OFDM與SC?FDE調制技術在飛行試驗中的應用前景

郭世偉等

摘 要： 現(xiàn)行飛行試驗多采用頻譜利用率較低的PCM/FM調制方式傳輸遙測數(shù)據(jù)，而飛行試驗時需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量與日俱增，亟需擴展遙測頻段及采用更高效的調制方法以應對飛行試驗的任務需求與頻譜資源緊張的矛盾。在研究飛行試驗遙測信道的傳輸特性的同時，分析了具有較高頻譜效率、較高抗干擾能力的OFDM和SC?FDE調制技術在飛行試驗遙測數(shù)據(jù)傳輸中的應用前景。

關鍵詞： 飛行試驗； 遙測傳輸； OFDM； SC?FDE

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）08?0062?04

Application prospect of OFDM and SC?FDE modulation technologies in flight test

GUO shi?wei， LIU dan， HUO jian?hua

（Testing Institute， Chinese Flight Test Establishment， Xian 710089， China）

Abstract： The lower spectral efficiency PCM / FM modulation mode is used in current flight test to transmit telemetry data. However， since the data needed to be transferred during the test flight has increased rapidly， it is need to expand the telemetry frequency band and use more efficient modulation mode to deal with the contradiction between flight test requirements and spectrum resource constraints. In this paper， while investigating the transmission characteristics of flight test telemetry channel， the application prospect of OFDM and SC?FDE modulation technologies which have high spectral efficiency and high anti?jamming capability in flight test telemetry data transmission is analyzed.

Keywords： flight test； telemetry transmission； OFDM； SC?FDE

飛行試驗遙測傳輸系統(tǒng)是無線通信系統(tǒng)的一個重要組成部分。隨著飛行試驗遙測傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越來越大；同時為了給地面指揮員提供安全可靠的決策依據(jù)，對數(shù)據(jù)接收質量要求也越來越高。高質量、高速率的寬帶無線通信已成為飛行試驗遙測系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。在無線寬帶通信系統(tǒng)中，信道的多徑效應會嚴重影響通信的可靠性。采用何種方案對抗信道的多徑效應與提高系統(tǒng)的傳輸性能有密切的關系，在IEEE 802.16a標準中，建議了正交頻分復用（OFDM）和頻域均衡技術的單載波傳輸（SC?FDE）兩種方案應用于物理層中。同時，這兩種技術方案也是第四代移動通信的核心技術。在飛行試驗中使用頻譜效率更高的OFDM和SC?FDE調制技術，不僅可以緩解頻譜資源緊張的局面，可以有效改善試飛數(shù)據(jù)在無線傳輸時的抗干擾性能，而且對遙測系統(tǒng)的革新也將起到很大的推動作用。

1 無線信道傳輸特性

無線信道作為無線通信系統(tǒng)的重要組成部分，其傳輸性能的好壞直接影響著無線通信系統(tǒng)的性能。飛行試驗遙測傳輸系統(tǒng)作為無線通信系統(tǒng)的一部分，主要是指地面遙測站與試驗對象之間的通信或者是試驗對象與試驗對象之間的通信。

由于無線信道具有復雜性和時變性的特點，信號在通過無線信道時會受到多種損耗衰減。一般，將無線信號在信道中傳播受到的影響分為自由空間路徑損耗、陰影衰落和多徑衰落三種。

1.1 自由空間路徑損耗

自由空間是這樣一種空間，在其內部的電磁波的反射、繞射、折射、吸收和色散等現(xiàn)象均不存在。當發(fā)射端和接收端之間存在一個電磁波可直射傳播而未被遮擋的路徑時，可以通過自由空間傳播模型來預測接收信號的強度。自由空間的路徑損失公式如下：

[PL[dB]=10lgPtPr=-10lgGtGrλ24π2d2] （1）

式中：[Pt]為發(fā)射端的發(fā)射功率；[Pr]為接收端的接收功率；[Gt]為發(fā)射天線增益；[Gr]為接收天線增益，λ為電磁波的波長；d是發(fā)射端與接收端之間的直射距離。對于飛行試驗而言，發(fā)射功率、發(fā)射天線增益和接收天線增益都是固定值，接收功率可通過遙測接收機計算得出。當遙測天線校準時，發(fā)射端和接收端之間的距離也相對固定，即可計算出路徑損耗，比對之前的數(shù)據(jù)，可初步判斷遙測傳輸信道是否受到干擾。

1.2 陰影衰落

通常把電磁波在傳播的環(huán)境中，由各種障礙物對電磁波的阻礙和遮蔽形成的電磁波陰影區(qū)稱為陰影衰落。當試驗機通過不同障礙物的陰影區(qū)時將引起陰影衰落，遙測天線接收到的信號場強值會發(fā)生變化，若變化的過程中幅值低于遙測天線的跟蹤門限，天線的自跟蹤功能將不能使用。陰影衰落可以用一個概率密度呈對數(shù)正態(tài)分布的隨機變量來描述，可由以下公式描述：

[PLd[dB]=PLd+Xσ=PLd0+10nlgdd0+Xσ] （2）

式中：[Xσ]是一個零均值的高斯分布的隨機變量；[σ]為其標準離差。

1.3 多徑衰落

由于試驗機飛行速度很快，加之為了測出試驗機的安全包線，試飛員會操作試驗機做出各種機動動作，因此遙測傳輸?shù)男盘柗群拖辔豢赡茉诙叹嚯x或短時間傳播后經(jīng)歷了快速劇烈的變化。當遙測數(shù)據(jù)傳輸信道的周圍存在大量的建筑物時，到達接收端的電磁波信號經(jīng)歷了不同的傳播路徑，因此具有不同的傳播延遲、不同的到達相位以及不同的多普勒頻移，從而使其具有隨機分布的幅度、相位。經(jīng)過不同傳播路徑到達接收端的信號會相互干擾、相互影響，共同作用，將會產(chǎn)生衰落現(xiàn)象，稱為多徑衰落。由于不同路徑分量的幅度和相位不同，到達的時間和入射角不同，致使接收端接收到的復合信號在幅度和相位上會產(chǎn)生嚴重的失真。多徑傳播時電磁波信號會在時間上展寬，從而帶來符號間的ISI干擾。尤其是在試驗機起飛和著陸階段，ISI干擾造成遙測數(shù)據(jù)誤碼率增高，影響指揮員的及時決斷；同時由多徑產(chǎn)生的幅度變化會影響遙測天線的跟蹤性能。在飛行試驗時主要考慮的是多徑傳播、高速飛行時的多普勒頻移、高數(shù)據(jù)速率等因素。

2 OFDM與SC?FDE調制技術

2.1 OFDM調制技術

OFDM調制技術采用可以使信道頻譜重疊，但又互不影響的頻分復用（FDM）來并行傳輸數(shù)據(jù)，從而大大提高了頻譜的利用率。一般無線信道的頻率響應具有頻率選擇性，但對于每個子信道是相對平坦的，加之在每個子信道上進行的是窄帶傳輸，且信號的帶寬遠遠小于信道相關帶寬（取決于所選子載波數(shù)目），因此可以大大消除符號間的干擾。

OFDM 的核心思想是將數(shù)據(jù)流通過串并變換后，變成多路速率較低的子數(shù)據(jù)流，從而使得OFDM 符號長度比系統(tǒng)采樣間隔長很多，因此降低了由于時間彌散引入的符號間干擾（ISI）。在實際應用時，在傳輸數(shù)據(jù)中插入循環(huán)前綴，用來消除多徑傳播帶來的符號間干擾（ISI），同時也可以避免子載波間干擾（ICI）。如圖1所示為OFDM 系統(tǒng)的框圖。

發(fā)射端，先將調制后的串行數(shù)據(jù)流進行串/并變換，然后把并行數(shù)據(jù)通過傅里葉逆變換（IFFT）從頻域變換到時域，最后插入循環(huán)前綴（CP）通過無線信道發(fā)送出去。接收端與發(fā)射端的操作程序相反，移除循環(huán)前綴（CP）之后，通過傅里葉變換（FFT），將接收到的時域數(shù)據(jù)變換到頻域后進行信道均衡。IFFT與FFT變換的表達式如下：

IFFT變換：

[xk=1Ml=0M-1Xlexpj2πl(wèi)kM， 0≤k≤M-1] （3）

FFT變換：

[Xl=k=0M-1xkexp-j2πklM， 0≤l≤M-1] （4）

OFDM調制的缺點主要有：對頻率偏移和相位噪聲敏感，尤其是與TDMA，CDMA和FDMA等多址方式結合使用時，數(shù)據(jù)同步器的設計尤為重要，同時由于需要采用相干檢測，需采用高效的信道估計器，以方便均衡器的設計；由于OFDM系統(tǒng)是由一系列相互獨立的調制子載波組成，且數(shù)目較多。因此會有概率出現(xiàn)較大的峰均比（PAPR）。為了能夠不失真地傳輸這些高PAPR的OFDM信號，發(fā)送端對高功率放大器的線性度要求很高且發(fā)送效率極低。雖然OFDM調制有其技術局限性，但可明顯改善無線信道的性能：抗多徑干擾，便于信道估計，易于實現(xiàn)頻域均衡，在飛行試驗起飛和著陸階段時可消除碼間干擾（ISI）；陡峭的頻譜，頻譜利用率較高，有效地緩減了現(xiàn)行飛行試驗時遙測頻譜資源緊張的局面；易于實現(xiàn)天線分集和 MIMO 系統(tǒng)，為建設遙測天線陣列提供了技術支撐；因此OFDM在眾多國際標準中得到采用，將是未來寬帶無線通信的主流技術。

2.2 SC?FDE調制技術

單載波頻域均衡（SC?FDE）系統(tǒng)并非常用的單載波系統(tǒng)，而是在OFDM系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的一種分塊傳輸系統(tǒng)，將系統(tǒng)的均衡技術放在頻域上進行，而非傳統(tǒng)單載波系統(tǒng)那樣在時域進行均衡。SC?FDE的系統(tǒng)框圖如圖2所示?？梢缘贸觯琒C?FDE系統(tǒng)與OFDM系統(tǒng)結構基本上是相同的，所不同的是SC?FDE系統(tǒng)將IFFT模塊放在了接收端。這樣在發(fā)送端，數(shù)據(jù)是在時域上經(jīng)過調制之后直接送入信道進行傳輸，而非OFDM系統(tǒng)在頻域上調制。接收端接收信號后，經(jīng)過FFT變換后，在頻域進行信道均衡，最后利用IFFT變換回時域。

SC?FDE系統(tǒng)既實用單載波傳輸方式，還保留了OFDM 系統(tǒng)處理信號的方法，因此SC?FDE系統(tǒng)兼具多載波技術（OFDM）和單載波技術的優(yōu)點。與OFDM 相比，SC?FDE具有的優(yōu)點有：

（1） 當電磁波傳輸存在時延擴散時，SC?FDE系統(tǒng)可取的與OFDM系統(tǒng)有近似的均衡性能，因SC?FDE均衡系統(tǒng)的復雜度與電磁波多徑擴散的對數(shù)成正比，因此接收端可以方便地對信號進行相關處理。

（2） 由于OFDM系統(tǒng)是由多個子信號疊加而成，若某一時刻，多個信號的相位一致，疊加信號的瞬時功率將遠遠大于信號的平均功率，導致較大的PAPR，功放相比SC?FDE系統(tǒng)需要更寬的線性范圍。

（3） SC?FDE對頻偏的敏感性要比OFDM小很多，從而部分減小了接收時頻率同步的代價。但單載波的信號映射方式不利于復用是SC?FDE的不足之處。

2.3 OFDM 和SC?FDE 的性能比較

本文從信道容量及峰均比兩個方面對比OFDM和SC?FDE系統(tǒng)，通過公式計算來比較二者的性能。

3 結 語

在對無線信道傳輸特性分析的基礎上，得出飛行試驗遙測數(shù)據(jù)傳輸時所關心的傳輸損耗，同時給出多徑傳播所引起的信號衰落的解決辦法。再對比OFDM與SC?FDE調制技術時，發(fā)現(xiàn)這兩種調制技術均適應與飛行試驗中遙測數(shù)據(jù)傳輸，與傳統(tǒng)的PCM/FM調制方式相比，不僅提高了頻譜利用率，緩解了遙測頻譜資源緊張的局面；同時較高的頻譜效率提供了更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以應對先行飛行試驗遙測數(shù)據(jù)傳輸高速率的需求；而且通過自帶的均衡消除了碼間串擾，大大增加了數(shù)據(jù)在傳輸時的可靠性，降低了誤碼率，為地面指揮員做出及時、正確的判斷提供了強有力的保障，也為飛行試驗多目標監(jiān)控提供了技術支持。

參考文獻

[1] 王新征.OFDM與SC?FDE中的信道估計與均衡[D].濟南：山東大學，2005.

[2] 曾興雯，劉乃安，孫獻璞.擴展頻譜通信及其多址技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2004.

[3] 杜雪.SC?FDE系統(tǒng)的同步技術研究[D].西安：西安電子科技大學，2004.

[4] 黃信安，李亞.基于PCM?FM體制下遙測作用距離研究[J].現(xiàn)代電子技術，2012，35（9）：16?18.

[5] FALCONER D D， ATIYAVISITAKUL S L. Broadband wireless using singlecarrier and frequency domain [C]// Proceedings of The 5th International Symposium on Wireless Personal Multimedia Communications. [S.l.]： [s.n.]， 2002， l： 27?36.

[6] 王文博，鄭侃.寬帶無線通信OFDM技術[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[7] 張偉.OFDM系統(tǒng)信道估計與均衡[D].濟南：山東大學，2004.

[8] CHEN Pei， KOBAYASHI Hisashi. Maximum likelihood channel estimation and signal detection for OFDM systems [C]// Proceedings of 2002 IEEE International Conference on Communications. [S.l.]： IEEE， 2002， 3： 1640?1645.

[9] 趙曉菲.SC?FDE系統(tǒng)中信道估計技術研究[D].杭州：杭州電子科技大學，2011.

[10] 陳晨.單載波頻域均衡（SC?FDE）系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].杭州： 浙江大學，2006.

[11] 王競.單載波頻域均衡SC?FDE與多載波OFDM的性能比較[D].上海：同濟大學，2007.

[12] 劉順蘭.航空信道的建模極其應用[D].杭州：杭州電子科技大學，2009.

[13] 李妍，李勝祖.單載波頻域均衡與多載波頻分復用的性能改進[C]//中國航海學會通信導航專業(yè)委員會2005年學術年會論文集.大連：大連海事大學出版社，2005：234?236.