地空通信調(diào)制解調(diào)關(guān)鍵技術(shù)分析

韓 冬，李志勇，張 琳

(中國電子科技集團(tuán)電子第五十四研究所，河北石家莊 050081)

0 引言

目前國外空-空通信、空-地通信發(fā)展方向是探索將升空平臺作為網(wǎng)絡(luò)中的地區(qū)節(jié)點(diǎn)，主要是指利用飛機(jī)(包括有人駕駛飛機(jī)和無人機(jī))、浮空平臺(包括飛艇、系留氣球等)等升空載體，搭載通信載荷，以更快的速度、更機(jī)動的方式形成升空節(jié)點(diǎn)或中繼通信平臺，提供通信中繼能力。例如:美軍的MPCDL、ACN、BACN、MP_CDL及“全球鷹”等通信系統(tǒng)。

地空通信為典型的低萊斯因子信道，低仰角區(qū)域因多徑傳輸而造成信號的嚴(yán)重衰落，同時地面、機(jī)體表面反射引起的多徑串?dāng)_也是制約高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i;此時，如果伴隨飛行器高速運(yùn)動而引入的信道時變和多譜勒頻移會使問題更加復(fù)雜。如何降低多徑情況對通信質(zhì)量的影響、提高系統(tǒng)的傳輸可靠性是研究的努力方向。

1 自適應(yīng)均衡技術(shù)

地空信道信息高速傳輸時，多徑展寬相對符號持續(xù)時間多在3倍以上，多徑引起的符號間的干擾將變得十分嚴(yán)重，會使系統(tǒng)引入不可減小誤碼;此外飛行器高速運(yùn)動引起的信道時變以及多譜勒頻移，同樣對系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時無法正常工作［4］。自適應(yīng)均衡技術(shù)是一種比較理想的抑制碼間干擾、補(bǔ)償信道頻域選擇性衰落的措施［5］。

1.1 時域自適應(yīng)均衡技術(shù)

目前國際上常用的自適應(yīng)均衡器采用判決反饋均衡結(jié)構(gòu)，使用的最佳算法為LMS算法。判決反饋均衡器結(jié)構(gòu)對于信道存在深度頻譜衰落和大多普勒環(huán)境下的情況具有較好的均衡效果，而其性能優(yōu)于線性均衡器接近于性能最優(yōu)復(fù)雜度相當(dāng)高的MLSE接收機(jī)。LMS算法的優(yōu)勢在于它的簡易性和有效性，實(shí)際實(shí)現(xiàn)LMS算法時不需要求平方、平均或者微分計(jì)算，其每次權(quán)矢量更新需要2N(N為均衡器抽頭數(shù)目)次乘法［1］。

判決反饋均衡器(DFE)包括2部分:前向均衡器采用其加權(quán)系數(shù)自適應(yīng)于信道狀態(tài)的抽頭延遲線濾波器實(shí)現(xiàn)，使多徑時延展寬的寬度減小，從而消除碼間干擾對檢測的影響;反向均衡器用另一個自適應(yīng)抽頭延遲線濾波器實(shí)現(xiàn)，利用相加器輸出的取樣值，反饋回來消除過去判決的碼間干擾。除了克服多徑引起的碼間干擾外，自適應(yīng)均衡器將每一多徑分量中所需要的信號能量進(jìn)行相位校正和合并，使信噪比得到改善。

在符號檢測器中，數(shù)字信號首先進(jìn)行過零判決，產(chǎn)生的判決輸出分為2路，一路送給差分解碼器完成解碼，另一路在判決指導(dǎo)模式中用來計(jì)算判決前后的差值，從而生成誤差信號，供前向和反向均衡器使用。

采用QPSK調(diào)制方式，信道衰落將不僅引起同路間的碼間串?dāng)_，還會引起異路間的正交串?dāng)_，因此均衡器也必須采用二維的正交結(jié)構(gòu)。正交判決反饋均衡器采用復(fù)數(shù)抽頭，輸入信號和判決輸出均是正交的2路信號。正交判決反饋均衡器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 正交判決反饋均衡器的結(jié)構(gòu)

1.2 均衡器-解調(diào)器獨(dú)立設(shè)計(jì)

這種方案包括相干解調(diào)器和均衡器2個組件組成，2部分相互獨(dú)立，如圖2所示。其中的均衡器又包括一個線性均衡器LE和一個判決反饋均衡器DFE。LE和DFE都是整數(shù)抽頭間隔均衡器，因此相對于分?jǐn)?shù)抽頭均衡器而言，LE和DFE使用較短的抽頭延遲線就可以均衡延遲時間較長的多徑干擾。該均衡器可用于糾正設(shè)備收發(fā)通道內(nèi)的線性失真，對萊斯因子小于10 dB時的離散多徑信道也有比較好的均衡能力。當(dāng)信道萊斯因子大于10 dB時，由于位定時和載波恢復(fù)機(jī)制獨(dú)立于均衡器，位定時和載波恢復(fù)首先破壞，最終導(dǎo)致均衡器失效。

圖2 均衡器–解調(diào)器獨(dú)立設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

1.3 均衡器–解調(diào)器聯(lián)合設(shè)計(jì)

由于地空通信信道多徑結(jié)構(gòu)及持續(xù)時間快速變化，均衡器必須具備動態(tài)特征，即:快速的收斂時間和優(yōu)良的跟蹤時變信道的能力。若采用常用均衡器往往載波和時鐘環(huán)路還未收斂，信道特征就發(fā)生了較大變化，將很難收斂。借鑒變參信道中時域均衡器結(jié)構(gòu)，采用均衡器和解調(diào)器的聯(lián)合設(shè)計(jì)。圖3是均衡器-解調(diào)器聯(lián)合設(shè)計(jì)的解調(diào)器結(jié)構(gòu)。

圖3 均衡器－解調(diào)器聯(lián)合設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

載波恢復(fù)工程上常用判決反饋Costas環(huán)。當(dāng)收發(fā)頻差小于符號速率的1%時，載波恢復(fù)可簡單地看成載波相差恢復(fù)在解調(diào)器-均衡器設(shè)計(jì)時引入判決反饋Costas環(huán)，從均衡器輸出的軟信息中提取誤差信號后經(jīng)鎖相環(huán)形成反饋控制均衡器輸入信號，合理調(diào)整環(huán)路參數(shù)，就能達(dá)到適應(yīng)大頻偏同時適應(yīng)動態(tài)多徑的效果［2］。

2 高效糾錯編碼技術(shù)

高速大容量機(jī)載通信要求能夠滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，保證信息傳輸?shù)馁|(zhì)量。采用高效糾錯編碼結(jié)合調(diào)制解調(diào)技術(shù)，提高通信靈敏度，進(jìn)一步增加鏈路余量，提高傳播可靠度，同時對強(qiáng)多徑干擾下形成的不可減誤碼進(jìn)行抑制。

LDPC具有編碼增益高、譯碼速度快的特點(diǎn);且具有較大的靈活性和較低的差錯平底特性;描述簡單，對嚴(yán)格的理論分析具有可驗(yàn)證性;譯碼復(fù)雜度低于Turbo碼，且可實(shí)現(xiàn)完全的并行操作，便于硬件實(shí)現(xiàn);吞吐量大，極具高速譯碼;具有抗突發(fā)差錯的特性，不需要引入交織器，避免了可能帶來的時延。3/4碼率以下的LDPC的BER曲線與無編碼QPSK解調(diào)BER曲線的交匯點(diǎn)一般低于1×10-2，隨碼率降低甚至可低至1×10-1，因此，在惡劣的變參地空信道中LDPC展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，特別適合復(fù)雜電波傳播環(huán)境中的機(jī)載平臺數(shù)據(jù)通信。

這里L(fēng)DPC碼采用(8176，6132)的 QC-LDPC碼，碼字用歐氏幾何法生成。其編碼矩陣E可以分為I和A兩部分，E=［I|A］，其中I為6132×6132的單位矩陣，A為準(zhǔn)循環(huán)矩陣。A由12×4個511×511的子矩陣Bi，j構(gòu)成，其中每個Bi，j都是循環(huán)矩陣［3］。

解碼矩陣D由12×16個511×511的子矩陣Δ φ Ui，j構(gòu)成，其中每個都是置換矩陣。

由于矩陣A和矩陣D都是循環(huán)子陣或置換子陣，因此該碼的編解碼過程很容易在FPGA/ASIC中并行實(shí)現(xiàn)。

3 仿真及測試結(jié)果

3.1 均衡器－解調(diào)器聯(lián)合設(shè)計(jì)

同樣假定符號速率為20 Msps，LE長度為n=12，DFE長度為m=6，仿真均衡器在固定多徑干擾、有載波頻差Δf和位定時頻差Δf2時的性能，圖4是多徑時延功率譜。圖5是有頻偏校正的均衡器在 Δf=10 kHz，Δf2=10 ppm時眼圖的收斂過程以及抽頭系數(shù)(復(fù)數(shù)模值)的分布情況。

圖4 多徑時延功率譜

圖5 眼圖收斂過程和抽頭系數(shù)分布

由仿真可以得出［6］，當(dāng) Δf ＜10 kHz時，均衡器可以快速收斂，收斂過程差異不大;當(dāng)Δf=50 kHz，均衡器也可收斂，但收斂較慢。一旦均衡器收斂，其系數(shù)與多徑結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與Δf、Δf2無關(guān)。

3.2 LDPC編碼

圖6是采用(8176，6132)的QC-LDPC碼在設(shè)備上的測試結(jié)果。

圖6 LDPC編碼誤碼性能曲線

經(jīng)過實(shí)測，該碼字的誤碼平底至少在BER=10-9以下，其性能距離香農(nóng)限不大于1.4 dB。由于編碼、解碼矩陣都為準(zhǔn)循環(huán)矩陣，編解碼器可比較方便地在FPGA中實(shí)現(xiàn)，占用資源規(guī)模也很小。

4 結(jié)束語

主要分析了自適應(yīng)衡器在地空通信中與解調(diào)器聯(lián)合設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，以及LDPC編碼原理與實(shí)現(xiàn)方法;給出了均衡器–解調(diào)器聯(lián)合設(shè)計(jì)的解調(diào)器仿真數(shù)據(jù)及LDPC上機(jī)曲線。目前該2項(xiàng)技術(shù)已成功用于工程中，在抗動態(tài)多徑情況下較傳統(tǒng)的解調(diào)器在性能上有明顯優(yōu)勢。

［1］FANG L，SAMUELI H.A 60-MBd，480-Mb/s，256QAM Decision-Feedback Equqlizer in 1.2 μm CMOS［J］.Ieee Journal of Solid-State Circuits，1993，28(3):330-338.

［2］王東，李志勇.地空大容量傳輸自適應(yīng)均衡技術(shù)［J］.計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，2009，35(8):49-53.

［3］李志勇，李文鐸.一種高速LDPC編譯碼器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.無線電工程，2009，39(7):17-19.

［4］王東，李志勇，白立鋒.地空信道特性研究［J］.無線電通信技術(shù)，2009，35(3):32-34.

［5］樊昌信.通信原理［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2001.

［6］王立寧.Matlab與通信仿真［M］.北京:人民郵電出版社，1999.