超短波高速傳輸設(shè)備的設(shè)計(jì)

【摘 要】隨著傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量的增大，對(duì)傳輸設(shè)備傳輸速率提出了更高的要求，本文從實(shí)際需求出發(fā)，介紹了一種超短波高速數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的系統(tǒng)原理、高速數(shù)字平臺(tái)和高速波形設(shè)計(jì)。該設(shè)備采用恒包絡(luò)的CPM調(diào)制方式，提高了頻譜利用率，降低了對(duì)功放要求，具有兆級(jí)的傳輸速率。

【關(guān)鍵詞】超短波；高速數(shù)據(jù)；CPM

1.引言

隨著系統(tǒng)圖像、視頻、高速數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)的需求增加，傳統(tǒng)的超短波數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備也無(wú)法滿足系統(tǒng)需求，提高數(shù)據(jù)傳輸速率成為數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。目前可支持高速傳輸?shù)腃PM、OFDM、16QAM等波形在近距離無(wú)線傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛。針對(duì)遠(yuǎn)距離通信的通信系統(tǒng)，為了減小設(shè)備設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和設(shè)備的功耗，一般可采用恒包絡(luò)的調(diào)制波形。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了達(dá)到簡(jiǎn)化電路和增強(qiáng)系統(tǒng)擴(kuò)展性的目的，超短波高速數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)可借鑒軟件無(wú)線電的設(shè)計(jì)思想。軟件無(wú)線電的關(guān)鍵思想是以一個(gè)通用、標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的硬件平臺(tái)為依托，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。軟件無(wú)線電強(qiáng)調(diào)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)放性和全面可編程器，通過(guò)軟件的更新改變系統(tǒng)的配置結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)新的功能，軟件無(wú)線電采用標(biāo)準(zhǔn)、開(kāi)放的高性能總線結(jié)構(gòu)，以便硬件模塊的不斷升級(jí)擴(kuò)展 。

超短波高速數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備可以分為射頻處理和信號(hào)處理兩大部分，原理框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備原理圖

信號(hào)處理模塊是設(shè)備的核心部件，完成高速波形調(diào)制信號(hào)處理、高速波形解調(diào)信號(hào)處理、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、數(shù)據(jù)組幀等數(shù)據(jù)處理功能，以及協(xié)議處理和設(shè)備的控制管理。射頻處理模塊一般可以分為頻率合成、變頻放大、功率放大和控制單元等幾部分組成，實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)低噪聲放大，接收變頻處理，放大濾波，激勵(lì)信號(hào)變頻處理、放大濾波、功率放大功能，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選用集成度高，功耗低的器件，以減小設(shè)備體積、重量和功耗。

3.高速數(shù)字化硬件平臺(tái)

高速硬件平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)調(diào)制、解調(diào)、傳輸及協(xié)議處理的關(guān)鍵硬件平臺(tái)，為了使平臺(tái)具有更好的通用性和擴(kuò)展性，可采用通用的FPGA+PowerPC的架構(gòu)形式，采用具有通用性的數(shù)字平臺(tái)方案，提供實(shí)現(xiàn)功能所需的硬件資源，以保證設(shè)備工作的可靠性并有擴(kuò)展新功能和升級(jí)處理技術(shù)的能力，平臺(tái)具有動(dòng)態(tài)加載能力，采用標(biāo)準(zhǔn)化的接口技術(shù)、選用優(yōu)選的主流元器件產(chǎn)品和開(kāi)發(fā)工具。

硬件功能框圖如圖2所示，從硬件結(jié)構(gòu)上大致可以分為協(xié)議及控制管理、信號(hào)處理部分、BIT功能電路部分。

圖2 數(shù)字化硬件平臺(tái)框圖

在FPGA+PowerPC的架構(gòu)中， FPGA主要完成信號(hào)處理調(diào)制/解調(diào)、信噪比估計(jì)、TDMA時(shí)隙控制、控制總線處理等功能，PowerPC主要完成以太網(wǎng)總線數(shù)據(jù)協(xié)議解析、設(shè)備狀態(tài)控制、TDMA協(xié)議組網(wǎng)、數(shù)據(jù)加解密等功能。

4.高速波形設(shè)計(jì)

在移動(dòng)通信領(lǐng)域中，隨著通信信息量的不斷增大，通信系統(tǒng)需要的帶寬越來(lái)越寬，頻率較低的頻段已經(jīng)趨于飽和。為了解決帶寬有限的矛盾，解決的途徑是一方面將通信頻段不斷向更高頻率延伸，另一方面也不斷努力提高頻譜的利用率。而在載波頻率較高時(shí)發(fā)送信號(hào)功率放大器通常采用高功率非線性放大器，只有采用具有恒定包絡(luò)或準(zhǔn)恒定包絡(luò)結(jié)構(gòu)的調(diào)制方式，才能有效利用功放的發(fā)射功率。在空地通信和空空通信領(lǐng)域，通信的收發(fā)平臺(tái)間存在較大的不確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)，多普勒頻移導(dǎo)致的頻偏和相位變化對(duì)相干解調(diào)影響顯著，尤其在信噪比較低時(shí)，需要發(fā)送較多的導(dǎo)頻信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)多普勒頻率和初始相位估計(jì)，這種方式在突發(fā)通信中會(huì)較大降低有效通信速率。

連續(xù)相位調(diào)制技術(shù)（CPM）在保證包絡(luò)恒定的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)信號(hào)相位的連續(xù)變化，改善信號(hào)的頻譜特性，可以滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?。?shù)據(jù)傳輸設(shè)備采用改進(jìn)后的CPM波形，這種波形的優(yōu)點(diǎn)在于：一是符號(hào)間相位為連續(xù)變化，使信號(hào)有良好的功率譜；二是使發(fā)射信號(hào)為準(zhǔn)恒包絡(luò)，可以采用高功率非線性放大器；三是避免了初相、多普勒頻移等引起的符號(hào)間相位變化對(duì)信號(hào)解調(diào)的影響，適合應(yīng)用于高速運(yùn)動(dòng)平臺(tái)間的突發(fā)高速通信。

4.1數(shù)學(xué)模型

CPM信號(hào)的調(diào)制過(guò)程如圖3所示，輸入數(shù)據(jù)為轉(zhuǎn)換后的并行兩比特?cái)?shù)據(jù)流，開(kāi)關(guān)控制邏輯單元根據(jù)輸入的發(fā)送比特信息和狀態(tài)存儲(chǔ)器中的狀態(tài)信息，在基帶信號(hào)集合中選擇對(duì)應(yīng)的基帶信號(hào)作為輸出信號(hào)并更新存儲(chǔ)器中的狀態(tài)值。

圖3 CPM編碼調(diào)制框圖

圖中輸入比特?cái)?shù)據(jù)、基帶信號(hào)和狀態(tài)轉(zhuǎn)移的關(guān)系如下表所示，表中項(xiàng)目為“輸出基帶信號(hào)/輸入比特”。

4.2仿真結(jié)果

在對(duì)CPM調(diào)制信號(hào)的仿真分析中，調(diào)制信號(hào)的每個(gè)符號(hào)設(shè)置為分別攜帶兩比特和一比特信息，分別記為ISCP-D4PSK和ISCP-D2PSK，和傳統(tǒng)的QPSK、BPSK信號(hào)進(jìn)行了仿真對(duì)比。圖4比較了ISCP-D4PSK和QPSK調(diào)制信號(hào)的功率譜密度。由圖可見(jiàn)， ISCP-D4PSK已調(diào)信號(hào)的功率譜密度性能比較優(yōu)越，它的主瓣較窄，與QPSK基本一致，但副瓣滾降很快。當(dāng)以信號(hào)99%的能量來(lái)定義信號(hào)的有效帶寬時(shí)，ISCP-D4PSK調(diào)制信號(hào)的歸一化帶寬約為0.9，而QPSK約為5.6。因此在相同的帶寬上，ISCP-DPSK調(diào)制有較高的頻譜利用率。而在時(shí)域上，ISCP-DPSK已調(diào)制信號(hào)的幅度波動(dòng)約為0.04dB，因此射頻功放可以工作在非線性飽和區(qū)域，和工作在線性區(qū)域的功放相比約有3dB的優(yōu)勢(shì)。

圖4 ISCP-D4PSK和QPSK的功率譜密度比較

圖5比較了ISCP-D2PSK、ISCP-D4PSK和BPSK、DBPSK、QPSK、DQPSK調(diào)制信號(hào)的誤比特性能。由圖中的仿真結(jié)果可以看出，ISCP-D2PSK、ISCP-D4PSK的性能略好于對(duì)應(yīng)的DBPSK和DQPSK調(diào)制，而比對(duì)應(yīng)的BPSK和QPSK分別相差1.5dB和2.8dB。但考慮到通信平臺(tái)中存在較大相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，BPSK和QPSK的相關(guān)解碼需要額外的導(dǎo)頻信號(hào)來(lái)進(jìn)行載波同步和相位估計(jì)。而在突發(fā)通信中，導(dǎo)頻信號(hào)較短，載波同步和相位估計(jì)的精度較差，實(shí)際上要求信道有更高的信噪比。

圖5 ISCP-DPSK和各種PSK調(diào)制的BER性能比較

5.結(jié)束語(yǔ)

本文從圖像、視頻以及高速數(shù)據(jù)的需求出發(fā)，對(duì)超短波頻段的高速數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備整機(jī)、高速硬件平臺(tái)和高速波形等方面的內(nèi)容進(jìn)行了介紹。由于該設(shè)備采用通用化的數(shù)字平臺(tái)和軟件無(wú)線電技術(shù)，增強(qiáng)了設(shè)備的系統(tǒng)兼容性和擴(kuò)展能力，同時(shí)使得設(shè)備具有體積小、重量輕的特點(diǎn)，可用于多種通信系統(tǒng)。

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作者簡(jiǎn)介：

郭昭楊（1976—），男，重慶人，2000年畢業(yè)于華中科技大學(xué)電子與信息工程系獲學(xué)士學(xué)位，主要研究方向?yàn)楹娇胀ㄐ拧?/p>