OFDM在流星余跡通信中的應(yīng)用

　　摘 要：流星余跡通信是一種突發(fā)通信。在研究流星余跡通信及其信道特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了將OFDM應(yīng)用于流星余跡通信的設(shè)計(jì)思想，對(duì)具體實(shí)現(xiàn)中的關(guān)于OFDM參數(shù)的選取、同步及峰平比的降低等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入分析，并給出了可行的解決方案。

　　關(guān)鍵詞：流星余跡通信; 正交頻分復(fù)用; 多徑干擾;參數(shù)選擇

一、引言

　　流星余跡通信是利用流星電離余跡對(duì)VHF無線電波的反射和散射作用來進(jìn)行通信的。由于流星電離余跡的持續(xù)時(shí)間一般很短，僅為幾百毫秒到1 s左右，所以一個(gè)余跡消失后，要等待下一個(gè)適用的流星余跡出現(xiàn)，其等待時(shí)間一般為幾秒鐘至幾分鐘甚至更長。顯然，這種通信方式只能是間斷的、突發(fā)的，故也叫流星突發(fā)通信。上世紀(jì)50年代，人們開始研究流星余跡通信的可行性。隨著半導(dǎo)體技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，流星余跡通信開始應(yīng)用在低速率數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中。到90年代初，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸速率從2~64 kbps自適應(yīng)變化的流星余跡通信系統(tǒng)，極大提高了系統(tǒng)的傳輸性能。流星余跡通信具有保密性好、抗干擾性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)以及設(shè)備簡單等眾多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軍事、氣象、海洋、水質(zhì)、大氣污染的監(jiān)測(cè)報(bào)告等各領(lǐng)域。

　　由于流星余跡通信信道的特殊性，為了更有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提高數(shù)據(jù)通過率，必須選擇高效的數(shù)據(jù)傳輸方式。流星余跡通信的一個(gè)最為突出的特點(diǎn)就是其突發(fā)性，用于一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間只有幾百毫秒甚至更短；另外流星信道還存在著多徑干擾，這也對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男�率產(chǎn)生負(fù)面影響。近年來得到快速發(fā)展的正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)具有頻譜效率高、抗干擾性能好、可自適應(yīng)選擇調(diào)制方式、可動(dòng)態(tài)分配信道、實(shí)現(xiàn)方便等眾多優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。OFDM用于流星通信系統(tǒng)無疑將能使系統(tǒng)保持高的數(shù)據(jù)通過率同時(shí)具有較強(qiáng)的抗多徑干擾能力。

二、流星余跡通信的信道特點(diǎn)

　　按照余跡的電子線密度，流星余跡可分為2類：電子線密度大于或等于2×1014 e/m的稱為過密類，小于2×1014e/m的稱為欠密類。隨著余跡的擴(kuò)散，電子線密度隨之下降。

　　對(duì)于欠密類流星余跡,接收信號(hào)的功率隨時(shí)間呈指數(shù)衰減,所以一次流星余跡的可用時(shí)間很短并且通信方式也只能是間斷式的，要獲得較高的數(shù)據(jù)通過率，必須使用具有較高速率的數(shù)據(jù)傳輸方式。對(duì)于過密類余跡也有類似的結(jié)論。

　　國內(nèi)外在提高流星余跡通信的傳輸速率時(shí)，發(fā)現(xiàn)實(shí)際信道容量的提高遠(yuǎn)小于理論預(yù)計(jì)值，這是由于多徑傳播引起的。在流星余跡通信中多徑產(chǎn)生的一個(gè)主要原因是在離地面80~100 km高度上天線照射區(qū)內(nèi)出現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)流星余跡。尤其在過密類余跡中，出現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)流星余跡的概率增加。多個(gè)流星余跡引起的多徑信號(hào)的時(shí)間遲延可達(dá)300~500μs。另一個(gè)產(chǎn)生多徑干擾的原因是由于電離層中風(fēng)的剪切作用。單個(gè)過密類余跡畸變?yōu)椴灰?guī)則的圓柱，形成兩個(gè)或更多的主菲涅耳區(qū)，因而產(chǎn)生了幾個(gè)不同的傳輸路徑。這種情況下的多徑延遲最大可為幾十微秒。夏季經(jīng)常而不定期出現(xiàn)的離散E層，它的信號(hào)往往很強(qiáng)。E層反射信號(hào)多徑時(shí)散值約40μs，而且包含嚴(yán)重的快衰落。在高緯度和極區(qū)離散E層也較多地產(chǎn)生，再加上極光產(chǎn)生多徑干擾，在極區(qū)多徑延遲時(shí)間可以超過1 ms。因此抗干擾特別是多徑干擾也是流星余跡通星要解決的一個(gè)重要問題。

　　針對(duì)流星余跡通信的上述特點(diǎn)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中我們引入了OFDM技術(shù)。

三、OFDM及其在流星通信中的應(yīng)用

1.OFDM基本原理

　　OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交頻分復(fù)用是一種特殊的多載波傳輸方案，它既可以被看作是一種調(diào)制技術(shù)，也可看作是一種復(fù)用技術(shù)。其基本原理就是把高速的數(shù)據(jù)流通過串并變換，分配到傳輸速率相對(duì)較低的若干個(gè)子信道中進(jìn)行傳輸。由于每個(gè)子信道中的符號(hào)周期會(huì)相對(duì)增加，因此可以減輕由無線信道的多徑時(shí)延擴(kuò)展所產(chǎn)生的時(shí)間彌散對(duì)系統(tǒng)造成的影響。同時(shí)還可以在OFDM符號(hào)之間插入保護(hù)間隔，令保護(hù)間隔大于無線信道的最大時(shí)延擴(kuò)展，這樣就可以最大限度地消除由多徑帶來的符號(hào)間干擾（ISI）。而且，一般采用循環(huán)前綴作為保護(hù)間隔，從而還可以避免由多徑帶來的信道間干擾（ICI）。

　　與傳統(tǒng)的頻分多路傳輸方法相比，由于OFDM系統(tǒng)各子載波之間存在正交性，允許子信道的頻譜相互重疊，因此OFDM系統(tǒng)能最大限度地利用頻譜資源，并且各個(gè)子信道中的這種正交調(diào)制和解調(diào)可以采用快速傅里葉變換（IFFT/FFT）來實(shí)現(xiàn)。

　　我們可以由熟悉的多載波信號(hào)的表達(dá)式推導(dǎo)OFDM信號(hào)的IFFT表達(dá)式。一個(gè)多載波信號(hào)可表示為

其中，ωn=ω0+nΔω為第n個(gè)載波頻率，dn為第n個(gè)載波上的復(fù)數(shù)信號(hào)。

　　設(shè)信號(hào)的采樣頻率為1/T，在t=KT時(shí)刻，則有：

　　假定一個(gè)符號(hào)周期τ內(nèi)含有N個(gè)采樣值，即有τ=NT，不失一般性，令ω0=0，則

比較，可以看出，若把dn看作頻域采樣信號(hào)，s(KT)為對(duì)應(yīng)的時(shí)域信號(hào)。當(dāng)成立時(shí)，式（3）和式（4）等價(jià)。由此可知，若選擇載波頻率間隔為1/τ，用IDFT來定義OFDM，可保持子載波的正交性，式（4）即為OFDM的IDFT數(shù)學(xué)表示,實(shí)際一般用IFFT來實(shí)現(xiàn)。在接收端，對(duì)信號(hào)進(jìn)行FFT變換，即可恢復(fù)dn，因此，F(xiàn)FT變換的過程也就是對(duì)OFDM信號(hào)的解調(diào)過程。

　　隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與DSP技術(shù)的發(fā)展，IFFT和FFT都很容易實(shí)現(xiàn)，從而大大降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。

2.OFDM流星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　由于OFDM自身所具有的抗多徑干擾、抗窄帶干擾、頻帶利用率高以及實(shí)現(xiàn)方便等優(yōu)點(diǎn)，使其在流星信道條件下的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)中成為一種比較理想的選擇方案。

　　(1)OFDM主要參數(shù)選取

　　流星余跡通信中可采用MPSK、MQAM（矩形QAM）的調(diào)制方式。矩形QAM信號(hào)星座具有容易產(chǎn)生的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，即通過在兩個(gè)相位正交的子載波上施加兩個(gè)PAM信號(hào)來產(chǎn)生。此外，它們也相對(duì)容易解調(diào)。矩形QAM星座包括4QAM、16QAM以及64QAM等，因此每個(gè)星座點(diǎn)分別所對(duì)應(yīng)的比特?cái)?shù)量為2、4、 6。采用這種調(diào)制方法的步長必須為2，而利用MPSK則可傳輸任意比特?cái)?shù)量如1、2、3，分別對(duì)應(yīng)2PSK、4PSK及8PSK。并且MPSK調(diào)制的另一個(gè)好處就是該調(diào)制方案是等能量調(diào)制，不會(huì)由于星座點(diǎn)的能量不等而為OFDM系統(tǒng)帶來峰平比（PAR）較大的問題。但是其缺點(diǎn)也是顯而易見的，即性能不如QAM調(diào)制方法好，特別當(dāng)M比較大的時(shí)候。

　　每個(gè)子信道可采用不同的調(diào)制方式，選擇時(shí)要兼顧數(shù)據(jù)速率、頻譜效率以及傳輸?shù)目煽啃�，以頻譜利用率和誤碼率之間的最佳平衡為原則。采用自適應(yīng)技術(shù)，特性較好的子信道可采用效率較高的調(diào)制方式，而衰落較大的子信道選用低效方式，選擇滿足一定誤碼率的最佳調(diào)制方式可以獲得最大頻譜效率。

　�。�2）M-OFDM時(shí)域和頻域同步

　　在M-OFDM系統(tǒng)中，OFDM接收機(jī)為了正確地解調(diào)出各個(gè)子載波，在解調(diào)之前至少必須完成兩個(gè)同步任務(wù)時(shí)間同步和頻率同步。時(shí)間同步就是所謂的定時(shí)恢復(fù)，也包括兩個(gè)內(nèi)容：①采樣時(shí)鐘同步，包括時(shí)鐘頻率和相位的同步捕獲與跟蹤；②碼元同步，又稱位同步，是指估計(jì)OFDM符號(hào)的起始界，找到正確的FFT窗口位置以便進(jìn)行無ISI、無ICI符號(hào)解調(diào)或使ISI/ICI最小化。在OFDM接收機(jī)中，可以借助特殊的訓(xùn)練序列來實(shí)現(xiàn)同步，也可以利用OFDM本身的循環(huán)結(jié)構(gòu)即利用循環(huán)前綴來完成符號(hào)同步�；�于訓(xùn)練序列/訓(xùn)練符號(hào)的方法被稱為前導(dǎo)訓(xùn)練同步，發(fā)送的訓(xùn)練序列是接收機(jī)已知的，屬于非盲符號(hào)同步算法；基于循環(huán)前綴的符號(hào)同步算法，被稱為循環(huán)前綴同步算法，由于無需知道具體的訓(xùn)練數(shù)據(jù)信息，屬于盲同步算法。本文中設(shè)計(jì)的發(fā)送序列為已知的，初始同步屬于非盲符號(hào)同步算法。在確定位同步之后，即根據(jù)位同步來確定相應(yīng)的幀同步進(jìn)而接收數(shù)據(jù)幀。

　　在信號(hào)捕獲階段采用滑動(dòng)窗口的FFT算法確定位同步時(shí)， 滑動(dòng)步長的大小確定比較關(guān)鍵，要同時(shí)兼顧到同步精度以及DSP 的運(yùn)算速度。滑動(dòng)步長太大，同步精度就會(huì)降低；滑動(dòng)步長減小，同步精度將會(huì)提高，但對(duì)DSP處理速度就有更高的要求。設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況作必要的取舍。其流程如圖1所示，其中N為FFT運(yùn)算的點(diǎn)數(shù)，k為滑動(dòng)步長。

　　 頻率同步即載波同步，要求接收端的振蕩頻率要與發(fā)送載波同頻同相。由于各子載波之間利用正交性來區(qū)分，確保這種正交性對(duì)于OFDM系統(tǒng)來說至關(guān)重要，因此對(duì)載波同步的要求也就相對(duì)比較嚴(yán)格。載波頻率偏差將會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)在頻域里的移動(dòng)，如果載波頻率偏差是子載波間隔Δｆ的ｎ倍，那么接收的頻域子載波被移動(dòng)ｎ個(gè)子載波位置。在這種情況下，子載波之間仍然是相互正交的，但是接收的數(shù)據(jù)符號(hào)在解調(diào)的譜中處于錯(cuò)誤的位置，這將導(dǎo)致誤錯(cuò)誤的解調(diào)數(shù)據(jù)；如果載波頻率偏差不是子載波間隔Δｆ的ｎ倍，那么在子載波之間將會(huì)有能量泄漏，使子載波間的相互正交性遭到破壞，產(chǎn)生干擾，從而影響系統(tǒng)BER性能。由于OFDM信號(hào)對(duì)頻差的敏感性，在數(shù)據(jù)解調(diào)之前，必須先對(duì)頻差進(jìn)行估計(jì)，然后予以校正。此時(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確的頻偏估計(jì)是十分必要的，常用估計(jì)的方法有插入導(dǎo)頻法，最大似然估計(jì)法等。具體的估計(jì)算法可查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料［2，3］。

　�。�3）PAR的解決

　　由于OFDM信號(hào)是有一系列獨(dú)立的經(jīng)過調(diào)制的子載波信號(hào)相加而成的，這樣的合成信號(hào)就很有可能產(chǎn)生比較大的峰值功率（Peak Power）,由此很容易造成較大的峰值平均功率比（peak-to-average ratio，PAR），簡稱峰平比。峰平比可定義為

　　　　PAR過高是OFDM系統(tǒng)的一個(gè)主要缺點(diǎn)，即相對(duì)于單載波系統(tǒng)，OFDM發(fā)射機(jī)的輸出信號(hào)瞬時(shí)值會(huì)有較大的波動(dòng)。這將要求系統(tǒng)內(nèi)的一些部件，如功率放大器、A/D、D/A等具有很大的線性動(dòng)態(tài)范圍。否則，這些部件的非線性會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)范圍較大的信號(hào)產(chǎn)生非線性失真，所產(chǎn)生的諧波也會(huì)造成子信道間的相互干擾，從而影響OFDM系統(tǒng)的性能。因此減小PAR是OFDM系統(tǒng)所面臨的一個(gè)重要問題。

　　目前常用的減小PAR的方法主要分3類：編碼方法、信號(hào)預(yù)畸變技術(shù)和加擾亂序列。在實(shí)際應(yīng)用中幾類方法也可結(jié)合起來使用，在PAR得到最大改善的同時(shí)使系統(tǒng)性能達(dá)到最佳。圖2所示為經(jīng)過峰平比處理前后的OFDM信號(hào)的仿真波形圖。信號(hào)為QPSK調(diào)制,仿真表明經(jīng)處理后信號(hào)的PAR要比原始信號(hào)降低3 dB左右。

四、結(jié)束語

　　本文在研究流星余跡信道的基礎(chǔ)上,提出了將OFDM應(yīng)用于流星余跡通信的設(shè)計(jì)思想，主要是利用OFDM高效率傳輸及抗多徑干擾來提高通信系統(tǒng)的性能。對(duì)OFDM流星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)即參數(shù)的選取、同步以及峰平比的降低進(jìn)行了比較深入的分析,并給出了可行的解決方案。本文提出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案現(xiàn)已進(jìn)入實(shí)現(xiàn)階段，測(cè)試表明系統(tǒng)性能良好。

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作者：周 俊，李 贊，金力軍（西安電子科技大學(xué) 綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710071） 來源：電訊技術(shù)