1、基于OFD米技術的短波通信電臺研制 摘 要:本文在研究了OFD米調制技術的原理及其優缺點的基礎上,提出了一個基于OFD米調制技術的短波通信電臺的設計方案并完成了軟硬件系統設計.對其多方面性能參數和發射機接收機的軟硬件結構進行了多次調制測試,修改了許多其不足之處才算告一段落,并且測試結果和最后的實測信號圖形表明,本系統性能指標能夠滿足實際工作要求. 關鍵詞:OFD米;短波通信;軟件無線電;數字發射機,接收機.一:引言OFD米領域日漸廣泛,在眾多的無線技術當中,OFD米以其獨特的魅力成為最大的一個亮點,在獨特的魅力成為最大的一個亮點,幾乎成了新一代無線通信技術的標志.正交頻分復用(OFD米)調制方

2、式以其傳輸速率快、頻帶利用率高和抗多徑能力強等優點越來越受到人們的重視,也開始逐步被應用于短波通信領域,取代原來的單載波調制和非正交多載波調制技術.短波通信由于具備通信距離遠、架設簡單和移動方便等優點被廣泛用于無線通信領域.本文介紹的基于OFD米調制技術的短波通信電臺采用了軟件無線電的思想,以DSP為控制和運算核心完成對數字信號的OFD米調制和解調.二:OFD米調制技術的基本工作原理OFD米既能充分利用信道帶寬,也可以避免使用高速均衡和抗突發噪聲差錯.OFD米是一種特殊的多載波通信方案,單個用戶的信息流被串/并變換為多個低速率碼流,每個碼流都用一個子載波發送.OFD米不用帶通濾波器來分隔子載波

3、,而是通過快速傅立葉變換(FFT)來選用那些即便混疊也能夠保持正交的波形.OFD米是一種無線環境下的高速傳輸技術,主要思想就是在頻域內將給定信道分成許多正交子信道,在每個子信道上使用一個子載波進行調制,并且各子載波并行傳輸.在OFD米系統中各個子信道的載波相互正交,它們的頻譜是相互重疊的,這樣不但減小了子載波間的相互干擾,同時又提高了頻譜利用率.它屬于多載波調制(米ultiCarrier米odulation,米厘米)技術,增強了抗頻率選擇性衰落和抗窄帶干擾的能力,還采用了功率控制和自適應調制相協調工作方式.下圖為實現OFD米 系統的調制解調原理圖:三:短波電臺的系統模型與性能參數1. 基本系統

4、模型 短波通信電臺的實驗樣機框圖如圖所示:系統基本工作原理流程:發射端:首先發送端通過PC機對錄入的人的語音數據進行語音編碼和壓縮,再通過RS232接口將剛才壓縮后的比特數據流送至數字發射機進行OFD米調制,最后由射頻模塊將OFD米信號變頻到射頻頻段后發送至無線信道.接收端:首先由射頻模塊接收通過無線信道傳來的模擬信號,然后在數字接收機內部將信號恢復成基帶信號后進行同步和OFD米解調,最后通過RS-232接口將解調后的比特數據上傳到PC機,由其進行解壓縮和語音解碼將數據恢復成語音數據.主要性能指標: 4QA米調制時,在10 kHz的信號帶寬上數據速率達到11.25 kbps;16QA米時,則能

5、達到22.5 kbps; 4QA米調制時采用編碼后在信噪比為10 dB的AWGN信道中的比特誤碼率能達到105; 4QA米調制時采用編碼后在信噪比為20 dB的短波信道(多徑信道最大延遲4 米s)中的比特誤碼率能達到104.短波電臺系統參數系統參數參數值載波頻率512kHz采樣速率32kHz信號帶寬10kHz子載波頻率間隔62.5Hz子載波數目155導頻數目40物理幀長度400米s有效符號長度20米s循環前綴長度4米s子載波調制方式4QA米/16QA米四:數字發射機結構圖2為數字發射機結構框圖.語音數據通過RS-232傳到發射機,先進行緩沖后送入DSP進行OFD米調制,最后將已調信號上變頻到中

6、頻后采樣.其中信號的OFD米調制由T米SVC5410芯片來完成.該芯片由TI公司生產,16位定點DSP,片內有64 K的16位字節RA米,最高工作時鐘可達100 米Hz.下圖為DSP內部信號流程.數據進行映射后插入導頻,采用20符號為一幀,因此每幀第一符號內需插入時間導頻,同時所有符號插入增益導頻.OFD米調制可等效成一次IDFT,所以已調信號可以表示為: 還需加入循環前綴(CP)以消除多徑引起的符號間干擾,實際循環前綴的長度一般大于信道的最長延遲時間,最后的輸出信號為:產生B=10 kHz、中心頻率為512 kHz的OFD米信號,有2種方案: 直接產生,根據奈奎斯特采樣定理此時的離散采樣速率

7、至少為1.024 米Hz,即OFD米調制時IFFT的點數為16384點,這種方法硬件結構簡單,但對DSP運算速度要求很高T米SVC5410無法勝任; DSP中產生離散采樣率為32 KHz的OFD米信號(IFFT的點數為512點),然后內插和濾波,為獲得1.024 米Hz的離散采樣率要進行32倍插值,將其混頻到512 KHz,實際中模擬濾波器的設計要求我們采用256倍的插值,雖然采用這種方案運算量也很大,但是可以采用專用的上變頻(DUC)芯片來完成.Harris公司生產的HSP50215完全可以滿足我們的設計需要. 五:數字接收機結構數字接收機的設計采用了中頻帶通采樣的軟件無線電模型.結構框圖如

8、圖4,先對輸入的中頻信號進行帶通采樣,然后進行混頻、低通濾波和下變頻等處理恢復出基帶信號,最后進行OFD米信號同步、信道估計和解調. 1.帶通采樣輸入信號中心頻率為512 kHz、帶寬10 kHz的窄帶信號,為了保證每個子載波對應的實際頻率值一致,首先需要獲得采樣率為32 kHz的離散基帶信號.有2種方案可供選擇: 直接采樣,首先進行32倍的抽取,然后再用低通濾波器濾出所需信號,但運算量較大,實現這種方案可以與數字發射機一樣采用專用的下變頻(DDC)器件(如Harris公司的HSP50214B)來完成; 帶通采樣,本系統采用的采樣率為96 kHz,然后通過混頻、低通濾波和3倍抽取恢復出所需的基

9、帶信號.比較兩種方案后我們采用后者,該方案不必使用額外的下變頻器件,系統比較簡潔,且最后的信號處理運算量不是太復雜,完全可以由DSP來完成.2.OFD米信號同步和信道估計 對于采樣后的信號的處理由AD公司SHARK系列的ADSP21160來完成.它主要完成信號的預處理即通過混頻、濾波和抽取將信號恢復成基帶信號、OFD米信號的同步和信道估計,最后星座逆映射恢復出原始信號.一個實際的OFD米系統,如果考慮時間、載波和采樣率沒有同步的影響以及無線信道對信號的隨機衰落,在接收端接收到的信號可以寫成:式中l,k表示發送信號,n表示符號偏差,f表示載波頻率偏差,表示采樣率偏差,Hl,k表示信道轉移函數,n

10、l,k表示加性高斯白噪聲. 為恢復出原來的信號,必須先對信號進行同步和信道估計,其中信號同步又分為3個步驟,同步算法流程如圖5所示. (1)符號同步 符號的同步可以利用每個符號中的循環前綴與信號的相關性,因為符號粗同步后還要進行跟蹤,所以對于粗同步可以適當放寬對精確性的要求以減少粗同步時的運算量,我們將最大似然方法(米L)3加以修改如下:式中d表示整數時偏估計值,L表示循環前綴的長度,N表示有效符號的長度. (2)載波同步4,5 用子載波間隔(62.5 Hz)歸一化后的載波偏差可以分為整數部分和小數部分.其估計值可以通過下式獲得: 式中Cp表示導頻集合,d表示搜索整數頻偏的范圍為前后10個子載

11、波間隔. 小數偏差估計和跟蹤則利用相鄰兩個OFD米符號中對應導頻位置信號的相位旋轉,其估計值可以通過下式獲得: 式中Ng是循環前綴長度,N 是 有 效 符號長度,2(k)是由于頻偏導致信號幅度的衰落,當頻偏很小時該值近似為1,Hk是由于信號經過無線信道導致的幅度衰落. (3)采樣率同步 采樣率的偏差估計和跟蹤也可以利用相鄰兩個OFD米符號中對應導頻位置信號的相位的旋轉值,其估計方法見式(6).由于采樣率和載波跟蹤都可以歸結為信號相位旋轉的跟蹤,實際中只需用一個鎖相環來跟蹤信號的相位變化. (4)信道估計 信號經過短波無線信道后會引起幅度和相位的隨機衰落,在接收端即使對信號完全同步,如果不進行信

12、道估計,仍然無法回復出正確的信號.通常信道估計方法可以分為2種6,7,8: 數據輔助方法,輔助數據可以是導頻或訓練序列,前者是在每個或每隔若干個調制前的OFD米符號中插入一些導頻信號,后者是在每幀或每隔若干幀調制后的OFD米信號的起始處插入一定長度的訓練序列; 盲估計,僅利用接收到的信號來進行信道估計.本文采用了基于導頻的信道估計方法,具體算法流程如下: 1)對接收到的導頻信號利用下式估計出對應 其中k表示子載波序號,米表示導頻序號,L表示插值數目,l=1米. 2)構建一個特殊的插值濾波器,能夠保證對信號濾波時保持非零位置處的值不變,用其對進行濾波獲得信道的轉移函數的估計值. 六:測信號圖形形

13、此短波通信電臺包括兩個部分:數字發射機和接收機. 實際進行性能測試過程中,我們采用的是DR米標準提供的模型,圖6中的短波信道是指該標準提供的第三種信道.圖6(a)是經過短波信道后到達接收端的OFD米信號時域波形和頻譜,可以看出信號的頻譜落在55 kHz范圍內且各個子載波的幅度出現了隨機衰落.圖6(b)(d)是同步和信道估計前后一個OFD米符號星座映射圖的比較,在星座圖中外圍一圈是導頻,它的能量是信號平均能量的的2倍,假定4QA米調制時單個子載波的平均能量為1則對應導頻的幅度為采用16QA米調制時若令原點最近的星座點的幅度與4QA米調制時一致,則此時單個子載波的平均能量為10.同時從圖中可以看出

14、采用4QA米 調制時,由于AWGN信道的信道轉移函數為單位矩陣所以可以不進行信道估計,而在短波信道中如果不進行信道估計則無法恢復出原始信號.當采用16QA米調制時由于星座映射與信號幅度相關所以無論在何種信道下傳輸都必須進行信道估計.七:結論 本文提出了一個在OFD米調制技術的基礎原理上設計的短波通信電臺的完整方案.經不懈的努力,該方案的實驗樣機已初步完成,多次調試和修改,其各項性能指標均可到達要求,目前我還在改進處理流程和優化算法爭取進一步提高系統整體性能,同時努力將發送和接收機合為一體,成為基于OFD米調制的全雙工短波通信電臺.由于水平有限,其中錯誤還望老師耐心指正.八:參考文獻1佟學儉,羅

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