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基于超短波无线信道接入技术分析与实现.pdf

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A b stra ctV 石th the d ev eloP m en t o f eonun u工ueation teehn olo gies,g lob aliZat io n of m o dern而 litary eomm an d an d eo o rd ination of eomrnum eation o P eratio n s,req u irem ents of而 litary eomm un icatio n s n eb 刀ork to the m o re m ob ile,highe r tran s面 ssio n sP eed s,m ore dists旧ee eomm lln ieati on dev elop m e叭 util让ation of radio ,面 erow av e relay,satellite an d other kind s of too ls,eom b ined 诚 th the 翻 sting w ired eommux eation sn etw o rk to b ulld m o re to ols,mu lti一lev el,thr eed im en sio n al int egrated sy stem .O n e region al eolnln an d oP eration s in the eo n lln un lcatio n ,w irelesscornm un ieation techn olo gy w ith its u ltrash ort w av e sign al eh aracteristies,fro m ten s o fHz to hundreds ofhertZ range w avelength from 1 m cter to 10 m etersradio w aves,relying on sight to do low 一altitUde atm osPherie ProPagation,the w avelengthdi价 action eapability w ith a eerta in space,to a eerta in are a of oPerations w ithi n therap id m ov em ent to ac hiev e m u ltiP o int n e。刀ork ,an d thu s to m ove real一t加 e eomm an dan d eontr o l,eororaunication s suP P ortto m ect each n od e ,In 而 5 P ap er,b ased o n the an aly sis o f u ltrash o rtw av e rad io eh aI1I1el tran s而 ssioneh aracteristies,an d eom b 访ed 初 th its vd reless aeeess teehn olo gy Prin eiP le,AP rograxn of realizing w 针eless ehann el ac eess m etho d b ased on the ultrash ortw av erad io 15 P roP o sed .Th e P ro gram m ai川y u ses F P G A an d A R 五4 h ard 、vare circu it torealize the d ig ital rad io sig n al P ro eessing .O n the on e h an d u se F P G A to com P lete thesign al filterin g ,lev el d eeision s,sy n chroniZat ion ,log ie e ontr o ling an d ad dressd eeod ing ,on the other h an d use A 又M to eom Plete in ation eneoding,deeo dingan d eo nim un ieation P ro toeo ls.Th e P rogram h as b een ap P lied on a d ed ieated eo n tro ller.It ean m eet the n eed san d aehiev e the d esired P er an ee g o als by testing the sy stem .T h e P rograxn P ro v eds而 p le an d feasib le,丽 th a certain 即 p lieation an d referen ee v alu e·K ey w ord s u ltra sh ort w av e com m u n ieation ,d a ta b a se一b an d tra n sm issionsy n eh ro n ou s d etectio n ,IS D N interfacesC L C n u m b er T N g l4第一章 绪 论1.1 课题 的提 出和研究的意义在信 息社会 中,信息瞬息万变 ,传统 的信息方式和传统的通 信设备 ,己不能完全适应信息社会 的发展 。我 国在 以有线通信为基础 的有线通信 网络经过几十年的高速发展 ,己经具有较大规模 ,有线 网络 的控制化 、数字化 比例 已经超过 了一些发达 国家 。不过 ,在采用有线方式 的连接布线复杂 、成本高 、易老化等 问题影响了其发展 。所 以随着技术 的发展 ,接 入 网技术 的研究,即选择 何种通信方式接入成为各方非常关心 的 问题 。尤其 是通 过无线通信技术方 式传递 数据 是一种 目前最关注 的技术之一 ,无线通信技术与有线通信技术 相 比有通信移动 能力强 ,通信组 网方式灵活 ,没有布线 的烦恼等优 点 。此外 ,无线数传还能应 用在许 多领域 ,比如 无线 导航 ,水文监测 ,低功率遥 感勘测 ,移动指挥通信 等 〔31。无线通信 中关键 问题是无线接 入技 术 。它是通过无线介质将 用 户 终端 与 网络节 点连接 起来 ,以实现用户与 网络 间的信 息传递 。无线信道传输 的信 号应遵循 一定的协议 ,这些协议 即构成无线接入技 术 的主要 内容〔习。无线接入技术与有线接入技术 的一个重要区别在于可 以向用户提供移动接入业务 ,可 以满足不 同用户在不 同地 点 ,不 同时间 内随时接入到通信 网络 中。无线接入技术不仅 广泛应用在 民用通信领域 当中,在现代军事通信领域 中也得到更 为重要 的应用 。随着通信技术的发展 ,现代军事通信是全球化指挥协调作战 ,要求军事通信要 向更机动化组 网、更高速度传输 、更远距离传播发展,综合利用 无线 电台、微波接力 、卫星等 多种手段 ,结合现有 的有 限通信 网络构建多手段 、多层次 、立体化 的综合 系统 。其 中在 区域性指挥作战通信 中,无 线超短波通信技术利用其信 号特 点 ,从几十赫兹到几百赫兹不等 波长从 1 米到 10 米的无线 电波 ,依靠低 空大气层做视距 传播 ,其波长具有一定 的空 间绕射 能力 ,可 以在一 定作战区域 范 围 内,实现 点对 多点快速机动组网,从而进行移动实时性指挥和控制,满足各节 点的通信保障 。目前各 国在超短波技术方面进行大量 的研究 ,如美 国、法国、英 国开发 了各种型号 的超短波无线 电台 。在 国内从 90 年代开始研 究超短波 电台 ,并得到大量的实际应用 ,使部 队指挥 更有移动性 、多样性 、实时性 ,因此在超 短波无线 电台的基础上研究基于超短波无线信道接入技术和实现是十分必要的 。1 .2 超短波电台在军事通信中现状及发展超短波通信是指利用 30MH z一90OMH z 超短波频段 电磁波进行 的无线 电通信 。由于地面 吸收较 大和 电离层不 能反射 ,超短波只 能靠直 线方式传输 ,称 为视距 通信 ,传输距离约 sokm ,远距 离传输 时则需经 中继站 分段 传输 〔5,。未来高技 术条 件下 的信息化 网络化战争 中,指挥与控制 中心必须 实时地获取 、处理 、传输和显示来 自所有作战单元和武器系统平 台的各种信 息 ,才 能使指挥员能随时了解掌握 战场 态势 ,迅速做 出作战行动决策 ,以牢牢掌握 战争 的主动权 。超短波信道 有如 下几方面 的 固有优势 阳,1、超短波通信 因为频段特性其波长具有 一定绕射性 ,在很大程度上克服 了视距无障碍通信 的要求 ,具有在 战术移动作战条件下 的无线通信能力 ,在 中等起伏 的野 战环境 中,其通信覆盖 范 围可达 到几十 公里 的范 围。2、超短波通信在实际环境 中比短波通信 的信 号质量好 ,并且带 宽大于短波信道 ,故信噪 比高 ,更有利于传输综合业 务信 息 。同时超 短波 电台相对于 短波 电台在收发双方 的通信过程 ,不需要频繁地更换工作 参数 ,超短波 电台对信道 的适应性设计 比短波 电台大为简化 。3、超短波信道 能够支持高速 的数据传输 。现 役 的战术超短波 电台远远 超过短波 电台的数传 能力 。虽然超短波 的数据传输速 率 比微波链路设备 的数据 传输速率低 ,但超短波 电台并不作为骨干 网络 的传输手段 ,因此作为战术级数传通信 ,其仍然是一种重要 的数传手段 。当前 ,超短波 电台会 向着扩频跳频 的方 向发展 ,从过去每秒几十跳上百跳发展到现在 的上千跳 ,加上采 用先进 的扩 展频谱通信技术 ,大大提 高 了抗干扰性能 ,提 高 了频 带利用率 〔6]。1.4 本文的研究工作和章节安排本文是在研究超短波无线 电台接入项 目的基 础上开展 的。该超短波 电台具有基带信号传输和跳频通信两种通信方式 ,根据其通信方式特 点制定超短波无线接入 的方案设计 。本人主要 负责超短波 电台基带传输信号 的接入滤波 、O/1 码判决 、同步提取 以及 其 超短 波跳 频 通 信 数据 接 口接 入 功 能 的硬 件 电路 设计 以及 部 分FPGA 代码 实现 。本论文 的章节安排 为 第一章为绪论部分 ,简要介绍论文的背景 ,以及超短波 电台在军事通信 中应用 发展 ;第二章分析 了超短波无线信号传输特性及其信道 接入工作原理 ;第三章提 出了超短波无线信道接 入功 能的方案设计 ;第 四章详细阐述 了超短波无线接 入功能的电路实现 ;第五章对 完成 的工作进行总结与展望 ;附录里介绍 了几个关键芯片 的功能及 使用方 法 。第二章 超短波无线信号传输特性分析及信道接入工作原理2.1 超短波无线信号的传输特性分析超 短波 Ul tra Short Wave 包括甚 高频 VHF 和特高频 U吓 两个频 段 ,常用频率在 30一900 MH Z ,超短波特性介于短波与微波之 间,它 以空间波为传 播方式 ,其 电磁波类似于光束 ,具有较 强 的方 向性 ,可 以在视距范 围 内能进行可靠的直射波传输 ,大量 民用与军用无线 电设备均工 作在这一频率 区 间。频段 30MH Z 以上 的无线 电波 因其传输波长 己超过 电离层 所能 反射 的最大 可用频率,故原则上不能用天波通信 ; 又 因超短波频率较高 、在地 中所感应 的电流远 比短波和 中长波所感应 的大 ,沿地面衰减极快 ,故地波 的传播距离极其有 限 ,所 以不 能像短波一样进行天波传输和地 波传输 ,超短波主要依靠直射波进行视距LOS通信如 图 2一l 所示〔,。大 气 层、 ,一匹图 2一1 超短波通信示意 图超短波通信受地形、地物 、环境干扰等 因素 的影 响,与短波通信相 比有其特殊之 处 。超短波一般利用视距直线传播 ,应用 于移动通信 ,由于移动 台不 断地运动 ,因而其接 收信号强度和相位 随时间、地 点不断变化 。与短波通信 的信号质量相 比,超短波通信 的信号质量较好 ,带宽大于短波信道 ,故信噪比高 ,更有利 于传输综合业 务信 息 。超短波也存在各种干扰 ,所 以现代军 事超 短波设备采用 中速或 高速 调频技术 ,既有利于抗干扰 ,也有利于传输信 息的保密〔的。超 短波波长 具有一定绕射 能力 ,在很大程度上 克服 了视 距无 障碍通信 的要求 ,作 为战术级数传通信 ,是一种重要 的数传手段 。超短波通信 已经广泛 的于陆、海 、空三方信 息通信 中,以及三者之 间的相互信息通信 中,同时超短波通信所采用 的天 线体积 小 ,架设方便等特点 ,特别适宜移动通信,尤其 是军事通信 。根 据超短波无线信号 的传输特 性 ,及 在传输过程可 能收到 的影 响分析 ,通过MA T以B 仿真软件对其传输性 能进 行 分析 。利用 Egli 模型 〔的的场强计算算法是 Egli 提 出的一种经验模型 ,并根据此模型增加经验修正公式 ,认为不平坦地 区的场 强等于平面大地 反射公式算 出的场 强加 上一个 修正值 ,总结 出如下计 算 电波 传输 损耗经验 公式 几dB 88 20 lgf 40 lgd 一20 19 拭 尽 一戈式 中 L。为 中值路径损耗 dB; f 为载频频率 MHz ; Hi和 Hr为发信天线 高度 和收信天线高度 m ;d 为收 、发天线之 间的距离 km ;K、为地形校正 因子 dB ,具体如下 ,其 巾 △h 是抵消高低起 伏度 一{△h 兰15m2 .43l一竺 15 ’f ‘130入心云05l一竺 1 5 ’f 之130五心无又因功率均衡得出L0 二界一凡 吼 乓 一乓 一La ,其 中弓 为发射 功率 dB ,凡 为接 收机灵 敏度 dB ,乓 ,吼 分别为发射与接收天线 的增益 dBi ,Lc 为馈线损耗 dBi ,La 为大气介质损耗 dB 与具体环 境有关 。使用 MA TLAB20O7 仿真软件 根据 Egli 模 型提 出的 电波传 播 公式 对 超短波30MH z 1 00MH Z 进 行超短波通信 距离 仿真 。设 弓 二17dB 50牙,尺 二一14OdB ,乓 、吭 与 Lc相互抵消,高低起伏度小于15m ,大气损耗 La 巧dB ,拭与从 皆为 巧m 。在载频频率范围 30M 一100M 的情况下通 过 MATLAB 仿 真软件 仿真能得到超 短波通信 极 限距离 的曲线 图,如下 图 2一2所 示 。3 0 Le se se se s一一一一---- --上3 0 4 0 5 0 6 O频 率7 O M H z 8 0 9 0 1 0 0图 2一2 超短波传输 性 能瞅TLAB 仿真结果表示 ,超短波通信 数据 传输距 离在 61km 到 33km 不等 ,随频率上升而超短波通信传输距 离减 小 。2.2 超短波无线信道接入工作原理目前采用 的超短波无线 电台具有数字信号基 带传输 和跳 频通 信两种通信方2.2.1 数字信号基带传输工作原理数字基 带传输 系统 是指 不 使用调 制和解调装 置而直 接 传输 数 字基 带信 号 的系统 。即在发端 ,首先将源 符号进 行信源编码 ; 之后根据 信道状况 ,选用一定码型及波 形代表各编码符号 ,构成数字基带码流 ;最后进入基带信道进行数字传输 。如 图 2一3 所示 。乌东带 脉 冲 ,一J输 夕、信 道 ,言号 丫含道天多成 署浮接 J次沈 波 署导抽 样判 七踌署导绪氏带 脉 冲一一- 日卜与称出图 2一3 数字基 带传输系统 的基本 结构信道信号形成器用来产生适合于信道传输 的基带信号 ;信道可 以是允许基带信 号通过 的媒质 ;接收滤波器是用来接 收信号和尽可能排 除信道噪声和其他干扰的 ; 抽 样判决器 则是在噪 声背景下用来 判定与再生基 带信号 。影响数字基 带传输可靠性 的主要原 因 l 高斯 白噪声带来 的加性干扰 ;2 限带传输 引起 的码间干扰 工S工。数字基带信号 简称基带信号 是消息代码 的电波形,其主要要 求 1 传输 码型 的选择 ,其 中包括对各 种 代码 的要求 ,期望将 原始信 息 符号 编制 成适合于传输 用 的码 型 。常用码型有 单极性 NRZ Non Ret盯 n Zero 码 、双极性 B NR Z 码 、单极性归零 RZ 码 、双极性 归零 BRZ 码 、差分码 、 多电平码 、枷 I、CMI、 Mi11er 码 、分相码 Manehester 、HDB3 码等 〔,。〕。2 基 带脉冲波 形 的选择 ,其 中对 所选 码型 的 电波形要求 ,期望 电波形适 宜于在信道 中传输 。根据实际需要 ,组成基 带信号 的单个码元波形可 以是矩 形 ,升余弦形 ,高斯 形 以及 半余弦脉冲等 多种 。2.2.1.1 基带信号传输码型分析. 基带信号传输码型的选取原则1 传输 的码 型不应含有直流分量 ,且低 频 成分和过高 的频率 成分也不 易太多 通过分析频谱 图即可看 出信号含有 的频率 成 分 2 为使收发 同步 ,传输 的码型 中应含有 时钟信 息3 传输 的码 型与信息源 的统计特 性无关4 传输码应具有 一定 的检错 、纠错 能力5 码型的转换设备应简单 易于实现6 良好 的功率谱特性 所选码 型 、波 形序 列 的功率谱主瓣窄 、收敛 快 ,以节省传输带宽、减少 IS工;. 基 带传输码 型 单极性 NRZ Non Return Zero 码 、双极性 BNRZ 码、单极性 归零 RZ码 、双极性 归零 B RZ 码 、差分码 、多 电平码 、AM 工、CMI、Miller 码 、分相码Manehester 、HDB3 码等 ,如 图列举其 中几利,常用码型特 点。0 O 1 1 Ea 单 极 性 波 形b 叉又极 性 波 形一仁E E .一c 单 极 性 归 零 波 形d 叉又极 性 归 零 波 形EE卫十︸﹁e 差 分 码0 多 电 平 波 形图 2一4 几种常用 的基 带传输码型其它几种码型 AM 工码 传号交替反转码 编码规则 代码 O 空号 仍变换为传输码 的 O,而把代码 中的 1 传号 交替变换成传输码 的1 、一1、1 、一1、一它 为三 电平序 列 ,三 元码 ,伪三进制 ,1B/1T 码 。优 点 1 “0”, “1”不等概 时也无直 流 。2 零频 附近 的低频 分量 小 。3 整 流 后 即为 RZ 码 。缺 点 连 O 码 多时 ,AM 工整流后 的 RZ 码连 0 也 多 ,不利 于提 取 高质量 的位同步信号 位 同步抖动大 举例 消 息代码 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 卜AM 工码 十 1 0 0 一1 1 0 0 0 一1 1 一1.二 HDB3 码 三阶高密度双极性码 编码 规则 把 消息代码变换成 AM 工码 、检查 AM 工码 的连 O 串情况 。 当没有 4个 以上连 O 串时 ,则这 时的 AM 工码就是 HDB3 码 ;当 出现 4 个 以上连 O 串时 1 四个连 0 用取代节 000V 或 BOOV 代 替 。2 非 四个连 p 时编码 后不变 ,当两个相邻 “V ”码 中间有奇数 个 1 时有 00 0V ,为偶数个 1 时用 BOOV 。3 1,B 的符 号符合 交换 反转原则 ,B 符号 的极 性与 前 一非 0符号 的相 反 ,V 的符号与其前一 非 O 符 号 同极性 ,相邻 V 码 符号相 反 。译码 规则 每 一个破坏符号 V 总是 与前 一 非 O 符号 同极性 包 括 B 在 内。从收到 的符号序列 中可 以容易地 找到破坏 点 V,于是也断定 V 符号及其 前面 的 3个 符号必 是连 0 符 号 ,从而恢复 4 个连 O 码 ,再将所有一1 变成1 后 便 得到 原消息代码 。HDB3 码 的特 点 保 留了 AM 工码 的优 点 ,克服 了 AM工连 O 多的缺 点 。它是 一 ,二 ,三 次群 的接 口码型 ,是 CCITT 推荐使用 的码之一 。 Manchester 码 双相码 双相码 的特 点是只使用两个 电平 ,不像前 面 的三种码具有三个 电平 。这种码既能提供足够 的定时分量 ,又无直流漂移 ,编码过程简单 。但这种码 的带 宽要 宽止匕双 相码适 合于 数据终端设 备在 短距 离 上 的传输 。如 山 Xerox 、DEC 、工 nt el公司共 同开发 的 Etherne七网中采用数字 双 相码 作为线路传输 码型 。CMI 码 传号 反转码 其编码规则为 “1”码交替用 “11”和 “00”表示 ; “0”码 用 “01”表示 。这种码 型有较 多 的电平跃变 ,含有 丰 富 的定 时信息 。该码 己被 CC工TT 推荐 为PCM 四次群 的接 口码型 。在光缆传输 系统 中有 时也用作线路传输码 型 。 nB心 码 这是一类分组码 ,它把原信息码流 的 n 位 二进制码作为一组 ,变换 为 m mn位 二进 制码作为新 的码组 ,称 为 nBmB 码 。由于 mn,故可 以从 中选择一部分有利码组作为可用码组,其余 为禁 用码组 ,以获得好 的特性 。双相码 、CMI 码 就是 IBZB 码 。在光纤数字传输 系统 中 ,通常选择 m n 1,取 IBZB 码 、ZB3B 码 以及 SB6B 码等 ,其 中 SB6B 码 己实用化 ,用作三 次群和 四次群线路传输码 。. 基带信号 的时域表示 二进制 数字基 带信号可表示为口O‘‘ 艺 s。‘一 的s。t {g ,t 一 nTs , P ”l”码9 2t 一 nTs , l 一 夕 ”o ”码式 中 , TS 为码元持续 时间 ;91t代表二进制符号 的 “0”92t 代表二进制 符号 的 “1”
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