CN104253641A

CN104253641A - 利用海浪特征信息的分集接收机

Info

Publication number: CN104253641A
Application number: CN201410485528.2A
Authority: CN
Inventors: 龚晓春
Original assignee: Harbin Institute of Technology Weihai
Current assignee: Harbin Institute of Technology; Harbin Institute of Technology Weihai
Priority date: 2014-09-22
Filing date: 2014-09-22
Publication date: 2014-12-31

Abstract

本发明公开了一种利用海浪特征信息的分集接收技术。为克服海面超视距通信中的多径干扰问题，本发明利用海浪特征信息，实现时间和频率的分集接收。本发明的基本方案包括现场可编程门阵列FPGA，微处理器，风速风向传感器和导航仪等。由于利用了海浪的特征信息，本发明可以有效地利用多径信号，提高接收机分集增益，进而改善海面超视距通信的通信稳定性并降低通信误码率。

Description

利用海浪特征信息的分集接收机

技术领域

本发明属于电子通信技术领域，涉及海浪特征识别和通信分集接收技术。具体来说是提取海浪特征信息为通信分集接收机提供多径信道信息，以改善海面超视距通信质量。

背景技术

由于无法自由地在海洋中设立通信基站，海上移动通信的一个显著要求是支持远距离通信。当通信距离超出视距范围时，形成超视距通信。

海上超视距通信可分为天波、地波超视距通信以及卫星通信。其中地波超视距通信是利用电波的绕射效应，沿海面传播，最终抵达通信接收方。

考虑到海浪和地球曲率的影响，超视距通信过程中接收到的电波一般都不是直达电波，电波都是经过多次绕射和反射的路径后到达接收机。由于缺乏直达波，接收机只能选择信号强度稍高的路径信号，影响通信的稳定性；而且不同路径的电波叠加在一起，在接收机端形成多径干扰，降低了通信质量。

分集接收技术可以合并接收多径信号，化干扰为有利，从而改善接收信号强度，是目前对抗多径干扰的有效方法。分集接收可以是时间分集、频率分集、极化分集以及空间分集等，根据移动通信环境中多径干扰信号的特点，可以设计相应的分集接收方法。

码分多址（CDMA）系统接收机采用了RAKE分集接收技术，通过延时和相位校正，将幅度大于噪声背景的多径信号合成，增强了接收信号。不过当电波路径超过8条时，实验表明，RAKE接收机无法准确跟踪信道，通信质量迅速下降。在进行海上超视距通信时，海浪和地球曲率是造成电波多径传播的主要原因。这些多径信号对接收机影响很大，导致通信质量时好时坏，有必要研究适应海上超视距通信的分集接收机，使之能够准确跟踪海上通信信道。

发明内容

本发明鉴于上述技术背景实现，目的在于对现有RAKE分集接收机存在的问题加以研究，提出一种利用海浪特征信息的分集接收通信技术。其新颖性在于引入风速、风向、风区等参数来估算海浪通信信道的相干时间，可更好地实现时间分集；同时估算Bragg峰的频谱位置，对多径信号进行频率分集。本发明使得分集接收机更好地跟踪信道的变化，从而提高海上超视距通信质量。

实验表明，当电波在海面传播时，电波与海浪之间存在反射、绕射等现象。这些多径传播现象造成通信信号的畸变，即时间扩展和频率扩展。当电波到达通信接收机后，只有准确估算这种畸变才能实现分集接收。现有分集接收机不具备这种能力，以CDMA2000为例，其码片速率1.2288Mcps，对应一个码片时间T _c（813.802ns），RAKE分集接收机只是对接收信号进行码片延时处理，再与扩频码进行相关运算，没有对海浪造成的通信信号畸变进行估算，以自动修正码片延时参数或是调整码片速率。如果通信信号的时间扩展小于或者远大于T _c时，分集接收能力下降很大。另外，由于电波与海浪相互作用，通信信号相对载频位置产生多普勒频移（Bragg峰），再考虑海流的影响，可以进一步修正这一频偏。在通信接收端，Bragg峰既可以认为是一种强干扰，也可以认为是在不同载频上的同一信号。现有的分集接收机也不具备频率分集Bragg峰的功能，其频率分集能力没有得到充分利用。

针对现有分集接收机技术的不足，本发明设计了具有多径信道估算功能的分集接收机。由于风速、风向、风区等参数与海浪的周期与幅值存在相对稳定的关系（文圣常，余宙文. 海浪理论与计算原理. 北京：科学出版社，1984. 276~507），而动态海浪的周期和幅值影响着通信信道的时间相干特性和频移特性，所以可以由风速、风向、风区等信息估算出海面通信信道的相干时间以及Bragg峰所处的频率位置。据此，分集接收机可以自动修正码片延时参数，以跟踪海上通信信道的变化；同时可以频率分集接收Bragg峰的信号，充分利用分集接收能力。所以，本发明可以达到提高分集增益，进而改善海面超视距通信的通信稳定性。

本发明的技术方案是：前期进行海上信道测试实验，要求在几种典型海浪条件下实验。在系统设计阶段，在微处理器ARM Cortex-M1中为海浪多径信道模型建模，以此为基础实现多径信道跟踪器；采用Xilinx赛灵思公司的FPGA Virtex-7 2000T设计分集接收机，结合Cortex-M1实现多径信道跟踪器。在系统集成阶段，集成射频通信电路、FPGA、基带解码电路以及风速风向传感器和导航仪，形成闭环控制的分集接收机。

前期实验时，将船只行驶至若干设定海上通信距离处，用三杯风速风向传感器（型号：YGC-FSFS）结合GPS导航仪AS-216M测定当前风速、风向以及风区，根据文氏风浪谱理论估算当前海浪周期与峰值幅度，并与实际的海浪参数比较，用回归分析法拟合并修正理论估算的参数。

测定当前海浪通信信道的相干时间和Bragg峰值所在位置。用几种典型的码片速率发射信号，用RAKE分集接收机测量各路径的接收信号强度，以此确定在几种典型海浪条件下，在一定距离上通信的相干时间；同时用场强仪结合频谱分析仪测定接收信号频谱，确定在特定海浪条件下，Bragg峰所处的频偏位置。

在系统设计阶段，用C语言将风速、风向以及风区与海浪信道相干时间、Bragg峰对应数据做成表，该表可以作为海浪多径信道模型。在微处理器ARM Cortex-M1上实现该模型，并调试运行。在FPGA上编写分集接收机，FPGA选择赛灵思公司的FPGA Virtex-7 2000T，分别编写可调延时器、相关器以及合成器。将Cortex-M1软核移植到FPGA中，用海浪多径信道模型的输出调节本振的频率参数，使得中频信号通过混频器后可以分离出Bragg峰的信号分量，实现频率分集接收；同时用海浪多径信道模型的输出调节延时器的延时时间，实现时间分集接收，达到提高接收机分集增益的目的。

在系统集成阶段，集成射频通信电路、FPGA、基带解码电路以及风速风向传感器和导航仪。射频通信电路和基带解码电路沿用CDMA2000的设计。

射频通信电路的输入与天线连接，输出中频信号至混频器，中频信号与本振信号混频后输出基带信号，该基带信号通过低通滤波器和A/D转换完成模拟信号到数字信号的转换。A/D转换后的数字信号送入FPGA数据输入端；三杯风速风向传感器和GPS导航仪作为传感单元，输入端开路，输出端与FPGA输入端连接；FPGA输出端与基带解码电路的输入端连接；基带解码电路的输出连接扬声器。

本发明的有益效果是，可以在多径效应显著的超视距海上通信应用中，提高接收机分集增益，进而改善海面超视距通信的通信稳定性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是分集接收机结构图。

图2是分集接收机工作原理图。

图中1.天线，2.射频通信电路，3. 本振，4. 混频器，5.低通滤波器，6.A/D转换，7. FPGA Virtex-7 2000T，8.可调延时器，9.相关器，10.合成器，11. 三杯风速风向传感器YGC-FSFS，12. GPS导航仪AS-216M， 13. 微处理器ARM Cortex-M1，14. 海浪多径信道模型，15.基带解码电路，16.扬声器。

具体实施方式

在图1中，天线（1）的输出与射频通信电路（2）的输入连接；射频通信电路（2）输出中频信号，该中频信号与本振（3）信号一起进入混频器（4）；混频器（4）的输出连接低通滤波器（5）的输入端；低通滤波器（5）的输出端与A/D转换（6）的输入端连接；A/D转换（6）的输出端与FPGA（7）的输入端连接；三杯风速风向传感器（11）与GPS导航仪（12）读取海面上方风速、风向和风区信息，通过RS485总线与微处理器（13）连接，连接电缆为三根铜线，一根为地线，另外两根为差分信号线；微处理器（13）估算来自三杯风速风向传感器（11）与GPS导航仪（12）的数据，生成海浪多径信道模型（14）；海浪多径信道模型（14）是微处理器中的一个表；将微处理器（13）的软核下载到FPGA（7）中，FPGA（7）输出端与基带解码电路（15）的输入端连接；基带解码电路（15）的输出连接扬声器（16）。

在图2中，当系统上电工作后，微处理器（13）读取海浪多径信道模型（14）中的参数，通过3根信号线连接至本振（3）的输入端，调节本振（3）的振荡频率，通过混频器（4）分离出频率偏移后的信号分量；A/D转换（6）的输出端连接可调延时器（8）的输入端；微处理器（13）通过8根信号线连接至各个可调延时器（8）的输入调节端，调整延时参数；可调延时器（8）的输出连接相关器（9）的输入，相关器（9）的另一个输入端与基带解码电路（15）的伪随机码输出端相连，实现相关运算。各个相关器（9）的输出连接至合成器（10）的输入端，合成器（10）的输出端与基带解码电路（15）的输入端相连接。

Claims

1.一种利用海浪特征信息的分集接收机，同时具备时间和频率的分集接收，它包括天线（1），射频通信电路（2），本振（3），混频器（4），低通滤波器（5），A/D转换（6），FPGA（7），三杯风速风向传感器（11），GPS导航仪（12），微处理器（13），基带解码电路（15）和扬声器（16）；其中FPGA（7）包括了微处理器（13）软核，可调延时器（8），相关器（9）和合成器（10）；其特征是增加微处理器（13）估算来自三杯风速风向传感器（11）与GPS导航仪（12）的数据，生成海浪多径信道模型（14），获得海上通信信道的相干时间和频率偏移信息，进而调节本振（3）以分离出频率偏移后的信号分量，实现频率分集接收；调整可调延时器（8）的延时参数，实现时间分集接收。

2.根据权利要求1所述的一种利用海浪特征信息的通信分集接收机，其特征是：微处理器（13）选择ARM Cortex-M1，海浪多径信道模型（14）是微处理器中的一个表；FPGA（7）选择Virtex-7 2000T；将微处理器（13）和海浪多径信道模型（14）直接下载到FPGA（7）中。

3.根据权利要求1所述的一种利用海浪特征信息的通信分集接收机，其特征是：微处理器（13）通过3根信号线连接至本振（3）的输入端，调节本振（3）以分离出Bragg峰的信号分量；微处理器（13）通过8根信号线连接至各个可调延时器（8）的输入调节端，调整延时参数。