一種中速率時(shí)分多址微波傳輸技術(shù)

石柳+紀(jì)曉輝

摘要：微波通信是一種被廣泛采用的通信手段，本文首先分析了微波信道下中速率時(shí)分多址傳輸面臨的問題，即需要快速進(jìn)行載波同步和定時(shí)同步，同時(shí)需具備一定的抗多徑能力，根據(jù)其特點(diǎn)，提出了一種基于失真自適應(yīng)的解調(diào)方式，給出了其原理，并用FPGA進(jìn)行了硬件實(shí)現(xiàn)，最后對(duì)其性能進(jìn)行了仿真和分析，仿真表明性能良好，可以應(yīng)用于工程中。

關(guān)鍵詞：微波通信；中速率；點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)；時(shí)分多址；失真自適應(yīng)

中圖分類號(hào)：TN925 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）05-0026-02

微波通信是一種被世界各國廣泛采用，投資省、建設(shè)速度快的通信手段。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，各種點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信在日常生活中應(yīng)用越來越廣泛，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)微波通信是相對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波通信來說的。通常點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)微波通信有頻分多址（FDMA）、時(shí)分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）三種方式。頻分多址是通過頻率來區(qū)分外圍站地址實(shí)現(xiàn)通信，時(shí)分多址是利用時(shí)隙來區(qū)分外圍站地址實(shí)現(xiàn)通信，碼分多址是通過不同的碼字來區(qū)分外圍站地址實(shí)現(xiàn)通信。

時(shí)分多址技術(shù)是將時(shí)間分割成周期幀，再將周期幀分割成若干時(shí)隙，分配給不同的外圍站。外圍站在各自的時(shí)隙發(fā)送模擬信號(hào)給主站，主站接收到模擬信號(hào)后將各外圍站信息恢復(fù)出來，時(shí)分多址技術(shù)具有保密性較高，傳輸容量較大等特點(diǎn)。

中速率時(shí)分多址面臨的問題是，主站接收各外圍站模擬信號(hào)后，需要快速可靠地進(jìn)行載波提取和定時(shí)同步，同時(shí)由于是中速率傳輸，需要具備一定的抗多徑能力。

1 失真自適應(yīng)技術(shù)

失真自適應(yīng)是一種積極利用信道多徑傳播的特點(diǎn)來恢復(fù)信息的技術(shù)。由于信道存在一定的時(shí)不變特性，短時(shí)間內(nèi)接收到的信號(hào)具有相同的包絡(luò)，相鄰碼元的相位差信息保持不變，接收端對(duì)接收信號(hào)采用逆調(diào)，載波恢復(fù)一般采取數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)。

在失真自適應(yīng)相干檢測(cè)中，常采用數(shù)字梳狀濾波器提取自適應(yīng)相關(guān)參考信號(hào)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

對(duì)于兆比特的數(shù)據(jù)傳輸，散射信道特性的變化率至少比符號(hào)速率低3個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，當(dāng)用梳狀濾波器產(chǎn)生自適應(yīng)相關(guān)參考信號(hào)時(shí)，此參考信號(hào)可以迅速地跟綜信道特性的變化，比較理想的實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)功能。失真自適應(yīng)技術(shù)具有快速恢復(fù)出相干載波的特點(diǎn)，同時(shí)也具備一定的抗多徑能力。

因此，提出基于失真自適應(yīng)的一種中速率時(shí)分多址微波傳輸技術(shù)。

2 FPGA實(shí)現(xiàn)

2.1 實(shí)現(xiàn)框圖

本文采用兩頻并傳的方式進(jìn)行傳輸，兩頻并傳是指利用兩個(gè)頻率進(jìn)行并行傳輸，提高系統(tǒng)的傳輸速率，同時(shí)具備一定的抗多徑能力，另外信號(hào)的峰均較好。實(shí)現(xiàn)框圖如圖2、圖3。

發(fā)送端的工作流程是：來自輔助復(fù)接器的速率為1/T的碼流進(jìn)行串并變換后，延遲其中一路T/2時(shí)間，之后兩路碼流分別依次輸入到成形模塊和調(diào)制模塊進(jìn)行成形和調(diào)制，產(chǎn)生兩路調(diào)制信號(hào)f1和f2。兩路調(diào)制信號(hào)相加后輸出到 FPGA片外再進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。

接收端的工作流程是：中頻模擬信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后輸入到FPGA內(nèi)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)在下邊頻模塊內(nèi)部與NCO進(jìn)行混頻，實(shí)現(xiàn)頻譜從中頻到基帶頻譜的搬移。得到的基帶信號(hào)進(jìn)行定時(shí)提取。同時(shí)延遲其中一路下變頻信號(hào)T/2進(jìn)行對(duì)其，之后兩路都輸出到失真自適應(yīng)模塊進(jìn)行逆調(diào)，逆調(diào)輸出的值進(jìn)行積分，兩路積分得到的值進(jìn)行串并變換，串并變換得出的碼流與時(shí)鐘一起輸出到輔助分接器。

2.2 定時(shí)同步的實(shí)現(xiàn)

定時(shí)同步是數(shù)字通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分。定時(shí)同步的性能好壞直接決定了數(shù)字接收機(jī)的性能。定時(shí)同步通常由模擬方式、數(shù)字方式和混合方式等3種基本方式實(shí)現(xiàn)。本文采用全數(shù)字方式進(jìn)行定時(shí)同步的實(shí)現(xiàn)。

本文根據(jù)在中速率時(shí)分多址微波傳輸中的需求，采用平方和直接濾波方法實(shí)現(xiàn)快速位同步。

由于下變頻輸出的I、Q兩支路平方和不含有相位信息，但是卻包含有位同步信息，根據(jù)這一點(diǎn)，定時(shí)提取的框圖如圖4。

定時(shí)同步實(shí)現(xiàn)的工作流程是：來自下變頻的I、Q兩路信號(hào)分別進(jìn)行平方，之后求和再相加，相加得出的信號(hào)經(jīng)過帶通濾波器濾波后進(jìn)行比較，產(chǎn)生定時(shí)同步時(shí)鐘。

2.3 處理時(shí)鐘

在任何一個(gè)FPGA設(shè)計(jì)，處理時(shí)鐘是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。作為一個(gè)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信系統(tǒng)，需要各個(gè)外圍站的處理時(shí)鐘鎖定在中心站的處理時(shí)鐘上，這樣外圍站的節(jié)奏就能統(tǒng)一起來。

實(shí)現(xiàn)方式是通過模擬鎖相環(huán)將外圍站的發(fā)時(shí)鐘鎖定在外圍站的收時(shí)鐘上，而外圍站的收時(shí)鐘是由中心站發(fā)送的信號(hào)恢復(fù)出來的，這樣就完成了處理時(shí)鐘的鎖定。

3 性能仿真

本文所考慮的兩個(gè)重要因素是抗噪聲性能和收斂速度。本文中抗噪聲性能用實(shí)測(cè)曲線來說明。與野外測(cè)試有復(fù)分接、功放、天線等設(shè)備的配合不同，由于室內(nèi)測(cè)試沒有這些設(shè)備，因此在實(shí)驗(yàn)室通過模擬多徑信道和噪聲源來進(jìn)行解調(diào)器的性能測(cè)試。

從圖5可以表明，實(shí)測(cè)性能比理論值小于2dB。

收斂速度通過altera公司的邏輯分析儀SignalTap來說明。如圖6所示。

從上圖可以看出，僅需要30個(gè)碼字左右的時(shí)間就可以正確恢復(fù)出眼圖。這開銷對(duì)于1個(gè)長(zhǎng)達(dá)幾百個(gè)碼字的時(shí)隙是可以忽略不計(jì)的。

從測(cè)試結(jié)果可以看出：提出基于失真自適應(yīng)的中速率時(shí)分多址微波傳輸技術(shù)收斂速度快，性能良好，且具有一定的抗多徑能力。

4 結(jié)語

在中速率時(shí)分多址微波通信中，面臨著主站接收各外圍站模擬信號(hào)后，需要快速可靠收斂且需具備一定的抗多徑能力的問題，基于失真自適應(yīng)的中速率時(shí)分多址微波傳輸技術(shù)可以有效的解決上述問題，仿真表明其性能良好，可以用于工程應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]Richard G.Lyons（美）著，朱光明等譯，數(shù)字信號(hào)處理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.1.

[2]程佩青.數(shù)字信號(hào)處理教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，1995.

[3]王立寧.Matlab與通信仿真[M].北京：人民郵電出版社，1999.

[4]李榮海.失真自適應(yīng)接收技術(shù)及信號(hào)形式選擇.信號(hào)與信息處理，2006，36（6）：19.

[5]盧崢，黃曉革.FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)分多址的一種改進(jìn)型方法.信號(hào)與信息處理，2011，19（1）： 59-61.endprint