再入飛行器正交頻分復(fù)用遙測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫 濤，李 帆，葛 立，張?zhí)礻?/p>

（北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所，北京，100076）

再入飛行器正交頻分復(fù)用遙測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫 濤，李 帆，葛 立，張?zhí)礻?/p>

（北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所，北京，100076）

正交頻分復(fù)用是一種無線通信技術(shù)，其頻譜利用率高，非常適合高速數(shù)據(jù)傳輸，在再入飛行器遙測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊。介紹了載波頻偏對(duì)正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的影響，提出了一種基于本地訓(xùn)練序列的頻偏校正的算法，設(shè)計(jì)了再入飛行器正交頻分復(fù)用遙測(cè)接收系統(tǒng)。

正交頻分復(fù)用遙測(cè)系統(tǒng)；載波頻偏估計(jì)；再入飛行器

0 引 言

正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）是一種多載波調(diào)制技術(shù)，其核心思想是將信道分成若干彼此正交的子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制到子信道上進(jìn)行傳輸，使得每條子信道上的數(shù)據(jù)速率降低，各信道之間的低速信號(hào)彼此并行傳輸[1,2]。由于信號(hào)的正交性，在接收端可以采用相關(guān)技術(shù)將多條子信道上的信號(hào)分離出來，從而解調(diào)出每一路子信道上的信號(hào)。此外，OFDM與普通的頻分多路復(fù)用（Frequency Division Multiplexing，F(xiàn)DM）系統(tǒng)相比，由于OFDM系統(tǒng)中各個(gè)子載波相互正交，各子載波上的信號(hào)頻譜可以相互交疊，因此在相同的信號(hào)帶寬內(nèi)可以傳輸更多的數(shù)據(jù)，具有頻譜利用率高的特點(diǎn)[2,3]。OFDM系統(tǒng)的基本原理如圖1所示。

圖1 OFDM系統(tǒng)基本原理

傳統(tǒng)的再入飛行器遙測(cè)系統(tǒng)，采用PCM-FM等相對(duì)比較簡(jiǎn)單的調(diào)制方式，普遍存在帶寬不足、數(shù)據(jù)率較低等問題。隨著遙測(cè)內(nèi)容的進(jìn)一步豐富，大量音頻、視頻數(shù)據(jù)信息的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的遙測(cè)通信體制已不能適應(yīng)發(fā)展的需求。由于OFDM具有較高的頻譜利用率和更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，因此，OFDM更能滿足復(fù)雜的遙測(cè)要求，在再入飛行器遙測(cè)、飛行器組網(wǎng)通信等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

此外，OFDM十分適合再入飛行器低空遙測(cè)。在飛行再入段近地點(diǎn)附近，彈頭與地面站處在很小的相對(duì)角度，容易造成信號(hào)的中斷和丟失，OFDM具有良好的對(duì)抗多經(jīng)干擾特性，能夠有效地抑制信號(hào)中斷，因此十分適合應(yīng)用于再入飛行器遙測(cè)系統(tǒng)。

在OFDM遙外測(cè)通信系統(tǒng)中，針對(duì)載波頻偏，必須采用載波頻偏估計(jì)算法。本文討論了載波頻偏對(duì)OFDM遙測(cè)系統(tǒng)的影響，提出了一種基于本地訓(xùn)練序列的頻偏估計(jì)算法，驗(yàn)證了算法的性能，并設(shè)計(jì)了OFDM體制的再入飛行器接收系統(tǒng)。

1 基于本地訓(xùn)練序列的頻偏估計(jì)算法

1.1 載波頻偏影響分析

頻率偏移對(duì)OFDM系統(tǒng)解調(diào)性能的影響巨大。當(dāng)不存在頻率偏移時(shí)，OFDM系統(tǒng)的各子載波正交，系統(tǒng)的性能優(yōu)越；當(dāng)存在頻率偏移時(shí)，頻率偏移將使子信道間的正交性遭到破壞，從而引發(fā)子信道之間的互相干擾[4]。通常認(rèn)為，當(dāng)加性高斯白噪聲（Additive White Gaussian Noise，AWGN）信道下OFDM系統(tǒng)的頻率偏移小于子載波（即子信道）間隔的4%[5]，或衰落信道下頻率偏移小于子載波間隔的1%～2%[6]時(shí)，由于頻率偏移導(dǎo)致的性能損失才可以忽略。

因此，OFDM系統(tǒng)對(duì)頻率同步的要求較高，要求頻率偏移的估計(jì)結(jié)果盡可能的準(zhǔn)確，即估計(jì)值要在真實(shí)值附近，估計(jì)結(jié)果的方差越小，OFDM系統(tǒng)的性能越好。頻率偏移的估計(jì)誤差會(huì)導(dǎo)致時(shí)域信號(hào)的相位旋轉(zhuǎn)（時(shí)域信號(hào)相位隨時(shí)間線性增加）。

參考802.11b協(xié)議，在OFDM數(shù)據(jù)幀之前加入訓(xùn)練序列，可以用于實(shí)現(xiàn)頻偏估計(jì)功能。OFDM數(shù)據(jù)幀的訓(xùn)練序列如圖2所示。

圖2 OFDM數(shù)據(jù)幀的訓(xùn)練序列

1.2 并行頻偏估計(jì)算法[7]

通常采用一種并行處理的載波同步算法校正OFDM信號(hào)中的載波頻偏。首先利用短序列的延遲相關(guān)值的相位估計(jì)出粗頻偏：

式中 rn-L-16+i為短訓(xùn)練序列的第（n-L-16+i+1）個(gè)數(shù)據(jù)；φc為利用短序列計(jì)算出的頻偏導(dǎo)致的相位變換量；ε為真實(shí)的頻偏值。

利用長(zhǎng)序列延遲相關(guān)值的相位估計(jì)出細(xì)頻偏ε?f：

式中 rn-L-64+i為長(zhǎng)訓(xùn)練序列的第（n-L-64+i+1）個(gè)數(shù)據(jù)；φf為利用長(zhǎng)序列計(jì)算出的頻偏導(dǎo)致的相位變換量。

1.3 基于本地訓(xùn)練序列的頻偏估計(jì)算法

目前主流的載波頻偏估計(jì)算法，一般采用對(duì)循環(huán)出現(xiàn)的訓(xùn)練序列做延遲相關(guān)的方法，獲取延遲相關(guān)結(jié)果的角度信息，用于計(jì)算載波頻偏。

在AWGN信道下，一般認(rèn)為接收端提取的兩段訓(xùn)練序列為混入高斯白噪聲的隨機(jī)數(shù)據(jù)。進(jìn)行延遲相關(guān)運(yùn)算，意味著對(duì)兩個(gè)隨機(jī)過程做乘法，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的隨機(jī)性進(jìn)一步放大，估計(jì)值的方差變大，準(zhǔn)確度降低，頻偏估計(jì)值準(zhǔn)確度的降低將導(dǎo)致系統(tǒng)性能迅速惡化。為了降低計(jì)算結(jié)果的隨機(jī)性，減小估計(jì)誤差，以往估計(jì)算法通常采用對(duì)估計(jì)結(jié)果累加再平均的方法。

因此，對(duì)于頻偏估計(jì)算法，其核心問題是在隨機(jī)噪聲存在的情況下，有效地降低估計(jì)結(jié)果的隨機(jī)性，即估計(jì)結(jié)果的方差。

與前文提到的主流頻偏估計(jì)算法不同，本算法在估計(jì)載波頻偏時(shí)，進(jìn)行相關(guān)計(jì)算的對(duì)象改變?yōu)橐欢坞S機(jī)數(shù)據(jù)和一段已知的固定數(shù)據(jù)，相關(guān)計(jì)算之后，計(jì)算結(jié)果的方差與用于相關(guān)計(jì)算的隨機(jī)數(shù)據(jù)相同，估計(jì)結(jié)果的隨機(jī)性沒有放大。

在此基礎(chǔ)上，采用加權(quán)平均的方法，能夠進(jìn)一步降低計(jì)算結(jié)果的隨機(jī)性?；诒镜赜?xùn)練序列的頻偏估計(jì)算法利用本地已知訓(xùn)練序列與接收數(shù)據(jù)中的訓(xùn)練序列進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，從相關(guān)結(jié)果的角度中提取頻偏信息。

式中 r( k)為接收信號(hào)中混入噪聲的訓(xùn)練序列的第k個(gè)數(shù)據(jù)樣值；rS為已知的、未混入噪聲的本地訓(xùn)練序列；為接受訓(xùn)練序列相對(duì)于本地已知序列的初始相位。

同樣，把不同k值對(duì)應(yīng)結(jié)果的角度作差，就能得到估計(jì)的歸一化載波頻偏：

通過改變h值，可以改變延遲相關(guān)數(shù)據(jù)段的長(zhǎng)度；在進(jìn)行加權(quán)平均時(shí)，同樣有很多的組合方式。

1.4 算法的實(shí)現(xiàn)

選用Altera公司的Stratix EP1S25F780C5 FPGA作為算法實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。頻偏估計(jì)算法主要由復(fù)共軛相乘、數(shù)據(jù)截短、CORDIC計(jì)算、延遲相減、加權(quán)平均等模塊構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。a）把接受序列和本地訓(xùn)練序列對(duì)應(yīng)的樣值進(jìn)行復(fù)共軛相乘，得到kψ；b）經(jīng)過數(shù)據(jù)截短，把結(jié)果送入CORDIC模塊計(jì)算kψ對(duì)應(yīng)的角度；c）對(duì)間隔為h的計(jì)算結(jié)果作差，再經(jīng)過加權(quán)平均處理，即可得到歸一化載波頻偏估計(jì)值。

圖3 頻偏估計(jì)算法的結(jié)構(gòu)

在進(jìn)行系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)，選取h=64，即2個(gè)角度計(jì)算結(jié)果對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)間隔為64，從節(jié)約資源的角度出發(fā)，通常在允許的情況下盡量使除數(shù)為2的整數(shù)次冪，從而把除法轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)截短。因此在進(jìn)行加權(quán)平均處理時(shí)，分別嘗試了64點(diǎn)、128點(diǎn)、256點(diǎn)和512點(diǎn)的加權(quán)平均。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)采用256點(diǎn)加權(quán)平均時(shí)，算法得到最佳估計(jì)性能。該算法具體的資源占用情況如表1所示。

表1 頻偏估計(jì)算法的FPGA資源占用

1.5 算法的試驗(yàn)驗(yàn)證

采用R&S公司的SMU200A矢量信號(hào)發(fā)生器和配套的WinOFDM和WinIQSIM軟件，通過軟件設(shè)置產(chǎn)生帶有載波頻偏的OFDM信號(hào)；利用Quartus II軟件中的嵌入式邏輯分析儀SignalTap II觀察載波同步模塊對(duì)信號(hào)的處理結(jié)果；采用Matlab軟件繪制系統(tǒng)的誤碼率曲線，與并行頻偏估計(jì)算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。由圖4可知，采用新算法后誤碼率BER減小，系統(tǒng)的解調(diào)性能顯著提高。

圖4 頻偏估計(jì)算法的性能對(duì)比

2 OFDM體制接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

再入飛行器OFDM遙測(cè)系統(tǒng)中，接收系統(tǒng)是設(shè)計(jì)重點(diǎn)。本文采用的基帶編碼正交頻分復(fù)用（Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing，COFDM）解調(diào)系統(tǒng)如圖5所示?；鶐盘?hào)的數(shù)據(jù)處理流程為：a）雙路模數(shù)變換器（Analog to Digital Converter，ADC）對(duì)基帶OFDM信號(hào)的I、Q兩路進(jìn)行采樣，對(duì)得到的接收序列進(jìn)行幀檢測(cè)，獲得數(shù)據(jù)幀中訓(xùn)練序列的起點(diǎn)，同時(shí)幀檢測(cè)獲得的同步信息被用來進(jìn)行后續(xù)的操作；b）數(shù)據(jù)進(jìn)行頻偏估計(jì)與校正后，移除循環(huán)前綴，并作快速傅立葉變換（Fast Fourier Transformation，F(xiàn)FT）解調(diào)，解調(diào)后得到的頻域數(shù)據(jù)被用來作信道估計(jì)和符號(hào)細(xì)定時(shí)，并作均衡；c）均衡后的頻域數(shù)據(jù)符號(hào)一路進(jìn)行解映射和軟判決，另一路用來進(jìn)行剩余頻偏估計(jì)，剩余頻偏追蹤環(huán)節(jié)估計(jì)出的剩余頻偏反饋到FFT之前的頻偏校正環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)頻率的追蹤；d）解映射和軟判決的數(shù)據(jù)經(jīng)過解交織后，送入Viterbi譯碼模塊進(jìn)行信道譯碼，輸出最終解調(diào)出的比特流。

圖5 OFDM解調(diào)系統(tǒng)

接收機(jī)采用雙中頻超外差架構(gòu)，降低系統(tǒng)噪聲，整個(gè)接收機(jī)通過兩次下變頻將接收的射頻信號(hào)解調(diào)至基帶。第1下變頻模塊將S波段遙測(cè)信號(hào)，搬移到接收機(jī)第1中頻，通過正交下變頻模塊將第1中頻搬移至接收機(jī)第2中頻，同時(shí)生成I、Q兩路信號(hào)。在基帶電路中用高速AD對(duì)I、Q兩路中頻信號(hào)帶通采樣，在FPGA內(nèi)部完成載波跟蹤和信號(hào)解調(diào)。正交變頻的接收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 OFDM遙測(cè)接收機(jī)結(jié)構(gòu)示意

3 結(jié) 論

載波頻率偏差導(dǎo)致OFDM信號(hào)在頻域內(nèi)發(fā)生偏移，子信道之間的正交性急劇惡化，導(dǎo)致各子信道之間彼此干擾，使得系統(tǒng)的誤碼性能嚴(yán)重下降[8]。因此，設(shè)計(jì)高性能的載波頻偏估計(jì)算法是構(gòu)建OFDM遙測(cè)系統(tǒng)的重點(diǎn)。針對(duì)再入飛行器OFDM遙測(cè)系統(tǒng)中的載波頻偏問題，研究了載波頻偏對(duì)OFDM寬帶遙測(cè)系統(tǒng)解調(diào)性能的影響，提出基于本地訓(xùn)練序列的頻偏估計(jì)算法。性能測(cè)試結(jié)果表明，該算法能夠有效降低系統(tǒng)的解調(diào)誤碼率，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了再入飛行器OFDM遙測(cè)系統(tǒng)。

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Design of Reentry Aircraft Orthogonal Frequency Division Multiplexing Telemeter System

Sun Tao, Li Fan, Ge Li, Zhang Tian-hao
(Beijing Institute of Space Long March Vehicle, Beijing, 100076)

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technique is very suitable for wireless high data rate transmission, and will be widely used in reentry-aircraft telemeter. In this paper, the influence of the carrier frequency offset to OFDM telemeter system is studied, a frequency offset correction algorithm which used the information of the local training serial is introduced, and a reentry-aircraft OFDM telemeter system is designed.

Orthogonal frequency division multiplexing telemeter system; Frequency offset estimation; Reentry aircraft

V556

A

1004-7182(2016)04-0087-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20160422

2015-08-21；

2016-01-06

孫 濤（1983-），男，工程師，主要研究方向?yàn)樵偃腼w行器遙測(cè)技術(shù)