高玉平

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

無人偵察機(jī)和有人偵察機(jī)可以攜帶光電攝像機(jī)、紅外攝像機(jī)和合成孔徑雷達(dá)等任務(wù)載荷，通過空地?cái)?shù)據(jù)鏈把機(jī)載傳感器數(shù)據(jù)傳到地面。隨著需求的不斷提高，任務(wù)載荷數(shù)量要增加，各傳感器的分辨率也不斷增加，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越來越大，要求實(shí)現(xiàn)空地高速的數(shù)據(jù)傳輸。在空地?cái)?shù)據(jù)傳輸中，有于存在地面反射，產(chǎn)生信號(hào)衰落，引起嚴(yán)重的碼間干擾，因此必須根據(jù)空地?cái)?shù)據(jù)傳播的特點(diǎn)，研究合適的高速數(shù)據(jù)傳輸方式。

1 空地?cái)?shù)據(jù)傳播特性

在空地?cái)?shù)據(jù)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(duì)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(diǎn)，高度為Ha;飛機(jī)天線位于B點(diǎn)，高度為Ht，離地面站距離為R，測(cè)控站和目標(biāo)的地面距離為D。

通過計(jì)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(huì)發(fā)生變化，用反射系數(shù)表示，它是一個(gè)復(fù)數(shù)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(diǎn)或B點(diǎn)接收到的信號(hào)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(duì)接收信號(hào)幅度的影響，定義η為和信號(hào)幅度被自由空間時(shí)的信號(hào)幅度相除。經(jīng)過近似計(jì)算，得反射衰落因子η為:

由式(2)可以看出，當(dāng)?shù)孛嬲咎炀€高度ha、飛機(jī)天線高度ht、地面站距飛機(jī)的水平距離D變化時(shí)，cosψ會(huì)發(fā)生變化，也就是接收信號(hào)的幅度發(fā)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(hào)會(huì)增強(qiáng)，某些仰角上信號(hào)會(huì)減弱，這種現(xiàn)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(yīng)于Ψ是π的偶數(shù)倍或奇數(shù)倍。通常，水平極化地面反射系數(shù)相位近似為π弧度，垂直極化地面反射系數(shù)相位低于π，許多文獻(xiàn)Ψr取π。這時(shí):

產(chǎn)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(shù)。反射系數(shù)與表面粗糙度、介質(zhì)特性、天線的極化形式、頻率和入射角等有關(guān)。美國(guó)學(xué)者認(rèn)為，低入射角頻率高于1 500 MHz情況下，常規(guī)(非光滑)地面的反射系數(shù)為0.2～0.4，很少大于0.5。而學(xué)者認(rèn)為反射系數(shù)要高一些。表1是一些地區(qū)反射系數(shù)的測(cè)量結(jié)果。

表1 實(shí)測(cè)不同地面反射系數(shù)

由上面分析可以看出，在空地?cái)?shù)據(jù)通信中，地面的反射產(chǎn)生反射波，接收點(diǎn)收到的信號(hào)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(dāng)傳輸數(shù)據(jù)速率較低時(shí)，路程差相對(duì)較小，反射主要對(duì)接收信號(hào)幅度有影響，這時(shí)的衰落屬于平坦衰落;當(dāng)數(shù)據(jù)速率較高時(shí)，路程差相對(duì)較大，反射波會(huì)造成接收信號(hào)波形時(shí)間展寬，引起嚴(yán)重的碼間干擾，對(duì)解調(diào)信號(hào)的眼圖產(chǎn)生較大影響，這時(shí)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(cè)控站天線比較低，路程差產(chǎn)生的時(shí)延不超過10 ns。對(duì)中低速數(shù)據(jù)傳輸，衰落的影響表現(xiàn)在接收信號(hào)幅度隨著飛機(jī)高度、距離變化起伏變化，抗信號(hào)幅度衰落的方法是增加信號(hào)強(qiáng)度的儲(chǔ)備裕度;當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)高時(shí)，衰落為選衰性衰落，這時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懯欠浅?yán)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(dāng)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(xiàn)提出在天線周圍地面反射網(wǎng)，防止信號(hào)照射到地面。

2 高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)制方式

目前有多種高速調(diào)制解調(diào)的方法，應(yīng)該根據(jù)空地?zé)o線電傳播特點(diǎn)采用合適的調(diào)制解調(diào)方式。

2.1 四相相移鍵控

在衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)高速調(diào)制解調(diào)器。由于數(shù)據(jù)速率較高時(shí)，采用傳統(tǒng)的串行方式無法實(shí)現(xiàn)，主要采用并行方式。在解調(diào)器中并行結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)字解調(diào)，如美國(guó)JPL實(shí)驗(yàn)室提出的APRX結(jié)構(gòu)。高速調(diào)制器也采用并行方式實(shí)現(xiàn)成型濾波、卷積運(yùn)算、高速乘法器及加法器等。圖2是一種并行結(jié)構(gòu)高速調(diào)制解調(diào)器的實(shí)現(xiàn)框圖。

圖2 并行結(jié)構(gòu)調(diào)制解調(diào)框圖

采用并行結(jié)構(gòu)的高速調(diào)制解調(diào)器，不適合在衰落信道下應(yīng)用。在地空傳輸鏈路，當(dāng)傳輸速率太高，頻率選擇性衰落造成的時(shí)間擴(kuò)展會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的碼間干擾。

2.2 正交幅度調(diào)制

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

QAM是一種矢量調(diào)制，它將輸入比特先映射到一個(gè)復(fù)平面(星座)上，形成復(fù)數(shù)調(diào)制符號(hào)，然后將符號(hào)的I、Q分量(對(duì)應(yīng)復(fù)平面的實(shí)部和虛部)采用幅度調(diào)制，分別對(duì)應(yīng)調(diào)制在相互正交(時(shí)域正交)的2個(gè)載波(sin和cos)上。QAM是幅度、相位聯(lián)合調(diào)制的技術(shù)，它同時(shí)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(shí)現(xiàn)更高的頻率利用率。調(diào)制階數(shù)越高，傳輸效率越高。對(duì)應(yīng)16 QAM，每個(gè)符號(hào)和周期傳送4 bit。符號(hào)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(diào)制節(jié)數(shù)越高，頻譜利用率也越高;同時(shí)也可以延長(zhǎng)傳輸信號(hào)的周期，增強(qiáng)抗多徑能力。

在實(shí)際應(yīng)用中，頻譜利用率往往達(dá)不到理論值，特別是當(dāng)QAM調(diào)制的階數(shù)越高，理論值和實(shí)用值之間的差距也越來越大。因?yàn)?，隨著調(diào)制階數(shù)的提高，信號(hào)點(diǎn)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(tǒng)抗干擾能力下降，解調(diào)難度增加;而且，調(diào)制階數(shù)的提高將使傳輸系統(tǒng)對(duì)多徑衰落以及信道的非線性失真極為敏感，因?yàn)槎噙M(jìn)制正交幅度技術(shù)會(huì)使鍵控信號(hào)的幅度上攜帶信息并產(chǎn)生起伏，經(jīng)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(tǒng)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(shí)畸變以及調(diào)制誤差、解調(diào)誤差等對(duì)系統(tǒng)性能也會(huì)產(chǎn)生較大影響。

2.3 重疊時(shí)分復(fù)用

重疊時(shí)分復(fù)用(OVTDM)是李道本教授提出的一種高效調(diào)制方式，用序列檢測(cè)取代逐符號(hào)檢測(cè)，利用高速率的符號(hào)傳輸形成的符號(hào)間干擾來實(shí)現(xiàn)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(hào)間干擾的高維調(diào)制信號(hào)傳輸方式。

采用二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)或者QPSK調(diào)制，在傳輸符號(hào)間引入了編碼約束關(guān)系，接收端采用序列檢測(cè)后，可控的符號(hào)間干擾成為了系統(tǒng)抗干擾噪聲的有利因素，提高了傳輸?shù)目煽啃院皖l譜利用效率。

相鄰K個(gè)符號(hào)互相重疊在一起，信號(hào)頻譜寬度不變。K個(gè)符號(hào)互相重疊的實(shí)質(zhì)是在時(shí)間域內(nèi)產(chǎn)生K個(gè)并行的相互干擾的傳輸信道，各個(gè)并行傳輸?shù)淖有盘?hào)流的頻譜寬度相等，并與符號(hào)周期T成反比。由疊加原理可知，疊加后信號(hào)的頻譜寬度保持不變，仍等于疊加前各子信號(hào)流的頻譜寬度。在時(shí)間域內(nèi)多個(gè)符號(hào)疊加，產(chǎn)生符號(hào)間的“干擾”，而正是這種干擾使得所傳輸?shù)姆?hào)之間有了“編碼約束”關(guān)系，并使得傳輸速率和頻譜效率提高了K倍。

符號(hào)間在時(shí)間域的重疊雖然破壞了單個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)的波形本身，破壞了數(shù)據(jù)符號(hào)與其時(shí)間波形之間的一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，但并未破壞傳輸數(shù)據(jù)符號(hào)序列與其時(shí)間波形之間的一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此檢測(cè)可以使用最大似然序列檢測(cè)算法。OVTDM原理圖如圖3所示。

圖3 OVTDM原理圖

文獻(xiàn)［6-8］驗(yàn)證，不管是在高斯信道、還是瑞利衰落信道，采用重疊時(shí)分復(fù)用的波形重疊的調(diào)制技術(shù)和序列檢測(cè)，性能要明顯優(yōu)于采用高維調(diào)制的傳輸方式和逐符號(hào)檢測(cè)。

3 仿真結(jié)果與分析

空地高速數(shù)據(jù)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(diào)制方式采用 QPSK、16 QAM、兩符號(hào)OVTDM。利用MATLAB軟件進(jìn)行仿真，仿真原理框圖如圖4所示。圖5(a)為調(diào)制方式采用QPSK無反射時(shí)I路信號(hào)輸出的眼圖，圖5(b)為調(diào)制方式采用16 QAM無反射時(shí)I路信號(hào)輸出的眼圖。2種調(diào)制方式符號(hào)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(shí)間為整個(gè)符號(hào)寬度，而16 QAM眼圖的最大開啟時(shí)間約為半個(gè)符號(hào)寬度。

圖4 仿真原理框圖

圖5 無反射信號(hào)QPSK、16 QAM眼圖

圖6(a)為經(jīng)過地面反射后QPSK的眼圖，反射系數(shù)為0.5，反射延時(shí)取0.5個(gè)符號(hào)寬度;圖6(b)為經(jīng)過地面反射后16 QAM的眼圖，反射系數(shù)為0.5，反射延時(shí)取0.25個(gè)符號(hào)寬度?？梢钥闯?，眼圖發(fā)生顯著變化，將會(huì)對(duì)位時(shí)鐘提取、采樣判決產(chǎn)生影響，造成誤碼?？梢钥闯觯?6 QAM調(diào)制下1/4寬度多徑的影響與QPSK調(diào)制1/2寬度多徑的影響相當(dāng)。

圖6 有反射信號(hào)QPSK、16 QAM眼圖

加大反射延時(shí)，反射延時(shí)取1.0個(gè)符號(hào)寬度，這時(shí)QPSK眼圖已經(jīng)閉合;當(dāng)反射延時(shí)為0.5個(gè)符號(hào)寬度，16 QAM的眼圖已經(jīng)閉合。

經(jīng)過對(duì)以上眼圖的比較可以初步得出結(jié)論:雖然在符號(hào)寬度相同時(shí)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(jìn)行表示，通過信號(hào)波形圖進(jìn)行分析。圖7(a)為OVTDM的信號(hào)示意波形圖，采用兩符號(hào)QPSK疊加調(diào)制，信息傳輸速率是QPSK的2倍，無地面反射。圖7(b)中OVTDM經(jīng)過反射后的信號(hào)波形示意圖，反射系數(shù)為0.5，反射延時(shí)相當(dāng)于1個(gè)QPSK的符號(hào)寬度。從圖7(b)可以看出，信號(hào)有明顯失真，但可以正確解調(diào)出信息。對(duì)比QPSK，當(dāng)反射延時(shí)相當(dāng)于1個(gè)QPSK的符號(hào)寬度時(shí)，QPSK眼圖已經(jīng)閉合，而兩符號(hào)疊加OVTDM信號(hào)波形基本形狀還保留，初步可以判斷OVTDM抗多徑能力優(yōu)于QPSK。

圖7 OVTDM信號(hào)波形圖

4 結(jié)束語

空地?cái)?shù)據(jù)傳輸模型主要是二徑模型，傳輸信道是衰落信道。當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)符號(hào)率速較低時(shí)屬于平坦衰落;當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)符號(hào)速率較高時(shí)會(huì)出現(xiàn)頻率選擇性衰落，產(chǎn)生碼間干擾。通過對(duì)QPSK、16 QAM以及OVTDM等3種調(diào)制方式進(jìn)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?shù)恼{(diào)制方式。

［1］ 謝益溪.電波傳播-超短波·微波·毫米波［M］.北京:電子工業(yè)出版社，1990.

［2］ SKOLNIK MERRILL I.雷達(dá)系統(tǒng)導(dǎo)論［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［3］ 裴楠，陳金樹.高速全數(shù)字解調(diào)中并行載波同步的研究［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008，4(1):1-2.

［4］ 閻波，程輝，劉學(xué)林.高速數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)技術(shù)［J］.無線電通信技術(shù)，2003，29(3):55-57.

［5］ 姚彥，梅順良.數(shù)字微波中繼通信工程［M］.北京:人民郵電出版社，1988.

［6］ 白自權(quán)，李道本.一種符號(hào)干擾信道中最優(yōu)傳輸方式［J］.北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2005(12):13-16.

［7］ 張培儉.重疊復(fù)用技術(shù)的理論分析與應(yīng)用［D］.北京:北京郵電大學(xué)，2011.

［8］ 張曦林，劉海濤，李道本.高速率的符號(hào)干擾傳輸及其編碼的檢測(cè)譯碼［J］.北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(12):60-64.

［9］ 習(xí)靖，習(xí)強(qiáng)，鄭淑梅.地空信道二徑模型及仿真［J］.無線電工程，2007(7):59-60.

［10］竇宇洋.衛(wèi)星通信中的高速數(shù)傳調(diào)制技術(shù)研究［D］.長(zhǎng)沙:國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2005.