关键技术 1 、同步技术 第二章o f d m 技术及短波3 9 音并行系统介绍 1 1 对o f d m 系统，各种同步误差会引入i c i 、i s i ，并且还会破坏o f d m 系统内各 子载波的正交性，使得在接收端无法正确接收数据。因此o f d m 系统中同步技术的 研究至关重要，同步性能会极大地影响o f d m 系统的性能。 o f d m 系统中的同步技术主要包括三方面： 载波同步，完成使接收端的振荡器产生的本地载波与发送载波同频同相； 采样时钟，同步完成接收端的采样时钟与发送端具有相同的频率和相位； 符号同步，完成在接收端确定每个o f d m 符号边界，即确定准确的f f t 窗的位 置。 2 、信道估计和均衡 由于多径衰落和多普勒频移的影响，无线信道的特性是随机时变的。因此在 无线通信系统中，为了消除信道本身因素的影响，需要在接收端对信道进行估计， 并依据估计出的信道构建逆系统对信道进行均衡，理想的情况是通过信道估计与 均衡得到等效的平坦无衰落信道。 对通信系统的两种主要解调方式而言，相干解调具有较低的误码率以及较高 的频谱利用率，但接收端需要对信道进行估计和均衡；非相干解调一般不需要进 行信道估计与均衡，但与相干解调方式相比会有3 d b 左右的信噪比损失。所以在 系统性能要求比较高的情况下，无线通信系统一般采取相干方式解调，此时必须 进行信道估计和均衡。 3 、信道编码和交织 为了提高数字通信系统的性能，通常采用信道编码和交织技术。信道编码主 要对抗衰落信道中的随机错误，交织主要用于对抗突发错误。系统实现时一般通 过交织技术将接收信号中的集中突发错误分散开来；然后再通过信道编解码技术 予以纠正。这样就可以大大提高数字通信系统的误码性能。 4 、降低峰均功率比 。 与单载波系统相比，o f d m 信号在时域上表现为n 个相互正交子载波信号的 叠加。当这n 个信号恰好均以峰值点相加时，o f d m 信号会产生最大的峰值，该 峰值功率是平均功率的n 倍，峰均功率l ：l ( p a p r ) 也相应比较大。随着子载波数n 的增加，p a p r 的最大值也会线性增大，这就对发射机前端放大器的线性范围提 出了很高的要求。尽管出现最大p a p r 的概率很低，但为了不失真地传输这些高 峰均功率比的o f d m 信号，发送端对高功率放大器的线性度要求就很高并且发送 效率极低，同时接收端对前端放大器以及a d 变换器的线性度要求也会很高。因 此，高峰均功率比会大大降低o f d m 的系统性能，为o f d m 技术的实用化设置 了障碍。因此降低o f d m 信号的峰均功率比是o f d m 系统研究中的一项重要内 容，目前国内外提出的降低p a p r 的方法主要有：基于限幅的方法、基于数值变 换的预失真方法、预编码方法和基于选择映射的方法、基于部分传输序列等。 1 2 短波并行调制解调器关键技术研究 本文结合实际应用，重点研究了以上前三种技术。 2 2 短波3 9 音并行体制 短波多音并行体制是通过若干个单音( 副载波) 在短波信道的有效带宽内并行 传输信息，其单音数目可有多种选择，如1 6 音、3 9 音、5 1 音等，本文基于3 9 音体 制进行研究。短波3 9 音并行系统是实际上是一种o f d m 系统，信号参数主要依据美 军标m i l - s t d 1 8 8 11 0 a ，其主要技术规格为： 3 9 个数据音，频率间隔5 6 2 5 h z ，范围从6 7 5 h z 至l j 2 8 1 2 5 h z ，用于传输数据； 一个单频未调制多普勒音，频率3 9 3 7 5 h z ，用于校正频率偏差； 码元长度为2 2 5 m s ( 恒定速率4 4 4 4 b d ) ； 各数据音为时间差分四相移相键控( q d p s k ) 调制，初始相位给定； 有7 5 b i t s 、1 5 0 b i t s 、3 0 0 b i t s 、6 0 0 b i t s 、1 2 0 0 b i t s 、2 4 0 0 b i t s 共6 种可选数据速 率； 采用r s 码编码、交织、分集等技术。 短波3 9 音并行系统基带实现的功能框图如图2 5 所示。 图2 5 短波并行系统基带功能框图 主要模块介绍： 信道编译码 根据数据速率选择采用g f ( 2 4 ) 域的r s ( 1 4 ，1 0 ) 或r s ( 7 ，3 ) 码进行信道编译码。 交织 在每种速率下均有多种交织度可选，可以根据信道情况选择长交织或短交织。 一个交织块称为超级块。 帧同步( 或数据块同步) 通过插入帧同步序列和帧同步处理，接收端来正确识别超级块边界，以便进 第二章o f d m 技术及短波3 9 音并行系统介绍 1 3 行正确的解交织和译码。 调制解调 用i f f t f f t 实现o f d m 调制解调。 同步头的加入和捕获 发方在一次发送时的数据前加一段用于信号识别的同步头，以便接收方通过 对同步头的捕获来判断是否有信号发送，若捕获成功才开始接收和上报数据。 符号同步 符号同步指在解调前，通过一定的同步技术来确定符号边界。由于每个符号 周期包含一段时域信号的循环扩展，所以正确的符号同步位置是一个区域，这一 区域应该是不包含符号边界和多径重叠区的。符号同步的性能直接影响着解调的 性能。 d 和d a a d 和d a 完成对时域o f d m 调制信号的滤波或采样数字化的功能，以便 送入信道传输或交给数字信号处理单元处理。 第三章信道编解码技术 第三章信道编解码技术 3 1r s 码 r e e d s o l o m o m 码( r s 码) 是一类具有很强纠错能力的多进制b c h 码，属于线 性分组循环码，1 9 6 0 年由r e e d 和s o l o m o n 提出，所以简称为r s 码。 r s 码以其纠错能力强、编码效率高、构造方便、算法相对简单以及易于数字 实现等优点，逐步成为当前最有效、应用最为广泛的差错控制编码之一。目前已 在卫星通信、空间通信、移动通信及数字存储等领域得到广泛的应用。r s 码良好 的纠错性能体现在不仅具有纠正随机错误的能力，而且还有很强的纠突发错误的 能力，并且可以用来构造其它码类，如用于级联码的外码等。 3 1 1r s 码的基本原理 r s 码作为一类非二进i i u b c h 码，它的码元符号和生成多项式g ( x ) 的根取自同一 伽罗华有限域g f ( q ) ，一般为g f ( 2 ”) 域。一个码元符号由m 位二进制码组成，并 且运算符合g f ( 2 ”1 域的运算规则。在介绍r s 码之前首先简要介绍一下伽罗华域。 1 、伽罗华域 伽罗华域g f ( q ) = 6 f ( 2 ”) 域，m 为正整数。其基本定义为： 是有2 “个元素的有限域； 其元素除0 、1 外，其余2 “一2 个由p ( x ) 生成； p ( x ) 为m 次本原多项式，其特征是p ( x ) 可整除x “+ 1 ，( ，z = 2 ”一1 ) ，p ( x ) 除不尽 x 9 + 1 ，( g n ) ； g f ( 2 m ) 域中的元素为0 ，1 ，口1 ，口2 ，其中口为p ( x ) 的根； 伽罗华域对运算封闭，所有运算都是在域中进行。伽罗华域中有两种运算分别 是模2 加( 异或) 和模2 乘，减法和除法都可以用模2 加和模2 乘代替。 这里以本文所采用的r s 码的g f ( 2 4 1 域为例，介绍伽罗华域的元素和运算。首 先用来构造g f ( 2 4 ) 域的4 次本原多项式p ( x ) = 工4 + z + 1 ；g f ( 2 4 ) 域的本原元素口 定义为p ( x ) = 0 的根，即满足口4 + 口+ 1 = 0 或口4 = 口+ 1 ；则g f ( 2 4 ) 域中的2 4 个元 素见表3 1 。 相应的域运算例：加法口2 + 口6 = 0 1 0 0 + 1 1 0 0 = 1 0 0 0 = 口3 ；减法与加法相同； 乘法5 1 0 口1 1 = 口( 1 0 + i i ) m o d l 5 = 口6 ；除法口1 0 a 1 1 = 口( 1 0 - i i ) , n o d l 5 = 口1 4 。 1 6 短波并行调制解调器关键技术研究 表3 1g f ( 2 4 1 域元素 本原元素表示m 位二进十进制 制表示表示 o 0 0 0 0 o l 口0 0 0 0 1 2 口l 0 0 1 0 4 口2 0 1 0 0 8 a 3 1 0 0 0 3 口4 = 口+ 1 0 0 1 1 6 口5 = o f 2 + o f 0 1 1 0 1 2 口6 = 口3 + 口2 1 1 0 0 1 1 口7 = 口3 + o f + 1 1 0 1 1 5 口8 = 口2 + 1 0 1 0 1 1 0 口9 = 口3 + 口 1 0 1 0 7 o f l 0 = 口2 + o f + 1 0 1 1 1 1 4 o f l l = 口3 + 口2 + o f 1 1 1 0 1 5 a 1 2 = o f 3 + 口2 + 口+ 1 1 1 1 1 1 3 o f l 3 = 口3 + 口2 + 1 1 1 0 1 9 口1 4 = 口3 + 1 1 0 0 1 2 、r s 码的基本参数 r s 码可由其参数( n ，k ) 表示。对于可纠正价错误的r s 码，有：码长n = 2 肺- 1 、 信息段k 、监督段r = n - k = 2 t 、最小码距d = 2 t + l 。其生成多项式为： g ( x ) = n ( x + 口) = ( x + 口) ( x + 口2 ) ( x + 口2 ) ( 3 1 ) 其中口为g f ( 2 ”) 域上的本原元素，口，o = 1 , 2 ，2 t ) 为生成多项式的根。 第三章信道编解码技术 相应地，对所采用的r s ( 1 5 ，1 1 ) 码，码元取自g f ( 2 4 ) 域，一个码元符号由4 位 二进制组成，其基本参数为：码长n = 2 4 1 ，纠错能力t = 2 ，校验码元个数r = 2 t - - 4 ， 信息码元个数k = n - r = l1 ，其生成多项式为： g ( x ) = ( x + 倪) ( x + 口2 ) ( z + 口3 ) ( x + 倪4 ) = x 4 + 口1 3 x 3 + 口6 x 2 + 口3 x + a l o ( 3 2 ) 3 1 2r s 码的一般编译码方法 设r s 码的码长n ，可纠错码数t ，监督位个数r = 2 t ，信息码个数k = i i - r ，元素 所在有限域g f ( 2 ”) 域，其中刀= 2 ”一1 ，参数集可表示为( n ，k ，t ，m ) 。 1 、编码 r s 码的编码一般根据生成多项式进行。首先根据参数集( n ，k ，t ，m ) 和式( 3 1 ) 得 到其生成多项式g ( x ) 。设信息码多项式为m ( x ) ，则编码公式为： 塑坐：二：q ( 曲+ 掣 ( 3 3 ) g ( 功 。、7 g ( 功 c ( x ) = m ( x ) x 脯+ r ( x )( 3 - 4 ) 即首先根据式( 3 3 ) 由信息码多项式m ( x ) 得到剩余多项式“x ) ，“x ) 的系数即 为校验码，再由式( 3 - 4 ) 将校验码附加到信息码之后即得到编码码组c ( x ) 。 软件实现此编码算法的具体过程如下： 查g f ( 2 ”) 域元素与二进制代码对照表，把待编码数据转化成g f ( 2 ”) 域元 素表示； 根据公式( 3 3 ) 计算剩余多项式“x ) ，其系数就是所对应的校验码； 根据公式( 3 - 4 ) 把生成的校验码追加到信息码后，完成编码过程。 2 、译码 r s 码的译码与其他线性分组码的译码一样，都要经过以下几个步骤： 由接收码字r ( x ) 求得伴随式s ； 由伴随式求错误图样e ( z ) ； 由r ( x ) 一e ( 曲，得到最可能发送的码字丁( z ) 。 r s 码的译码算法大体上可分为时域译码算法和频域译码算法两类。r s 码的时 域译码包括解方程组p g z 算法( p c t c r s o n g o r e n s t e i n - z i e r l e r ) 、b m ( b e r l e k a m p - m a s s e y ) 迭代算法、欧几里德( e u c l i d e a n ) 算法。这三种译码算法的译码步骤相似，均分为以 下四步： 由接收到的r ( 功计算出伴随式s = ( s 。，s ：，s ：，) ； 短波并行调制解调器关键技术研究 由伴随式s 求错误位置多项式仃( 功，由错误位置多项式的根提供错误的位置 ( 这三种算法的不同点在这一步体现) ； 用搜索法解出仃( 曲的根，得到错误位置数，确定出错位置； 由错误位置数求得错误值，从而得到错误图样e ( z )