OFDM与SC?FDE调制技术在飞行试验中的技术发开发

　摘 要： 现行飞行试验多采用频谱利用率较低的PCM/FM调制方式传输遥测数据，而飞行试验时需传输的数据量与日俱增，亟需扩展遥测频段及采用更高效的调制方法以  本文由wWW. 提供，第一 论 文 网专业写作教育教学论文和毕业论文以及发表论文服务，欢迎光临应对飞行试验的任务需求与频谱资源紧张的矛盾。在研究飞行试验遥测信道的传输特性的同时，分析了具有较高频谱效率、较高抗干扰能力的OFDM和SC?FDE调制技术在飞行试验遥测数据传输中的应用前景。
　　关键词： 飞行试验； 遥测传输； OFDM； SC?FDE
　　中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）08?0062?04
　　Application prospect of OFDM and SC?FDE modulation technologies in flight test
　　GUO shi?wei， LIU dan， HUO jian?hua
　　（Testing Institute， Chinese Flight Test Establishment， Xi’an 710089， China）
　　Abstract： The lower spectral efficiency PCM / FM modulation mode is used in current flight test to transmit telemetry data. However， since the data needed to be transferred during the test flight has increased rapidly， it is need to expand the telemetry frequency band and use more efficient modulation mode to deal with the contradiction between flight test requirements and spectrum resource constraints. In this paper， while investigating the transmission characteristics of flight test telemetry channel， the application prospect of OFDM and SC?FDE modulation technologies which have high spectral efficiency and high anti?jamming capability in flight test telemetry data transmission is analyzed.
　　Keywords： flight test； telemetry transmission； OFDM； SC?FDE
　　飞行试验遥测传输系统是无线通信系统的一个重要组成部分。随着飞行试验遥测传输的数据量越来越大；同时为了给地面指挥员提供安全可靠的决策依据，对数据接收质量要求也越来越高。高质量、高速率的宽带无线通信已成为飞行试验遥测系统发展的必然趋势。在无线宽带通信系统中，信道的多径效应会严重影响通信的可靠性。采用何种方案对抗信道的多径效应与提高系统的传输性能有密切的关系，在IEEE 802.16a标准中，建议了正交频分复用（OFDM）和频域均衡技术的单载波传输（SC?FDE）两种方案应用于物理层中。同时，这两种技术方案也是第四代移动通信的核心技术。在飞行试验中使用频谱效率更高的OFDM和SC?FDE调制技术，不仅可以缓解频谱资源紧张的局面，可以有效改善试飞数据在无线传输时的抗干扰性能，而且对遥测系统的革新也将起到很大的推动作用。
　　1 无线信道传输特性
　　无线信道作为无线通信系统的重要组成部分，其传输性能的好坏直接影响着无线通信系统的性能。飞行试验遥测传输系统作为无线通信系统的一部分，主要是指地面遥测站与试验对象之间的通信或者是试验对象与试验对象之间的通信。
　　由于无线信道具有复杂性和时变性的特点，信号在通过无线信道时会受到多种损耗衰减。一般，将无线信号在信道中传播受到的影响分为自由空间路径损耗、阴影衰落和多径衰落三种。
　　1.1 自由空间路径损耗
　　自由空间是这样一种空间，在其内部的电磁波的反射、绕射、折射、吸收和色散等现象均不存在。当发射端和接收端之间存在一个电磁波可直射传播而未被遮挡的路径时，可以通过自由空间传播模型来预测接收信号的强度。自由空间的路径损失公式如下：
　　[PL[dB]=10lgPtPr=-10lgGtGrλ24π2d2] （1）
　　式中：[Pt]为发射端的发射功率；[Pr]为接收端的接收功率；[Gt]为发射天线增益；[Gr]为接收天线增益，λ为电磁波的波长；d是发射端与接收端之间的直射距离。对于飞行试验而言，发射功率、发射天线增益和接收天线增益都是固定值，接收功率可通过遥测接收机计算得出。当遥测天线校准时，发射端和接收端之间的距离也相对固定，即可计算出路径损耗，比对之前的数据，可初步判断遥测传输信道是否受到干扰。
　　1.2 阴影衰落
　　通常把电磁波在传播的环境中，由各种障碍物对电磁波的阻碍和遮蔽形成的电磁波阴影区称为阴影衰落。当试验机通过不同障碍物的阴影区时将引起阴影衰落，遥测天线接收到的信号场强值会发生变化，若变化的过程中幅值低于遥测天线的跟踪门限，天线的自跟踪功能将不能使用。阴影衰落可以用一个概率密度呈对数正态分布的随机变量来描述，可由以下公式描述：
　　[PLd[dB]=PLd+Xσ=PLd0+10nlgdd0+Xσ] （2）
　　式中：[Xσ]是一个零均值的高斯分布的随机变量；[σ]为其标准离差。　　1.3 多径衰落
　　由于试验机飞行速度很快，加之为了测出试验机的安全包线，试飞员会操作试验机做出各种机动动作，因此遥测传输的信号幅度和相位可能在短距离或短时间传播后经历了快速剧烈的变化。当遥测数据传输信道的周围存在大量的建筑物时，到达接收端的电磁波信号经历了不同的传播路径，因此具有不同的传播延迟、不同的到达相位以及不同的多普勒频移，从而使其具有随机分布的幅度、相位。经过不同传播路径到达接收端的信号会相互干扰、相互影响，共同作用，将会产生衰落现象，称为多径衰落。由于不同路径分量的幅度和相位不同，到达的时间和入射角不同，致使接收端接收到的复合信号在幅度和相位上会产生严重的失真。多径传播时电磁波信号会在时间上展宽，从而带来符号间的ISI干扰。尤其是在试验机起飞和着陆阶段，ISI干扰造成遥测数据误码率增高，影响指挥员的及时决断；同时由多径产生的幅度变化会影响遥测天线的跟踪性能。在飞行试验时主要考虑的是多径传播、高速飞行时的多普勒频移、高数据速率等因素。
　　2 OFDM与SC?FDE调制技术
　　2.1 OFDM调制技术
　　OFDM调制技术采用可以使信道频谱重叠，但又互不影响的频分复用（FDM）来并行传输数据，从而大大提高了频谱的利用率。一般无线信道的频率响应具有频率选择性，但对于每个子信道是相对平坦的，加之在每个子信道上进行的是窄带传输，且信号的带宽远远小于信道相关带宽（取决于所选子载波数目），因此可以大大消除符号间的干扰。
　　OFDM 的核心思想是将数据流通过串并变换后，变成多路速率较低的子数据流，从而使得OFDM 符号长度比系统采样间隔长很多，因此降低了由于时间弥散引入的符号间干扰（ISI）。在实际应用时，在传输数据中插入循环前缀，用来消除多径传播带来的符号间干扰（ISI），同时也可以避免子载波间干扰（ICI）。如图1所示为OFDM 系统的框图。
　　发射端，先将调制后的串行数据流进行串/并变换，然后把并行数据通过傅里叶逆变换（IFFT）从频域变换到时域，最后插入循环前缀（CP）通过无线信道发送出去。接收端与发射端的操作程序相反，移除循环前缀（CP）之后，通过傅里叶变换（FFT），将接收到的时域数据变换到频域后进行信道均衡。IFFT与FFT变换的表达式如下：
　　IFFT变换：
　　[xk=1Ml=0M-1Xlexpj2πlkM， 0≤k≤M-1] （3）
　　FFT变换：
　　[Xl=k=0M-1xkexp-j2πklM， 0≤l≤M-1] （4）
　　OFDM调制的缺点主要有：对频率偏移和相位噪声敏感，尤其是与TDMA，CDMA和FDMA等多址方式结合使用时，数据同步器的设计尤为重要，同时由于需要采用相干检测，需采用高效的信道估计器，以方便均衡器的设计；由于OFDM系统是由一系列相互独立的调制子载波组成，且数目较多。因此会有概率出现较大的峰均比（PAPR）。为了能够不失真地传输这些高PAPR的OFDM信号，发送端对高功率放大器的线性度要求很高且发送效率极低。虽然OFDM调制有其技术局限性，但可明显改善无线信道的性能：抗多径干扰，便于信道估计，易于实现频域均衡，在飞行试验起飞和着陆阶段时可消除码间干扰（ISI）；陡峭的频谱，频谱利用率较高，有效地缓减了现行飞行试验时遥测频谱资源紧张的局面；易于实现天线分集和 MIMO 系统，为建设遥测天线阵列提供了技术支撑；因此OFDM在众多国际标准中得到采用，将是未来宽带无线通信的主流技术。
　　2.2 SC?FDE调制技术
　　单载波频域均衡（SC?FDE）系统并非常用的单载波系统，而是在OFDM系统的基础上发展起来的一种分块传输系统，将系统的均衡技术放在频域上进行，而非传统单载波系统那样在时域进行均衡。SC?FDE的系统框图如图2所示。可以得出，SC?FDE系统与OFDM系统结构基本上是相同的，所不同的是SC?FDE系统将IFFT模块放在了接收端。这样在发送端，数据是在时域上经过调制之后直接送入信道进行传输，而非OFDM系统在频域上调制。接收端接收信号后，经过FFT变换后，在频域进行信道均衡，最后利用IFFT变换回时域。
　　SC?FDE系统既实用单载波传输方式，还保留了OFDM 系统处理信号的方法，因此SC?FDE系统兼具多载波技术（OFDM）和单载波技术的优点。与OFDM 相比，SC?FDE具有的优点有：
　　（1） 当电磁波传输存在时延扩散时，SC?FDE系统可取的与OFDM系统有近似的均衡性能，因SC?FDE均衡系统的复杂度与电磁波多径扩散的对数成正比，因此接收端可以方便地对信号进行相关处理。
　　（2） 由于OFDM系统是由多个子信号叠加而成，若某一时刻，多个信号的相位一致，叠加信号的瞬时功率将远远大于信号的平均功率，导致较大的PAPR，功放相比SC?FDE系统需要更宽的线性范围。
　　（3） SC?FDE对频偏的敏感性要比OFDM小很多，从而部分减小了接收时频率同步的代价。但单载波的信号映射方式不利于复用是SC?FDE的不足之处。
　　2.3 OFDM 和SC?FDE 的性能比较
　　本文从信道容量及峰均比两个方面对比OFDM和SC?FDE系统，通过公式计算来比较二者的性能。
　　3 结 语
　　在对无线信道传输特性分析的基础上，得出飞行试验遥测数据传输时所关心的传输损耗，同时给出多径传播所引起的信号衰落的解决办法。再对比OFDM与SC?FDE调制技术时，发现这两种调制技术均适应与飞行试验中遥测数据传输，与传统的PCM/FM调制方式相比，不仅提高了频谱利用率，缓解了遥测频谱资源紧张的局面；同时较高的频谱效率提供了更高的数据传输速率，可以应对先行飞行试验遥测数据传输高速率的需求；而且通过自带的均衡消除了码间串扰，大大增加了数据在传输时的可靠性，降低了误码率，为地面指挥员做出及时、正确的判断提供了强有力的保障，也为飞行试验多目标监控提供了技术支持。　　1.3 多径衰落
　　由于试验机飞行速度很快，加之为了测出试验机的安全包线，试飞员会操作试验机做出各种机动动作，因此遥测传输的信号幅度和相位可能在短距离或短时间传播后经历了快速剧烈的变化。当遥测数据传输信道的周围存在大量的建筑物时，到达接收端的电磁波信号经历了不同的传播路径，因此具有不同的传播延迟、不同的到达相位以及不同的多普勒频移，从而使其具有随机分布的幅度、相位。经过不同传播路径到达接收端的信号会相互干扰、相互影响，共同作用，将会产生衰落现象，称为多径衰落。由于不同路径分量的幅度和相位不同，到达的时间和入射角不同，致使接收端接收到的复合信号在幅度和相位上会产生严重的失真。多径传播时电磁波信号会在时间上展宽，从而带来符号间的ISI干扰。尤其是在试验机起飞和着陆阶段，ISI干扰造成遥测数据误码率增高，影响指挥员的及时决断；同时由多径产生的幅度变化会影响遥测天线的跟踪性能。在飞行试验时主要考虑的是多径传播、高速飞行时的多普勒频移、高数据速率等因素。
　　2 OFDM与SC?FDE调制技术
　　2.1 OFDM调制技术
　　OFDM调制技术采用可以使信道频谱重叠，但又互不影响的频分复用（FDM）来并行传输数据，从而大大提高了频谱的利用率。一般无线信道的频率响应具有频率选择性，但对于每个子信道是相对平坦的，加之在每个子信道上进行的是窄带传输，且信号的带宽远远小于信道相关带宽（取决于所选子载波数目），因此可以大大消除符号间的干扰。
　　OFDM 的核心思想是将数据流通过串并变换后，变成多路速率较低的子数据流，从而使得OFDM 符号长度比系统采样间隔长很多，因此降低了由于时间弥散引入的符号间干扰（ISI）。在实际应用时，在传输数据中插入循环前缀，用来消除多径传播带来的符号间干扰（ISI），同时也可以避免子载波间干扰（ICI）。如图1所示为OFDM 系统的框图。
　　发射端，先将调制后的串行数据流进行串/并变换，然后把并行数据通过傅里叶逆变换（IFFT）从频域变换到时域，最后插入循环前缀（CP）通过无线信道发送出去。接收端与发射端的操作程序相反，移除循环前缀（CP）之后，通过傅里叶变换（FFT），将接收到的时域数据变换到频域后进行信道均衡。IFFT与FFT变换的表达式如下：
　　IFFT变换：
　　[xk=1Ml=0M-1Xlexpj2πlkM， 0≤k≤M-1] （3）
　　FFT变换：
　　[Xl=k=0M-1xkexp-j2πklM， 0≤l≤M-1] （4）
　　OFDM调制的缺点主要有：对频率偏移和相位噪声敏感，尤其是与TDMA，CDMA和FDMA等多址方式结合使用时，数据同步器的设计尤为重要，同时由于需要采用相干检测，需采用高效的信道估计器，以方便均衡器的设计；由于OFDM系统是由一系列相互独立的调制子载波组成，且数目较多。因此会有概率出现较大的峰均比（PAPR）。为了能够不失真地传输这些高PAPR的OFDM信号，发送端对高功率放大器的线性度要求很高且发送效率极低。虽然OFDM调制有其技术局限性，但可明显改善无线信道的性能：抗多径干扰，便于信道估计，易于实现频域均衡，在飞行试验起飞和着陆阶段时可消除码间干扰（ISI）；陡峭的频谱，频谱利用率较高，有效地缓减了现行飞行试验时遥测频谱资源紧张的局面；易于实现天线分集和 MIMO 系统，为建设遥测天线阵列提供了技术支撑；因此OFDM在众多国际标准中得到采用，将是未来宽带无线通信的主流技术。
　　2.2 SC?FDE调制技术
　　单载波频域均衡（SC?FDE）系统并非常用的单载波系统，而是在OFDM系统的基础上发展起来的一种分块传输系统，将系统的均衡技术放在频域上进行，而非传统单载波系统那样在时域进行均衡。SC?FDE的系统框图如图2所示。可以得出，SC?FDE系统与OFDM系统结构基本上是相同的，所不同的是SC?FDE系统将IFFT模块放在了接收端。这样在发送端，数据是在时域上经过调制之后直接送入信道进行传输，而非OFDM系统在频域上调制。接收端接收信号后，经过FFT变换后，在频域进行信道均衡，最后利用IFFT变换回时域。
　　SC?FDE系统既实用单载波传输方式，还保留了OFDM 系统处理信号的方法，因此SC?FDE系统兼具多载波技术（OFDM）和单载波技术的优点。与OFDM 相比，SC?FDE具有的优点有：
　　（1） 当电磁波传输存在时延扩散时，SC?FDE系统可取的与OFDM系统有近似的均衡性能，因SC?FDE均衡系统的复杂度与电磁波多径扩散的对数成正比，因此接收端可以方便地对信号进行相关处理。
　　（2） 由于OFDM系统是由多个子信号叠加而成，若某一时刻，多个信号的相位一致，叠加信号的瞬时功率将远远大于信号的平均功率，导致较大的PAPR，功放相比SC?FDE系统需要更宽的线性范围。
　　（3） SC?FDE对频偏的敏感性要比OFDM小很多，从而部分减小了接收时频率同步的代价。但单载波的信号映射方式不利于复用是SC?FDE的不足之处。
　　2.3 OFDM 和SC?FDE 的性能比较
　　本文从信道容量及峰均比两个方面对比OFDM和SC?FDE系统，通过公式计算来比较二者的性能。
　　3 结 语
　　在对无线信道传输特性分析的基础上，得出飞行试验遥测数据传输时所关心的传输损耗，同时给出多径传播所引起的信号衰落的解决办法。再对比OFDM与SC?FDE调制技术时，发现这两种调制技术均适应与飞行试验中遥测数据传输，与传统的PCM/FM调制方式相比，不仅提高了频谱利用率，缓解了遥测频谱资源紧张的局面；同时较高的频谱效率提供了更高的数据传输速率，可以应对先行飞行试验遥测数据传输高速率的需求；而且通过自带的均衡消除了码间串扰，大大增加了数据在传输时的可靠性，降低了误码率，为地面指挥员做出及时、正确的判断提供了强有力的保障，也为飞行试验多目标监控提供了技术支持。　　参考文献
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