• 
    

    
    

      99热精品在线国产_美女午夜性视频免费_国产精品国产高清国产av_av欧美777_自拍偷自拍亚洲精品老妇_亚洲熟女精品中文字幕_www日本黄色视频网_国产精品野战在线观看 ?

      OFDM技術在BPM短波數(shù)據(jù)調(diào)制中的應用探討*

      2019-06-14 07:02:54袁江斌華宇李實鋒閆溫合胡召鵬
      時間頻率學報 2019年2期
      關鍵詞:卷積碼短波載波

      袁江斌,華宇,李實鋒,閆溫合,胡召鵬

      (1.中國科學院 國家授時中心,西安 710600;2.中國科學院 精密導航定位與定時技術重點實驗室,西安 710600;3.中國科學院大學,北京 100049)

      0 引言

      作為大科學裝置之一,BPM短波授時系統(tǒng)是我國陸基無線電授時服務系統(tǒng)、國家時頻體系的重要組成部分,也是我國世界時UT1發(fā)播的唯一手段。目前,BPM短波授時系統(tǒng)在5 MHz發(fā)播頻點上以實驗方式插播的時碼信息主要包括[1]:基本時間信息、世界時時號改正數(shù)(DUT1)、閏秒預告等,插播方式是在125 Hz的副載波上發(fā)送BCD(binary-coded decimal)碼,其中,200 ms長度脈沖代表“0”比特,480 ms長度脈沖代表“1”比特。該時碼插播方案存在的主要問題:①數(shù)據(jù)率低,只有1 bit/s,發(fā)播一個完整的時碼信息需要1 min,受到短波信道干擾的風險很大;②時碼幀格式中沒有足夠的預留擴展位,難于實現(xiàn)系統(tǒng)擴展應用;③沒有可靠的校驗,接收終端難于判斷接收時碼信息的準確性。

      提高BPM短波數(shù)據(jù)服務性能的一種有效途徑是提高數(shù)據(jù)傳輸率,進而降低受到短波信道電磁環(huán)境干擾的風險。鑒于OFDM(orthogonal frequency diversion multiplexing)在抗符號間干擾(inter symbol interference,ISI)、多徑衰落、窄帶干擾等方面的獨特優(yōu)勢以及具有高頻譜利用率等優(yōu)點,本文開展OFDM應用于BPM短波授時數(shù)據(jù)調(diào)制方面的研究,以提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸率和降低用戶接收解調(diào)誤碼率,對推動我國BPM短波授時系統(tǒng)發(fā)展及功能擴展具有重要意義。

      1 基于OFDM的數(shù)據(jù)調(diào)制

      設計BPM短波授時系統(tǒng)新型數(shù)據(jù)調(diào)制方式應當遵循以下幾個基本原則:①不影響現(xiàn)體制的正常發(fā)播和現(xiàn)體制用戶的使用[1];②滿足BPM短波授時系統(tǒng)的帶寬要求;③滿足BPM短波授時系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)業(yè)務需求;④能夠提高數(shù)據(jù)傳輸率,具備系統(tǒng)擴展應用的潛力。

      1.1 兼容性設計

      為了兼容現(xiàn)體制,本文提出在UTC/UT1時號后插入新信號體制的兼容性設計方案,如圖1所示。圖中TU為現(xiàn)UTC/UT1時號占用的時間,由于UTC/UT1整分信號時長為300 ms,故設計為300 ms;TG為隔離時間間隔,用于消除新信號體制對現(xiàn)體制用戶的干擾,設計為100 ms;TS為研究新型授時信號所預留的時間,設計為80 ms,新型授時信號將在另文中詳細研究;TA為本文提出的新型數(shù)據(jù)調(diào)制符號占用的時間,設計為420 ms。

      圖1 兼容設計示意圖

      1.2 基帶OFDM系統(tǒng)模型

      圖2顯示了基帶OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖,首先將二進制數(shù)據(jù)流作串并變換,然后根據(jù)MPSK(multiple phase shift keying),MQAM(multiple quadrature amplitude modulation)等調(diào)制方式映射到數(shù)據(jù)子載波上,同時將導頻序插入到導頻子載波上。所有子載波上的符號形成頻域發(fā)射端信號向量,經(jīng)過反傅里葉變換形成時域信號向量,然后插入循環(huán)前綴(CP)用于消除ISI,并作并串轉(zhuǎn)換。假設系統(tǒng)已實現(xiàn)同步,接收端對接收到含循環(huán)前綴的OFDM符號進行串并轉(zhuǎn)換、去除循環(huán)前綴后作傅里葉變換(可用FFT(fast Fourier transform)實現(xiàn)快速運算),然后估計信道傳輸函數(shù)實現(xiàn)信道均衡用于數(shù)據(jù)解調(diào),最后通過并串轉(zhuǎn)換得到比特數(shù)據(jù)信息。

      OFDM系統(tǒng)應用于時變多徑信道時,為了降低解調(diào)誤碼率,信道傳輸函數(shù)的準確估計是接收機實現(xiàn)數(shù)據(jù)解調(diào)必不可少的環(huán)節(jié)?;谙喔山庹{(diào)的OFDM系統(tǒng)中,信道估計算法須達到一定的信道估計精度,并具有較低的實現(xiàn)復雜度,同時盡可能提高系統(tǒng)的傳輸效率[2-5]。文獻[3]指出,相比于時域?qū)ьl輔助信道估計算法,頻域信道估計算法具有更低的實現(xiàn)復雜度。因此,本文采用頻域插入導頻的方式,輔助接收機實現(xiàn)信道估計。

      注:IDFT為離散傅里葉逆變換,IFFT為快速傅里葉逆變換,DFT為離散傅里葉變換,F(xiàn)FT為快速傅里葉變換,CP為循環(huán)前綴

      圖2 基帶OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖

      1.3 基于頻率分集的OFDM設計

      鑒于短波信道具有頻率選擇性衰落特性,帶寬內(nèi)的有些頻率成分可能會出現(xiàn)嚴重衰落的情況,為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕疚牟捎没陬l率分集的設計思路,將某一數(shù)據(jù)通過多個子載波信道進行發(fā)送,接收端可以進行分集合并接收,不僅能夠有效抵抗頻率選擇性衰落,而且能夠獲得一定的信噪比處理增益。

      基于頻率分集的OFDM設計方案如圖3所示。圖中,輸入的1幀已調(diào)的nd個信息符號經(jīng)串并轉(zhuǎn)換得到并行符號(b1,…,bnd)T,插入導頻后的數(shù)據(jù)信息為(b1,…,bn)T,然后經(jīng)過m個復制器,得到m份與(b1,…,bn)T相同的并行符號,再將復制后的符號作IFFT(inverse fast Fourier transform),并添加循環(huán)前綴、并串轉(zhuǎn)換。

      注:IFFT為快速傅里葉逆變換

      1.4 數(shù)據(jù)調(diào)制總體實現(xiàn)方案

      為了提高接收數(shù)據(jù)的準確性,需要引入信道編碼,這里以編碼方式為(2,1,9)卷積碼為例,說明基于OFDM的數(shù)據(jù)調(diào)制總體實現(xiàn)方案,如圖4所示。圖中:加擾用于降低OFDM的峰值平均功率比,也能起到一定的加密作用;CRC(cyclic redunadance check)采用8位循環(huán)校驗碼;8位編碼器尾部實現(xiàn)卷積編碼器的初始化;塊交織是為了應對短波信道中的突發(fā)錯誤,提高卷積碼的糾錯效率,本文不作詳細分析;MC表示一個完整的基于頻率分集的OFDM符號。

      注:CRC為循環(huán)冗余校驗,MC表示一個完整的基于頻率分集OFDM符號

      1.5 參數(shù)設計

      BPM短波授時系統(tǒng)主要的數(shù)據(jù)業(yè)務包括:①基本時間信息(年、月、日、時、分、秒);②輔助信息,包括DUT1、閏秒、閏秒提示以及用于擴展系統(tǒng)應用的預留信息。根據(jù)業(yè)務類型,設計兩種基本幀:基本時間信息幀、輔助信息幀。兩種基本幀的總比特數(shù)一致,均由8比特的CRC校驗碼和不少于32比特的有效信息組成,當采用卷積碼時還需要預留8比特的拖尾碼。因此,基本幀的總比特數(shù)不得小于40(不含卷積碼)或48(含卷積碼)。

      結(jié)合圖4,可以得到以上各參數(shù)之間的約束關系,表示如下:

      (1)

      式(1)中,[·]int表示向下取整。一般情況下,為了適應信道的變化,導插入必須滿足二維抽樣定理[6],就頻域?qū)ьl而言,其間隔需滿足:

      (2)

      式(2)表明,隨著Δf和τmax的增加,要求的導頻間隔越小。為了降低多普勒擴展和相位噪聲對數(shù)據(jù)解調(diào)造成的影響,要求Δf越大越好,此時要求的導頻間隔很小,將直接影響OFDM的頻譜利用率,進而降低有效數(shù)據(jù)傳輸率。為此,本文參照文獻[7]提出的信道估計性能與導頻間隔相關性小、實現(xiàn)復雜度低的頻域信道估計方法,將頻域?qū)ьl間隔設置為固定值,有利于提高當子載波間隔很大時的數(shù)據(jù)傳輸率。

      調(diào)制方式取8 PSK,導頻間隔取5,通過設定子載波總數(shù)N和頻率分集數(shù)m,根據(jù)式(1),可以計算得到上述各參數(shù)的具體值,從中挑選幾種具有代表性的參數(shù)設計方案,用于本文的后續(xù)性能分析,如表1所示。本文將在第2節(jié)結(jié)合仿真結(jié)果分析討論如何選擇最佳參數(shù)設計方案。

      表1 各實現(xiàn)方案參數(shù)值

      2 仿真結(jié)果與分析

      本節(jié)主要圍繞是否采用頻率分集、是否使用信道編碼(卷積碼)以及子載波數(shù)等直接影響系統(tǒng)有效數(shù)據(jù)傳輸率的因素,結(jié)合誤比特率性能仿真結(jié)果,分析最佳參數(shù)的選取方法??紤]到短波信道是一個典型的時變多徑信道,單純的高斯信道下的仿真沒有太大的參考價值,故這里針對多徑信道+高斯信道進行仿真。仿真時,使用Matlab軟件自帶的awgn函數(shù)仿真模擬高斯信道以及rayleighchan函數(shù)仿真模擬短波時變多徑信道,多譜勒擴展取0.1 Hz,按文獻[8]設置多徑參數(shù):多徑時延設置為0,10,35,120,150,200和500 μs,對應的平均功率設置為0,-1,-1,-3,-3,-4和-8 dB;每種信噪比下仿真10 000個OFDM符號。

      仿真結(jié)果如圖5至圖8所示。每個仿真圖中包括兩種方案的誤比特率性能仿真結(jié)果,其中序號小的方案沒有采用頻率分集,序號大的方案采用了頻率分集。結(jié)果表明采用頻率分集能夠明顯改善數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`比特率性能,驗證了本文提出的基于頻率分集的OFDM系統(tǒng)的有效性。從圖5和6可以看出,當子載波數(shù)為1 024時,采用卷積碼對改善誤比率性能的作用并不明顯,這主要是由于當子載波數(shù)很大時,OFDM符號比較長,導致調(diào)制符號受時間選擇性衰落比較嚴重,加之一個調(diào)制符號傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較大,發(fā)生突發(fā)錯誤的概率比較高,進而降低了卷積碼的糾錯能力。另外,子載波間隔比較小時會加重多徑信道下的載波間干擾(inter carrier interfere,ICI),進一步降低解調(diào)性能。從圖7和8可以看出,當子載波數(shù)為256時,卷積碼能夠提高約3 dB的誤比率性能,但付出的代價是有效數(shù)據(jù)傳輸率降低近2.4倍。

      需要指出的是,ICI是影響OFDM數(shù)據(jù)解調(diào)性能的重要因素,抵抗ICI的有效手段是采用信道估計實現(xiàn)信道均衡。本文采用的信道估計算法雖然具有很高的頻譜利用率和很低的實現(xiàn)復雜度,但其信道估計準確度性能對噪聲比較敏感。就圖6中方案2的仿真結(jié)果而言,當信噪比較低、未采用頻率分集時(沒有信噪比增益),信道估計性能比較差,加之可能存在的頻率選擇性衰落,故信噪比從0 dB增加到9 dB左右,誤比特率變化曲線比較平坦。當信噪比大于一定值后,信道估計性能比較好,故信噪比大于12 dB時,誤比特率曲線變化陡峭。

      圖5 方案1和3解調(diào)仿真結(jié)果

      圖6 方案2和4解調(diào)仿真結(jié)果

      圖7 方案5和7解調(diào)仿真結(jié)果

      圖8 方案6和8解調(diào)仿真結(jié)果

      圖9仿真了現(xiàn)有BPM短波授時系統(tǒng)的數(shù)據(jù)調(diào)制方式在多徑信道的誤比特率性能,通過對比上述仿真結(jié)果,不難發(fā)現(xiàn),采用OFDM數(shù)據(jù)調(diào)制方式的解調(diào)性能優(yōu)于現(xiàn)體制的調(diào)制方式的解調(diào)性能。這是由于現(xiàn)體制使用時長不同的兩個正弦脈沖進行數(shù)據(jù)調(diào)制,對正弦脈沖進行相關檢測時,相互干擾嚴重,導致檢測錯誤概率增加。另外,在多徑信道中現(xiàn)體制的調(diào)制符號受時間選擇性衰落比較嚴重,而且出現(xiàn)頻率選擇性衰落的風險很大,從而進一步導致檢測錯誤概率的增加。

      圖9 現(xiàn)體制調(diào)制方式的解調(diào)性能曲線

      3 結(jié)語

      BPM短波授時系統(tǒng)是陸基授時系統(tǒng)的重要組成部分,具有作用距離遠以及擁有戰(zhàn)時頑存性等優(yōu)點[9-10],擴展BPM短波授時功能和提升BPM短波授時服務性能十分必要。本文針對當前BPM短波授時系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務性能差的問題,在充分考慮到短波信道特點的基礎上,將傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)模型進行了改進,提出基于頻率分集的OFDM用于高速率數(shù)據(jù)調(diào)制,降低頻率選擇性衰落對數(shù)據(jù)解調(diào)造成的影響。通過對幾種典型設計方案的仿真,初步驗證了本文提出的數(shù)據(jù)調(diào)制方式的有效性。

      結(jié)合仿真分析,實際工程應用中實現(xiàn)最佳方案設計,需要綜合考慮以下幾點:

      ①為了降低時間選擇性衰落,OFDM符號不宜過長;

      ②為了降低多普勒頻移和相位噪聲的影響,子載波間隔不宜過小;

      ③為了提高抗頻率選擇性衰落和高斯噪聲處理增益,頻率分集中的最小頻率間隔越大越好;

      ④增加子載波數(shù)可以緩解高斯處理增益和頻率分集之間的矛盾,但會增加峰值平均功率比,進而降低發(fā)射功放的功率利用率;

      ⑤相位調(diào)制方式選擇。在MPSK中,M越大解調(diào)性能越差;MQAM調(diào)制不是等能量調(diào)制,M越大引起的峰值平均功率比越大。當采用低進制調(diào)制方式時,如BPSK,可以適當減小頻率分集數(shù),達到在解調(diào)性能與數(shù)據(jù)傳輸率之間的平衡;

      ⑥需要在誤比特率與最低數(shù)據(jù)率要求之間衡量是否需要信道糾錯編碼。

      猜你喜歡
      卷積碼短波載波
      卷積編碼的識別技術研究
      有限域上兩類卷積碼的構(gòu)造
      樂海短波
      人民音樂(2016年1期)2016-11-07 10:02:42
      擴展卷積碼生成矩陣的統(tǒng)一表述*
      電訊技術(2016年3期)2016-10-28 07:43:08
      工運短波
      時代風采(2016年12期)2016-07-21 15:07:45
      工運短波
      時代風采(2016年10期)2016-07-21 15:07:34
      一種改進的時不變LDPC卷積碼構(gòu)造方法*
      綠野短波
      應急廣播系統(tǒng)中副載波的構(gòu)建與應用
      低壓載波通訊測試儀的開發(fā)與應用
      彭泽县| 汶上县| 丽江市| 镇坪县| 宕昌县| 通化县| 文成县| 望江县| 郁南县| 枣阳市| 汶川县| 油尖旺区| 株洲县| 鄂尔多斯市| 大竹县| 孟州市| 余干县| 辽阳县| 神农架林区| 洪江市| 吉木萨尔县| 谢通门县| 鞍山市| 青铜峡市| 东至县| 北流市| 洱源县| 霍州市| 马龙县| 彭州市| 莒南县| 安福县| 万荣县| 东兴市| 宁陵县| 庄浪县| 桑植县| 太和县| 固原市| 嘉祥县| 阜阳市|