CN101562596A - 一种基于ofdm技术的机载高速通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于OFDM技术的机载高速通信系统，包括由上行数据主控模块、上行基带处理模块、上变频模块、信号发射模块构成的发射端和由下变频模块、下行基带处理模块、下行数据主控模块、信号接收模块构成的接收端。在发射端，上行数据主控模块分别与上行基带处理模块和外部的机载通信发射终端相连；上行基带处理模块同上变频模块相连；上变频模块同信号发射模块相连。在接收端，信号接收模块同下变频模块相连；下变频模块同下行基带处理模块相连；下行基带处理模块同下行数据主控模块相连。本发明能够有效的提高通信质量和速率，具有在大多普勒频移变化率和多径环境下实现远距离高速航空通信的优良效果。

Description

一种基于OFDM技术的机载高速通信系统

技术领域

本发明属于信息通信技术领域，涉及一种基于OFDM技术的机载高速通信系统。

背景技术

由于通信环境和对象日趋复杂，现代航空通信对数据传输速率要求越来越高，不仅要支持传统的语音和控制信息的传输，还要支持实时图像数据的传输。尤其是无人机应用及发展的推动作用，航空数据链技术正朝着高速、实时、可靠、网络化的方向发展。基于航空领域发展的迫切需求，研制高速率、高可靠性的航空通信系统具有重要意义。

现有的机载通信系统，主要采用模拟调频、单载波数字通信、扩频、跳频等方式，信道速率不高，主要用于话音传输、低速率的导航信息传输。实现方式主要采用频分的多址方式、双工方式，有的通话系统采用半双工的方式。通信采用频段也多采用VHF的频段，可分配的带宽不高，不能支持大量用户的接入，组网性能不强。随着人们对机载通信速率和灵活性要求不断提高，传统的通信方式不能满足将来发展的要求。对于一些小型机应用，如利用无人机进行地面图像采集，采用高速率机载数据通信之后，将采集到的高速图像信息实时的传输到地面。主要可以取消无人机上的存储系统，做到无人机的进一步小型化。对于民航通信，采用高速无线机载通信技术之后，可以满足乘客飞行途中对信息传输的需要。对于未来战场，各种作战飞机将会大规模应用，如何实现飞机和地面间的低延迟、高速率、多节点通信是灵活作战的关键。因而，如何提高现有机载通信的通信能力、覆盖范围和通信质量是关系到空中战场、民用航空发展的大事，是通信领域急需解决的问题。

OFDM(正交频分复用)的基本思想是把高速数据流分散到多个正交的子载波上传输，使子载波上的符号传输速率大大降低，符号持续时间相对加长，对时延扩展有较强的抵抗力，从而减少甚至消除符号间干扰的影响。同时，由于各子载波相互正交，调制后的频谱可以相互重叠，不但减少了子载波间的相互干扰，还大大提高了频谱利用率。由于OFDM(正交频分复用)技术在高速数据传输中具有明显优势，可以大大提高无线通信系统的频带利用率，因此OFDM技术在机载高速数据通信中的具有很好的前景。

在机载通信信道方面，由于飞行器较高的运动速度会造成接收信号具有大的多普勒频移，而反射路径具有很大的路程差会造成接收信道具有大的时延扩展；在高空飞行状态下机载通信环境迅速变化，造成了信道的非平稳特性较为明显；同时多普勒扩展和时延扩展还具有特殊的分布规律；这些特点构成了机载飞行信道的显著特征，也决定了现有的针对其它信道的宽带无线体制不能直接用于机载通信。同时机载通信对实时性有较高的要求，尤其是在距离机场较近的阶段，为了保证飞机和地面站的人员实时掌控双方的信息，通信处理延迟需要控制在几个毫秒之内。而传统的编码调制方式为了提高系统容量和误码率性能，采用较长的编码交织时间，从而造成了处理延迟达到几十甚至几百毫秒，这对于机载通信系统的设计来说是不合理的。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有机载通信系统通信能力、覆盖范围和通信质量不高的缺陷，为解决现有机载通信系统在大多普勒频移变化率和多径环境下中通信质量不高、系统抗衰落性差、可靠性不强、通信速率低的问题，提出了一种基于OFDM技术的机载高速通信系统。

本发明系统是通过下述技术方案实现的：

一种基于OFDM技术的机载高速通信系统，包括由上行数据主控模块、上行基带处理模块、上变频模块、信号发射模块构成的发射端，和由下变频模块、下行基带处理模块、下行数据主控模块、信号接收模块构成的接收端。

各个组成部分的功能如下：

上行数据主控模块用于完成通信数据的输入及分帧处理；

上行基带处理模块用于完成通信数据的基带处理；

上变频模块用于完成基带信号的数字上变频，并将输出的数字中频信号转换为模拟中频信号；

信号发射模块负责将模拟中频信号转换为射频信号并发射给接收端；

信号接收模块负责将接收到的射频信号转换为模拟中频信号；

下变频模块用于将模拟中频信号转换为数字中频信号，并完成数字中频信号的数字下变频；

下行基带处理模块用于完成通信数据的基带处理；

下行数据主控模块用于完成通信数据的输出。

各个组成部分间的连接关系如下：

在发射端，上行数据主控模块分别与上行基带处理模块和外部的机载通信发射终端相连；上行基带处理模块同上变频模块相连；上变频模块同信号发射模块相连；

在接收端，信号接收模块同下变频模块相连；下变频模块同下行基带处理模块相连；下行基带处理模块同下行数据主控模块相连；下行数据主控模块与外部的机载通信接收终端相连。

本系统的信号转换过程如下：

首先，在发射端，上行数据主控模块接收来自机载通信发射终端的机载通信数据，并对数据进行分帧处理。然后，将处理后的数据输出至上行基带处理模块进行处理，得到基带信号，并将基带信号输出至上变频模块。上变频模块将接收到的基带信号通过两级内插滤波，由此提高信息采样率，然后与中频本振混频完成DUC(上变频)，最后经过数模转换输出模拟中频信号。该模拟中频信号通过信号发射模块转变为射频信号，并发送给接收端。

在接收端，下变频模块将经信号接收模块接收到的射频信号进行模数转换，得到数字中频信号，将其与中频本振混频，经过两级滤波抽取，由此降低数据率，从而完成DDC(下变频)，得到基带信号。下行基带处理模块对接收到的基带信号进行处理，得到帧数据，然后发送至下行数据主控模块。下行数据主控模块将接收到的帧数据进行缓冲合并，得到机载通信数据，并将其输出至机载通信接收终端。

上述过程中，上行基带处理模块对通信数据的基带处理过程可以采取如下步骤：

(1)信道编码，

(2)数字调制，

(3)频率交织，

(4)导频插入，

(5)频偏间隔NULL插入，

(6)OFDM调制，

(7)加入循环前缀，

(8)并串转换和加入空符号；

下行基带处理模块对接收到的基带信号的处理过程可以采取如下步骤：

(1)符号同步，

(2)分数载波频偏同步，

(3)串并转换，

(4)去掉循环前缀，

(5)OFDM解调，

(6)整数载波频偏同步，

(7)信道估计，

(8)解交织，

(9)数字解调，

(10)信道解码。

较佳的，为了达到较好的通信效果，上行基带处理模块和下行基带处理模块均同时满足以下要求：

(1)子载波间隔：要求大于等于6KHZ；

(2)导频插入间隔数：要求大于等于2，且小于等于5；

(3)数字调制方式：要求采用QAM映射方式。

有益效果

本发明提出的一种基于OFDM技术的机载高速通信系统，对比已有技术，能够有效的提高通信质量，提高系统的抗衰落性，提高通信系统的可靠性，并在此基础上提高通信速率，同时提高接收机快速完成数据的解码解调的能力，具有在大多普勒频移变化率和多径环境下实现远距离高速航空通信的优良效果。

附图说明

图1为本发明系统框图；

图2为发射端上行基带处理详细流程图；

图3为接收端下行基带处理详细流程图；

图4为信道编码器示意图；

图5为Gray编码的16QAM映射图；

图6为为梳状导频插入间隔示意图；

图7为导频映射采用的QPSK方式示意图；

图8为频偏间隔NULL插入示意图；

图9为加入循环前缀示意图；

图10为上变频流程图；

图11为下变频流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施方式做详细说明，

一种基于OFDM技术的机载高速通信系统，如图1所示，包括发射端和接收端。其中，

发射端由上行数据主控模块、上行基带处理模块、上变频模块、信号发射模块构成；

接收端由下变频模块、下行基带处理模块、下行数据主控模块、信号接收模块构成。

通过对机载通信系统的信道特性对应的多径时延和多普勒扩展分析研究，设定基于OFDM技术的机载高速通信系统的要求满足的参数如下：

OFDM一帧数据由两部分组成：分别是一个空符号(NULL Symbol)和L＝17个OFDM符号，其中：

NULL Symbol数         NS＝224

有用子载波数          K＝162

导频插入间隔数        ΔP＝3

导频数                P＝54

循环前缀数            C＝32

频偏间隔NULL载波数    M＝40

子载波间隔            Δf＝8KHz

傅立叶变换点数        N＝256

数据采样率                f_m＝2.048MHz

OFDM一帧数据总长度为      NS+(K+P+M+C)×17＝5120点；

分帧处理数据量            K×2×L＝5508个比特

卷积编码采用(2，1，7)译码采用维特比译码

数字调制方式              采用16QAM映射

基带信号数据率            2MHz

基带信号带宽              1.8MHz

模拟中频信号中心频率      24.384MHz

模拟中频信号带宽          1.8MHz

为了方便说明本发明系统的数据流程，定义数据矩阵[m，n]，即表示m行n列的数据排列格式。

上行数据主控模块采用ARM(Advanced RISC Machines)微处理器实现，用于完成通信数据的输入及分帧处理，即按照分帧处理数据量输出帧数据。

上行基带处理模块采用DSP(digital signal processor)微处理器实现，用于完成通信数据的基带处理，即，对接收到的帧数据进行处理，得出基带信号。

上变频模块采用FPGA(Field-Programmable Gate Array)可编程器件、D/A(数模转换器)实现，用于完成基带信号的数字上变频，并将输出的数字中频信号转换为模拟中频信号。

信号发射模块采用射频放大电路和航空发射天线实现。

信号接收模块采用射频接收电路和航空接收天线实现。

下变频模块采用FPGA(Field-Programmable Gate Array)可编程器件、A/D(模/数转换器)实现，用于将模拟中频信号转换为数字中频信号，并完成数字中频信号的数字下变频。

下行基带处理模块采用DSP(digital signal processor)微处理器实现，用于完成通信数据的基带处理，即，对接收到的基带信号进行处理，得出帧数据。

下行数据主控模块采用ARM(Advanced RISC Machines)微处理器实现，用于完成通信数据的输出，即，接收帧数据缓冲合并输出至机载通信接收终端。

上述组成部件间的连接关系为：

机载通信发射终端通过UDP(用户数据报协议)与上行数据主控模块相连，上行数据主控模块通过HPI(主机接口)与上行基带处理模块相连，上行基带处理模块通过MCBSP(多通道缓冲串行接口)与上变频模块相连，上变频模块通过SMA线连接至信号发射模块；

信号接收模块通过SMA线连接至下变频模块，下变频模块通过MCBSP与下行基带处理模块相连，下行基带处理模块通过HPI与下行数据主控模块相连，下行数据主控模块通过UDP与机载通信接收终端相连。

本系统的信号转换关系如下：

首先，在发射端，上行数据主控模块接收来自机载通信发射终端的机载通信数据，并对数据进行分帧处理。即，按照系统设计的帧结构，将接收来自机载通信发射终端的数据进行分帧处理，输出帧数据。其中，帧数据大小为5508个比特。

然后，将帧数据输出至上行基带处理模块进行处理，得到基带信号，并将基带信号输出至上变频模块。对帧数据处理的过程如图2所示，具体如下：

步骤201、信道编码采用卷积编码(2，1，7)方式，约束长度为7，编码器的生成多项式为[133，171]，编码后输出帧数据大小为11016个比特，每个OFDM符号为648个比特，输出数据矩阵[648，17]，信道编码器示意图如图4所示；

步骤202、数字调制采用16QAM映射方式，即对4个比特进行16QAM的映射。采用gray编码的QAM映射方式，减低误码率。原来每个OFDM符号的648个比特，就映射成了162个16QAM的复数信号构成有用子载波，输出数据矩阵[162，17]，其取值分布为：±1±j，±1±3j，±3±j，±3±3j；Gray编码的16QAM映射图如图5所示；

步骤203、频率交织是将帧数据按照一定的规则，分配在相应的载波上传送，以利于修正由频率选择性造成的突发错误。其交织规则可以随机设定，数据矩阵没有变化；

步骤204、导频插入图案采用梳状，导频插入间隔为ΔP＝3个子载波大小，如图6所示。利用L×P×2＝1836点的伪随机二进制比特序列映射成一帧中的所有导频信号，导频映射方式采用QPSK，其方式如图7所示，此时输出数据矩阵[216，17]；

步骤205、频偏间隔NULL插入的数量为补零的子载波数量，其插入位置为有用子载波的两端，构成每个OFDM符号的载波点数为N＝256，如图8所示，输出数据矩阵[256，17]；

步骤206、OFDM调制是采用CCS自带的内联函数实现IFFT，由于内联函数只有FFT，因此可通过对IFFT之前的数据求共轭再做FFT，对FFT之后的数据再做共轭，即实现了IFFT，输出时域离散的OFDM符号，下面的语句实现了16位数据的FFT的调用，

DSP_fft16x16t((const short*)w_DSP_fft16x16t，N，(short*)IFFT_in，(short*)IFFT_out)；采用DSP开发软件中内联函数DSP_fft16x16t完成256点的IFFT，将频域信号变换为时域信号，其中N为256；IFFT_in为FFT输入数据；IFFT_out为FFT输出数据；

步骤207、加入循环前缀是从OFDM符号尾部截取一段，加到该符号的前端，即将每个OFDM符号时域离散信号256个采样点的后32个采样点复制到前端，总输出采样点数N+C＝288，如图9所示，此时输出数据矩阵[288，17]；

步骤208、并串转换完成IFFT后时域离散信号的顺序输出，即288×17＝4896点；

步骤209、加入空符号NULL Symbol，输出一帧数据4896+224＝5120点。

之后，根据系统中射频端设定输入的模拟中频信号的中心频率为24.384MHz，采用D/A的采样率为64MHz，通过32倍内插滤波实现基带信号2MHz采样率的提高，即第一级采用4倍内插滤波，第二级采用8倍内插滤波。然后与FPGA中的DDS(数字频率合成器)产生24.384MHz的本振信号混频得到数字中频信号，最后通过D/A输出模拟中频信号。上变频流程如图10所示。

在接收端，在下变频模块中，设定A/D采样率为32MHz，A/D输出的数字中频信号与FPGA中的DDS产生虚部取反的7.616MHz本振信号混频后输出采样率为32MHz的基带信号。同样考虑采取两级滤波抽取降低采样率，即两级都采用4倍滤波抽取，采样率为32MHz基带信号采样率降至2MHz输出，得到基带信号。下变频部分流程如图11所示。

随后，下行基带处理模块对接收到的基带信号进行处理，得到帧数据，然后发送至下行数据主控模块。对对接收到的基带信号处理过程如图3所示，具体如下：

步骤301、符号同步是采用传统双滑动窗基础法，利用两个连续的长度为224采样点的时域滑动窗来计算窗内的采样点的能量，然后计算两个窗的能量比值，当一个窗是空符号而另一个窗是有用数据时比值最大，通过该方法就可以找到帧基带信号的帧头；

步骤302、分数载波频偏同步是利用保护间隔中的循环前缀信号与该码元的尾端信号相同的特点来计算分数载波频偏；输出一帧数据5120点，分数载波频偏可以用下式计算：

$f_f=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\arg \{\underset{m=1}{\overset{C}{\mathrm{\Σ}}}i{q}_{-m}{e}^{-j2\mathrm{\π\θm}/N}\×{\mathrm{iq}}_{K-m}^{*}{e}^{j2\mathrm{\π\θ}(N-m)/N}\}$

$=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\arg \left\{\underset{m=1}{\overset{C}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{j2\mathrm{\π\θ}}\right\}$

f_f为分数频偏占子载波的比例大小，f_f的范围为对应的分数频偏为其中Δf为子载波间隔8KHz。

C为每个OFDM符号循环前缀的采样点个数32

iq_-me^-j2πθm/N为接收到的每个OFDM符号前C个采样点(循环前缀)的值；

iq_K-m ^*e^{j2πθ(N-m)/N}为接收到的每个OFDM符号后C个采样点的值的共轭；

N为做傅立叶变换的长度。

频偏估计值得到之后进行细频偏补偿，公式为：

${\mathrm{cr}}_m={\mathrm{iq}}_m\×e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{f}m/N}$

上式中cr_m为细频偏补偿完之后的采样点值；

iq_m为细频偏补偿之前采样点的值；

f_f为频偏值与子载波间隔之比，大小为

对应的实际频偏为

Δf为子载波间隔；

N为做傅立叶变换的长度256；

m为一帧的第m个采样点，范围为0≤m≤5120；

步骤303、串并转换将一帧串行的时域信号恢复成做FFT前的数据并行结构，即删除224点的空符号后输出数据矩阵[288，17]；

步骤304、去掉保护间隔即去除C＝32点循环前缀输出256点数据，输出数据矩阵[256，17]，准备OFDM解调；

步骤305、OFDM解调采用CCS自带的内联函数实现FFT，输出频域OFDM符号，下面的语句实现了16位数据的FFT的调用：

DSP_fft16x16t((const short*)w_DSP_fft16x16t，N，(short*)FFT_in，(short*)FFT_out)；N为256，FFT_in为FFT输入数据，FFT_out为FFT输出数据；

步骤306、整数载波频偏同步采用基于频域的双滑动窗大范围频偏校准方法并配合采用导频信号进行频偏修正的频率同步方法进行整数频偏估计，采用基于顺序移位的频域补偿方法完成频偏校正，去除左右共M＝40个点频偏间隔NULL，输出数据矩阵[216，17]；可参考专利：《一种基于机载通信OFDM技术的整数载波频偏同步方法》，作者：安建平，薛斌；

步骤307、信道估计采用传统变换域方法即对提取的导频信号进行内插滤波完成整个机载通信信道的信道估计，数据矩阵去除了P＝54个导频信号后输出为[162，17]；

步骤308、解交织完成频率交织的逆过程，即按照频率交织的映射方式对接收端数据进行逆映射，输出数据矩阵仍为[162，17]；

步骤309、数字解调采用Gray解码的QAM逆映射方式完成一帧数据的16QAM的解调，输出数据矩阵为[648，17]；

步骤310、信道解码完成一帧数据(2，1，7)维特比译码输出帧数据，帧数据总大小为648/2×17＝5508个比特。

最后，下行数据主控模块将接收到的帧数据进行缓冲合并，得到机载通信数据，并将其输出至机载通信接收终端。

虽然结合了附图描述了本发明的实施方式，但是对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1、一种基于OFDM技术的机载高速通信系统，其特征在于，包括由上行数据主控模块、上行基带处理模块、上变频模块、信号发射模块构成的发射端，和由下变频模块、下行基带处理模块、下行数据主控模块、信号接收模块构成的接收端；

各个组成部分的功能如下：

上行数据主控模块用于完成通信数据的输入及分帧处理；上行基带处理模块用于完成通信数据的基带处理；上变频模块用于完成基带信号的数字上变频，并将输出的数字中频信号转换为模拟中频信号；信号发射模块负责将模拟中频信号转换为射频信号并发射给接收端；

信号接收模块负责将接收到的射频信号转换为模拟中频信号；下变频模块用于将模拟中频信号转换为数字中频信号，并完成数字中频信号的数字下变频；下行基带处理模块用于完成通信数据的基带处理；下行数据主控模块用于成通信数据的输出；

各组成部分间的连接关系如下：

在发射端，上行数据主控模块分别与上行基带处理模块和外部的机载通信发射终端相连；上行基带处理模块同上变频模块相连；上变频模块同信号发射模块相连；

在接收端，信号接收模块同下变频模块相连；下变频模块同下行基带处理模块相连；下行基带处理模块同下行数据主控模块相连；下行数据主控模块与外部的机载通信接收终端相连；

本系统的信号转换过程如下：

首先，在发射端，上行数据主控模块接收来自机载通信发射终端的机载通信数据，并对数据进行分帧处理；然后，将处理后的数据输出至上行基带处理模块进行处理，得到基带信号，并将基带信号输出至上变频模块；上变频模块将接收到的基带信号通过两级内插滤波，然后与中频本振混频，最后经过数模转换输出模拟中频信号；该模拟中频信号通过信号发射模块转变为射频信号，并发送给接收端；

在接收端，下变频模块将经信号接收模块接收到的射频信号进行模数转换，得到数字中频信号，将其与中频本振混频，经过两级滤波抽取，得到基带信号；下行基带处理模块对接收到的基带信号进行处理，得到帧数据，然后发送至下行数据主控模块；下行数据主控模块将接收到的帧数据进行缓冲合并，得到机载通信数据，并将其输出至机载通信接收终端。

2、如权利要求1所述的一种基于OFDM技术的机载高速通信系统，其特征在于：

上行基带处理模块对通信数据的基带处理过程如下：

(1)信道编码，

(2)数字调制，

(3)频率交织，

(4)导频插入，

(5)频偏间隔NULL插入，

(6)OFDM调制，

(7)加入循环前缀，

(8)并串转换和加入空符号；

下行基带处理模块对接收到的基带信号的处理过程如下：

(1)符号同步，

(2)分数载波频偏同步，

(3)串并转换，

(4)去掉循环前缀，

(5)OFDM解调，

(6)整数载波频偏同步，

(7)信道估计，

(8)解交织，

(9)数字解调，

(10)信道解码。

3、如权利要求1所述的一种基于OFDM技术的机载高速通信系统，其特征在于，上行基带处理模块和下行基带处理模块均同时满足以下要求：

(1)子载波间隔：要求大于等于6KHZ；

(2)导频插入间隔数：要求大于等于2，且小于等于5；

(3)数字调制方式：要求采用QAM映射。

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