地空通信调制解调关键技术分析

韩 冬，李志勇，张 琳

(中国电子科技集团电子第五十四研究所，河北石家庄 050081)

0 引言

目前国外空-空通信、空-地通信发展方向是探索将升空平台作为网络中的地区节点，主要是指利用飞机(包括有人驾驶飞机和无人机)、浮空平台(包括飞艇、系留气球等)等升空载体，搭载通信载荷，以更快的速度、更机动的方式形成升空节点或中继通信平台，提供通信中继能力。例如:美军的MPCDL、ACN、BACN、MP_CDL及“全球鹰”等通信系统。

地空通信为典型的低莱斯因子信道，低仰角区域因多径传输而造成信号的严重衰落，同时地面、机体表面反射引起的多径串扰也是制约高速数据传输的瓶颈;此时，如果伴随飞行器高速运动而引入的信道时变和多谱勒频移会使问题更加复杂。如何降低多径情况对通信质量的影响、提高系统的传输可靠性是研究的努力方向。

1 自适应均衡技术

地空信道信息高速传输时，多径展宽相对符号持续时间多在3倍以上，多径引起的符号间的干扰将变得十分严重，会使系统引入不可减小误码;此外飞行器高速运动引起的信道时变以及多谱勒频移，同样对系统性能产生影响，严重时无法正常工作［4］。自适应均衡技术是一种比较理想的抑制码间干扰、补偿信道频域选择性衰落的措施［5］。

1.1 时域自适应均衡技术

目前国际上常用的自适应均衡器采用判决反馈均衡结构，使用的最佳算法为LMS算法。判决反馈均衡器结构对于信道存在深度频谱衰落和大多普勒环境下的情况具有较好的均衡效果，而其性能优于线性均衡器接近于性能最优复杂度相当高的MLSE接收机。LMS算法的优势在于它的简易性和有效性，实际实现LMS算法时不需要求平方、平均或者微分计算，其每次权矢量更新需要2N(N为均衡器抽头数目)次乘法［1］。

判决反馈均衡器(DFE)包括2部分:前向均衡器采用其加权系数自适应于信道状态的抽头延迟线滤波器实现，使多径时延展宽的宽度减小，从而消除码间干扰对检测的影响;反向均衡器用另一个自适应抽头延迟线滤波器实现，利用相加器输出的取样值，反馈回来消除过去判决的码间干扰。除了克服多径引起的码间干扰外，自适应均衡器将每一多径分量中所需要的信号能量进行相位校正和合并，使信噪比得到改善。

在符号检测器中，数字信号首先进行过零判决，产生的判决输出分为2路，一路送给差分解码器完成解码，另一路在判决指导模式中用来计算判决前后的差值，从而生成误差信号，供前向和反向均衡器使用。

采用QPSK调制方式，信道衰落将不仅引起同路间的码间串扰，还会引起异路间的正交串扰，因此均衡器也必须采用二维的正交结构。正交判决反馈均衡器采用复数抽头，输入信号和判决输出均是正交的2路信号。正交判决反馈均衡器的结构如图1所示。

图1 正交判决反馈均衡器的结构

1.2 均衡器-解调器独立设计

这种方案包括相干解调器和均衡器2个组件组成，2部分相互独立，如图2所示。其中的均衡器又包括一个线性均衡器LE和一个判决反馈均衡器DFE。LE和DFE都是整数抽头间隔均衡器，因此相对于分数抽头均衡器而言，LE和DFE使用较短的抽头延迟线就可以均衡延迟时间较长的多径干扰。该均衡器可用于纠正设备收发通道内的线性失真，对莱斯因子小于10 dB时的离散多径信道也有比较好的均衡能力。当信道莱斯因子大于10 dB时，由于位定时和载波恢复机制独立于均衡器，位定时和载波恢复首先破坏，最终导致均衡器失效。

图2 均衡器–解调器独立设计结构

1.3 均衡器–解调器联合设计

由于地空通信信道多径结构及持续时间快速变化，均衡器必须具备动态特征，即:快速的收敛时间和优良的跟踪时变信道的能力。若采用常用均衡器往往载波和时钟环路还未收敛，信道特征就发生了较大变化，将很难收敛。借鉴变参信道中时域均衡器结构，采用均衡器和解调器的联合设计。图3是均衡器-解调器联合设计的解调器结构。

图3 均衡器－解调器联合设计结构

载波恢复工程上常用判决反馈Costas环。当收发频差小于符号速率的1%时，载波恢复可简单地看成载波相差恢复在解调器-均衡器设计时引入判决反馈Costas环，从均衡器输出的软信息中提取误差信号后经锁相环形成反馈控制均衡器输入信号，合理调整环路参数，就能达到适应大频偏同时适应动态多径的效果［2］。

2 高效纠错编码技术

高速大容量机载通信要求能够满足高速数据传输的同时，保证信息传输的质量。采用高效纠错编码结合调制解调技术，提高通信灵敏度，进一步增加链路余量，提高传播可靠度，同时对强多径干扰下形成的不可减误码进行抑制。

LDPC具有编码增益高、译码速度快的特点;且具有较大的灵活性和较低的差错平底特性;描述简单，对严格的理论分析具有可验证性;译码复杂度低于Turbo码，且可实现完全的并行操作，便于硬件实现;吞吐量大，极具高速译码;具有抗突发差错的特性，不需要引入交织器，避免了可能带来的时延。3/4码率以下的LDPC的BER曲线与无编码QPSK解调BER曲线的交汇点一般低于1×10-2，随码率降低甚至可低至1×10-1，因此，在恶劣的变参地空信道中LDPC展现出良好的应用前景，特别适合复杂电波传播环境中的机载平台数据通信。

这里LDPC码采用(8176，6132)的 QC-LDPC码，码字用欧氏几何法生成。其编码矩阵E可以分为I和A两部分，E=［I|A］，其中I为6132×6132的单位矩阵，A为准循环矩阵。A由12×4个511×511的子矩阵Bi，j构成，其中每个Bi，j都是循环矩阵［3］。

解码矩阵D由12×16个511×511的子矩阵Δ φ Ui，j构成，其中每个都是置换矩阵。

由于矩阵A和矩阵D都是循环子阵或置换子阵，因此该码的编解码过程很容易在FPGA/ASIC中并行实现。

3 仿真及测试结果

3.1 均衡器－解调器联合设计

同样假定符号速率为20 Msps，LE长度为n=12，DFE长度为m=6，仿真均衡器在固定多径干扰、有载波频差Δf和位定时频差Δf2时的性能，图4是多径时延功率谱。图5是有频偏校正的均衡器在 Δf=10 kHz，Δf2=10 ppm时眼图的收敛过程以及抽头系数(复数模值)的分布情况。

图4 多径时延功率谱

图5 眼图收敛过程和抽头系数分布

由仿真可以得出［6］，当 Δf ＜10 kHz时，均衡器可以快速收敛，收敛过程差异不大;当Δf=50 kHz，均衡器也可收敛，但收敛较慢。一旦均衡器收敛，其系数与多径结构有关，而与Δf、Δf2无关。

3.2 LDPC编码

图6是采用(8176，6132)的QC-LDPC码在设备上的测试结果。

图6 LDPC编码误码性能曲线

经过实测，该码字的误码平底至少在BER=10-9以下，其性能距离香农限不大于1.4 dB。由于编码、解码矩阵都为准循环矩阵，编解码器可比较方便地在FPGA中实现，占用资源规模也很小。

4 结束语

主要分析了自适应衡器在地空通信中与解调器联合设计原理和实现结构，以及LDPC编码原理与实现方法;给出了均衡器–解调器联合设计的解调器仿真数据及LDPC上机曲线。目前该2项技术已成功用于工程中，在抗动态多径情况下较传统的解调器在性能上有明显优势。

［1］FANG L，SAMUELI H.A 60-MBd，480-Mb/s，256QAM Decision-Feedback Equqlizer in 1.2 μm CMOS［J］.Ieee Journal of Solid-State Circuits，1993，28(3):330-338.

［2］王东，李志勇.地空大容量传输自适应均衡技术［J］.计算机与网络，2009，35(8):49-53.

［3］李志勇，李文铎.一种高速LDPC编译码器的设计与实现［J］.无线电工程，2009，39(7):17-19.

［4］王东，李志勇，白立锋.地空信道特性研究［J］.无线电通信技术，2009，35(3):32-34.

［5］樊昌信.通信原理［M］.北京:国防工业出版社，2001.

［6］王立宁.Matlab与通信仿真［M］.北京:人民邮电出版社，1999.