基于OFDM 的自組網(wǎng)同步通信信號平穩(wěn)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙訓(xùn)威，王志剛

（國網(wǎng)信通產(chǎn)業(yè)集團(tuán)，北京 100052）

OFDM 是一種正交式的多載波通信調(diào)制方法，在執(zhí)行過程中，所有符號序列都被調(diào)制到一個統(tǒng)一的載波平臺上，再借助串行節(jié)點(diǎn)對相關(guān)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記，經(jīng)過一系列處理使所有待識別信號帶寬都保持為相同數(shù)值[1]。對于自組網(wǎng)同步通信系統(tǒng)而言，傳統(tǒng)信息數(shù)據(jù)編碼方式與基帶調(diào)制的思想相似，一般來說，按照正常方式分配到載波序列上的信號的調(diào)制運(yùn)行速率相對較低，而在OFDM 方法作用下，原有的信號載波運(yùn)行速率得以大幅提升，且由于脈沖信道始終具有極強(qiáng)的信號承載能力，這些高速的自組網(wǎng)通信信號可被按需傳輸至既定的元件設(shè)備結(jié)構(gòu)體系之中。

自組網(wǎng)同步通信網(wǎng)絡(luò)注重從物理層角度考慮數(shù)據(jù)信息的傳輸安全性，在追求高水平通信信號功率譜密度的同時，易將源信號與干擾噪聲信號混合在一起，從而導(dǎo)致信噪比數(shù)值快速下降[2]。傳統(tǒng)多路同步采集系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的跳頻能力，確定源信號中隱藏噪聲信號所處的實(shí)時位置，但由于系統(tǒng)內(nèi)并沒有配置獨(dú)立的噪聲提取設(shè)備，因此其去噪能力并不能完全達(dá)到實(shí)際應(yīng)用需求[3]。為解決上述問題，引入OFDM 調(diào)制方法，并以此為基礎(chǔ)，提出一種新型的自組網(wǎng)同步通信信號平穩(wěn)優(yōu)化系統(tǒng)。

1 通信信號平穩(wěn)優(yōu)化系統(tǒng)的平臺設(shè)計(jì)

自組網(wǎng)同步通信信號平穩(wěn)優(yōu)化系統(tǒng)的平臺由自組網(wǎng)基帶平臺、射頻通信電路、信號調(diào)制模塊三部分共同組成，具體搭建方法如下。

1.1 自組網(wǎng)基帶平臺

自組網(wǎng)基帶平臺負(fù)責(zé)收集傳輸過程中不能達(dá)到目的終端的數(shù)據(jù)參量，由基帶設(shè)備、組網(wǎng)設(shè)備、前面板、后面板等多個結(jié)構(gòu)共同組成。其中，基帶設(shè)備可直接與通信主機(jī)相連，具備較強(qiáng)的穩(wěn)定性執(zhí)行能力，可接收大量的數(shù)據(jù)信號參量。組網(wǎng)設(shè)備則與射頻通信電路相連，可將分揀出的信號參量，借助傳輸平臺，反饋至下級應(yīng)用模塊之中[4-5]。前面板掌管一個RF 接收裝置和一個高速ADC 設(shè)備，后面板掌管一個RF 發(fā)射裝置和一個高速ADC 設(shè)備，在FPGA 結(jié)構(gòu)的作用下，兩個面板元件的連接功能相互交換，直至完成對所有數(shù)據(jù)參量的分揀與篩選。自組網(wǎng)基帶平臺結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 自組網(wǎng)基帶平臺結(jié)構(gòu)圖

由于高速ADC 元件的存在，基帶平臺能夠?qū)⑼ㄐ判盘栔苯愚D(zhuǎn)換成組網(wǎng)信號，并可通過設(shè)備接口，將信號參量傳輸至各級應(yīng)用系統(tǒng)之中。

1.2 射頻通信電路

射頻通信電路能夠給自組網(wǎng)同步通信信號平穩(wěn)優(yōu)化系統(tǒng)提供所有的傳輸電子量，以STM32 芯片作為核心搭建元件，能夠在DAC 電阻與自組網(wǎng)電容之間，實(shí)現(xiàn)對傳輸信號的穩(wěn)定性轉(zhuǎn)化處理。STM32 芯片具備10 個完全獨(dú)立的射頻接口通路，其中上、下兩端的“0 號”接口負(fù)責(zé)與其他組網(wǎng)設(shè)備相連，能夠在接收電子量信號的同時，將未完全利用的數(shù)據(jù)信息反饋至相關(guān)設(shè)備元件之中。射頻通信電路示意圖如圖2 所示。

圖2 射頻通信電路示意圖

對于自組網(wǎng)同步通信信號平穩(wěn)優(yōu)化系統(tǒng)而言，射頻通信電路具備一定的濾波信號放大能力，可在維持基帶平臺連接穩(wěn)定性的同時，對通信數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸位置進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)[6-7]。

1.3 信號調(diào)制模塊

在自組網(wǎng)同步通信信號平穩(wěn)優(yōu)化系統(tǒng)中，信號調(diào)制模塊主要完成與射頻通信電路相關(guān)的數(shù)據(jù)隨機(jī)化處理，可使傳輸信號在獨(dú)立頻域區(qū)間內(nèi)保持相對平穩(wěn)的傳輸特性，并可按照OFDM 調(diào)制原理將已呈現(xiàn)聚集形式的數(shù)據(jù)信息，分布到多個關(guān)聯(lián)的信道結(jié)構(gòu)體之中，從而進(jìn)一步增大通信數(shù)據(jù)被自組網(wǎng)主機(jī)檢測到的可能[8-9]。該模塊的連接遵循最基本的自組網(wǎng)基帶調(diào)試原理，可收集分散于系統(tǒng)內(nèi)部的通信信號數(shù)據(jù)，此外由于射頻板元件的存在，所有經(jīng)過調(diào)制模塊處理后的信號參量都可以直接轉(zhuǎn)存至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主機(jī)中。

2 基于OFDM的自組網(wǎng)同步通信信號調(diào)制

在平臺元件的支持下，按照保護(hù)間隔與循環(huán)前綴設(shè)置、數(shù)字基帶調(diào)制、信道響應(yīng)頻率計(jì)算的處理流程，完成基于OFDM 的自組網(wǎng)同步通信信號調(diào)制處理。

2.1 保護(hù)間隔與循環(huán)前綴

保護(hù)間隔是指在自組網(wǎng)環(huán)境中，兩個通信信號到達(dá)目的終端之間的時間差值，對于OFDM 調(diào)制思想而言，保護(hù)間隔時間越長，則表示通信信號的傳輸平穩(wěn)性水平越差[10]。設(shè)ymax表示自組網(wǎng)通信信號的最大傳輸沖擊系數(shù)，表示信號基向量均值，ξmin表示信號基向量最小值，β表示通信信號的識別特征值，聯(lián)立上述物理量，可將自組網(wǎng)通信信號的保護(hù)間隔時長表示為：

其中，a1、a2表示兩個不同的OFDM 調(diào)制系數(shù)。

循環(huán)前綴描述了自組網(wǎng)同步通信信號的循環(huán)傳輸能力[11]。在循環(huán)系數(shù)為u的情況下，聯(lián)立式（1），可將基于OFDM 的自組網(wǎng)同步通信信號循環(huán)前綴表示為：

其中，表示通信信號識別特征值，χ、w表示兩個不同的信號循環(huán)向量。在自組網(wǎng)同步通信環(huán)境中，信號保護(hù)間隔與循環(huán)前綴的定義行為同時受到OFDM 算法調(diào)制能力的影響。

2.2 數(shù)字基帶調(diào)制

數(shù)字基帶調(diào)制是在OFDM 算法基礎(chǔ)上，對自組網(wǎng)同步通信信號進(jìn)行的深度加工處理，一般來說，隨著信號傳輸量的增大，與之相關(guān)的基帶調(diào)制能力也會不斷增強(qiáng)[12-13]。在自組網(wǎng)同步通信環(huán)境中，信號的最大傳輸量條件只能達(dá)到，且在OFDM 算法作用下，該項(xiàng)物理量雖然具備一定強(qiáng)度的變化能力，但其實(shí)際數(shù)值水平并不能對通信網(wǎng)絡(luò)中的信號穩(wěn)定性傳輸能力造成影響。設(shè)c表示既定傳輸時刻的通信信號標(biāo)記系數(shù)，聯(lián)立式（2），可將基于OFDM 的通信信號數(shù)字基帶調(diào)制表達(dá)式定義為：

其中，f表示自組網(wǎng)同步通信信號的平穩(wěn)迭代系數(shù)，gc表示信號標(biāo)記系數(shù)為c時的自組網(wǎng)同步規(guī)劃系數(shù)。對于自組網(wǎng)同步通信環(huán)境而言，由于數(shù)字基帶調(diào)制作用的存在，OFDM 算法才能發(fā)揮其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[14]。

2.3 信道響應(yīng)頻率

信道響應(yīng)頻率描述了自組網(wǎng)同步通信信號對于系統(tǒng)主機(jī)調(diào)度指令的響應(yīng)能力，若將OFDM 算法作用能力考慮在內(nèi)，則可認(rèn)為系統(tǒng)主機(jī)所表現(xiàn)出來的響應(yīng)需求越迫切，傳輸信道的響應(yīng)頻率均值水平越高[15-16]。設(shè)M0表示自組網(wǎng)同步通信信號的初始輸出量，為保證信號傳輸?shù)慕^對穩(wěn)定性，規(guī)定OFDM 算法對于整個通信網(wǎng)絡(luò)體系的調(diào)試強(qiáng)度只能達(dá)到μ，在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（3），可將信道響應(yīng)頻率計(jì)算結(jié)果表示為：

其中，表示OFDM 算法作用下的通信信號傳輸占比條件，ξ表示同步域環(huán)境中的信號調(diào)制系數(shù)。由于OFDM 算法具備較強(qiáng)的適應(yīng)性，所以在自組網(wǎng)同步通信信號平穩(wěn)優(yōu)化系統(tǒng)中，隨著信號傳輸量的增大，算法應(yīng)用強(qiáng)度并不會出現(xiàn)明顯變化。

3 實(shí)例分析

在自組網(wǎng)同步通信網(wǎng)絡(luò)中，信號的傳輸路徑相對較為復(fù)雜，且由于目的終端的多樣性，一部分信號參量并不能保持始終唯一的傳輸路徑，這就為“噪聲干擾”行為的出現(xiàn)提供了可能。信噪比能夠描述“噪聲干擾”行為的表現(xiàn)強(qiáng)度，一般來說，在自組網(wǎng)通信環(huán)境中，信噪比數(shù)值越大，則表示源信號與噪聲信號間的融合程度越低，同步通信信號所具備的平穩(wěn)化傳輸能力也就越強(qiáng)；反之當(dāng)信噪比數(shù)值相對較小時，源信號與噪聲信號間的融合程度較高，同步通信信號所具備的平穩(wěn)化傳輸能力也就越弱。

分別采用OFDM 算法、多路同步采集系統(tǒng)對自組網(wǎng)同步通信主機(jī)輸出的信號參量進(jìn)行處理，將前者記為實(shí)驗(yàn)組、后者記為對照組。

為避免突發(fā)性事件對實(shí)驗(yàn)結(jié)果真實(shí)性造成的影響，該次實(shí)驗(yàn)分兩部分進(jìn)行：1）先記錄單一信道開放情況下，實(shí)驗(yàn)組、對照組的信噪比數(shù)值水平；2）記錄多信道同時開放情況下，實(shí)驗(yàn)組、對照組的信噪比數(shù)值水平。信噪比（SNR）計(jì)算表達(dá)式如下：

其中，Qsignal表示源信號占比，Qnoise表示噪聲信號占比。

單一信道情況下的信噪比數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 單一信道情況下的信噪比數(shù)值

分析圖3 可知，在單一信道情況下，實(shí)驗(yàn)組信噪比數(shù)值呈現(xiàn)上升、穩(wěn)定、再上升、再穩(wěn)定的四段式變化狀態(tài)。第一階段的信號頻率區(qū)間為0～600 Hz，在此過程中，實(shí)驗(yàn)組信噪比數(shù)值不斷上升，但并未達(dá)到其全局最大值；第二階段的信號頻率區(qū)間為600～800 Hz，在此過程中，實(shí)驗(yàn)組信噪比數(shù)值始終保持穩(wěn)定；第三階段的信號頻率區(qū)間為800～1 200 Hz，在此過程中，實(shí)驗(yàn)組信噪比數(shù)值繼續(xù)上升，且達(dá)到了其全局最大值55.3 dB；第四階段的信號頻率區(qū)間為1 200～1 400 Hz，此過程中實(shí)驗(yàn)組信噪比數(shù)值穩(wěn)定在全局最大值水平。對照組信噪比數(shù)值在單一信道情況下呈現(xiàn)持續(xù)上升的變化趨勢，當(dāng)信號頻率等于1 400 Hz 時，達(dá)到其全局最大值38.9 dB，與實(shí)驗(yàn)組最大值相比，低了16.4 dB。

多信道同時開放情況下的信噪比數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

分析圖4 可知，在多信道同時開放情況下，實(shí)驗(yàn)組信噪比數(shù)值基本保持連續(xù)上升的變化狀態(tài)，但實(shí)驗(yàn)前期的上升幅度明顯更大，當(dāng)信號頻率處于1 200～1 400 Hz 之間時，實(shí)驗(yàn)組信噪比數(shù)值雖然出現(xiàn)了極小幅度的下降狀態(tài)，但對曲線的整體上升趨勢影響不大。對照組信噪比數(shù)值在整個實(shí)驗(yàn)過程中一直保持不斷上升的變化狀態(tài)，當(dāng)信號頻率等于1 400 Hz 時，曲線達(dá)到最大值42.3 dB，與實(shí)驗(yàn)組最大值60.2 dB 相比，低了17.9 dB。

圖4 多信道同時開放情況下的信噪比數(shù)值

綜上可知，OFDM 算法作用下的優(yōu)化系統(tǒng)在單一信道、多信道同時開放情況下，均能有效提升通信信號的信噪比數(shù)值，能夠解決源信號與噪聲信號之間的過量融合問題。

4 結(jié)束語

自組網(wǎng)同步通信信號平穩(wěn)優(yōu)化系統(tǒng)從OFDM 調(diào)制算法的角度著手，建立全新的自組網(wǎng)基帶平臺，借助射頻通信電路與信號調(diào)制模塊，對通信數(shù)據(jù)的保護(hù)間隔與循環(huán)前綴進(jìn)行定義。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法不但有助于系統(tǒng)主機(jī)對自組網(wǎng)通信環(huán)境中的信噪比參量進(jìn)行有效控制，也實(shí)現(xiàn)了同步通信信號的平穩(wěn)化傳輸。