宽带传输（精选6篇）
宽带传输 篇1
0引言
随着信息时代的到来,人们对信息传送的媒质也提出了更高的要求。目前,在微波信号的传送中,基本上都是以电缆传送为主,但是电缆传送存在一些问题,
比如传送距离相对较近,外界信号容易干扰传输信息等。为了解决这些问题, 人们开始利用光缆进行信号传送。光缆的传送距离非常远,可以达到一百多千米, 在传送的过程中,信号的衰减系数非常小,能够保证信号的高质量传送。光缆传送的稳定性好,不容易受到外界环境的干扰,而且具有相关设备质量小以及应用成本低等特点。所以,光纤传输在各个领域都得到了越来越广泛的应用。本文先介绍宽带微波信号光纤传输链路的主要组成部分,然后探讨相关的重要参数。
1宽带微波信号光纤传输链路的组成
光纤传输链路主要可以分为三个部分:发射装置、接收装置和光纤。光发射装置的主要功能是将输入的电信号进行调制,将其转化成为光信号,光源的调制方式可以分为直接调制和外调制两种,直接调制所能达到的带宽是26.5GHz,要想增加带宽,可以利用外调制,最大可以达到70GHz。光纤在快带微波通信中的主要作用是运输作用,处于信号发射装置到终端接受装置之间。,这也是光纤输送优于电缆输送的关键所在。光接收装置的功能和光发射机的相反,它是将光纤传送过光信号恢复为最初的电信号,从而实现信号的重新读取。
根据电信号形式的不同,光纤传送可以分为两类:模拟传输和数字传输。模拟光纤传输的传送距离相对较短,应用成本低,容易受到宽带的限制,但是其损耗比较低,常用的场合有雷达信号处理、天线遥测等。数字光纤传输的传送距离比较长,应用的成本也比较高,但是不受到宽带的限制,能够对大容量的信息进行传送,所以一些超级望远镜的宽带微波信号的传输就可以选用数字光纤传输。
2宽带微波信号光纤传输链路的重要参数
借助一些重要的参数,我们可以检验宽带微波信号光纤传输链路性能优劣,下面将对光纤传输链路的性能参数和传输参数进行探讨。
2.1宽带微波信号光纤传输链路的性能参数
宽带微波信号光纤传输链路的性能参数主要有四个,包括增益、带宽、噪声系数以及动态范围等。
增益是指信号功率在输出端与输入端的比值,它跟整个系统的一些设备性能相关联,包括光纤的衰减特性以及光发射机、光接收机的增益Glink等。Glink=G-A增益可表示为:
式中G表示光反射机、光接收机的增益,A为光纤内的信号损耗。光纤内的信号损耗A越小,或者光反射机、光接收机的增益G越大,则整个光纤传输的增益就越大。
带宽主要是衡量信号失真传输的可用带宽范围,它是增益下降3dB所对应的频带宽度。在该带宽内,信号的抗干扰能力极强,信号不容易失真。光纤的带宽大小主要跟色散效应相关,而在单模光纤中是不存在模间色散的,所以单模光纤的带宽非常大。所以整个光纤传输链路的带宽主要受限制于光反射机、光接收机的频率响应。
噪声系数是指系统输入端信噪比与输出端信噪比的比值。系统的信噪比可以定义为接受信号功率S与噪声功率Np的比值 :
式中,RL为光检测器负载电阻, i2S表示均方信号电流, i2N表示均方噪声电流。暗电流、前置放大器以及负载电阻等都会产生噪声,这些噪声对信号的传输会产生干扰的作用,所以需要严格的控制噪声。
在光纤传输系统中,信号在一定范围发生变化时,信号的能否进行有效传输是一个重要的研究点。动态范围就是用来衡量信号能够进行变化的有限范围。在动态范围中,最小的信号值叫做灵敏度,它跟整个系统的背景噪声有关。当信号值不断的增大时,系统会因为非线性而发生信号失真。动态范围给了人们一个信号高质、高效传输的标准,从而可以避免信号受到干扰以及失真现象发生。
2.2光纤的传输参数
在光纤的传输中,光纤的相关参数主要有衰减和色散两个。
光纤的衰减是光纤的一个重要参数, 它是指在光纤传输过程中信号会产生一定的损失。在一般情况下,光纤的衰减特性在决定了整个光纤传输链路的最大距离。宽带微波在光纤中传输时,随着距离z的增加,光功率P存在以下关系式:
式中, p(0)为起始处的光信号功率,αp为损耗常数。光纤的衰减特性可以用衰减系数α表示,它可以用单位长度的分贝数来表示,定义如下 :
光纤衰减产生的原因有很多,主要是光纤材料质量以及设计问题,光纤发生一定的弯曲时,会产生信号损失,所以要避免光纤的弯曲。散射损耗则是光的散射效应造成的,它主要跟光纤的结构缺陷有关。有的光纤自身还能对一定量的信号进行吸收,造成信号的衰减。
色散是光纤的另一个重要参数,因为光纤传输中的信号会具有不同的类型,它们的传送速度会存在一定的差别。这就导致了整个信号不同部分不能够在同一时间到达光纤终端,最终会导致输出信号出现失真现象,不能够顺利读取信号。可以用时延差来衡量色散的严重程度,时延差越大,则色散程度越严重。信号的时延差与光源的相对带宽、温度有关。
综上所述,在整个光纤传输链路设计过程中,需要考虑传输的实际情况,根据不同参数对整个系统的影响,选择最佳的参数值,从而实现宽带微波信号光纤传输链路的最佳设计。
3结语
本文对光纤传输系统的主要组成部分进行了介绍,然后探讨了光纤传输系统设计过程中需要考虑的重要参数。在进行整个系统设计时,可以根据参数的最佳选择来保证整个系统的最佳性。
基于宽带CDMA的数据传输技术 篇2
宽带CDMA(Code Division Multiple Access)是在第二代移动通信系统基础上发展起来的新技术,目前,基于该技术的应用相当广泛,在很多领域,通过CDMA网承载数据,建立安全、可靠、实时、有效的数据传输系统。本文针对CDMA2000网络数据传输技术展开研究和探讨,通过对电路数据传输、短信方式及分组数据传输的深入分析和比较,深刻阐述了三者的技术特点和实际应用差异,从而为不同行业利用宽带CDMA技术进行数据传输提供了指导和参考。
1CDMA2000网络简介[1]
CDMA是在数字技术上的分支——扩频通信技术上发展起来的一种新的无线通信技术。CDMA技术的原理是基于扩频技术,即将需传送的信息数据用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制,使原数据信号的带宽被扩展,再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码,与接收的带宽信号做相关处理,把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩,以实现数据传输。CDMA移动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网、语音激活、多径接收和频率复用等几种技术结合而成,含有频域、时域和码域三维信号处理的一种协作,具有抗干扰性好、抗多径衰落、保密安全性高、同频率可在多个小区内重复使用以及容量和质量之间可做权衡取舍等属性。这些属性使CDMA比其他系统有非常重要的优势:
① 覆盖范围广:如果对CDMA移动通信系统和GSM移动通信系统做一个比较,CDMA系统理论上覆盖半径是GSM系统的2倍;
② 系统容量大:在相同的频谱利用率条件下,CDMA系统的容量是GSM系统容量的4～5倍,是第一代模拟移动通信系统(FDMA)容量的10倍;
③ 绿色环保:为了克服“远近效应”,CDMA系统采用了功率控制(Power Control)技术,以达到满足业务质量(QoS)的信噪比为依据,移动台的发射功率尽可能小;
④ 频率利用高:由于CDMA系统采用不同的伪随机码对用户信号进行调制,从频域的角度去看,所有信号的频谱是重叠在一起的,可见其频谱的利用率非常高。
⑤ 隐蔽性和保密性好:扩频调制后信号频谱近似为白噪声,具有良好的保密性能;同时,扩频增益越大,扩频信号占用的带宽越宽,相应的功率谱密度越低,因此具有良好的隐蔽性;
⑥ 建网成本低:CDMA网络覆盖范围大,系统容量高,所需基站少,降低了建网成本。
目前,国际上商用的CDMA2000系列都采用CDMA2000 1X技术。CDMA2000 1X指的是CDMA2000第一阶段(速率高于IS-95,低于2 Mbit/s),可支持308 kbit/s的数据传输、网络部分引入分组交换技术,支持IP业务,是在现有IS-95系统上发展出来的一种新的承载业务,目的是为CDMA用户提供分组数据传输方式,并且,通过升级,可直接过渡到第三代移动通信系统。
2宽带CDMA数据传输技术
2.1网络结构及组成
CDMA移动通信系统主要由网络子系统和基站子系统组成[2],如图1所示。
CDMA移动通信系统主要包括以下几个部分:
① 无线部分:包括基站控制器(BSC)和基站收发信机(BTS)。其中BTS主要负责收发空中的无线帧、越区切换等功能;BSC主要负责对其所管辖的多个BTS进行管理,将话音和数据分别转发给移动交换中心(MSC)和分组控制功能(PCF),也接收分别来自MSC和PCF的话音和数据;
② 核心网电路域:包括MSC、拜访位置寄存器(VLR)、归属位置寄存器(HLR)/鉴权中心(AUC)等,主要实现用户的登记鉴权、呼叫连续控制和智能业务服务等功能;
③ 核心网分组域:核心网分组域包括PCF、分组数据服务节点(PDSN)、认证、授权和计费(AAA)和归属代理(HA)。其中PCF负责与BSC配合,完成与分组数据有关的无线信道控制功能;PDSN负责管理用户通信状态,转发用户数据;AAA负责管理用户,包括用户的权限、开通的业务等信息;
④ 智能网部分:包括MSC/业务交换点(SSP)、智能外设(IP)和业务控制点(SCP)等;
⑤ 短消息中心:包括短消息中心(SMC)和短消息实体(SMS)等设备,负责短消息的接收与发送。
2.2数据传输技术
2.2.1 电路数据传输
电路数据传输是依靠语音信道进行数据的传输,由于受到无线接口的单个业务信道数据传输速率的限制,与其他网络数据通信速率最高为14.4 kbps。用户利用此方式进行数据通信,每个传输过程都需要建立连接、保持连接和释放连接,典型流程主要包括:业务建立、保持等过程,如图2所示。
业务建立具体流程为:移动台(MS)在空中接口的接入信道上向基站子系统(BSS)发送请求信息,并要求BSS应答;BSS收到请求信息后向移动台发送基站确定命令;BSS构造消息,封装后发送给MSC。对于需要电路交换的呼叫,BSS可以在该消息中推荐所需地面电路,并请求MSC分配该电路;MSC向BSS发送信道分配消息,进行资源分配;如果MSC能够支持BSS在服务请求消息中推荐的地面电路,那么MSC将分配请求消息中指配该地面电路;否则指配其他地面电路;BSS为移动台分配业务信道后,在寻呼信道上发送信道分配消息,开始建立无线业务信道;移动台在指定的反向业务信道上发送配置信道消息;BSS捕获反向业务信道后,在前向业务信道上发送确定命令,并要求MS应答;MS在反向业务信道上发送确定命令,应答BSS确定消息;BSS向MS发送业务连接消息以指定用于呼叫的业务配置;MS收到业务连接消息后,MS开始根据指定的业务配置处理业务,并以业务连接完成消息作为响应;无线业务信道和地面电路均成功连接后,BSS向MSC发送资源分配完成,并认为数据业务通道建立。
利用电路交换进行无线数据通信,通信可靠,能满足实时性要求,但建立链路需要一定时间,而且其通信费用相对较高。
2.2.2 短信方式
短消息业务是CDMA系统为移动用户提供的一种能够使用手机或CDMA模块接收和发送文本、图像、声音消息的服务。CDMA网络的短消息业务是以CDMA短消息中心存储转发机制为支撑,以CDMA系统无线信道传输载体,结合信息服务系统形成的一套增值服务业务。短消息业务不需要建立拨号连接,直接把要发的信息加上目的地址发送到短消息服务中心,由短消息服务中心再发送给最终的信宿。
短消息业务是CDMA系统中唯一不要求建立端对端路径的数据业务,即使移动台已处于完全电路型通信情况下,亦可进行短消息传输。当被叫不可达时即移动台关机或离开基站的服务范围,短消息业务中心可保存需要传送的信息,一旦被叫可以接收信息时,短信服务中心就能自动重发信息。因此短消息业务的传递是可靠的,而且随着3G的到来,还可用它传输多媒体信息。
2.2.3 分组数据传输
分组数据业务是中国联通在完善优化CDMA 网络建设过程中推出的数据传输技术[3]。它在目前的IS-95 CDMA网络的基础上进一步升级了无线接口,使其支持高速补充业务信道,从而可实现高速IP网接入服务。CDMA1X 理论速率153.6 kbps,目前实际测试速率为80 kbps, CDMA1X 系统的无线IP网络接口采用成熟和开放的IETF协议,支持基于IP的Internet/Intranet的接入方式,可在移动用户和数据网络之间提供一种快速即时的高速TCP/IP连接。其业务建立流程如图3所示。
可以发现,与电路数据业务的建立不同,当BS完成MS的空中业务信道指配后,BS首先通过PCF向PDSN发送注册请求(Registration Request)消息,当收到PDSN的注册回应(Registration Reply)消息之后,才向MSC发送指配完成消息,之后,与PDSN建立链路层的PPP连接。完成注册后,即可通过接口传输用户的分组业务数据。
使用分组数据技术实现数据分组发送和接收,用户永远在线且按流量计费,从而降低了服务成本,特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输,也适用于偶尔的大数据量传输。
2.2.43种数传方式比较
宽带CDMA无线网络提供的电路数据传输、短信方式和分组数据传输,其性能差异主要体现在接入速度、传输速率和传输的可靠性等诸多方面。具体比较如表1所示。
3应用研究
基于宽带CDMA的数据传输技术应用很广泛,集中体现在军事领域、工业监控、公安交通行业和金融领域。结合本文研究可以得出:
① 对于实时性、畅通性要求高、信息量不是很大的数据信息,如雷达数据的远程传输,可采用电路数据传输方式。通过加密等手段,确保数据的实时、可靠和安全传输,这对提高雷达机动作战将发挥巨大作用;
② 对于信息量少且实时性要求不是很高的数据信息,如城市配电网自动化系统与抄表数据传输、环境保护系统数据采集和被盗机动车追踪系统等,可采用短消息传输方式[4],该传输安全可靠,成本低廉;
③ 对于信息量大、实时性要求较高的数据信息,可采用分组数据传输方式[5],如为了实时获得陕西地区降水或重大天气过程的数据,为洪水预报和防汛提供可靠的决策支持,陕西气象局组建了实时雨量自动监测网,由于很多地区所安装的监测点几乎没有有线通信,因此在经过对比分析和综合考虑后采用了CDMA分组技术来实现数据传输,各气象采集点通过CDMA网与中心站主机保持实时连接,采用多信道捆绑、建立专用通道等手段,将温度、气压、图像和降水等气象信息资料形成报文,实时、可靠、安全地发送到数据处理中心,为气象部门提供准确、实时、有效的数据信息。实践表明,基于CDMA网的气象采集系统在天气预测、预报过程中发挥着重要作用。同时,也方便了人工及时有效地指挥人工增雨、防雹作业等工作,为社会和百姓带来了很大的经济效益。
4结束语
基于CDMA2000网络介绍了系统的网络结构、组成及工作原理,并对电路数据传输、短信传输和分组数据传输技术进行了研究,通过分析和对比,详细阐述了三者的特点,并根据它们的特性,针对不同行业需求,提出了相应的数据传输技术方案。
摘要：随着移动的快速发展,基于宽带CDMA的数据传输应用变得越来越广泛。为深入掌握CDMA数据传输技术,介绍了宽带CDMA的总体结构及组成。对电路数据传输、短信传输方式以及分组数据传输的工作原理、工作流程及技术特点进行了详细分析,通过比较阐述了三者在数据传输方面的优缺点,并对不同数据传输方式的应用进行了探讨。为不同行业利用宽带CDMA传输数据提供了理论依据和技术参考。
关键词：宽带CDMA,数据传输,短消息,分组数据
参考文献
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[4]齐海兵,徐滤非.基于CDMA网络的远程自动抄表系统设计[J].微计算机信息,2007,23(2-2):112-114.
宽带传输 篇3
无线通信系统的性能主要受到无线信道特性的制约。发射机与接收机之间的传播路径非常复杂,从简单的视距传播,到遭遇各种复杂的地物,如建筑物、山脉和树叶等对电波的影响。无线信道不像有线信道那样固定并可预见,而是具有极度的随机性,特别难以分析。
大容量微波通信所占用的频带较宽,经过多径信道传输后,各频率分量在空间的衰减程度上有很大差异,易造成合成信号幅度和相位的大幅度失真,从而产生频率选择性衰落,造成严重的符号间干扰,导致误码性能急剧变坏,给通信系统的性能造成了严重的恶化,可能导致传播瞬时中断。为了对抗频率选择性衰落,需要有一整套抗衰落技术,主要包括分集接收、自适应均衡器、信道交织和纠错编码。在微波通信中,不能仅仅使用一种抗衰落措施,而应同时结合使用多种抗衰落措施。对调制解调器而言,能够采取的抗衰落措施主要是自适应均衡器。
1 二径模型简述
在微波通信系统中,信号的传输主要是利用微波的视距传输。和短波通信、对流层散射通信相比,视距微波通信具有传播稳定、外界干扰较小等优点,但是,它也会受到大气及地面的影响,产生衰落与传播失真。一般用于描述视距传播中的多径衰落现象的是Rummler提出的二径模型,多径衰落的归一化信道传输函数可以写成
H(ω)=A(1-ρe-jωτ), (1)
式中,A为传输损耗,为反射波与直射波的振幅比,τ为反射波和直射波的传播时延差。若用A(ω)表示信道的频率响应可以得到下式:
由信道的频率响应可知,当cos(ωΤ)=-1时,A(ω)取最大值,称为上衰落点。当cos(ωΤ)=1时,A(ω)取最小值。
对于二径模型而言,假定发射端天线高度为ht,接收端天线高度为hr,收发两端距离为d,并且假定d远远大于ht+hr,通过几何学知识和泰勒级数可以得到反射波和直射波的路径差为:
一旦知道了路径差就可得到传播时延差为:
通过上式可以根据收发两端的距离和天线的高度预测出传播时延差,从而为均衡器的设计提供工程依据。
在微波通信链路中,发射机和接收机之间的传播路径比较复杂。发送信号一般可以通过多条路径到达接收机,这主要是存在地面反射和大气散射。地面反射会引起接收信号的衰减、相移以及时延;大气散射是由大气折射率的变化引起的,它与湿度、温度和气压等天气条件密切相关,因而是(慢)时变的。另外,还有其他一些障碍物也会引起反射,例如市区的大楼、汽车等。所有这些因素使得信号到达接收机时,具有不同的衰减、相移和时延,从而产生了频率选择性衰落信道。由于信道是时变的,所以补偿措施应该能是自适应的跟踪并补偿信道失真。
2 自适应均衡器的原理与设计
自适应均衡器主要分为时域均衡和频域均衡2类。时域自适应均衡器其结构多采用判决反馈均衡器(DFE)。DFE包括2部分:前向均衡器采用其加权系数自适应于信道状态的抽头延迟线滤波器实现,使多径时延展宽的宽度减小,从而消除码间干扰对检测的影响;反向均衡器用另一个自适应抽头延迟线滤波器实现,利用相加器输出的取样值,反馈回来消除过去判决的码间干扰。除了克服多径引起的码间干扰外,自适应均衡器将每一多径分量中所需要的信号能量进行相位校正和合并,使信噪比得到改善。频域均衡充分结合了基于FFT的频域均衡技术与基于最小均方误差准则(MMSE)的时域均衡技术的特点,首先采用FFT运算将接收信号变换到频域,然后再采用传统RLS(递归最小二乘)或LMS(最小均方)算法进行均衡,最后再变换到时域,从而使其运算复杂度与时域均衡技术相比有了较大的降低。时域自适应均衡的处理方式多用于小多径时延(2σ/T<3)带来的码间干扰,频域均衡适用于多径时延较大的场合。
时域自适应均衡器的设计主要包括2部分:一部分是均衡器的结构,另一部分是自适应算法。如上所述,比较常用的3种结构为线性均衡器、判决反馈均衡器和最大似然序列估计接收机。最大似然序列估计接收机虽然抗干扰性能好,但由于其结构较为复杂,因此并不适用。线性均衡器只是利用横向滤波器来减轻所有的符号间干扰,而判决反馈均衡器不但利用前馈滤波器来减轻将来的数据序列所造成的干扰,而且利用反馈滤波器来消除过去数据的符号间干扰。判决反馈均衡器结构对于信道存在深度频谱衰落的情况具有较好的均衡效果,而其性能优于线性均衡器接近于性能最优复杂度相当高的MLSE接收机。因此,综上所述,本自适应均衡器采用了判决反馈均衡器结构。
目前主要的自适应算法主要有最小均方误差算法(LMS)、卡尔曼算法、快速卡尔曼算法以及平方根卡尔曼算法等。评价自适应均衡算法的优劣,有3方面:① 起始收敛速度;② 跟踪时变信道的能力;③ 运算的复杂度。由于微波信道的时变速率比信息传输速率要慢得多,采用各种自适应算法的自适应均衡器都能够及时收敛并跟踪信道的响应,因此,本自适应均衡器所采用的算法主要考虑的是该算法运算量的大小。LMS算法的运算量要远小于其他自适应算法,而且基本上不需要有关统计特性的先验知识,经过一段时间就能够达到实际应用情况下的最小均方误差解,进而能连续不断地调节,保持系统的最佳性能。LMS算法的优势在于它的简易性和有效性,实际实现LMS算法时不需要求平方、平均或者微分计算,其每次权矢量更新需要2N(N为均衡器抽头数目)次乘法。综上所述,本自适应均衡器选用LMS算法作为自适应准则。
由于系统采用QPSK调制方式,信道衰落将不仅引起同路间的码间串扰,还会引起异路间的正交串扰,因此均衡器也必须采用二维的正交结构。由于结构对称的均衡器各系数间有相关性,只有二维自由度,所以对称结构的均衡器不能消除基带上的非对称失真,有较大局限性。在实际应用中总是将4个均衡器设计成独立的,这种非对称结构的均衡器能有效地抵消基带上的非对称失真。图1为非对称结构的判决反馈均衡器的示意图,各个系数的自适应更新算法见式(4)。
C
式中,α为步进因子,e为判决误差。
3性能测试
调制解调器主要参数:
① 调制方式 QPSK;
② 信息速率 40 Mbps;
③ 滚降因子 0.5;
④ 解调方式 相干解调;
⑤ 中心频率 140 MHz;
⑥ 信道模拟参数 两径模型加高斯白噪声。
图2为自适应均衡器抗多径测试框图。误码仪将码字和时钟送给调制器,在调制器中经过成形、放大以及混频等处理后输出中频调制信号,经过噪声源和高斯白噪声相加,由于噪声源为宽带信号,所以将混合后的中频信号经过带通滤波器将高斯白噪声限定在一定的带宽内。通过分路器后滤波后的中频信号被分为2路,一路信号直接通过中频线缆2送给合路器,另外一路信号通过可变衰减器和中频线缆1后送给合路器。合路器将分路器送来的2路中频信号合而为一后送给解调器进行解调,解调的码字以及时钟送给误码仪进行误码统计,同时在解调器的输入端接上频谱仪等仪器观测整个信道的频率响应以及估计信噪比。
通过改变可变衰减器的衰减值和中频线缆1、2的长度可以得到图3所示的4种信道。表1给出了4种二径信道的特性,其差别是2根径能量的比以及相对的时延差,图3给出了4种信道的频率响应。从表1和图3中可以看到,由于多径造成的凹坑位于信号带宽内的不同位置并且凹坑的深度也各不相同,所以可以用这4种信道来代表真正的微波信道,用以检验自适应均衡器性能。
均衡前后的误码性能如图4所示,在信道A中没有采用均衡器时,系统的误码率为3×10-1并且与输入的信噪比无关,采用了自适应均衡后系统的误码性能得到了显著的改善,在误码率为1×10-6时的性能比无失真信道下的性能损失了5.1 dB;在信道B中没有采用均衡器时的误码率一直为3×10-2,采用了自适应均衡器后的误码性能有了明显的改善,在误码率为1×10-6时系统的性能比无失真信道下的性能损失了4.5 dB;在信道C中,没有采用自适应均衡时误码率一直为1×10-1,均衡后在误码率为1×10-6时系统的性能比无失真信道下的性能损失了1.3 dB;在信道D中,均衡前误码率一直为4×10-2,均衡后在误码率为1×10-6时系统的性能比无失真信道下的性能损失了0.5 dB。
通过图4所示的均衡前后系统误码性能可以得到以下2点结论:第一,没有采用自适应均衡器时系统存在不可减误码,均衡后消除了不可减误码。经过多径信道传输后造成了严重的符号间干扰,导致误码性能急剧变坏,误码率一直为10-1、10-2量级,在这种情况下采用纠错编码也无法达到可使用的程度,采用自适应均衡后补偿了由于多径造成的频率失真,消除了不可减误码,误码率随着输入信噪比的增高而降低;第二,均衡器没有达到理想值造成了系统性能损失,但在微波通信中能够容忍这些性能损失。采用判决反馈均衡器及相应算法,算法比较简单易实现,但均衡后的误差与信道失真状态有一定关系,最多的性能损失为5.1 dB,最少的性能损失为0.5 dB。
4结束语
本文主要研究了自适应均衡技术抗频率选择性衰落的性能,同时也给出了自适应均衡器设计中需要注意的地方。对于大容量微波通信系统来讲,信道已不单单是高斯白噪声信道,必须考虑到由于多径造成的频率选择性衰落,这就需要采取一系列的措施来抗多径造成的频率选择性衰落,自适应均衡器就是得到广泛应用的一种抗多径手段。综合考虑线性均衡器和判决反馈均衡器的优缺点,采用了判决反馈均衡器。在4种频率选择性信道下对判决反馈均衡器的抗多径性能进行了详细的测试,通过测试结果可以看到:采用判决反馈结构、最小均方误差算法的全数字时域自适应均衡技术的调制解调器,具有抑制深衰落、消除符号间干扰、提高误码性能等优点。目前,该自适应均衡器已成功用于工程中,且工作稳定、性能优良。
参考文献
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宽带传输 篇4
继音响装置、多媒体DVD、车载电视之后,高速摄像机、视频游戏机、全球定位系统及车载电话设备、各种传感器互连等组成的局域网已进入现代汽车领域,人们在不断地追求汽车整体性能(安全性、故障识别诊断等)提升的同时,对多媒体信息网络和传输介质的性能提出了更高的要求。
目前带有视频功能的汽车音响主机的应用日益普及,在为驾驶员提供信息的同时,为了不过多分散其驾驶注意力,通常将汽车显示器安装在远离汽车音响主机的位置,并将画面投影到挡风玻璃的背面,有的大型车辆还将画面同时发送到几处显示。这种结合了图像源和面板的视频接口已从模拟视频技术转向RGB数字视频格式,并成为LCD显示器中应用的标准接口。一般前端显示应用的电缆长度为数米,后座娱乐单元的电缆长度为数米至数十米。这种连接已能够支持Mb/s的数据传输速率,目前大多是利用点对点串行器/解串行器(SerDes)芯片组和一对传输低压差分信号(LVDS)的双绞线数据缆组件来实现,满足汽车显示器要求的高数据吞吐量、超薄布线、超低EMI(电磁干扰)等要求。典型应用为图像主机与中央信息显示器(CID)、仪表盘、头枕上的娱乐显示器或为后座乘客准备的车顶下降式显示模块等的连接。
在点对点SerDes芯片组基础上增加电—光、光—电转换器构成光纤收发器。接入塑料光纤或石英多模光纤与连接器形成的组件,可实现汽车在严酷的环境条件下高保真音频、视频通信,实时安全监测传感等网络功能。现代汽车多媒体信息网络包括由仪表盘、多媒体计算机、收音机、电视平面显示器、因特网、移动电话、DVD与CD播放机、GPS导航系统、遥控器、扬声器等组成的汽车电子娱乐信息多媒体系统;由发动机、变速箱、防抱死和防侧滑等装置与底盘计算机等组成的汽车控制高速局域网;以及包括气囊、安全带拉紧器等装置与汽车内部设置的速度、压力传感器以及温度传感器等组成的汽车安全总线监管系统。通过光电线缆组件互连构成的汽车电子宽带通信网络在计算机网络软件支持下运行,实现资源共享,规避风险。
2 汽车宽带网络的传输介质
在汽车环境使用的电子宽带通信网络中,传输介质的特性影响汽车的适装性、耐环境性能与可靠性。汽车上的网络传输介质主要是线束(双绞线)、塑料光纤和石英光纤。
早期的低端汽车电子网络通常采用线束构建基于CAN(控制器局域网)的智能数据总线网,总线协议为IDB-C,可实现250kb/s传输速率;后来又推出D2B(塑料光纤音频分配系统)总线协议的娱乐系统,传输速率提高到11.2Mb/s;如今的高端汽车电子信息网络、通信和娱乐系统一般采用塑料光纤或石英多模光纤组网,如采用媒体定向系统传输(Media Oriented Systems Transport,MOST)技术的最新一代MOST150标准已被全球100种车型所采用,通过支持大量视频应用的同步传输机制和高效传送基于IP分组数据的嵌入式以太网信道,可支持150Mb/s的网络信息通信。据称未来还将达到1Gb/s传输数据速率[1,2]。近年来比较流行的还有基于IEEE 1394Fire Wire(IDB-1394)标准的网络,传输速率为400Mb/s,采用线束或塑料光纤组网。
2.1 汽车线束(双绞线)
汽车线束是目前汽车电子网络的主体,用于连接汽车的电气、电子部件,传输电能与传递信息。不论是高级豪华汽车还是经济型普通汽车,线束编制形式基本一致,都是由几条乃至几十条铜质多芯软电线包裹在塑料(聚氯乙烯)绝缘管内,并与接插件连接,实物照片参见图1。
目前德国、日本、韩国、意大利和美国都有各自的汽车线束产品标准,国际标准化组织也推出ISO6722标准,我国制定了国家汽车线束标准GB/T25089—2010《道路车辆数据电缆》,此外还有国家机械部标准JB 8734—1998《额定电压450/750V及以下聚氯乙烯绝缘电缆电线和软线》、GB/T 2951《电缆绝缘和护套材料通用试验方法》、JB/T8139—1999《公路车辆用低压电缆(电线)》、QC/T730—2005《道路车辆用薄壁绝缘低压电线》等标准可用于相关产品的检测。
汽车线束产品应能确保电能与电信号的有效传输。对于不同功率用电设备间的互连导线,其标称截面积应根据传送的额定电流而定,防止电器过热烧毁和对周围电路的电磁干扰。除了考虑电气性能外,还受到车载环境的布线条件制约。汽车线束技术上容易实现,造价低廉,允许多节点数并对环境电磁辐射有一定抑制能力,但随着传输信号速率的提高,双绞线线对的衰减会迅速增高,并存在近端串扰,影响传输速率的提高,因此比较适合低速信号与电能传输。如今汽车线束产品正朝着传输速率更快、质量更轻、适合恶劣环境下的稳定可靠传输的方向发展。
2.2 塑料光纤
塑料光纤工作波长650nm,带宽约为500MHz·km,衰减系数约为150～180dB/km,最小弯曲半径的典型值>25 mm,工作温度为-55～85℃。具有质量轻、芯径大(1.0mm)、易连接、柔韧性好、使用寿命长、高传输速率(1Gb/s)、支持宽带应用、抗电磁干扰、抗振动、可靠度高、操作连接容易、维修方便、系统成本低等优点。
塑料光纤连接线由渐变折射率塑料光纤(GIPOF)和卡口式连接器组成。一般1m长的塑料光纤连接线插入损耗不大于3.0dB,互换性不大于0.50dB,抗拉强度70N,具备振动环境下光信号不间断性(如在频率5～50Hz,1.5mm振幅的振动环境下测试光衰减变化量应不大于1.0dB),工作温度-40～70℃,已有公认的产品标准,如符合欧洲RoHS认证、美国标准(SONET OC-48)、中国行业标准YD/T 1447—2006等。还有塑料光纤连接线与线束插头做成一体组成连线插头连接器,如图2所示,以减小体积。
2.3 石英多模光纤
石英多模光纤的工作波长为普通通信波长850nm和1 300nm。目前在汽车电子宽带通信网络里多数采用芯径、外径分别为62.5μm、125μm的石英多模光纤,在850nm波长下最小模式带宽为100～800MHz·km,衰减系数<3dB/km;在1 300nm波长下最小模式带宽为200～1 000 MHz·km,衰减系数<1dB/km,数值孔径NA为0.275±0.015,最小弯曲半径的典型值>15mm,工作温度为-55～85℃,被覆层特殊处理后工作温度可达125℃。近年来推出的Gb/s以太网用石英多模光纤能适应发光二极管(LED)光源的传输特点,支持在850nm波长下220m和在1 300nm波长下550m的最大传输距离,在汽车电子通信网络中应用绰绰有余。石英多模光纤与通信光纤连接器结合形成的组件已在高档汽车中应用,外观与塑料光纤组件相似。
3 汽车光传输网络[3,4]
为了提高传输线的抗电磁干扰能力、拓展传输距离、支持点到多点的传输、提高模拟传输的信噪比,降低数字信号传输的误码率,采用光纤连接线和光收发器组成的光传输网络替代线束的电子网络。光网络拓扑结构有环型、树型和星型等。环型网的节点之间通过光纤连接线互连而成,树型和星型网除了光纤连接线还需用到光纤耦合器,其分支数与节点数相关。汽车环境应用要求光收发器体积小,低功耗,采用直流低电压供电,能适应车载环境工作,质量可靠,光接口与光纤组件对应。
塑料光纤网络中光收发器一般采用工作波长650nm、带宽75～100 MHz的LED光源,光电响应灵敏度为0.5A/W的PIN(光电探测器)。采用NRZ、BCM编/解码等技术。国外最新研究推出的MOST系列高端产品,采用带宽350～400 MHz的LED光源、一种基于塑料介质的先进电信技术,支持Gb/s的数据传输速率,误码率优于10-12。
塑料光纤网络的缺点是在高温环境中会发生塑料光纤氧化降解(光纤芯材料中的羟基、双键和交联形成),促使电子跃迁加快,进而引起光纤损耗增大,传输可靠性降低。另外塑料光纤的低损耗应用窗口在650nm附近,与石英光纤的低损耗窗口850nm、1 300nm、1 550nm不同。两种光纤网络中的光收发器件不兼容,目前适合塑料光纤网络应用的光收发器件价格贵,市场竞争能力较低。
石英多模光纤组网方式同塑料光纤一样,一般采用具备抗拉强度和抗侧压能力的耐弯曲石英多模光纤加芳纶纤维制成软光缆,并与光纤连接器装配后组成光纤连接线,其制造技术与在宽带通信网络中应用技术已相当成熟,配套的光电子元器件,如光收发器中的LED光源、PIN探测器、组网用光纤分路/合路器、星型耦合器等已大量开发,价廉物美。在汽车环境使用时,石英多模光纤的带宽性能、耐温度性能良好,且损耗小,整体性能优于塑料光纤网络,已被认作升级换代产品。
石英多模光纤网络的不足是光纤芯径(62.5μm)远远小于塑料光纤(1mm),光纤连接器与光发射器的对接可能因为汽车行驶的剧烈振动而发生错位,导致耦合进光纤的光能量突然减小,出现传输光信号的不连续,进而导致信噪比降低、误码,甚至传输间断。这种光纤连接的偶发故障不仅发生在卡口式光纤连接器(ST型、SC型与LC型)组件上,在螺旋式光纤连接器(FC型)组件上发生概率更大些。
4 提高介质传输性能的设想
如今汽车电子宽带通信网络的传输介质已从单一线束逐步发展到塑料光纤和耐环境性能更好的石英多模光纤。在追求光纤网络高数据传输速率、高保真视音频效果、实时准确的传感效果的同时还需关注光网络传输的可靠性和性价比。
提高汽车电子宽带通信网络介质传输性能的设想有二:一是在石英多模光纤(缆)头上加自聚焦透镜制成扩束型连接器,扩大光斑后增加了光耦合面积,可减小光信号连接的功率损失,降低光路不连续性,但这样会导致网络成本大大增加;二是采用芯径、外径远大于普通通信光纤的石英多模光纤,如芯径、外径分别为100μm、140μm的多模光纤,并配上普通ST、SC对接型光纤连接器形成的组件组网。大芯径光纤连接器容易制作,端面大,可减小光纤接头对准的允许误差,大大降低车载系统光缆组件传输故障率(信号中断率),提高在高低温、振动、冲击环境下信号传输的可靠性。大芯径石英多模光纤(缆)在800～1 300nm波长区域传输损耗都很小,在车载使用时几乎可不计,其耐温性能、抗弯曲性能优于塑料光纤。与大芯径光纤(缆)组件配套的有源光器件成本低。因此尽管目前大芯径石英多模光纤(缆)成本高(单价约几十元/米),与塑料光纤(单价约几元/米)有数量级的差距,但从网络系统整体角度看仍有价格优势,不失为一种明智的选项。
5 结论
目前汽车上普遍使用的电子线束正逐渐被具有传输速率高且无串扰、无电波和电磁干扰、弯曲性良好的塑料光纤、石英多模光纤所取代。大芯径石英多模光纤具有高温性能稳定,光纤连接器制备方便、光路连接可靠性高、配套光有源器件充足且价廉物等美等优点,作为新一代的汽车电子宽带通信网络传输介质的应用前景良好。
参考文献
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宽带传输 篇5
射频光传输由于其具有频带宽、体积小、重量轻、损耗小、抗电磁干扰、低色散等多方面的优良特性, 在电子战、雷达、无线通信、射电天文和有线电视等军事和民用方面都获得了广泛的应用[1]。射频光传输主要功能是将射频信号调制到光上实现信号的远距离传输。
宽带模拟射频信号超长距离无中继光传输系统实现光发射机和远端光接收机之间无中继的光纤直接连接, 也就是说光纤线路中间没有光放大器或光电转换器等中继设备, 这种宽带模拟射频信号超长距离无中继光传输系统的一个应用方向为通信线路经过沙漠、沼泽以及海底等无人区的问题, 同是还可以应用于超长距离的分布式雷达, 大幅度降低中继站的建设与维护成本[2,3]。
与传统的短距离射频光传输系统相比, 存在很多需要克服的新的技术难点;由于光传输距离变长后, 光链路中的噪声会变差, 光线长度带来信号的衰减以及光色散引起的周期性衰弱等成了宽带模拟射频信号超长距离无中继光传输所面临的技术难点。目前国内外研究及工程应用主要是针对数字方面的光传输系统, 研究模拟的超长无中继射频光传输的相关报道非常少。因此, 研究宽带射频信号的低噪声、大动态超长距离传输及其工程实现具有重要意义。
2宽带模拟射频信号超长距离无中继光传输系统分析
2.1长距离光传输影响因素
虽然光信号在光纤中传输的损耗很低 (0.2d B/km) , 但在光调制解调过程中也会引入损耗, 同时也还会出现非线性失真和噪声。激光光源产生的频率不完全是一个点频的光波长, 有一定的带宽, 同时不同频率光信号在光纤传输的速度是不同的, 速率不同即时延不同从而引起色散, 当色散累积将最终导致宽带射频信号的幅度平坦度、噪声等信号质量严重恶化[4]。
因此长距离光传输链路与传统光链路相比必须重新设计, 以改善长距离光链路带来的性能恶化。为了保证宽带信号超长距离光传输的可行性, 光链路的优化设计所采取的关键技术是至关重要的。
2.2长距离光传输的关键技术
2.2.1光功率补偿
光链路功率的衰减可以通过光放大器放大来补偿, 但光放大信号的的同是也会产生大的噪声, 所以长距离光传输必须采用超低噪声的拉曼放大器 (RA) 来实现;由于长距离光的差损非常大, 在放大链路中把噪声降到系统可以接受的同时还需要高增益的掺铒光纤放大器 (EDFA) 。
掺铒光纤放大器 (EDFA) 一般由主要有放大介质和可以提供高能量的泵浦源组成。泵浦光提供能量使铒纤中的铒离子由基态向高能级跃迁, 实现粒子束反转分布而产生放大[5]。由于EDFA具有泵浦效率高、工作性能稳定、带宽大、增益曲线好以及技术成熟等特点, 在模拟和数字领域的应用已经相当成熟, 解决了链路中传输距离受光纤损耗的限制。与数字超长距离光链路相比, 模拟超长距离光链路的对噪声恶化要求更高, 如果在链路采用级联多个EDFA将会使链路中产生很大的自发辐射噪声 (ASE) 而建的信号的信噪比。
拉曼放大器 (RA) 工作原理是向光纤输入高功率泵浦将信号放大, 传输光纤得到大的能量而产生增益。由于其具有极低的噪声系数等特点, 与EDFA放大器一起配合使用, 在跨长距离的发射端或接收端等应用场合使用。
2.2.2色散补偿
由于不同波长的光信号在光纤中的折射率是不一样的, 所以在光纤中的传播速度也不相同, 从而在光纤中产生光的色散现象[6]。
在超长距离微波信号传输过程中, 光纤自身产生色散效应会导致传输信号功率周期性衰减的同时, 还会引起微波信号波形失真, 从而导致传输带宽受限, 随着传输信号频率越来越高和传输距离的增长将使这一效应更加明显。因此在超长距离光传输系统中色散是限制微波光传输的主要原因。在模拟超长距离光传输中, 为了尽可能减小色散对系统信号的影响就必须采取一定的色散补偿技术, 即采用负色散器件对光纤的正色散实施抵消。同时必须准确的计算光链路所需要补偿的距离, 来保证链路既没有欠补偿, 也没有过补偿带来浪费成本, 从而提高链路的性能指标。
2.2.3非线性效应
光链路中进入光纤的光功率不高时, 光纤的折射率和损耗基本是线性的;然而光功率非常大时, 则会产生受激布里渊反射, 大部分的输入光功率在光纤传输过程中被转换成反向传输的斯托克斯光, 从而正向传输的光信号大幅度的衰减, 同时造成系统链路插损和噪声系数的恶化[7]。因此, 在光链路设计中充分考虑非线性效应的影响, 提高光信号功率在光纤传输的有效性。
3宽带模拟射频信号超长距离无中继光传输系统的实现
根据图1中宽带模拟射频信号长距离无中继光传输系统的链路结构, 采用光放大与色散补偿技术, 传输距离大于200km的无中继宽带射频信号的光传输。研究项目中射频信号频率宽带从500MHz到5.5GHz, 信号输入最大不超过-30d Bm, 整个链路在传输距离为250km的情况下增益要求大于30d B, 带内噪声输出功率:≤-50d Bm (测试条件:RBW:10k Hz;VBW:10k Hz) 。
长距离无中继光传输系统在实现过程中为了提高整个链路增益、降低链路的带内噪声输出功率, 我们在射频输入端加一定增益的低噪声放大器, 同时保证输入射频信号在光调制的线性输入区, 同时在光解调模块输出端同样加低噪声放大器来补偿光链路的增益。
根据图3到图7的仿真和实测结果可以看出, 当长距离无中继光传输系统没有做色散补偿时, 链路幅度平坦度摆幅非常大, 不平坦度大于40d B, 根本无法满足系统使用要求;当进行一定的色散补偿后, 链路幅度平坦度在短接时与长距离光有色散补偿测曲线基本一致, 同时长距离光链路中采用拉曼放大器与EDFA光放大器结合补偿光路带来的插损, 整个光链路增益超过40.15d B (射频放大器与光放大器增益超过170d B) , 幅度平坦度优于±3.5d B, 带内噪声输出功率降低到-62.80d Bm (测试条件:RBW:10k Hz;VBW:10k Hz) 。同时我们做了相应的环境适应性试验, 系统各个性能指标稳定, 完全能够满足后续工程项目使用要求。
4结束语
文章对宽带模拟射频信号超长距离无中继光传输系统中的关键技术进行了分析研究, 提出了包括功率衰减补偿、色散补偿和非线性等光链路设计搭建方案, 最终实现了宽带模拟射频信号超长距离无中继光传输系统的工程化应用。为后续需经过沙漠、沼泽以及海底等无人区问题的军民用超大规模雷达天线组阵、超长距离的远程测控提供很好的解决方案, 并大幅度降低中继站的建设与维护成本。
参考文献
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宽带传输 篇6
多址接入体制是带宽资源有效利用的关键。目前宽带卫星系统的多址接入体制主要是以TDMA (或MF-TDMA) 及CDMA为主, 然而TDMA体制的宽带卫星具有自身难以克服的几个问题:帧同步要求精度高, 抗干扰性能较差, 时隙调度算法复杂, 容量难以扩展。尽管CDMA技术与TDMA相比, 具有抗干扰性能好、系统容量大、频率利用率高、安全保密性好等优点, 在地面移动蜂窝网中得到了广泛的应用, 但如果应用到卫星环境中, 复杂的多用户检测技术将严重增加星上处理的负担。分析CDMA体制的优缺点, 可以设想, 如果能够以较低的复杂度解决星上多用户检测问题, 则为新一代宽带卫星系统提供了一种合理的解决途径, 这一思路随着交织区分多址接入 (IDMA) 技术的出现而逐渐清晰起来。IDMA技术是由香港大学的李平教授首次提出的, 其核心思想是利用不同交织器来区分不同的用户[2]。由于采用了非常简单的码片级迭代译码方法, IDMA能够以远低于CDMA多用户检测的代价支持多址接入, 该方案的归一化复杂度与系统总用户数无关。此外, 在IDMA系统中, 可以使用低速率码最大化编码增益, 把CDMA系统中的扩频码所占用的带宽释放出来用于信道编码, 使整个系统的性能接近多址接入的信道容量限[3—6]。在带宽和星上处理能力受限的卫星通信系统中, IDMA的上述技术优势尤为值得关注。将IDMA引入新一代宽带卫星通信系统, 有望突破现有卫星多址接入方案的技术瓶颈。
然而, 目前对IDMA技术的研究主要针对加性高斯白噪声 (AWGN) 环境, 其在卫星通信环境中的优势还没有得到充分挖掘。鉴于上述分析, 本文充分考虑Ka频段卫星信道特点, 首先建立了Ka频段宽带IDMA卫星系统模型;在此基础上, 与CDMA体制下宽带卫星系统的性能与容量进行了仿真对比, 给出定量的数值结果。
1 Ka频段宽带IDMA卫星系统模型
1.1 Ka频段宽带卫星信道模型建立
Ka频段卫星信道中主要有以下几种衰落[7,8]:
1.1.1雨衰Ar
由于降雨引起的信号衰落, 是载波频率和系统可行性的函数。
(1) 大仰角下:
(2) 小仰角下:
式中f为载波频率, C1、C2、δ1、δ2是系统可行性的函数, θ为地球站仰角, θ0为参考仰角。
1.1.2大气吸收
由氧气吸收和水蒸气吸收引起的损耗。ITU-R给出的表达式如下:
(1) 氧气吸收损耗
(2) 水蒸气吸收损耗
式中h和r代表高度和损耗系数。
1.1.3云雾衰落Ac
传播信号由于云雾而受到的衰落。与液体水含量和温度有关。
式中L为云雾厚度, 可近似为1 km, ε'和ε″分别为水的介电常数的实部和虚部, f为载波频率, η= (2+ε') /ε″。
1.1.4大气闪烁As
由于大气层折射率时变性引起的衰落。
因此, 卫星信道中总的衰落值At计算公式如下:
将式 (1) 代入卫星通信自由空间传播公式中可得:
式 (2) 中PR和PT分别表示接收和发送载波平均功率, l为通信距离, c为光速, AT和AR分别为接收和发射天线的有效面积, Po为系统不可用率。
由文献[9]中的分析可以得到式 (2) 中乘法因子m (f, Po) =f2/At随f的增大而增大, 但同时信道总衰落At随f增大而迅速增大又造成乘法因子的减小。数值计算表明在系统可行性较低时, 乘法因子在很宽的频率范围内基本不变。因此Ka频段卫星通信信道总衰落可认为是非频率选择性衰落, 由“平坦”的衰落与加性高斯白噪声 (AWGN) 组成, 且这种平坦衰落只与天气有关。
综上所述, 由式 (2) 可得Ka频段卫星信道模型可等效为一个信道乘性衰落过程, 可表示为:C (t) =a (t) exp[jφ (t) ], 其中a (t) 和φ (t) 都是实随机过程, 其概率密度函数如下:
式中σ'和σ″为包络和相位的方差, 而m'和m″分别包络和相位的均值。其具体值在各种天气条件下已被测得[10]。因此可以建立Ka频段卫星信道仿真模型如图1:
1.2 Ka频段宽带IDMA卫星系统模型建立
结合上一节中建立的Ka频段信道模型与ID-MA系统结构可以建立如图2所示的Ka频段宽带IDMA卫星系统的模型。
图2上半部分是该系统的发射机部分, 仿真中有K个用户, 各个用户数据数据dk先经过扩频, 生成序列ck≡[ck (1) , …, ck (j) , …, ck (L) ]T, 其中L是一个数据帧的长度, 然后ck经过交织器πk生成xk≡[xk (1) , …, xk (j) , …, xk (L) ]T。参照CDMA将xk中的元素成为“码片”, 则L也被称为码片的个数。其次xk经过Ka频段卫星信道进入接收机。接收机就是IDMA系统的接收机即逐码片 (CBC) 迭代接收机, 由一个基本信号估计器 (ESE) 和K个交织器、K个解交织器、K个译码器 (DEC) 组成。IDMA的核心思想就是不同用户数据通过不同交织器区分, 即图2中πk对于不同用户的数据是不一样的。
2 Ka频段宽带IDMA卫星系统性能
为了验证IDMA体制宽带卫星系统的性能, 并与传统CDMA体制进行对比, 本节将利用上面建立的系统模型开展仿真分析。仿真中码片速率Rc的选取是参照欧洲ESA的宽带CDMA卫星系统SW-CDMA设定的, 分别取2.048Mchip/s和4.096 Mchip/s。
其他共用参数设置如下:卫星转发器带宽Bw等于500 MHz, 用户数据长度Ld等于100 bits, 重复编码长度Rp等于2, 迭代次数It等于3, 信息速率Rb分别取100 Kbit/s (参考3GPP标准, 会话类业务平均比特率) 和128 Kbit/s (交互类业务平均比特率) , 调制方式采用BPSK调制。
(Rc=4.096 Mchip/s, Rb=128 Kbps, M=32, Rp=2)
图3给出了晴天状况下, Ka频段IDMA和CD-MA卫星通信系统的性能比较, 其中信息帧长均为3 200, CDMA的扩频码采用m序列, IDMA采用扩频序列[+1, -1, +1, -1, …]。其中扩频序列的长度用M表示。
从图3的结果可以看出在同等条件下IDMA体制宽带卫星多用户性能要远优于CDMA体制 (例如用户数K=15, Eb/N0=10 d B情况下, IDMA的误码率远低于CDMA系统的误码率) 。这是由于, IDMA中交织是逐码片完成的, 交织器的深度是整个数据分组的长度, 由于这种随机交织的存在导致了数据之间的相关性大大的降低了, 这样就会使误码性能变好。而传统CDMA体制交织器工作在比特级, 相同码片在信道中传输其相关性不会得到改善, 从而造成较严重的误码。
图4给出了不同天气状况下的Ka频带卫星通信IDMA与CDMA性能比较。从仿真结果可以看出当天气状况为晴天、小雨、小雪时误码相当, 但当天气为黑云时误码率明显增加。图4的结果也可以看出同等条件下IDMA抵抗较差环境能力要优于CD-MA。
(Rc=2.048 Mchip/s, Rb=128 bps, K=7, It=3)
3系统容量分析
将IDMA引入宽带卫星系统的根本目的是为了大幅度提升系统容量, 为了验证这一问题, 本节对宽带IDMA卫星系统的容量分析方法进行阐述, 并给出与CDMA体制对比的定量数值结果。这里的系统容量定义为给定误码率要求下宽带卫星系统可提供的信道链路数。仿真考虑GEO多波束卫星系统, 每个卫星点波束覆盖一个蜂窝小区。图5给出了给定卫星的干扰仿真示意图。设Bsat为卫星可利用的总的带宽, Bc为每个点波束覆盖小区的带宽, q为小区内频率复用因子, N为子频带个数, Bb为子频带带宽, 则对于CDMA和IDMA体制下q=1, 因此Bc=Bsat/q=Bsat=NBb (这里忽略了保护频宽) 。
3.1基于解调器门限的信道链路数分析
首先来分析下子频带内可提供的信道数Lc。对于BPSK调制方式, Bb=Rc (1+α) , 其中α为升余弦滚降因子。则扩频增益G=Rc/Rb=Bb/[ (1+α) Rb]。设Eb为任意信道信号每比特的能量, 则传输信号每个码片的功率谱密度表示为
假定Itot为子频带内的用户i受到干扰的功率谱密度, N0为噪声功率谱密度, 则由式 (3) 可得Itot为
进而信干噪比SINR为
从而由式 (5) 可推得Lc为
则给定接收端的解调门限 (Eb/Itot) req和发射端的Eb/N0, 在传统CDMA系统中, 可以通过式 (6) 计算出子频带可提供的信道数。
然而IDMA系统由于采用CBC迭代译码技术, 以极低的复杂度抑制了多址干扰, 从而得到SINR性能的提升, 这称为SINR Evolution技术[11]。设SINR Evolution技术得到的干扰功率改善因子为f (γ) , 其中γ为初始SINR的值。则式 (5) 改写为
进而Lc可推得
由文献[12]可得功率控制因子为
式 (9) 中Yγk是一个均值和方差分别为2 (M-1) γk和4 (M-1) γk的Gauss型随机变量, γk为第k用户的SINR值[11]。
图6给出f (γ) 的性能曲线, 可看出f (γ) ∈ (0, 1) , 由式 (8) 可知, 采用IDMA技术后, 相同的 (Eb/Itot) req下Lc会增加。
结合式 (8) 和式 (9) 和图6的曲线, 图7给出了相同条件下, 一个子频带内分别采用IDMA和CD-MA体制而得到的容量理论分析结果。仿真中 (Eb/Itot) req取5 d B, 未采用差错控制编码。
从图7的结果可以看出相同条件下IDMA系统可提供的信道数要超过CDMA系统1倍以上。
3.2基于误码率要求的信道链路数分析
(Rc=2.048 Mchip/s, Rb=100 bps, f (γ) =0.4)
对用户而言, 解调器门限并不是非常直观的技术指标, 因此本小节对给定用户误码率要求下ID-MA体制与CDMA体制的系统容量进行了仿真分析和比较, 结果如图8所示。仿真中扩频长度M=35, Eb/N0=8 d B。同时两系统都使用了码率为1/2的重复码。
从图8可看出, 误码率要求为10-2时, 采用ID-MA体制得到的Lc约为20, 而采用CDMA体制得到的Lc约为9, 充分显示了IDMA在Ka频段宽带卫星系统中的巨大优势。
下面对整个卫星系统的容量进行仿真计算。假定一个GEO卫星系统可提供点波束J=200, 根据图5的卫星干扰示意图, 则系统提供的总的链路数C可由下式计算
式 (10) 中Lc为一个子频带提供的链路数, N为一个波束内的子频带个数。
通常情况下宽带卫星转发器带宽Bw频率等于500 MHz, 将其划分为N个子频带, 每个子频带带宽为Bb, 则表示取整。又因为Bb=Rc (1+α) , 若取α=0.22, Rc=4.096 Mchip/s, 则N=100。基于图8的思想先仿真求出Lc, 则C可被求出。表1给出了该系统分别采用IDMA和CDMA体制可提供的系统容量C的仿真结果。其中C_I表示IDMA系统的总的链路数, C_C表示CDMA系统的总链路数, “—”表示给定条件下无法达到误码率要求。需要说明的是, 本文重点分析IDMA在卫星系统中的优势, 而并未考虑Ka频段卫星信道的衰减补偿和差错控制问题, 因而误码率较高。
从表1结果可以看出:①C随着Eb/N0的增加而增加, 此原因由公式 (8) 可知;②相同条件下, 采用IDMA体制的Ka频段宽带卫星系统容量要远大于同等条件下CDMA系统。产生此结果的原因为:当以相同的SINR进入接收机时, 由于IDMA系统以极低的复杂度抑制掉部分多址干扰, 即存在SINR Evolution技术, 从而导致了IDMA接收机输出的SINR提高。这样当CDMA系统的SINR低于解调门限时, IDMA系统的SINR仍可能高于此门限, 从而导致系统容量的大幅提升。
4结论
考虑到IDMA的技术优势与现有卫星通信多址技术的瓶颈, 本文将IDMA技术引入到Ka频段宽带卫星系统中, 并通过理论分析和仿真计算详细比较了IDMA与传统CDMA体制在Ka频段宽带卫星系统中的性能和容量。仿真结果可看出, 与传统CD-MA体制相比, 在宽带卫星系统中采用IDMA多址接入体制可以更好地利用有限的带宽资源和功率资源, 在相同的条件下, 系统容量提升1倍左右。这就为下一代宽带卫星系统的发展提供了新的思路和依据。
摘要：为了解决当前Ka频段宽带卫星接入体制难以克服的技术瓶颈, 将交织区分多址接入 (IDMA) 技术引入宽带卫星通信系统, 充分利用IDMA接入方式在低复杂度和高频谱效率等方面的优势, 以期在资源受限的卫星系统中获得更高的用户容量和服务质量。结合Ka频段卫星信道特点建立了宽带IDMA卫星系统仿真模型, 阐述了其系统容量计算方法及推导了相关的表达式。仿真和分析表明, 与传统CDMA方式相比, 宽带卫星IDMA传输机制以较低的星上处理复杂度获得通信性能和用户容量的大幅提高, 为下一代多业务、高容量、高速率的宽带卫星通信系统提供了一种有价值的参考方案。
关键词：宽带卫星,交织区分多址接入,Ka频段,信道特性
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