第三代短波通信系统突发波形接收关键技术研究

西安电子科技大学硕士学位论文第三代短波通信系统突发波形接收关键技术研究姓名：赵晨辉申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：朱晓明20100101摘要摘要短波通信在军事通信中有着举足轻重的作用，使用传统技术的电台已难以满足现代军事通信对网络容量与数据传输质量的要求，因此研究第三代短波通信系统具有重要意义。本文以MIL-STD-188-141B协议为理论依托，结合先进的数字信号处理技术，力求在短波信道上实现可靠的数据传输。通过深入研究第三代短波通信系统物理层突发波形接收端的关键技术，针对短波信道中存在噪声，多径衰落和多普勒频移的特点，本文设计了突发波形的接收端方案，其中完成的主要工作有：利用滑动分段相关FFT技术，解决了低信噪比、大频差条件下的信号捕获难题；利用相关FFT和二次曲线拟合相结合的方法，完成了频差的精确估计；利用滑动相关技术，完成了精细位同步与信道估计；利用一种改进的内插滤波器进行定时恢复，解决了A/D采样偏差的问题。Matlab仿真结果表明，设计的接收端方案可靠有效，完全满足141B协议的要求。昀后，本文在以DSP为核心的硬件平台上，对整个突发波形系统的发送与接收过程进行了编程实现。关键词：突发波形相关FFT捕获定时恢复AbstractAbstractHFcommunicationplaysanimportantroleinmilitarycommunications,whilethetraditionalHFradiocannotmeettheincreasingrequirementsonnetworkcapacityandthequalityofdatatransmissioninmodernmilitarycommunications.Itisofgreatsignificancetoresearchthe3GHFcommunicationsystem.BasedontheprotocolofMIL-STD-188-141BandcombinedwithadvancedDSPtechnology.ThisthesisaimsatachievingareliabledatatransmissioninHFchannel.BasedontheresearchofthekeytechnologiesinreceivingofBurst-Waveformonthe3GHFcommunication,andconsideringtheeffectsofnoise,fading,multi-pathanddopplershiftonHFchannel,receivingschemeswithkeytechnologiesoftheBurst-Waveformaredesignedinthisthesis.Slidingsubsectioncorrelation-FFTtechniqueisadoptedtosolvethesignalacquisitionproblemundertheconditionoflowSNRandlargefrequency-offset;Correlation-FFTandConicfittingtechniquesareintroducedtoimprovetheprecisionoffrequency-offsetestimation;Themethodofsliding-correlationisusedtosolvetheproblemofsymbolsynchronizationandchannelestimation;ThewarpofA/DsamplingisrectifiedbyusinganimprovedinterpolationfilterforTiming-Recovery.ThesystemissimulatedwithMatlab,andtheresultsshowthatthereceivingschemescanmeettherequirementsof141Bprotocolcompletely.Finally,theentireschemes,includesendingschemeandreceivingscheme,aretestedontheDSPhardwareplatform.Keyword:Burst-WaveformCorrelation-FFTAcquisitionTiming-Recovery西安电子科技大学学位论文创新性声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表落撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：日期西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。(保密的论文在解密后遵守此规定)本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。本人签名：日期导师签名：日期第一章绪论1第一章绪论短波通信在军事通信中有着举足轻重的作用，研究第三代短波通信系统，实现可靠的数据传输，具有重要的军事意义。1.1选题背景与课题意义短波通信[1]或称高频通信是指在3~30MHz频段范围内，利用天波通过电离层反射进行远距离传输或通过地波进行近距离传输的一种通信手段，在大约一百公里到数千公里范围内不需要转发器就可以进行超视距通信。长期以来，由于短波通信具有可靠性高，安全性好和机动性强等优点，被广泛地应用于政府、外交、气象和商业等各个部门，用于传送语音、文字、图像和数据等信息。尤其在军事部门，因通信目标小，战时不易被摧毁，短波通信始终是军事指挥的重要手段之一。近代卫星通信的快速发展，尤其是铱星和地球星等的相继发射，使得全球个人通信即将成为现实，而光纤通信也日益成为信息领域的支柱技术，这些通信技术频带宽，容量大，传输质量好，因此短波通信已有逐步被冷落的趋势。但事实上，它们无法从根本上代替短波通信。在军事通信领域，卫星易被敌方摧毁，这已经成为信息战中的一个严重问题。而短波通信由于价格便宜，机动性强，适用范围广（舰载、机载、车载、背负和固定），生命力强，适合各种中远距离通信等特点，特别适合于军事领域的应用。基于其在军事通信领域中不可替代的重要作用，短波通信重新引起了世界各国的高度重视，诸多机构都在不遗余力地进行研究。20世纪80年代，美国国防部制定了第二代短波通信网的组网标准MTL-STD-188-141A[2]。第二代短波通信网络能提供可靠、健壮、具有优良兼容性的链路自动建立技术，它使得短波长距离和移动话音网络开始受到广泛关注。再加上可靠性较好的数据链路协议，使得第二代短波通信网络可以由单纯的语音传输扩展到数据传输。我军于1994年参照美军标MIL–STD-188-141A制定了GJB2077-94标准，对短波自适应通信系统的自动链路建立进行了标准规范。该标准所规定的高频(HighFrequency,HF)自适应系统可以保证自适应链路建立(AutomaticLinkEstablishment,ALE)的可靠性与互操作性。GJB2077-94的制定与执行，为我军短波自适应通信的发展设立了依据，取得了良好的军事经济效益。然而随着短波通信网络技术的发展，用户要求短波网络能传送更多的数据，因此，迫切需要降低网络负荷以使得在有限的短波频段内容纳更多的网络，完成第三代短波通信系统突发波形接收关键技术研究2更多的数据传输业务。为适应这种变化的需要，美国国防部于1999年提出了第三代短波通信系统的概念，并由此制订了更有效的短波通信管理协议，美军标MTL-STD-188-141B[3][4][5]（以下简称141B协议）。第三代短波通信系统标准的确立，在世界范围内掀起了短波通信研究的狂潮。随着微型计算机技术、微电子技术和移动通信的迅猛发展，人们利用微处理器与数字信号处理器，不断提高短波通信的性能与数据传输速率，使得短波通信系统和设备得到了快速发展。许多公司陆续推出了一系列性能优良的设备和系统，比较著名的有：澳大利亚的HF-90H、瑞典的KV90、美国的CHESS、美国HARRIS公司的RF-5800系统、柯林斯公司的SELSCAN系统等。同时，多种新技术的应用，如信道自适应技术、差分跳频技术、宽带直接序列扩频技术、信道编码技术、信道均衡技术及短波组网技术，使短波通信方式存在的诸多问题得到解决，通信质量大大提高。目前，我军也正在开发新一代的短波通信系统，美军标141B协议为我们提供了一个很好的借鉴，本文所研究的题目就是基于这个背景提出的。本文的主要研究目标在于，以141B协议为理论依托，结合先进的数字信号处理技术，以DSP系统为硬件平台，在短波信道上实现可靠的数据传输。1.2短波通信的数据传输系统随着短波通信技术的发展及用户要求的提高，短波通信所传输的业务不再仅仅局限于话音信号，也可能包含数据和图像等信息，因此就需要短波通信具有稳定的数据传输功能。目前的短波、超短波数据传输系统一般有两种方式，其一就是在现有的短波、超短波无线电台中添加MODEM（调制解调）模块，来实现数据传输功能，其系统模型如图1.1所示。图1.1短波数据传输系统结构在发送端，计算机(或其它数据终端)将数据文件通过数字接口传送给MODEM模块，MODEM模块由DSP系统构成，采用调制、编码、差错控制等技术，对发送数据进行一系列处理，然后送给无线电台送出。接收端电台将收到的第一章绪论3射频信号下变频为中频信号，送给MODEM模块进行解调和处理，昀后将接收的数据经数字接口传给计算机，完成数据传输过程。这种数据传输基本上是按照SSB(SingleSideBand,单边带)电台的模拟话音带宽来设计的，一般SSB电台典型的单边带带宽为300~3,000Hz。另一种短波数据传输系统是由近年来研制的数字化短波电台实现的。数字化短波电台是基于软件无线电的思想设计而成的，它以DSP、A/D、D/A器件和其他专用数字化处理芯片为硬件基础，致力于短波电台的数字化、模块化和软件化，使短波电台的信号处理性能大为改善，功能更加灵活，升级换代也更为方便。除了传统的语音通信功能以外，数字化短波电台添加了数据传输功能模块，但此种电台的成本太高。由于目前军事通信中装备较多的是不具有数据传输功能的SSB普通电台，因此给SSB普通电台加上数传MODEM模块，使其具有数据传输和话音通信的双重功能，可以大大减少电台的大规模更新换代所产生的巨大资源浪费。其中，MODEM模块既可作为一个功能模块嵌入新一代数字化电台中，也可作为独立单元外接于现有的短波单边带电台。本论文的工作就是基于这种数传系统结构开展的。1.3论文的研究内容与工作安排本文以美国国防部第三代短波通信军事标准协议141B为理论依托，针对短波信道的特性，以突发波形BW0为主，重点研究了突发波形发送与接收关键技术及其在短波通信系统中的应用前景。在理论研究的基础上，本文设计确定了系统的接收端方案：(1)采用滑动分段相关FFT技术，解决了在低信噪比，大频差条件下信号捕获的难题；(2)采用滑动相关实现位同步与信道估计；(3)采用相关FFT和二次曲线拟合相结合的频差估计方法，提高了频差估计的可靠性和准确度；(4)利用定时恢复技术，解决了A/D采样偏差的问题。根据设计的系统方案，本文对突发波形BW0通信系统进行了Matlab仿真，仿真结果