空地高速数据传输研究

高玉平

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081)

0 引言

无人侦察机和有人侦察机可以携带光电摄像机、红外摄像机和合成孔径雷达等任务载荷，通过空地数据链把机载传感器数据传到地面。随着需求的不断提高，任务载荷数量要增加，各传感器的分辨率也不断增加，需要传输的数据量越来越大，要求实现空地高速的数据传输。在空地数据传输中，有于存在地面反射，产生信号衰落，引起严重的码间干扰，因此必须根据空地数据传播的特点，研究合适的高速数据传输方式。

1 空地数据传播特性

在空地数据通信中，传播方式除直射波和地面反射波以外，还存在散射波、折射波和绕射波等。但由于无线电波主要是以地波反射形式传播的，因此主要考虑直射波和地面反射波传播。

可以用镜象原理处理地面对电波传播的影响，如图1所示。

图1 地面波的镜象反射

在图1中，地面站天线位于A点，高度为Ha;飞机天线位于B点，高度为Ht，离地面站距离为R，测控站和目标的地面距离为D。

通过计算可得直射波和反射波的路径差为:

地表反射使幅度和相位都会发生变化，用反射系数表示，它是一个复数量Γ =ρe-jΨr。ρ表示反射的幅度变化，Ψr表示相移。

这样，直射波和反射波总的相位差为:

在A点或B点接收到的信号是直射波和反射波叠加，用反射衰落因子η表示地面反射对接收信号幅度的影响，定义η为和信号幅度被自由空间时的信号幅度相除。经过近似计算，得反射衰落因子η为:

由式(2)可以看出，当地面站天线高度ha、飞机天线高度ht、地面站距飞机的水平距离D变化时，cosψ会发生变化，也就是接收信号的幅度发生变化。由于地面反射的干涉，天线在俯仰面上的辐射可被分成很多瓣，在某些仰角上辐射的信号会增强，某些仰角上信号会减弱，这种现象被称为天线波瓣分裂。波瓣图的最大值和最小值分别相应于Ψ是π的偶数倍或奇数倍。通常，水平极化地面反射系数相位近似为π弧度，垂直极化地面反射系数相位低于π，许多文献Ψr取π。这时:

产生最小值。

波瓣图的最大值和最小值不仅取决于相位Ψ，还取决于表面的反射系数。反射系数与表面粗糙度、介质特性、天线的极化形式、频率和入射角等有关。美国学者认为，低入射角频率高于1 500 MHz情况下，常规(非光滑)地面的反射系数为0.2～0.4，很少大于0.5。而学者认为反射系数要高一些。表1是一些地区反射系数的测量结果。

表1 实测不同地面反射系数

由上面分析可以看出，在空地数据通信中，地面的反射产生反射波，接收点收到的信号是直射波和反射波的叠加合成，它们之间存在路程差变化就造成衰落。传输模型主要是二径模型。

当传输数据速率较低时，路程差相对较小，反射主要对接收信号幅度有影响，这时的衰落属于平坦衰落;当数据速率较高时，路程差相对较大，反射波会造成接收信号波形时间展宽，引起严重的码间干扰，对解调信号的眼图产生较大影响，这时衰落属于频率选择性衰落。

直射波和反射波路程差由式(1)表示，通常情况下地面测控站天线比较低，路程差产生的时延不超过10 ns。对中低速数据传输，衰落的影响表现在接收信号幅度随着飞机高度、距离变化起伏变化，抗信号幅度衰落的方法是增加信号强度的储备裕度;当传输数据高时，衰落为选衰性衰落，这时对数据传输的影响是非常严重的。

可以采用一些方法减少地面反射，如采用窄波束宽度天线或使天线波束向上倾斜，使照射地表面的辐射能量减少;适当减少地面站天线的高度可以减小直射波和反射波之间的路径差，减少选择性衰落的影响;有一些文献提出在天线周围地面反射网，防止信号照射到地面。

2 高速数据传输的调制方式

目前有多种高速调制解调的方法，应该根据空地无线电传播特点采用合适的调制解调方式。

2.1 四相相移键控

在卫星传输系统中，主要采用四相相移键控(QPSK)、偏移正交相移键控OQPSK等方式实现高速调制解调器。由于数据速率较高时，采用传统的串行方式无法实现，主要采用并行方式。在解调器中并行结构实现高速数字解调，如美国JPL实验室提出的APRX结构。高速调制器也采用并行方式实现成型滤波、卷积运算、高速乘法器及加法器等。图2是一种并行结构高速调制解调器的实现框图。

图2 并行结构调制解调框图

采用并行结构的高速调制解调器，不适合在衰落信道下应用。在地空传输链路，当传输速率太高，频率选择性衰落造成的时间扩展会产生严重的码间干扰。

2.2 正交幅度调制

多进制调制方式可以降低符号速率，减少码间干扰。在多进制调制方式中，正交幅度调制(QAM)是一种高效的数字调制解调方式，在中、大容量的数字微波系统中被广泛采。

QAM是一种矢量调制，它将输入比特先映射到一个复平面(星座)上，形成复数调制符号，然后将符号的I、Q分量(对应复平面的实部和虚部)采用幅度调制，分别对应调制在相互正交(时域正交)的2个载波(sin和cos)上。QAM是幅度、相位联合调制的技术，它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特，因此在最小距离相同的条件下可实现更高的频率利用率。调制阶数越高，传输效率越高。对应16 QAM，每个符号和周期传送4 bit。符号速率降低，就可以减少码间干扰。

QAM有较高的频谱利用率，理论上讲，QAM的调制节数越高，频谱利用率也越高;同时也可以延长传输信号的周期，增强抗多径能力。

在实际应用中，频谱利用率往往达不到理论值，特别是当QAM调制的阶数越高，理论值和实用值之间的差距也越来越大。因为，随着调制阶数的提高，信号点之间的距离越来越小，相差也越来越小，码间干扰越来越大，造成系统抗干扰能力下降，解调难度增加;而且，调制阶数的提高将使传输系统对多径衰落以及信道的非线性失真极为敏感，因为多进制正交幅度技术会使键控信号的幅度上携带信息并产生起伏，经过非线性信道以后造成频谱展宽及误码性能恶化，因而降低了系统的频谱利用率和抗干扰性能。其他如传输信道的幅频畸变、群延时畸变以及调制误差、解调误差等对系统性能也会产生较大影响。

2.3 重叠时分复用

重叠时分复用(OVTDM)是李道本教授提出的一种高效调制方式，用序列检测取代逐符号检测，利用高速率的符号传输形成的符号间干扰来实现高频谱效率，并证明OVTDM方式所需要的信噪比要低于相同传信率的无符号间干扰的高维调制信号传输方式。

采用二进制相移键控(BPSK)或者QPSK调制，在传输符号间引入了编码约束关系，接收端采用序列检测后，可控的符号间干扰成为了系统抗干扰噪声的有利因素，提高了传输的可靠性和频谱利用效率。

相邻K个符号互相重叠在一起，信号频谱宽度不变。K个符号互相重叠的实质是在时间域内产生K个并行的相互干扰的传输信道，各个并行传输的子信号流的频谱宽度相等，并与符号周期T成反比。由叠加原理可知，叠加后信号的频谱宽度保持不变，仍等于叠加前各子信号流的频谱宽度。在时间域内多个符号叠加，产生符号间的“干扰”，而正是这种干扰使得所传输的符号之间有了“编码约束”关系，并使得传输速率和频谱效率提高了K倍。

符号间在时间域的重叠虽然破坏了单个数据符号的波形本身，破坏了数据符号与其时间波形之间的一一对应的关系，但并未破坏传输数据符号序列与其时间波形之间的一一对应的关系，因此检测可以使用最大似然序列检测算法。OVTDM原理图如图3所示。

图3 OVTDM原理图

文献［6-8］验证，不管是在高斯信道、还是瑞利衰落信道，采用重叠时分复用的波形重叠的调制技术和序列检测，性能要明显优于采用高维调制的传输方式和逐符号检测。

3 仿真结果与分析

空地高速数据传输信道是二径模式，通过模拟仿真，利用眼图和波形来分析二径模式下的码间干扰问题。调制方式采用 QPSK、16 QAM、两符号OVTDM。利用MATLAB软件进行仿真，仿真原理框图如图4所示。图5(a)为调制方式采用QPSK无反射时I路信号输出的眼图，图5(b)为调制方式采用16 QAM无反射时I路信号输出的眼图。2种调制方式符号宽度相同，16 QAM是多电平传输，信息速率是QPSK的2倍。但QPSK眼图的最大开启时间为整个符号宽度，而16 QAM眼图的最大开启时间约为半个符号宽度。

图4 仿真原理框图

图5 无反射信号QPSK、16 QAM眼图

图6(a)为经过地面反射后QPSK的眼图，反射系数为0.5，反射延时取0.5个符号宽度;图6(b)为经过地面反射后16 QAM的眼图，反射系数为0.5，反射延时取0.25个符号宽度。可以看出，眼图发生显著变化，将会对位时钟提取、采样判决产生影响，造成误码。可以看出，16 QAM调制下1/4宽度多径的影响与QPSK调制1/2宽度多径的影响相当。

图6 有反射信号QPSK、16 QAM眼图

加大反射延时，反射延时取1.0个符号宽度，这时QPSK眼图已经闭合;当反射延时为0.5个符号宽度，16 QAM的眼图已经闭合。

经过对以上眼图的比较可以初步得出结论:虽然在符号宽度相同时16 QAM信息速率可以比QPSK提高一倍，但抗多径能力没有增加。

由于OVTDM不适合用眼图进行表示，通过信号波形图进行分析。图7(a)为OVTDM的信号示意波形图，采用两符号QPSK叠加调制，信息传输速率是QPSK的2倍，无地面反射。图7(b)中OVTDM经过反射后的信号波形示意图，反射系数为0.5，反射延时相当于1个QPSK的符号宽度。从图7(b)可以看出，信号有明显失真，但可以正确解调出信息。对比QPSK，当反射延时相当于1个QPSK的符号宽度时，QPSK眼图已经闭合，而两符号叠加OVTDM信号波形基本形状还保留，初步可以判断OVTDM抗多径能力优于QPSK。

图7 OVTDM信号波形图

4 结束语

空地数据传输模型主要是二径模型，传输信道是衰落信道。当传输数据符号率速较低时属于平坦衰落;当传输数据符号速率较高时会出现频率选择性衰落，产生码间干扰。通过对QPSK、16 QAM以及OVTDM等3种调制方式进行仿真、分析，OVTDM抗多径性能好、频谱利用率高，是一种比较好的适用于空地高速传输的调制方式。

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