乘性噪聲干擾下的通信信號(hào)偏差控制器設(shè)計(jì)與研究

孫梅+周曉東

摘 要： 乘性噪聲干擾相對(duì)于加性噪聲干擾具有更強(qiáng)的時(shí)變特性和抗濾波性，傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)有效的濾波控制，乘性噪聲在遠(yuǎn)程無(wú)線通信中會(huì)導(dǎo)致信道偏差，為解決這一問(wèn)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(hào)偏差控制方法，并進(jìn)行控制器的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了基于窄帶阻抗匹配遠(yuǎn)程通信信號(hào)的乘性噪聲干擾濾波算法，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行通信信號(hào)偏差控制器系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)。在EPM7128AETI100上連入各芯片的讀/寫(xiě)程序，得到3種通信信號(hào)偏差復(fù)位方式，采用MAX7000AE系列器件實(shí)現(xiàn)硬件接口設(shè)計(jì)，采用分段擬合的方式補(bǔ)償非線性失真，實(shí)現(xiàn)乘性噪聲干擾濾波器設(shè)計(jì)和信號(hào)偏差控制器設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該設(shè)計(jì)系統(tǒng)能有效濾除了通信信號(hào)中的乘性噪聲污染，接收信號(hào)及其頻譜的畸變得到有效補(bǔ)償，改善了通信質(zhì)量，提高了遠(yuǎn)程無(wú)線通信的穩(wěn)定性和可靠性。

關(guān)鍵詞： 乘性噪聲； 噪聲干擾； 通信信號(hào)； 偏差控制； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(yuǎn)程無(wú)線通信包括移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信兩大類[1?3]，遠(yuǎn)程無(wú)線通信是通過(guò)地球上（包括地面和低層大氣中）的通信地球站系統(tǒng)進(jìn)行通信業(yè)務(wù)控制，利用衛(wèi)星作為中繼實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸和信號(hào)傳遞。遠(yuǎn)程無(wú)線通信由衛(wèi)星和地球站兩部分組成。作為中繼站的微信通過(guò)地面監(jiān)控管理分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)地球站之間的通信。遠(yuǎn)程無(wú)線通信的特點(diǎn)是通信范圍大、自組網(wǎng)性能強(qiáng)和可靠性高等特點(diǎn)受到保密通信和軍事通信領(lǐng)域的青睞。在遠(yuǎn)程無(wú)線通信中，同一信道的信號(hào)可能來(lái)自不同方向或不同區(qū)間，由于信道自檢的碼間干擾產(chǎn)生乘性噪聲污染，影響信道均衡，需要進(jìn)行通信信號(hào)的偏差控制設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)有效的濾波控制，提高遠(yuǎn)程無(wú)線通信的穩(wěn)定性和可靠性；因此，研究遠(yuǎn)程無(wú)線通信在乘性噪聲干擾下的通信信號(hào)偏差抑制算法和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要意義[4?6]。

1 問(wèn)題描述

遠(yuǎn)程無(wú)線通信統(tǒng)由衛(wèi)星和地球站兩部分組成。而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)地球站之間的通信。遠(yuǎn)程無(wú)線通信通過(guò)經(jīng)過(guò)每跨距約為46 km的54次接力轉(zhuǎn)接，在不同方向或不同區(qū)間進(jìn)行混合MIMO估計(jì)，能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)廣播和多址通信（多址特點(diǎn)），遠(yuǎn)程無(wú)線通信模型構(gòu)建如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程無(wú)線通信模型構(gòu)建

傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)輻射出高強(qiáng)度的脈沖信號(hào)，產(chǎn)生乘性噪聲干擾，需要對(duì)乘性噪聲進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)，并進(jìn)行信道模型設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)異步遠(yuǎn)程無(wú)線衛(wèi)星和網(wǎng)絡(luò)通信的信道均衡，降低丟包率。通過(guò)上述分析，構(gòu)建遠(yuǎn)程無(wú)線通信的乘性噪聲干擾模型，假設(shè)在乘性噪聲干擾下同步衛(wèi)星通信單頻脈沖信號(hào)為：

[sf=A12kcv1+cv22+sv1+sv22] （1）

式中[A]為通信信號(hào)的頻譜調(diào)制幅度。[f0]為初始系統(tǒng)通信頻率，受各個(gè)子信道載波的干擾下，遠(yuǎn)程無(wú)線通信的多徑信道的脈沖響應(yīng)為：

[st=A12kPrit1+Prit12] （2）

式中：接收基陣i在通信信道中的單分量信號(hào)[Pri（t）]的時(shí)反信號(hào)為[Pri（-t）]，把[Sri（t）]與[Pri（-t）]進(jìn)行盲分離運(yùn)算，利用Gabor的平均測(cè)度，構(gòu)建自適應(yīng)濾波器，得到乘性噪聲干擾下的濾波檢測(cè)統(tǒng)計(jì)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(duì)應(yīng)的瞬時(shí)譜；[n]為噪聲。通過(guò)上述分析，得到乘性噪聲干擾模型，為下一步進(jìn)行通信信號(hào)偏差控制器設(shè)計(jì)提供算法基礎(chǔ)。

2 控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 乘性噪聲干擾下的通信信號(hào)動(dòng)態(tài)增益控制

在濾波抑制的基礎(chǔ)上，采用寬頻帶大功率基陣中的遠(yuǎn)程通信信號(hào)進(jìn)行偏差控制器設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)有效的濾波控制，乘性噪聲在遠(yuǎn)程無(wú)線通信中導(dǎo)致信道偏差，對(duì)乘性噪聲干擾下的通信信號(hào)進(jìn)行偏差控制器設(shè)計(jì)，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(hào)偏差增益控制方法，并進(jìn)行控制器的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

控制器設(shè)計(jì)包括收/發(fā)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)、模擬信號(hào)的預(yù)處理機(jī)設(shè)計(jì)和偏差控制的邏輯電路設(shè)計(jì)等。設(shè)計(jì)成兩級(jí)程控增益的形式，它們與A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器共同作用。模擬信號(hào)預(yù)處理機(jī)有較大的調(diào)整放大倍數(shù)，輸出信號(hào)的范圍在[±10 V]之間，選擇了Maxim公司的5階開(kāi)關(guān)濾波器進(jìn)行乘性噪聲抗干擾設(shè)計(jì)，有公式：

[fstop=fCLKIN100] （4）

式中[fCLKIN]是通信系統(tǒng)的晶振頻率。信號(hào)處理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸受到干擾產(chǎn)生信號(hào)偏差，選用PCI總線與DSP進(jìn)行通信信號(hào)的偏差控制，總線主控是讓任何一個(gè)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(hào)動(dòng)態(tài)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(hào)動(dòng)態(tài)增益控制接口連線圖

圖2中，PCI9054 和 PCI 插槽間的連接信號(hào)線與乘性噪聲干擾下的通信信號(hào)的W/R讀/寫(xiě)信號(hào)進(jìn)行諧調(diào)處理地址總線LA[16：1]、數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)硬件接口設(shè)計(jì)。在無(wú)線通信中，由于各級(jí)芯片的級(jí)聯(lián)產(chǎn)生乘性干擾，導(dǎo)致碼流失真，需要消除直流偏置，在各級(jí)芯片的級(jí)聯(lián)之間添加級(jí)聯(lián)濾波器，進(jìn)行無(wú)源高通濾波。無(wú)源高通濾波器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3中，系統(tǒng)外部輸入電壓[±12 V]，將TRF7960的I/O_0～I(xiàn)/O_7作為并口輸入/輸出端，電源輸入由模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，設(shè)置了隔直通交的RC濾波電路，采用OFDM進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)乘性噪聲干擾下的通信信號(hào)動(dòng)態(tài)增益控制。

圖3 無(wú)源高通濾波器結(jié)構(gòu)

2.2 通信信號(hào)偏差控制器集成實(shí)現(xiàn)

通過(guò)串口、VXI總線、CAN總線進(jìn)行級(jí)聯(lián)通信，在上述進(jìn)行乘性噪聲干擾抑制的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計(jì)需求，選用PCI總線與DSP聯(lián)合編程進(jìn)行乘性噪聲干擾下的通信信號(hào)偏差控制器集成實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率是12位的，無(wú)線遠(yuǎn)程通信的天線線圈的電感計(jì)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(shù)；b為矩形天線的寬?？刂破鞯拇鸥袘?yīng)強(qiáng)度為：

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

式中：x為遠(yuǎn)程通信信號(hào)在有限精度下距離天線的線性相位偏差；μ為磁場(chǎng)常數(shù)，且[μ=4π×10-7 H/m]；I為濾波值。根據(jù)上述通信信號(hào)偏差控制設(shè)計(jì)，在EPM7128AETI100上連入各芯片的讀/寫(xiě)程序，得到3種通信信號(hào)偏差復(fù)位方式：

（1） 上電通信信號(hào)偏差復(fù)位；

（2） 看門狗通信信號(hào)偏差復(fù)位；

（3） 供電電壓過(guò)低通信信號(hào)偏差復(fù)位。

通過(guò)偏差控制，使DSP系統(tǒng)重新復(fù)位，恢復(fù)正常工作，McBSP 提供了全雙工的通信機(jī)制，CPU 與DAM 控制器讀取/寫(xiě)入 DRR，進(jìn)行通信信號(hào)偏差控制，通過(guò)（R/X）DATDLY設(shè)置接收和發(fā)送數(shù)據(jù)延遲。通過(guò)電路設(shè)計(jì)，得到最后設(shè)計(jì)的乘性噪聲干擾下的通信信號(hào)偏差控制器的電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

3 系統(tǒng)測(cè)試仿真實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的噪聲干擾算法和通信信號(hào)偏差控制器在改善遠(yuǎn)程無(wú)線通信質(zhì)量中的性能，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。遠(yuǎn)程無(wú)線通信接收與發(fā)射換能器均位于移動(dòng)通信基站10 m，收發(fā)端距離為3.7 km?？刂破飨到y(tǒng)引入大量的外部輸入/輸出信號(hào)，都通過(guò)CPLD中轉(zhuǎn)，乘性噪聲的輸入信噪比為-15.5 dB，運(yùn)用WIN32 API函數(shù)CreateFile（）函數(shù)打開(kāi)PCI設(shè)備，CVI從左端口相應(yīng)地址不斷查詢?cè)肼晹?shù)據(jù)，進(jìn)行通信信號(hào)的偏差控制，人為地控制系統(tǒng)硬件和設(shè)定參數(shù)，進(jìn)行通信信道調(diào)制和碼元誤碼率檢測(cè)，測(cè)試本系統(tǒng)的性能，得到乘性噪聲干擾下的入射通信信號(hào)頻譜如圖5所示。

圖4 乘性噪聲干擾下的通信信號(hào)偏差控制器的電路設(shè)計(jì)

從圖5可見(jiàn)，原始無(wú)線遠(yuǎn)程通信的發(fā)射信號(hào)含有大量的乘性噪聲干擾，難以有效進(jìn)行信息傳輸和通信；采用本文控制器設(shè)計(jì)，在軟件上進(jìn)行帶通補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)乘性噪聲干擾的抑制和信號(hào)偏差控制，得到輸出見(jiàn)圖6。

圖5 乘性噪聲干擾下的入射通信信號(hào)頻譜

圖6 乘性噪聲干擾的抑制和信號(hào)偏差控制后的

接收通信信號(hào)頻譜

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

4 結(jié) 語(yǔ)

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(hào)偏差控制算法。首先設(shè)計(jì)了基于窄帶阻抗匹配遠(yuǎn)程通信信號(hào)的乘性噪聲干擾濾波算法，在濾波抑制的基礎(chǔ)上，進(jìn)行遠(yuǎn)程通信信號(hào)偏差控制器設(shè)計(jì)，控制器設(shè)計(jì)包括了收/發(fā)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)和模擬信號(hào)的預(yù)處理機(jī)設(shè)計(jì)以及偏差控制的邏輯電路設(shè)計(jì)等，采用Altera公司新推出的集成度高的MAX7000AE系列器件實(shí)現(xiàn)硬件接口設(shè)計(jì)；最后完成乘性噪聲干擾下通信信號(hào)偏差控制器設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該方法具有較好的通信信號(hào)偏差控制性能，濾除了乘性噪聲干擾，接收信號(hào)及其頻譜的畸變得到有效補(bǔ)償，改善通信質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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