低莱斯因子下的中容量通信技术研究.DOC

1、低莱斯因子下的中容量通信技术研究摘要本文主要研究了针对低莱斯因子信道特性的带内三频QPSK调制解调器的设计与实现，对调制解调器设计和实现过程中的一些关键技术做了较为全面的分析。首先研究了无线电波在地一空信道的传播方式及传播理论，通过对大量地一空信道实际测试数据的分析，得出其传播特性，确定信道的统计特性为低莱斯因子的广义瑞利信道(即莱斯信道)。由于低莱斯因子信道存在着多径传播，所以接收信号会发生衰落和产生码间干扰。针对信道中衰落和码间干扰的影响，本文借鉴瑞利信道抗衰落的工程实践，从分集技术出发，以失真自适应相干检测为基础，采用大容量的FPGA首次实现了带内3重频率分集QPSK调制失真自适应相千检

2、测的抗衰落地一空通信调制解调器。其主要内容包括:带内3重频率分集QPSK调制器、失真自适应相干解调器、数字判决反馈逆调制再生环、数字梳状滤波器、数字鉴相器和数字积分碎熄技术等部分。最后，本论文对设备性能进行了测试，并得到了比较理想的实验结果。关键词:地一空通信 分集接收 相干检测AbstractIn th is dissertation,t he design and hardware emulation isp resented in athree-frequency diversity QPSK modem in the Ricean channel. Some importantcomp

3、onents of this modem are discussed as follows in detailThr ou gh t hes tudya boutt hep rincipleso fr adiow avest ransmitinga ndt heanalysiso fhu gelo tso fte stingd atain g round-to-airco mmunicationm odel.Th ech annelcanb ere gardeda sa R iceanc hannelw hichm eansa R ayleighc hannelw itha lo wR ice

4、anfactor.B utas a re sulto fth em ulti-patht ransmitin t heR ayleighc hannel,fa dinga ndI SI行nter-symbolin terference)w illoc curin th ere ceiveds ignals.Witha na ima tov ercomingfadinga ndI SI,th es ystemI st ructuredu sesd iversityte chnologya ndc oherentde tectiontechnology. It is the first time

5、that a system of modem which using three-frequencydiversity QPSK communication technology and coherent detection technology realizesa fading-overcoming ground-to-air communication.The system which will be discussedin detail mainly includes five parts, three-frequency diversity QPSK modulator,coheren

6、tde tectiond emodulator,d igitalfe edbackr eproductionlo op,di gitalco mbfi lter,digitalin tegrateda ndd umpfi lter.T hee xcellentpe rformanceso fth issy stema rete stedinc hapterfi ve.A ndu ltimatelyid ealre sultsju stas m ye stimationa reg oten.Keywords:ground-t-oair communication diversity techno

7、logy coherentDetection第一章绪论1.1 引言二十一世纪战争形态和战争模式已经发生了巨大变化，陆、海、空、天一体化联合作战已成为高技术条件下战争的基本交战方式.在未来战场上夺取信息优势、取得控制信息权将成为保障战争胜利的先决条件。因此推进我军信息化建设，使我军由一支传统的机械化/半机械化作战力量转变为一支新时期下适应高技术作战模式的信息化作战力量就变得尤为重要。而作为我国军队主体的陆军若要实现这一目标则必须要实现与其他军种之间的战场实时情报传输(数据、语音、图像及视频等)、战场态势感知、预警和通信。但是由于现代战争的发展，战场的范围得以空前扩大，而传统的战术地一空电台在与空

8、中节点进行远距离、低仰角条件下的通信时，将受到由大气折射、地面反射以及地物绕射所形成的多径衰落的严重影响，此时的环境信道是一种传播特性不断变化的复杂变参信道，在这种信道中传统战术地一空电台的通信质量将受到严重的影响，从而严重制约了陆军地面部队与其他军兵中之间的协同作战能力的发挥。本文设计的地一空信息传输系统是未来战场上用于沟通陆军部队和空中支援力量的一种重要手段。由于该系统具有成本低、体积小、重量轻、便于机动等特点，可以装备于我军的团、营级作战部队和独立部队，直至坦克、战车、直升机和执行任务的排、班或组等小部队，为其提供可靠的地一空通信保障。与传统的地一空电台相比，该系统具有通信距离远、通信容

9、量大、并且抗干扰与抗信道衰落能力强等优点，因而具有广泛的军事应用前景。1.2 研制地空通信的重要意义未来的高技术战争将是陆、海、空、天一体化的联合作战，而战场信息在各军兵种间的快速、准确传输则是实现联合作战的基础。因此，面对强敌大力推进信息化的威胁，为适应我军新时期下打赢高技术条件下局部战争的需要，我们需要积极发展具有自身特色的一体化综合电子信息系统，形成在陆、海、空、天基各种平台和系统之间的无缝、可靠、抗干扰的网络化互连互通，通过实时地在各军兵种之间传递、共享作战信息，以达到充分发挥各种武器平台的最大作战效能，实现战斗力的整体倍增的目的。但是，作为传统地一空通信手段的战术地一空电台在与空中节

10、点进行远距离、低仰角条件下的通信时，由于受到大气折射、地面反射以及地物绕射所形成的多径衰落的严重影响，其环境信道是一种传播特性不断变化的复杂变参信道，此时传统战术地一空电台的通信质量将受到严重的影响，难以有效发挥沟通地面作战部队与空中支援力量的作用。有鉴于此，为军队开发出一种适用于复杂变参信道、性能优良且满足未来作战需求的新一代地一空通信系统就显得尤为重要。作为综合电子信息系统的重要组成部分，地一空信息传输系统是未来战场上用于沟通地面部队与空中支援力量之间的一种重要手段，它可以在复杂信道环境下实现地面部队与空中节点之间的战场实时情报传输(数据、语音、图像及视频等)、战场态势感知、预警和通信等功

11、能，能够有效地提高地面部队的信息获取能力、地面火力的精确打击能力以及与其他军兵种(特别是空军)的协同作战能力，从而显著地提高其作战效能。一 国外同类课题研究现状:战斗网无线电台是前方地域战斗部队的主要通信手段。它是步兵、装甲兵和炮兵部队从旅至排各级通信的主要手段。在师和军地域内，它将为战斗、战斗支援和战斗勤务支援的指挥和控制提供通信手段。指挥员用它下达射击和空中支援命令、向上级司令部请求再补给和接受上级下达的任务。它还将有助于友邻部队之间协调作战。上世纪七十年代，甚高频电台是美陆军营以下各级通信的主要设备，如AN/PRC88, AN/PRC-23, AN/PRC-77, AN/PRC-99和A

12、N/VRC-12等。英国陆军装备的甚高频电台主要是“族人”系列中的UK/PRC-349, 350. 351, 352以及UK/VRC-353电台和PVS1850(Smalltalk)型甚高频电台。其中PVS1852型工作频率为3076兆赫，波道数为1, 840个，能预置8个波道，利用按钮就能选择工作频率，输出功率2瓦。法陆军装备的甚高频电台主要有TRC540和TRC-570电台等。波道间隔25千赫，能预置9个波道。法国研制和生产的甚高频电台，除装备法军外还供出口。德国研制的SEM170/180/190系列电台，工作频率为30“80兆赫，波道间隔25千赫，2, 000个波道，能预置4个波道。采用

13、插入式模块结构和自动测试设备，能迅速诊断出故障部件.在海湾战争中，多国部队各军兵种之间的通信联络，从天上的直升机、轰炸机、歼击机到地面的坦克、装甲车、运兵车;从司令部、各战斗分队、从单个士兵到海军舰船、航母编队等，大部分采用Racal通信公司生产的“美洲虎”军用调频电台。如今的军用调频电台已发展成窄频带、宽频带俱有，垂直调频设置和非垂直调频设置并存的多功能、高机动性的军用电台。它融尖端的现代电子技术、计算机技术和数字处理技术于一体、具有很强的抗干扰、反窃听的能力。它不仅通信速度快、质量好、容量大，而且体积小巧、适应性强、自动化程度高，而且它的发信装置可根据实战需要预先设置在30-88MH:甚高

14、频段和225“400MHz超高频端范围内进行跳跃式发射信号，根据设置的程序，不断地从一个频率自动跳到另一个频率上发送信息，接收端配有高度同步装置，使它能自动跟踪发信端的频率变化、同步调频接收。从90年代以来，国外国家陆续研制出一些新的军用移动通信系统，如法国的ALGA-TELIII、意大利的SOTRIN和德国、荷兰联合研制的SCRA等。美军装备的单信道地空无线电系统(SINCGARS)是外军现役装备中一种具有代表性的先进地一空通信系统。SINCGARS作为美军战斗网无线电台VHF-FM中的一个系列，是美国陆、海、空和海军陆战队在近距离应用的新一代VHF战斗网无线电通信系统，也是战术战场指挥员在

15、前沿20公里地域内指挥部队和空中支援的主要手段。该系统配有EC-CM模块，具有电子反干扰能力，能够提供高度可靠的保密话音通信和数据通信。它可装备美军的师和独立部队，直至坦克、战车、直升机、榴弹炮和执行任务的排、班或组等小部队。SIN CG AR S-V电台技术指标如下:频率范围 :30-87.97 5MHz调制方式 :频移健控(FSK)信道数 : 2320信道间隔 :25kHz工作方式 :单信道和跳频(具有机内ECCM模块，跳速为100-300次/秒)频率输入 :通过键盘输入数据通信能力:跳频工作方式下4.8kb/s，单信道工作方式能16kb/s调谐方式 :全电子式电池 : 平衡式铿电池体积

16、: 8 .5(高)x23.7 (宽)x37(深)cm重量 : 8 .3kg使用方式 :背负/车载/机载发射机功率:输出功率4.5W (背负式)(对于车载式可加50W放大器)，low(机载式)二 我军地空通信的现状和存在问题(1)常规话音通信目前，我军飞机上大量装备的均为VHF单段调幅电台(工作在100-150MHz频段、波道间隔83.3K Hz，工作在118-156MHz频段、波道间隔25KHz)，只有一种多频段电台(工作在30-88MHz, 108-156MHz, 156-174MHz,225-400MHz,波道间隔25KHz)。由于绝大多数机载台为VHF单段，波道间隔83.3K Hz，又要

17、受到民航、导航等限制，实际可用的波道只有10来个，难以满足训练、转场的需要.(2) 电子反对抗我军有DS/FH制式的抗千扰电台，但FH制式尚是空白。(3) 数据传输通过近二十年的发展，我军地空数据通信链路建设己有所起步，引进的苏-27飞机配装了地空、空空数据通信设备:国产数字指挥引导系统也配装了部分飞机。但比较而言，我们己远落后于外军的发展，在一定程度上制约了主战飞机效能的发挥。三 我军地空数据通信的需求地空数据通信的需求源于指挥自动化。指挥自动化是提高作战效能、提高战斗力的关键环节之一，而数据通信正是指挥自动化的核心技术之一。目前，军队现代化建设正处在由传统的人工作业指挥向自动化指挥的关键时

18、期，地空通信系统将扮演越来越重要的角色。对其基本要求是:在现代战场环境中实时、安全有效地传送情报信息、战场态势和指挥控制命令等数据信息。在现代战争中，地空通信链路用于在地空、空地和空空之间传输数据信息，根据不同作战任务，地空数据通信链路所传输的数据信息和通信协议也有所不同。根据现代战争和日常训练对地空数据的需要可分为如下几类:(1) 大型空中平台(预警机、空中指挥通信飞机、电子战飞机和侦察机等特种飞机)的空地情报传输、广播或分发，其中包括无人侦察机的图像情报传输:(2) 对战术飞机(歼击机、强击机等)的地空或空空指挥引导;(3) 战术飞机之间及其与地面之间的位置和态势数据的传输。由SINCGA

19、RS-V电台的技术指标可以看出，新一代地-空通信系统的发展趋势是要求系统具有更远的通信距离、更高的传输速率、更强的抗干扰能力、更低的发射功率以及更小的体积和重量，因此我们在本方案的设计过程中，必须要把握未来地一空通信系统的发展趋势，以研制出符合实际作战需要的新一代地一空信息传输系统。1 .3 本文的主要内容及章节安排本文包括的内容:通过对大量地一空信道实际测试数据的分析，根据地面站与空中节点的相对距离和仰角的不同将其分为两种信道类型区域:即恒参信道区和变参信道区。确定信道的统计特性为低莱斯因子的广义瑞利信道(即莱斯信道)，在地一空通信中实现了带内3重频率分集QPSK调制失真自适应相干检测的调制

20、解调器。论文的第二章，首先对地一空信道进行分析，目的在于通过对信道的深入研究，得出地一空信道的模型，便于理论分析与工程应用。因此，在本章中研究了无线电波在地一空信道的传播方式及传播理论，并根据相关文献及工程实测数据，得出信道模型及传播特性。在此基础上。提出了应采用的调制解调方案。论文的第三章，首先介绍在信道中对抗多径衰落的分集接收技术。通过研究各种分集接收技术和合并技术，对比、分析各种分集接收和合并技术的优缺点，在此基础上，提出适于地一空信道的失真自适应相干检测的带内三重频率分集方案。第四章中，给出了用于科研项目中的具体方案.在利用相关文献有关相关信道的模型的基础上，给出了工程中具体的采用带内

21、三频调制解调器，对接收的信号进行失真自适应相干检测的实现方案。第五章中，详细介绍了实现方案性能测试结果。硬件的测试结果表明，本文所阐述的设计技术不但可以用在项目中，而且也具有较好的性能。第二章地一空通信信道特性无线通信系统的性能主要受无线信道的制约.无线信道的分析和建模是无线通信系统设计的重要部分和基本前提。地一空通信中，受空间、地面多种环境因素影响，空中节点到地面之间的无线电波的传播途径非常复杂，信道具有极大的随机性，属于随参信道。信道模型的分析和建立，是地空通信系统设计的前提。2 .1 地 一 空 通 信 的 信 道 模型在地 一 空 通信的过程中，其信道的传输特性较为复杂，目前尚未有成熟

22、的理论分析。但通过有关资料和对大量地一空信道实际测试数据的分析，可以大致根据地面站与空中节点的相对距离和仰角的不同将其分为两种信道类型区域:即恒参信道区和变参信道区。当空 中 节 点位于地面站的正上方及附近区域时，此时的地一空信道受地形地貌等因素的影响较小，多径分量较弱，因此可用恒参信道近似表示;随着空中节点与地面站之间距离逐渐增加，仰角随之降低，地一空信道所受地形地貌等因素的影响逐渐增加，多径分量逐渐加强，此时信道逐渐进入了变参信道区，其中，依据多径分量的不同，又可分为二径信道区、莱斯信道区和瑞利信道区。根据 地 面 站与空中节点之间仰角的不同，单向变参(空中节点， 地面站和地面站， 空中节点)信道初步可按四种类型来近似描述，如图2.1所示:图2.1信道类型与仰角的关系在高仰角区，可用高斯信道来设计。由于地面天线的方向性差异，仰角下限不清晰，一般约400左右。此区内的多径影响小，电平波动不大，容易完成高速传输。在中等仰角区，可用视距微波2径或3径信道来近似描述。在较低仰角区，除直射分量外会出现较多的多径分量，合成信号幅度呈莱斯分布。在更低仰角时，直射分量己弱到不比多径分量强的状态或己埋藏在多径之中，