空間分集選頻調制解調器的設計與實現

韓明鑰，馮曉東

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081;2.總參信息化部駐石家莊地區軍事代表室，河北石家莊050081)

0 引言

對流層散射傳播存在多徑傳播現象，導致接收信號存在嚴重的衰落，為此必須采用分集接收技術［1，2］。傳統散射調制解調器通常采用空間與頻率結合的分集方式，每個空間分集通道中各個頻率分集信號的瞬時接收電平相差高達20 dB，卻占用了相同的發射功率，導致功率利用率較低，對此提出空間分集選頻技術體制［3，4］。針對兩重空間分集站型條件下的應用，設計并實現了兩重空間分集選頻調制解調器，通過信道認知、反饋控制和自適應傳輸的一體化工作過程，可將功率集中在衰落最小的頻率上發射，獲得散射信道下傳輸性能的提升。

1 設備組成與工作原理

空間分集選頻調制解調器完成信道認知、協議控制及業務信息的復分接與調制解調功能，主要包括:輔助復分接、調制、探測信號產生、中放、解調、信道檢測、協議控制、監控和電源單元等，其組成框圖如圖1所示。

圖1 空間分集選頻調制解調器組成

發端:業務信息經輔助復接單元完成信息的復接成幀及TPC編碼，形成1路連續碼流及時鐘信號送給調制單元;調制單元根據協議控制單元輸出的調制載波頻率控制信號，在相應頻點上完成信息調制，探測信號產生單元輸出一路信道探測信號;調制信號與信道探測信號合并后形成一路中頻信號輸出。

接收端:2路中頻輸入信號經中放單元完成混頻、濾波以及自動增益控制，形成恒幅低中頻信號送給解調單元與信道檢測單元;解調單元根據協議控制單元輸出的解調載波頻率控制信號，在對應頻率上進行信號下變頻，然后完成相位不連續條件下的相干檢測、合并、同步與TPC譯碼，與此同時信道檢測單元完成各個探測頻點的能量檢測并進行兩重空間分集合并，對比選出當前衰落幅度最小的最佳頻率，并將其輸送給協議控制單元;最后譯碼結果經輔助復分接單元進行分接，恢復出業務信息。

2 關鍵技術的設計與實現

2.1 實時信道認知技術

實時信道認知即通過周期發送信道探測信號，在頻率選擇性衰落信道的時不變區間內，針對工作帶寬內各空間分集支路的幅頻特性進行實時認知，并將對應于每部發射機的各空間分集支路的認知結果進行合并，進而選出最佳工作頻點。由于散射信道衰落具有快速時變特性，要求信道認知具有快速測量和決策的能力，另外由于散射信道的多徑時延展寬較小，使得探測頻率間隔較小，導致信道檢測復雜度較高。因此該項技術設計與實現的關鍵在于2個方面:探測發送方式和信道檢測［5］。

2.1.1 探測發送方式

探測發送方式主要指探測信號與調制信號的協同發送方式，可選方案有分時發送和并行發送2種，對比如表1所示［6，7］。在保證性能惡化較小的前提下，采用實現復雜度較低方案，因此采用二者并行發送方式。探測信號選取周期發送校正的線性調頻信號，從而在工作帶范圍內產生相同幅度、相同間隔的離散譜線，在此根據信道相關帶寬，選取工作帶寬33 MHz、譜線間隔 3.072 MHz。

表1 分時發送和并行發送方式的比較

2.1.2 信道檢測

信道檢測完成每個空間分集支路、每個探測頻點的能量檢測，不僅需要保證檢測結果的實時性及精確性，而且必須降低多通道、多頻點檢測的實現復雜度。綜上要求，該設計方案中，對于每個空間分集支路信號，檢測帶寬33 MHz、檢測帶寬分辨率100 Hz、檢測頻點數量11個，若采用傳統的FFT檢測方式，則復雜度非常高，導致難以實現，因此采用零中頻信號窄帶濾波的檢測方法，其所需的主要資源為乘法器和加法器，數量分別為88個。

信道檢測單元實現原理如圖2所示，2個空間分集支路信號分別與各個對應的低中頻載波混頻，通過抽取濾波降低時鐘頻率與采樣點數，然后經積分累加、平方相加和分集合并得到各個頻點的檢測結果，最后比較選出能量最大的頻率，即為當前衰落幅度最小的頻點。

圖2 信道檢測實現原理

2.2 鏈路反饋控制技術

由于信道快衰落認知結果不僅控制本端解調載波，還需反饋對端控制調制載波，需要魯棒的鏈路反饋控制協議。發收兩端的載波切換時刻必須嚴格一致，保證傳輸信息不受損傷［8，9］。

鏈路反饋控制單元實現原理如圖3所示。

圖3 鏈路反饋控制實現原理

首先根據解調信息實時搜索當前鏈路的幀同步狀態，若鏈路處于失步狀態則進行鏈路建立過程，兩端均采用固定頻點傳輸信息，若處于同步狀態則開始選頻工作，輸出當前最佳工作頻率代號，控制對端調制載波及本端解調載波，最后根據同步狀態選擇輸出當前選用頻率代號，送給本端解調器及對端調制器。

2.3 基于突發信號的散射解調技術

為了對抗散射信道傳播造成的多徑干擾，采用均衡技術;由于實時工作頻率切換，導致載波相位不連續，使得解調信號呈現突發特性，要求均衡快速收斂，因此設計了基于訓練序列的均衡解調器［10－12］。初始階段，通過盲均衡處理恢復出發送信息，并采用基于相位旋轉的幀頭匹配方式，即采用幀頭序列QPSK調制符號可能存在的4個不同相位狀態，與接收信息同時進行幀頭匹配，從而實現快速捕獲幀同步;同步階段，將均衡器的參數在每幀頻率切換時刻進行復位，并根據幀頭位置確定訓練序列的準確位置，采用已知訓練序列對均衡過程進行訓練實現快速收斂。

針對該均衡器進行了效果測試，將其均衡輸出眼圖進行分析如圖4所示，其在一幀初始位置載波切換，均衡參數復位，圖中第100個符號為幀的切換時刻，眼圖閉合，經過40個訓練序列符號的引導，眼圖由閉合到睜開，星座圖達到了穩定狀態，在后續的符號，通過均衡器參數跟蹤，保持了星座圖的收斂穩定狀態。由此可見該均衡器具有較高的收斂速度，滿足了突發傳輸要求。

圖4 均衡器實測結果

3 性能測試

為了驗證該“兩重空間分集選頻調制解調器”是否達到了設計要求，采用無線信道模擬器及微波收發信機搭建測試系統，針對其在恒參信道條件下的誤碼性能進行測試，在誤碼率10－5條件下，無FEC時所需信噪比為10.5 dB，與理論曲線誤差約1 dB，采用FEC后所需信噪比降低為5.5 dB，獲得編碼增益5 dB。

在恒參信道性能得以驗證的基礎上，對其在散射信道下的性能進行測試，并與兩重空間分集站型下的傳統散射調制解調器(兩重空間×兩重帶內頻率)進行對比。測試按照150 km散射鏈路特性，估算最大多徑時延展寬為320 ns，據此設置信道參數如表2所示，其中信道多徑數目為9。測試結果如圖5所示，可見該空間分集選頻調制解調器在誤碼率10－5時所需信噪比僅為5.5 dB，與理論曲線差距約為3.5 dB，考慮到信道探測需要額外開銷，則該實測差距在工程上是可以接受的，且與傳統體制調制解調器相比，實測性能改善達4 dB以上。

表2 散射信道參數設置

圖5 散射信道下空間分集選頻調制解調器的測試結果

4 結束語

空間分集選頻是一種新穎的散射抗衰落體制，基于該體制設計了新型散射調制解調器，其測試結果表明達到了預期性能，而且與傳統體制調制解調器相比，性能提升達4 dB以上，若將該新型散射調制解調器應用于兩重空間分集散射站型，則可實現通信距離拓展40 km或者發射功率降低3倍的應用效果提升。

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