CN112929313A - 一种临近空间毫米波无线传输方法 - Google Patents

一种临近空间毫米波无线传输方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112929313A
CN112929313A CN202110146686.5A CN202110146686A CN112929313A CN 112929313 A CN112929313 A CN 112929313A CN 202110146686 A CN202110146686 A CN 202110146686A CN 112929313 A CN112929313 A CN 112929313A
Authority
CN
China
Prior art keywords
millimeter wave
frequency
signal
wireless transmission
transmission
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202110146686.5A
Other languages
English (en)
Inventor
程龙
易志立
岳光荣
王志强
刘宁
于飞
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Electronic Science and Technology of China
Original Assignee
University of Electronic Science and Technology of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Electronic Science and Technology of China filed Critical University of Electronic Science and Technology of China
Priority to CN202110146686.5A priority Critical patent/CN112929313A/zh
Publication of CN112929313A publication Critical patent/CN112929313A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L27/00—Modulated-carrier systems
    • H04L27/18—Phase-modulated carrier systems, i.e. using phase-shift keying
    • H04L27/20—Modulator circuits; Transmitter circuits
    • H04L27/2032—Modulator circuits; Transmitter circuits for discrete phase modulation, e.g. in which the phase of the carrier is modulated in a nominally instantaneous manner
    • H04L27/2053—Modulator circuits; Transmitter circuits for discrete phase modulation, e.g. in which the phase of the carrier is modulated in a nominally instantaneous manner using more than one carrier, e.g. carriers with different phases
    • H04L27/206—Modulator circuits; Transmitter circuits for discrete phase modulation, e.g. in which the phase of the carrier is modulated in a nominally instantaneous manner using more than one carrier, e.g. carriers with different phases using a pair of orthogonal carriers, e.g. quadrature carriers
    • H04L27/2067—Modulator circuits; Transmitter circuits for discrete phase modulation, e.g. in which the phase of the carrier is modulated in a nominally instantaneous manner using more than one carrier, e.g. carriers with different phases using a pair of orthogonal carriers, e.g. quadrature carriers with more than two phase states
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L25/00—Baseband systems
    • H04L25/02—Details ; arrangements for supplying electrical power along data transmission lines
    • H04L25/03—Shaping networks in transmitter or receiver, e.g. adaptive shaping networks
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L27/00—Modulated-carrier systems
    • H04L27/18—Phase-modulated carrier systems, i.e. using phase-shift keying
    • H04L27/22—Demodulator circuits; Receiver circuits

Abstract

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种临近空间毫米波无线传输方法。本发明提出了一种临近空间毫米波“波谷”无线传输技术，可应用于临近空间毫米波无线传输系统。该方法包含Hamming编解码部分、MMSE均衡算法部分和信号合并部分。先对信号进行Hamming编码，将一路信息分四路传输，充分利用毫米波信号在临近空间的“波谷”损耗特性进行有效传输。并在此基础上采用MMSE均衡算法，使得发端信号与均衡器输出信号的均方误差最小，从而降低误比特率。最后在接收端将四路信号合并，通过均衡和编码的结合，可以使频谱搬移后的传输性能与搬移前的性能相媲美，因此本发明可以获得良好的临近空间毫米波传输性能。

Description

一种临近空间毫米波无线传输方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种临近空间毫米波无线传输方法。
背景技术
一般我们称距离地面20～100km的空间区域为临近空间，临近空间的海拔高度，超出了目前绝大多数的地面武器的攻击范围，而且临近空间具有极大的军事开发应用价值，如情报收集、侦查监测和对空对地作战等。随着通信的快速发展，人们对通信速率和通信可靠性的要求越来越高，但频谱资源越来越紧张，低频段的频谱十分拥挤，因此，人们将目光投向频段更高的频谱资源。60GHz频段及其附近拥有丰富的频谱资源，中国将59-64GHz毫米波范围划为免许可的频段。相比于低频段无线通信，60GHz频段的无线通信具有速率高、距离短、方向性强、安全性高等特点。
毫米波在大气中会因为反射、折射、绕射引起衰减。毫米波在大气中吸收衰减还与很多因素有关，但氧气和水蒸气是毫米波吸收和散射的主要原因。当气体分子由高能级到低能级发生跃迁时会吸收毫米波的能量，但是气体分子对毫米波的吸收不是连续平稳的吸收，而在某些频率上的衰减突然之间增大，总结这些频率点就叫谐振频率点，通常在毫米波谱中叫吸收谱线。50-70GHz频带信号在大气中整体衰减的特点最能体现60GHz传播特性，特别是大气中氧分子对于这个频段的重大影响。随着海拔的上升，损耗曲线逐渐变得崎岖不平，有多个“波峰”和“波谷”，而且损耗值也逐渐变小，这是因为随着海拔的上升，氧气和水蒸气含量逐渐变小，大气气体对毫米波的吸收逐渐变少。传统的毫米波通信技术忽略了“波峰”“波谷”的衰减特性，直接在整个频段上进行信号的传输，但实际上如果利用好了这种特性，可以获得更好的传输性能。
发明内容
本发明目的在于设计一种性能较好的毫米波“波谷”通信技术与频谱搬移的补偿方法以应用到实际的临近空间高度毫米波无线传输系统中。考虑到传统的毫米波会受到氧气和水蒸气吸收的影响，随着海拔上升，氧气和水蒸气含量逐渐变小，大气气体对毫米波的吸收逐渐变少，损耗曲线逐渐变得崎岖不平，产生多个“波峰”和“波谷”，信号损耗也逐渐变小。因此在临近空间采用毫米波无线传输是有必要的，且需要利用好“波谷”损耗率小的特点，选取合适的频段整合成一个宽频段进行无线传输。基于此，本发明提出了一种临近空间毫米波“波谷”无线传输技术。
本发明将一路信息分多路进行传输，这多条信道分别为临近空间毫米波损耗曲线的“波谷”所在频段，最终将多路信道合并为一条信道。并且在Hamming编解码的基础上，添加MMSE均衡算法，使得最终的传输性能得到很大改善。
本发明的技术方案是，一种临近空间毫米波无线传输方法，用于临近空间毫米波无线传输系统，包括以下步骤：
S1、对传输信号进行Hamming编码；
S2、获取时域信道，具体包括：
结合目标临近空间的大气气体物理参数，获取目标临近空间内59-64GHz免许可频段内的损耗曲线，并分别将表现出波谷特性的损耗曲线依次编号，记录每个波谷对应的中心频点；选择出多个编号，以其对应的中心频点结合相同的带宽构成频段，对选择出的中心频点中，通过对其中部分中心频点进行频谱搬移的方式，实现相邻中心频点等间隔，以便于硬件实现；根据频谱搬移后的所有中心频点频率，进行复数傅里叶变换得到相应的时域信道；
S3、对编码后的信号进行A方式QPSK调制，然后采用α＝0.25的根升余弦滚降滤波器进行成型滤波；
S4、根据获取的时域信道，将调制后的信号分成对应的多路通道进行传输；
S5、在传输后，同样用α＝0.25的根升余弦滚降滤波器作为匹配滤波器，并使用MMSE均衡，MMSE均衡器的频域表达式为：
Figure BDA0002930741230000021
其中，[·]*是取共轭，N0代表噪声的单边功率谱密度，f代表信号频率，T是信号采样周期，H(f)是信道的频域表达式，经过MMSE均衡后的最终输出频域信号为:
yout(f)＝y(f)F(f)
其中，y(f)是匹配滤波后的频域输出，yout(f)即为最终的频域输出信号。最终，yout(f)经过傅里叶逆变换，变换到时域进行解调，解调出的多路信号按照编号的顺序进行拼接合并为完整的接收信号，再经过Hamming解码输出。
本发明主要应用于临近空间高度毫米波无线传输系统，其优势在于：本发明所提出的毫米波“波谷”无线传输技术可以避开毫米波衰减比较大的频段，对优势频段进行整合，提升传输性能；本发明所提出的毫米波无线传输技术中，进行频谱搬移，结合MMSE均衡算法与Hamming编码对通信性能进行改善，在频谱搬移后，针对性能明显变差的情况，通过MMSE均衡和Hamming编码起到了很好的性能改善作用；此技术原理简单，硬件实现也比较容易。虽因为添加MMSE均衡算法与Hamming编码，增加了计算复杂度，但通信性能大大提升，在频谱搬移后的性能甚至能跟搬移前相媲美。
附图说明
图1为30km海拔59-64GHz频段损耗曲线；
图2为本发明所提出的临近空间毫米波“波谷”传输系统框图；
图3为本发明中频谱搬移前后，通过四路信道传输并聚合与仅进行编码的传输在QPSK系统下误比特率结果对比；
图4为本发明中加上Hamming编码与MMSE均衡算法后的四路信道在QPSK调制下的误比特率结果；
图5为本发明所提出的临近空间毫米波“波谷”无线传输系统在QPSK调制下进行频谱搬移前后的平均误比特率对比，以及与不加均衡的传输性能对比。
图6为本发明中信号合并示意图。
具体实施方式
下面结合实施例详细描述临近空间毫米波“波谷”无线传输技术的实现步骤：
实施例
本例中，选用建议书ITU-R P.835-5中的平均年度全球参考大气，然后通过建议书ITU-R P.676-10中叠加分子谐振线的方法，得到30km高度(属于临近空间)，59-64GHz免许可频段内的损耗曲线，如图1所示，然后通过最小相位条件假设，通过幅度谱得到相位谱，进而得到完整的频域信息，通过复数基带傅里叶变换得到时域信道。将信号进行Hamming编码和QPSK调制，在接收时添加MMSE均衡算法，然后进行解调和解码。
如图2所示，本例包括以下步骤：
1、将信号进行Hamming编码：
一个线性分组码可以写成(N，K)的形式，其中N表示码字的总长度，k表示有效信息位数。汉明码(Hamming Code)是具有一位纠错能力的线性分组码，是一个可以有多个校验位，具有检测并纠正一位错误代码的纠错码，所以它也仅用于信道特性比较好的环境中，由于本例中的信道比较理想，所以本例采用的是(15，11)Hamming码，即N＝15，k＝11，其校验码位数r＝4。其中N表示添加校验码后整个信息的二进制位数，k代表其中的有效信息位数，r表示添加的校验码位。
2、频谱搬移：
在编码后将一路信号分为四路进行传输。
在59-64GHz免许可频段范围内，千米损耗率在0.1dB以下的共有七个完整的“波谷”，分别对其编号No.1、No.2、No.3、No.4、No.5、No.6和No.7。为了方便硬件实现以及获取比较良好的传输性能，本例选取编号No.2、No.3、No.4、No.5的四个“波谷”进行传输。具体为：
本例分别选取以59.932GHz、60.818GHz、61.484GHz、62.089GHz为中心频点，带宽均为300MHz的频段进行传输，共计1.2GHz的带宽。在本例中，由于“波谷”间不是等间隔的，因此为了方便硬件实现，将编号No.3、No.4进行中心频点的搬移，即将中心频点由60.818GHz、61.484GHz搬移到60.651GHz、61.370GHz。
由于本发明的系统是最小相位系统，可以通过幅度谱|H(jω)|得到完整的频域信息，进而通过傅里叶变换得到时域信息。因此本发明将中心频点60.818GHz，带宽300MHz的频段通过频谱搬移，将频谱搬移到60.651GHz为中心频点的频段上，再进行复数傅里叶变换得到相应的时域信道h(t)，对中心频点61.484GHz的频段也是如此处理。
搬移前后的四个损耗波谷如下：
Figure BDA0002930741230000041
Figure BDA0002930741230000051
3、对编码后的信号进行A方式QPSK调制，其后跟一个滚降因子α＝0.25的根升余弦滚降滤波器进行成型滤波。
4、在传输后，同样用α＝0.25的根升余弦滚降滤波器作为匹配滤波器，并使用MMSE均衡：
MMSE均衡器的频域表达式：
Figure BDA0002930741230000052
经过MMSE均衡后的最终输出频域信号为：
yout(f)＝y(f)F(f)
最终，频域输出信号经过傅里叶逆变换，变换到时域进行解调，如图6所示，在利用四个“波谷”进行信号传输后，将四路信号合并为如图6所示的帧结构进行处理，再经过Hamming解码输出，实现1.2GHz带宽的传输。
上述实施例中，在临近空间高度，选取以59.932GHz、60.818GHz、61.484GHz、62.089GHz为中心频点，带宽均为300MHz的频段进行传输与传统毫米波传输系统相比，可以避开毫米波衰减比较大的频段，对优势频段进行整合，提升传输性能。
在本例中，进行频谱搬移，结合MMSE均衡算法与Hamming编码对通信性能进行改善。如图3-5所示，在频谱搬移后，其中两路的带宽缩减，性能明显变差，但MMSE均衡和Hamming编码起到了很好的性能改善作用，在Eb/N0＝9dB时，性能相差达20dB。
综上所述，本发明提出了一种临近空间毫米波“波谷”无线传输技术，可应用于临近空间高度毫米波无线传输系统。该传输链路包含Hamming编码模块、QPSK调制模块、MMSE均衡模块、解调模块以及Hamming解码模块。本发明可以很大程度上利用30km高度毫米波“波谷”衰减特性进行信号传输，并且其中的MMSE均衡算法与Hamming编码可以有效补偿频谱搬移的性能损失，使得在临近空间毫米波无线传输过程中，在QPSK调制下进行频谱搬移前后的误比特率达到最低。

Claims (1)

1.一种临近空间毫米波无线传输方法，用于临近空间毫米波无线传输系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对传输信号进行Hamming编码；
S2、获取时域信道，具体包括：
结合目标临近空间的大气气体物理参数，获取目标临近空间内59-64GHz免许可频段内的损耗曲线，并分别将表现出波谷特性的损耗曲线依次编号，记录每个波谷对应的中心频点；选择出多个编号，以其对应的中心频点结合相同的带宽构成频段，对选择出的中心频点中，通过对其中部分中心频点进行频谱搬移的方式，实现相邻中心频点等间隔，以便于硬件实现；根据频谱搬移后的所有中心频点频率，进行复数傅里叶变换得到相应的时域信道；
S3、对编码后的信号进行A方式QPSK调制，然后采用α＝0.25的根升余弦滚降滤波器进行成型滤波；
S4、根据获取的时域信道，将调制后的信号分成对应的多路通道进行传输；
S5、在传输后，同样用α＝0.25的根升余弦滚降滤波器作为匹配滤波器，并使用MMSE均衡，MMSE均衡器的频域表达式为：
Figure FDA0002930741220000011
其中，[·]*是取共轭，N0代表噪声的单边功率谱密度，f代表信号频率，T是信号采样周期，H(f)是信道的频域表达式，，经过MMSE均衡后的最终输出频域信号为:
yout(f)＝y(f)F(f)
其中，y(f)是匹配滤波后的频域输出，yout(f)即为最终的频域输出信号。最终，yout(f)经过傅里叶逆变换，变换到时域进行解调，解调出的多路信号按照编号的顺序进行拼接合并为完整的接收信号，再经过Hamming解码输出。
CN202110146686.5A 2021-02-03 2021-02-03 一种临近空间毫米波无线传输方法 Pending CN112929313A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110146686.5A CN112929313A (zh) 2021-02-03 2021-02-03 一种临近空间毫米波无线传输方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110146686.5A CN112929313A (zh) 2021-02-03 2021-02-03 一种临近空间毫米波无线传输方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112929313A true CN112929313A (zh) 2021-06-08

Family

ID=76167908

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110146686.5A Pending CN112929313A (zh) 2021-02-03 2021-02-03 一种临近空间毫米波无线传输方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112929313A (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106533831A (zh) * 2016-11-09 2017-03-22 乐视控股（北京）有限公司 用户的带宽使用的确定方法及系统
CN107294620A (zh) * 2017-06-21 2017-10-24 电子科技大学 基于最小相位系统的临近空间毫米波信道测量方法
WO2017184759A1 (en) * 2016-04-20 2017-10-26 Snaptrack, Incorporated Multiplexer with filters realized in different technologies
CN111896816A (zh) * 2020-08-10 2020-11-06 西安电子科技大学 基于远场平面扫描的毫米波辐射器近场辐射剂量测量方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017184759A1 (en) * 2016-04-20 2017-10-26 Snaptrack, Incorporated Multiplexer with filters realized in different technologies
CN106533831A (zh) * 2016-11-09 2017-03-22 乐视控股（北京）有限公司 用户的带宽使用的确定方法及系统
CN107294620A (zh) * 2017-06-21 2017-10-24 电子科技大学 基于最小相位系统的临近空间毫米波信道测量方法
CN111896816A (zh) * 2020-08-10 2020-11-06 西安电子科技大学 基于远场平面扫描的毫米波辐射器近场辐射剂量测量方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHENG LONG ET AL.: "Study of propagation characteristics of outdoor-to-indoor channel in 60-GHz band", 《JOURNAL OF COMMUNICATIONS AND INFORMATION NETWORKS》 *
刘宁: "临近空间毫米波高速通信关键技术研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100744618B1 (ko) 무선 다중 전송 시스템에 있어서의 신호 전송 방법 및송신기
EP0827652B1 (en) Digital communications on overlapping channels
CN1211366A (zh) 利用变数残存路径的码元解码方法和装置
CN100583707C (zh) 正交频分复用无线通信系统与信道补偿方法
EP2391020B1 (en) Method and device for efficient multi-user multi-variant parallel transmission
CN101228726A (zh) 用于正交频分复用中双载波变换的通用系统
US20090122890A1 (en) Ofdm dcm demodulation method
CN110855328B (zh) 一种基于天线分组的差分空间调制方法、设备及存储介质
US5311553A (en) Trellis coding technique to increase adjacent channel interference protection ratio in land mobile radio systems under peak power constraints
Gelgor et al. New pulse shapes for partial response signaling to outperform faster-than-Nyquist signaling
CN109842430A (zh) 多径信道下的LoRa调制信号解调方法
CN109274630A (zh) 抗频率选择性衰落的多载波信号矢量分集合并方法
CN104079517A (zh) 一种基于脉冲函数加权处理的连续相位调制实现方法
WO1993007688A1 (en) Viterbi equalizer for radio receiver
CN113472364B (zh) 一种多频段自适应遥测信号解调方法
CN112929313A (zh) 一种临近空间毫米波无线传输方法
US7519126B2 (en) Space-time block-coding (STBC) with multiple streams in orhogonal frequency division mulitplexing (OFDM) for wireless local area networks (WLAN) and error metrics for soft decision with channel information
CN109462429B (zh) 大规模多输入多输出毫米波系统的波束域调制装置及方法
Kandaurov et al. Signal-Code Constructions for Wideband Signals Based on M-Cpfsk and Non-Binary Error-Correcting Codes
Yang et al. Research and Implementation of Turbo Coding Technology in High-Speed Underwater Acoustic OFDM Communication
CN111541459B (zh) 积极利用多径效应的数据传输方法和系统
US20080130784A1 (en) Coding device, decoding device, transmitter and receiver
Adnan et al. Use of convolution coding for improving SER performance of OFDM system
CN112653497B (zh) 一种降低mimo多通道相位噪声影响的信号收发方法
CN104184694A (zh) 一种应用于远程水声信道的分组扩频ofdm通信方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20210608

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication