乘性噪聲干擾下的通信信號偏差控制器設計與研究

孫梅+周曉東

摘 要： 乘性噪聲干擾相對于加性噪聲干擾具有更強的時變特性和抗濾波性，傳統方法難以實現有效的濾波控制，乘性噪聲在遠程無線通信中會導致信道偏差，為解決這一問題提出了一種基于窄帶阻抗匹配的乘性噪聲干擾下的通信信號偏差控制方法，并進行控制器的硬件系統設計。設計了基于窄帶阻抗匹配遠程通信信號的乘性噪聲干擾濾波算法，以此為基礎進行通信信號偏差控制器系統硬件電路設計。在EPM7128AETI100上連入各芯片的讀/寫程序，得到3種通信信號偏差復位方式，采用MAX7000AE系列器件實現硬件接口設計，采用分段擬合的方式補償非線性失真，實現乘性噪聲干擾濾波器設計和信號偏差控制器設計。實驗結果表明，采用該設計系統能有效濾除了通信信號中的乘性噪聲污染，接收信號及其頻譜的畸變得到有效補償，改善了通信質量，提高了遠程無線通信的穩定性和可靠性。

關鍵詞： 乘性噪聲； 噪聲干擾； 通信信號； 偏差控制； 系統設計

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）20?0005?03

Design and research of communication signal deviation controller

in multiplicative noise interference

SUN Mei1， ZHOU Xiaodong2

（1. Siping Vocational College， Siping 136002， China； 2. Changchun University of Technology， Changchun 130012， China）

Abstract： Multiplicative noise interference， compared with the additive noise interference， has more strong time?varying characteristic and filtering resistance performance， but it is difficult for traditional method to realize the effective control of the filtering because multiplicative noise can cause channel deviation in the remote wireless communication. In order to solve this problem， a control method of the communication signal deviation in multiplicative noise interference based on narrow?band impedance matching is proposed to design the hardware system of the controller. A multiplicative noise interference filtering algorithm based on narrow?band impedance matching remote communication signal was designed. Based on this algorithm， a hardware circuit was designed for the communication signal deviation controller system. The read and write program in each chip is connected on EPM7128AETI100 to obtain the three kinds of communication signal deviation reset mode. MAX7000AE is used to realize hardware interface design. The nonlinear distortion is compensated by using the segmentation fitting mode. With the above mentioned methods， the design of the multiplicative noise interference filter and signal deviation controller was realized. The experimental results show that the system can effectively filter the multiplicative noise pollution in communication signal， compensate the distortion of the received signal and its spectrum， improve the quality of communication， and enhance the stability and reliability of remote wireless communication.

Keywords： multiplicative noise； noise interference； communication signal； deviation control； system design

0 引 言

遠程無線通信包括移動通信和衛星通信兩大類[1?3]，遠程無線通信是通過地球上（包括地面和低層大氣中）的通信地球站系統進行通信業務控制，利用衛星作為中繼實現數據信息的傳輸和信號傳遞。遠程無線通信由衛星和地球站兩部分組成。作為中繼站的微信通過地面監控管理分系統實現兩個或多個地球站之間的通信。遠程無線通信的特點是通信范圍大、自組網性能強和可靠性高等特點受到保密通信和軍事通信領域的青睞。在遠程無線通信中，同一信道的信號可能來自不同方向或不同區間，由于信道自檢的碼間干擾產生乘性噪聲污染，影響信道均衡，需要進行通信信號的偏差控制設計，以實現有效的濾波控制，提高遠程無線通信的穩定性和可靠性；因此，研究遠程無線通信在乘性噪聲干擾下的通信信號偏差抑制算法和控制系統設計具有重要意義[4?6]。

1 問題描述

遠程無線通信統由衛星和地球站兩部分組成。而實現兩個或多個地球站之間的通信。遠程無線通信通過經過每跨距約為46 km的54次接力轉接，在不同方向或不同區間進行混合MIMO估計，能經濟地實現廣播和多址通信（多址特點），遠程無線通信模型構建如圖1所示。

圖1 遠程無線通信模型構建

傳感器節點會輻射出高強度的脈沖信號，產生乘性噪聲干擾，需要對乘性噪聲進行準確估計，并進行信道模型設計，以實現異步遠程無線衛星和網絡通信的信道均衡，降低丟包率。通過上述分析，構建遠程無線通信的乘性噪聲干擾模型，假設在乘性噪聲干擾下同步衛星通信單頻脈沖信號為：

[sf=A12kcv1+cv22+sv1+sv22] （1）

式中[A]為通信信號的頻譜調制幅度。[f0]為初始系統通信頻率，受各個子信道載波的干擾下，遠程無線通信的多徑信道的脈沖響應為：

[st=A12kPrit1+Prit12] （2）

式中：接收基陣i在通信信道中的單分量信號[Pri（t）]的時反信號為[Pri（-t）]，把[Sri（t）]與[Pri（-t）]進行盲分離運算，利用Gabor的平均測度，構建自適應濾波器，得到乘性噪聲干擾下的濾波檢測統計量為：

[H1： x=S0+nH2： x=S1+n] （3）

式中：[S0]表示存在噪聲干擾；[S1]表示相對應的瞬時譜；[n]為噪聲。通過上述分析，得到乘性噪聲干擾模型，為下一步進行通信信號偏差控制器設計提供算法基礎。

2 控制器設計與實現

2.1 乘性噪聲干擾下的通信信號動態增益控制

在濾波抑制的基礎上，采用寬頻帶大功率基陣中的遠程通信信號進行偏差控制器設計。傳統方法難以實現有效的濾波控制，乘性噪聲在遠程無線通信中導致信道偏差，對乘性噪聲干擾下的通信信號進行偏差控制器設計，提高通信抗干擾和信道均衡能力。提出一種基于窄帶阻抗匹配的乘性噪聲干擾下的通信信號偏差增益控制方法，并進行控制器的硬件系統設計。

控制器設計包括收/發轉換電路設計、模擬信號的預處理機設計和偏差控制的邏輯電路設計等。設計成兩級程控增益的形式，它們與A/D轉換器、D/A轉換器共同作用。模擬信號預處理機有較大的調整放大倍數，輸出信號的范圍在[±10 V]之間，選擇了Maxim公司的5階開關濾波器進行乘性噪聲抗干擾設計，有公式：

[fstop=fCLKIN100] （4）

式中[fCLKIN]是通信系統的晶振頻率。信號處理系統中數據傳輸受到干擾產生信號偏差，選用PCI總線與DSP進行通信信號的偏差控制，總線主控是讓任何一個具有處理能力的微處理器與總線主控，得到乘性噪聲干擾下的通信信號動態增益控制接口連線圖如圖2所示。

圖2 乘性噪聲干擾下的通信信號動態增益控制接口連線圖

圖2中，PCI9054 和 PCI 插槽間的連接信號線與乘性噪聲干擾下的通信信號的W/R讀/寫信號進行諧調處理地址總線LA[16：1]、數據總線LD[15：0]；采用Altera公司新推出的集成度高的MAX7000AE系列器件實現硬件接口設計。在無線通信中，由于各級芯片的級聯產生乘性干擾，導致碼流失真，需要消除直流偏置，在各級芯片的級聯之間添加級聯濾波器，進行無源高通濾波。無源高通濾波器結構如圖3所示。

圖3中，系統外部輸入電壓[±12 V]，將TRF7960的I/O_0～I/O_7作為并口輸入/輸出端，電源輸入由模擬信號進行調制，設置了隔直通交的RC濾波電路，采用OFDM進行信號強度調制/直接檢測，實現乘性噪聲干擾下的通信信號動態增益控制。

圖3 無源高通濾波器結構

2.2 通信信號偏差控制器集成實現

通過串口、VXI總線、CAN總線進行級聯通信，在上述進行乘性噪聲干擾抑制的基礎上，根據設計需求，選用PCI總線與DSP聯合編程進行乘性噪聲干擾下的通信信號偏差控制器集成實現。本系統A/D轉換器的分辨率是12位的，無線遠程通信的天線線圈的電感計算公式為：

[Ltx=0.027 6×na+b+2d21.908×a+b+2d+9nd+10d] （5）

式中：n為輸出波形的幅度；a為IIR的差分系數；b為矩形天線的寬。控制器的磁感應強度為：

[Btx=μ×n×Itx×a×b4πa22+b22+x2×1a22+x2+1b22+x2] （6）

式中：x為遠程通信信號在有限精度下距離天線的線性相位偏差；μ為磁場常數，且[μ=4π×10-7 H/m]；I為濾波值。根據上述通信信號偏差控制設計，在EPM7128AETI100上連入各芯片的讀/寫程序，得到3種通信信號偏差復位方式：

（1） 上電通信信號偏差復位；

（2） 看門狗通信信號偏差復位；

（3） 供電電壓過低通信信號偏差復位。

通過偏差控制，使DSP系統重新復位，恢復正常工作，McBSP 提供了全雙工的通信機制，CPU 與DAM 控制器讀取/寫入 DRR，進行通信信號偏差控制，通過（R/X）DATDLY設置接收和發送數據延遲。通過電路設計，得到最后設計的乘性噪聲干擾下的通信信號偏差控制器的電路設計如圖4所示。

3 系統測試仿真實驗

為了測試本文設計的噪聲干擾算法和通信信號偏差控制器在改善遠程無線通信質量中的性能，進行仿真實驗。遠程無線通信接收與發射換能器均位于移動通信基站10 m，收發端距離為3.7 km。控制器系統引入大量的外部輸入/輸出信號，都通過CPLD中轉，乘性噪聲的輸入信噪比為-15.5 dB，運用WIN32 API函數CreateFile（）函數打開PCI設備，CVI從左端口相應地址不斷查詢噪聲數據，進行通信信號的偏差控制，人為地控制系統硬件和設定參數，進行通信信道調制和碼元誤碼率檢測，測試本系統的性能，得到乘性噪聲干擾下的入射通信信號頻譜如圖5所示。

圖4 乘性噪聲干擾下的通信信號偏差控制器的電路設計

從圖5可見，原始無線遠程通信的發射信號含有大量的乘性噪聲干擾，難以有效進行信息傳輸和通信；采用本文控制器設計，在軟件上進行帶通補償，實現乘性噪聲干擾的抑制和信號偏差控制，得到輸出見圖6。

圖5 乘性噪聲干擾下的入射通信信號頻譜

圖6 乘性噪聲干擾的抑制和信號偏差控制后的

接收通信信號頻譜

從圖6可見，采用本文方法進行通信信號偏差控制和干擾抑制，濾除了乘性噪聲干擾，接收信號及其頻譜的畸變得到有效補償，提高通信性能，有效地降低了通信誤碼率。

4 結 語

本文提出一種基于窄帶阻抗匹配的乘性噪聲干擾下的通信信號偏差控制算法。首先設計了基于窄帶阻抗匹配遠程通信信號的乘性噪聲干擾濾波算法，在濾波抑制的基礎上，進行遠程通信信號偏差控制器設計，控制器設計包括了收/發轉換電路設計和模擬信號的預處理機設計以及偏差控制的邏輯電路設計等，采用Altera公司新推出的集成度高的MAX7000AE系列器件實現硬件接口設計；最后完成乘性噪聲干擾下通信信號偏差控制器設計和系統調試。實驗結果表明，采用該方法具有較好的通信信號偏差控制性能，濾除了乘性噪聲干擾，接收信號及其頻譜的畸變得到有效補償，改善通信質量。

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