空-空数据传输抗多径技术

第25卷第7期国外电子测量技术VoL. 25, No. 72006年7月Foreign Electronic Measurement Technology应用天地空一空数据传输抗多径技术(中国电子科技集团公司第五十四研究所石家庄050081)摘要:空一空数据链抗衰落技术一直是困扰电子工程师的一大难题,特别是由于空中目标收发天线为全向条件下造成的电波反射,使通信中断的问题一直没有得到彻底解决。根据空一空数据传输的通信特点,采取扩频调制、圆极化天线、信道编码和抗衰落帧冋步等技术,研制满足该通信链路的要求具有优良抗衰落性能的通信设备,具有重要实际意义及工程价值。本文研究的用于小型飞行器空一空数据通倌链路的抗衰落技术,具有广泛的实用价值关键词:空一空数据传输多径莱斯信道误码率Anti-decline technology of air-air data link(The 54th Research Institute, China Electronics Technology Group Corporation, Shijiazhuang 050081, China)Abstract The air-air data links anti-decline technology used for mini aero craft is always a difficultproblem, which harassing the electronic engineers. especially when the air target antenna (receiveand transmit)causes the electric wave reflection, which interrupt the communication in omni-direc-tional condition, that still not yet gets a total solution. therefore by satisfying that communicationnkage, how to design the device, capable of strong anti-declining, has important practical meaningand consists of great engineering value. This article studied the air-air data links anti-decline technology used for mini aero craft, and may get some practical insightKeywords: air-air data transmission, multiplex, rice channel, err-code ratio0引言1空一空数据传输实际分析目前国内外空一空数据链系统中存在的主要问无线信道按传输特性可分为恒参信道和变参信题是电波的多径效应导致严重衰落而使数据丢失或道两种。其中变参信道的信道传递函数随时间在变完全失去跟踪。目前使用的典型抗衰落方法有信道化,它又分为瑞利信道和莱斯信道编码、均衡、扩频和分集、加大发射机的发射功率等。瑞利信道:多径信号中无直达分量,接收信号振其中,信道编码通过增加信息的冗余度来纠正衰落幅概率密度服从瑞利分布,相位概率密度服从均匀引起的误码;均衡主要通过补偿信道衰落引起的畸分布变来减小衰落的影响;扩频是通过特殊的信号设计莱斯信道:多径信号中有收/发直达分量。接收所具有的分离多径信号的能力,来消除引起衰落的信号振幅概率密度服从莱斯分布,相位非均匀分布。多径信号干涉效应;而分集则是利用不同传输途径对于莱斯信道模型,定义直射波功率C与多径具有相互独立的衰落特性,从而提高信号的接收时反射波的功率M之比为莱斯因子=CM,图1所的抗衰落效果。因此,空一空通信链路的抗衰落技示为莱斯因子对误码性能影响曲线。莱斯因子ξ术是一个重要研究发展方向,本文结合实际工程应0时,相当于瑞利信道。莱斯因子=∞时,相当于用,提出了解决多径影响的一些方法。恒参信道。2006年第7期张弛:空一空数据传输抗多径技术ξ:莱斯因子步技术等方面来解决抗多径问题。2.1调制方式的选择在选择适合空一空通信信道的调制方式时,要注意以下几点(a)要考虑其在非线性信道上性能的恶化量,要尽量使用恒包络调制方式(b)要分析其抗衰落性能,并考虑能采取适当5=10的措施给予补偿。2.1.1 CPFSK调制为了表示 CPFSK信号,以PAM信号开始dt)=∑Lng(t-nT)式中{n}表示幅度序列,它是由信息序列{an}图1莱斯因子对误码性能影响曲线的k比特的二进制数组映射到幅度电平士1,±3,…±(M-1)得到的。g(t)是一个幅度为1/2T持2改善信道的措施续时间为T秒的矩形脉冲。信号d(t)用来对载波从图1中可以看出:莱斯因子越小,则反射信号进行频率调制,载波调制信号可以为的总和越强,衰落深度越大,输出相同误码率所需要cos[2f t+o(t: D)+po]的信号E/N就越大。在系统保证有“通视”条件,在式中,9是载波的初始相位,g(t;D)表示载波的信道没有采取任何措施的前提下,假设信道的莱斯因子=2,如果要求信道输出误码率为105,则所需要时变相位,定义为的信号E/N约为37dB,而恒参信道仅需要 10dB. p(t;D)=4 exfaT d(t)di假设直射分量与反射分量路程差最近近似为l,此时到达信息接收装置的电平差P1为:4rfT|[∑1g(r-nT)]drP1=32.44+20lgf+20lgl(dB)其中:f为工作频率(MHz)虽然d(t)具有不连续性,但d(t)的积分是连续的。l为路程差(km)因此,我们得到一个连续相位信号。在nT≤t≤(n设反射系数0.5,电平值P2为:十1)T间隔内的载波相位由积分确定。因此P2=|20lg0.5|=6dBc(t; D)=2faT 2 Ik+2f(t-nT)In两项相加P=P1+PAn +2h,q(t-nT)则对应的莱斯因子1=2010如果不采取措施提高莱斯因子,将无法满足系式中,h,m及q(t)定义为h=2f,T统误码率的要求。在信道设计中应设法减小反射信号,以增加莱斯因子,来改善信道。抗衰落技术主要包括以下几方面:功率控制技术;q(t)=t2T(o≤t≤sT)·选取具有抗衰落特性的调制体制;1/2(t>T)圆极化天线技术可以看到,6n表示直到(n-1)T时的所有符号·纠错编码技术;的累积值,参数h称为调制指数抗衰落帧同步技术;2 CPFSK(连续相位频移键控)调制方式具有功自适应均衡技术;率和频带利用率高、带外衰减快、对非线性不敏感等分集技术。优点。它的解调方式简单,在采用限幅鉴频、积分判由于空空传输设备受到自身体积、供电等限制,决的非相干解调时,系统能获得良好的解调性能。国外电子测量技术第25卷(a)信号的调制包络恒定;2.2圆极化天线技术(b)具有较好的频带功率利用率;2.2.1圆极化信号特性(c)受信道非线性影响小,抗限幅能力强;任何一个圆极化波信号可以分解为一个水平极(d)具有潜在的二重频率分集作用,因此具有化波和一个垂直极化波的矢量合成,二者相位差90°较好的抗多径衰落性能;其中:E=Ex+EY(e)调制解调器简单,而且性能较好,适当选择调制指数和信道带宽其检测性能仅比差分相干理合成场的幅度|E|=√殴+B=E=常数论值低ldB其方向由下式决定: tga Extgot而a=at(f设备体积小、重量轻,适合机动设备;这表示合成场的幅度不随时间改变,但方向却(g)技术非常成熟,效果较好。随时间而变。当E滞后Ex90时,合成矢量沿逆时扩频调制针方向旋转,为左旋极化;当E超前Ex90°时,合成扩频通信是扩展频谱通信( Spread Spectrum矢量沿顺时针方向旋转,为右旋极化。Communication)的简称其原理是用伪随机序列将2.2.2反射信号特性欲传输的窄带高功率谱密度信息扩展成类似白噪声根据电波传播理论,反射波特性与电波与地夹的宽带低功率谱密度信号,接收端用同一个伪随机角地面的介电常数E地面的导电率a,以及电波序列对接收信号进行同步相关处理,恢复成窄带信波长入有关。水平线极化波,在不同的与地夹角0,号后解调数据。以及不同的波长下,反射波的相位变化不大,几乎保按工作方式扩展频谱通信可分为直接序列扩频持在180附近;而垂直线极化波仅在与地夹角0°(DS)、跳频(FH)、跳时(TH)和各种混合方式(如附近时为180°,随着与地夹角0的不断加大,迅速变FH/DS、THDS等)。为0~10°左右。经地面反射后的圆极化波中的垂其中直接序列(DS扩频方式应用最为广泛原直分量相位变化了180,而水平分量相位变化不到理也相对简单10°,合成矢量的极化旋向发生了改变。因而利用接直接序列扩频就是在调制端用高速的二进制伪收天线的左右旋圆极化隔离特性,采用与发射天线机扩频码与欲传输的二进制数字信息信号相乘的相同极化旋向的圆极化天线可以抑制掉大部分反随方式,将信息信号的频谱扩展。如图2所示扩频的射信号信号进行载2.2.3效果分析偷息数据}4根据圆极化电波传输公式:pn(t) cos(wol)p=0.5±x2x伪随机序列载波(a)发射端(1-V)(1-V2(1+V)(+V)3a基带滤波可以计算出采用圆极化天线,对反射波的隔离cos(wo t)载波伪随机序列效果。由于反射波是旋向相反的斜椭圆,当工程采b)接收端用的收发天线的极化轴比为1.5时,反射信号的极化轴比约为2.0,代入上式,可以得到:图2直接序列扩频通信系统模型P+=0.8692P=0.1308波调制后发射;在接收端用相同的二进制伪随它们之间的隔离为:8.2dB。机扩频码与去载波的扩频调制信号相乘,进行相关2.3信道编码及抗衰落帧同步解扩,恢复出原始的信息数据。2.3.1信道编码扩频技术能够展宽信号的频带,使信号的码元为了防止在衰落信道下的突发性误码,采用级宽度小于衰落信道的多径时延,同时使信号的频谱联纠错编码技术。级联纠错编码由RS编码、交织具有白噪声特性,在接收端利用扩频信号良好的相编码、自同步扰码、差分编码和卷积编码组成。可以2006年第7期张驰:空一空数据传输抗多径技术要求为10-5的情况下,系统可以得到大约5~6dB进行积分判决,然后送终端处理器进行解码。的编码增益改善。在实际试飞中,两个任务设备的飞行高度为2.3.2抗衰落帧同步3000m,地面电波反射系数取m=0.5,多径仿真结为适应衰落信道的传输,在对解调出的群路信果如图5所示号分路时采用抗衰落帧同步技术,保证在无线信道深衰落期间设备能继续正确分接各时隙的信息。当发现数据失步后,设备仍保持失步前的帧状态进行分接,同步标志不变,电路时序不变,以体现抗衰落80帧同步功能,同时继续在数据中检测帧同步标志,直到捕捉到新的帧状态时,设备进入新的同步状态。3工程实现在实际工程中,根据实际需要,系统采用了信道-105编码、抗衰落帧同步、扩频和2 CPFSK调制及圆极化天线的组合。系统组成框图如图3所示。发天线终端信道功放编码器发射机在飞行试验中,大约在74.4km处会出现超过任务设备A收天线接收机门限电平的弱区深衰落,大约70~78km的距离范围内,出现信号减弱、甚至中断。大约在33处理器~36km附近,下行AGC电平明显变小,但信号没任务设备B有中断。试验结果与仿真分析结果完全相同图3某工程系统组成图采用上述抗多径措施,信号没有中断,满足系统信号传输误码率优于1×10-5的要求其中天线采用单圆极化天线,指标如下天线增益:≥2dBi4结束语方位波束宽度:≥60随着数据传输的发展,小型飞行器空一空数据俯仰波束宽度:≥60链的应用越来越多,本文结合工程应用,探讨了一些电压波比:≤2:1空空数据传输的抗衰落技术,通过采取扩频调制、圆极化形式:单圆极任务设备A的数据信息经过终端编码器对数避免实际飞行中的多径干扰问题。据信息进行信道编码、抗衰落帧同步和1023位扩频;2 CPFSK调制在信道发射机内进行,组成框图如参考文图4所示。调制后的L频段射频信号经功放送发[1]樊吕信张甫翊徐炳祥等通信原理[M]北京:国防射天线发射工业出版社,2001.「参考源鉴相器上[2]宋广怡,王翠晴.一种小型便携数字徹波图像传输系统射频出「].无线电工程,2004,34(3):5355.[低通振荡器[ 3] GARDNER F M. 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