空地高速數據傳輸研究

高玉平

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

無人偵察機和有人偵察機可以攜帶光電攝像機、紅外攝像機和合成孔徑雷達等任務載荷，通過空地數據鏈把機載傳感器數據傳到地面。隨著需求的不斷提高，任務載荷數量要增加，各傳感器的分辨率也不斷增加，需要傳輸的數據量越來越大，要求實現空地高速的數據傳輸。在空地數據傳輸中，有于存在地面反射，產生信號衰落，引起嚴重的碼間干擾，因此必須根據空地數據傳播的特點，研究合適的高速數據傳輸方式。

1 空地數據傳播特性

在空地數據通信中，傳播方式除直射波和地面反射波以外，還存在散射波、折射波和繞射波等。但由于無線電波主要是以地波反射形式傳播的，因此主要考慮直射波和地面反射波傳播。

可以用鏡象原理處理地面對電波傳播的影響，如圖1所示。

圖1 地面波的鏡象反射

在圖1中，地面站天線位于A點，高度為Ha;飛機天線位于B點，高度為Ht，離地面站距離為R，測控站和目標的地面距離為D。

通過計算可得直射波和反射波的路徑差為:

地表反射使幅度和相位都會發生變化，用反射系數表示，它是一個復數量Γ =ρe-jΨr。ρ表示反射的幅度變化，Ψr表示相移。

這樣，直射波和反射波總的相位差為:

在A點或B點接收到的信號是直射波和反射波疊加，用反射衰落因子η表示地面反射對接收信號幅度的影響，定義η為和信號幅度被自由空間時的信號幅度相除。經過近似計算，得反射衰落因子η為:

由式(2)可以看出，當地面站天線高度ha、飛機天線高度ht、地面站距飛機的水平距離D變化時，cosψ會發生變化，也就是接收信號的幅度發生變化。由于地面反射的干涉，天線在俯仰面上的輻射可被分成很多瓣，在某些仰角上輻射的信號會增強，某些仰角上信號會減弱，這種現象被稱為天線波瓣分裂。波瓣圖的最大值和最小值分別相應于Ψ是π的偶數倍或奇數倍。通常，水平極化地面反射系數相位近似為π弧度，垂直極化地面反射系數相位低于π，許多文獻Ψr取π。這時:

產生最小值。

波瓣圖的最大值和最小值不僅取決于相位Ψ，還取決于表面的反射系數。反射系數與表面粗糙度、介質特性、天線的極化形式、頻率和入射角等有關。美國學者認為，低入射角頻率高于1 500 MHz情況下，常規(非光滑)地面的反射系數為0.2～0.4，很少大于0.5。而學者認為反射系數要高一些。表1是一些地區反射系數的測量結果。

表1 實測不同地面反射系數

由上面分析可以看出，在空地數據通信中，地面的反射產生反射波，接收點收到的信號是直射波和反射波的疊加合成，它們之間存在路程差變化就造成衰落。傳輸模型主要是二徑模型。

當傳輸數據速率較低時，路程差相對較小，反射主要對接收信號幅度有影響，這時的衰落屬于平坦衰落;當數據速率較高時，路程差相對較大，反射波會造成接收信號波形時間展寬，引起嚴重的碼間干擾，對解調信號的眼圖產生較大影響，這時衰落屬于頻率選擇性衰落。

直射波和反射波路程差由式(1)表示，通常情況下地面測控站天線比較低，路程差產生的時延不超過10 ns。對中低速數據傳輸，衰落的影響表現在接收信號幅度隨著飛機高度、距離變化起伏變化，抗信號幅度衰落的方法是增加信號強度的儲備裕度;當傳輸數據高時，衰落為選衰性衰落，這時對數據傳輸的影響是非常嚴重的。

可以采用一些方法減少地面反射，如采用窄波束寬度天線或使天線波束向上傾斜，使照射地表面的輻射能量減少;適當減少地面站天線的高度可以減小直射波和反射波之間的路徑差，減少選擇性衰落的影響;有一些文獻提出在天線周圍地面反射網，防止信號照射到地面。

2 高速數據傳輸的調制方式

目前有多種高速調制解調的方法，應該根據空地無線電傳播特點采用合適的調制解調方式。

2.1 四相相移鍵控

在衛星傳輸系統中，主要采用四相相移鍵控(QPSK)、偏移正交相移鍵控OQPSK等方式實現高速調制解調器。由于數據速率較高時，采用傳統的串行方式無法實現，主要采用并行方式。在解調器中并行結構實現高速數字解調，如美國JPL實驗室提出的APRX結構。高速調制器也采用并行方式實現成型濾波、卷積運算、高速乘法器及加法器等。圖2是一種并行結構高速調制解調器的實現框圖。

圖2 并行結構調制解調框圖

采用并行結構的高速調制解調器，不適合在衰落信道下應用。在地空傳輸鏈路，當傳輸速率太高，頻率選擇性衰落造成的時間擴展會產生嚴重的碼間干擾。

2.2 正交幅度調制

多進制調制方式可以降低符號速率，減少碼間干擾。在多進制調制方式中，正交幅度調制(QAM)是一種高效的數字調制解調方式，在中、大容量的數字微波系統中被廣泛采。

QAM是一種矢量調制，它將輸入比特先映射到一個復平面(星座)上，形成復數調制符號，然后將符號的I、Q分量(對應復平面的實部和虛部)采用幅度調制，分別對應調制在相互正交(時域正交)的2個載波(sin和cos)上。QAM是幅度、相位聯合調制的技術，它同時利用了載波的幅度和相位來傳遞信息比特，因此在最小距離相同的條件下可實現更高的頻率利用率。調制階數越高，傳輸效率越高。對應16 QAM，每個符號和周期傳送4 bit。符號速率降低，就可以減少碼間干擾。

QAM有較高的頻譜利用率，理論上講，QAM的調制節數越高，頻譜利用率也越高;同時也可以延長傳輸信號的周期，增強抗多徑能力。

在實際應用中，頻譜利用率往往達不到理論值，特別是當QAM調制的階數越高，理論值和實用值之間的差距也越來越大。因為，隨著調制階數的提高，信號點之間的距離越來越小，相差也越來越小，碼間干擾越來越大，造成系統抗干擾能力下降，解調難度增加;而且，調制階數的提高將使傳輸系統對多徑衰落以及信道的非線性失真極為敏感，因為多進制正交幅度技術會使鍵控信號的幅度上攜帶信息并產生起伏，經過非線性信道以后造成頻譜展寬及誤碼性能惡化，因而降低了系統的頻譜利用率和抗干擾性能。其他如傳輸信道的幅頻畸變、群延時畸變以及調制誤差、解調誤差等對系統性能也會產生較大影響。

2.3 重疊時分復用

重疊時分復用(OVTDM)是李道本教授提出的一種高效調制方式，用序列檢測取代逐符號檢測，利用高速率的符號傳輸形成的符號間干擾來實現高頻譜效率，并證明OVTDM方式所需要的信噪比要低于相同傳信率的無符號間干擾的高維調制信號傳輸方式。

采用二進制相移鍵控(BPSK)或者QPSK調制，在傳輸符號間引入了編碼約束關系，接收端采用序列檢測后，可控的符號間干擾成為了系統抗干擾噪聲的有利因素，提高了傳輸的可靠性和頻譜利用效率。

相鄰K個符號互相重疊在一起，信號頻譜寬度不變。K個符號互相重疊的實質是在時間域內產生K個并行的相互干擾的傳輸信道，各個并行傳輸的子信號流的頻譜寬度相等，并與符號周期T成反比。由疊加原理可知，疊加后信號的頻譜寬度保持不變，仍等于疊加前各子信號流的頻譜寬度。在時間域內多個符號疊加，產生符號間的“干擾”，而正是這種干擾使得所傳輸的符號之間有了“編碼約束”關系，并使得傳輸速率和頻譜效率提高了K倍。

符號間在時間域的重疊雖然破壞了單個數據符號的波形本身，破壞了數據符號與其時間波形之間的一一對應的關系，但并未破壞傳輸數據符號序列與其時間波形之間的一一對應的關系，因此檢測可以使用最大似然序列檢測算法。OVTDM原理圖如圖3所示。

圖3 OVTDM原理圖

文獻［6-8］驗證，不管是在高斯信道、還是瑞利衰落信道，采用重疊時分復用的波形重疊的調制技術和序列檢測，性能要明顯優于采用高維調制的傳輸方式和逐符號檢測。

3 仿真結果與分析

空地高速數據傳輸信道是二徑模式，通過模擬仿真，利用眼圖和波形來分析二徑模式下的碼間干擾問題。調制方式采用 QPSK、16 QAM、兩符號OVTDM。利用MATLAB軟件進行仿真，仿真原理框圖如圖4所示。圖5(a)為調制方式采用QPSK無反射時I路信號輸出的眼圖，圖5(b)為調制方式采用16 QAM無反射時I路信號輸出的眼圖。2種調制方式符號寬度相同，16 QAM是多電平傳輸，信息速率是QPSK的2倍。但QPSK眼圖的最大開啟時間為整個符號寬度，而16 QAM眼圖的最大開啟時間約為半個符號寬度。

圖4 仿真原理框圖

圖5 無反射信號QPSK、16 QAM眼圖

圖6(a)為經過地面反射后QPSK的眼圖，反射系數為0.5，反射延時取0.5個符號寬度;圖6(b)為經過地面反射后16 QAM的眼圖，反射系數為0.5，反射延時取0.25個符號寬度。可以看出，眼圖發生顯著變化，將會對位時鐘提取、采樣判決產生影響，造成誤碼。可以看出，16 QAM調制下1/4寬度多徑的影響與QPSK調制1/2寬度多徑的影響相當。

圖6 有反射信號QPSK、16 QAM眼圖

加大反射延時，反射延時取1.0個符號寬度，這時QPSK眼圖已經閉合;當反射延時為0.5個符號寬度，16 QAM的眼圖已經閉合。

經過對以上眼圖的比較可以初步得出結論:雖然在符號寬度相同時16 QAM信息速率可以比QPSK提高一倍，但抗多徑能力沒有增加。

由于OVTDM不適合用眼圖進行表示，通過信號波形圖進行分析。圖7(a)為OVTDM的信號示意波形圖，采用兩符號QPSK疊加調制，信息傳輸速率是QPSK的2倍，無地面反射。圖7(b)中OVTDM經過反射后的信號波形示意圖，反射系數為0.5，反射延時相當于1個QPSK的符號寬度。從圖7(b)可以看出，信號有明顯失真，但可以正確解調出信息。對比QPSK，當反射延時相當于1個QPSK的符號寬度時，QPSK眼圖已經閉合，而兩符號疊加OVTDM信號波形基本形狀還保留，初步可以判斷OVTDM抗多徑能力優于QPSK。

圖7 OVTDM信號波形圖

4 結束語

空地數據傳輸模型主要是二徑模型，傳輸信道是衰落信道。當傳輸數據符號率速較低時屬于平坦衰落;當傳輸數據符號速率較高時會出現頻率選擇性衰落，產生碼間干擾。通過對QPSK、16 QAM以及OVTDM等3種調制方式進行仿真、分析，OVTDM抗多徑性能好、頻譜利用率高，是一種比較好的適用于空地高速傳輸的調制方式。

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