基于OFDM技术的短波通信电台研制

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1、基于OFDM技术的短波通信电台研制摘要:本文研究了OFDM调制技术在短波通信中的应用,提出了一个基于OFDM调制的短波通信电台的设计方案并完成了软硬件系统设计。对实验样机的测试结果表明,本系统性能指标能够满足实际要求。关键词:短波通信;软件无线电;正交频分复用技术一、引言 短波通信由于具备通信距离远、架设简单和移动方便等优点被广泛用于无线通信领域。正交频分复用(OFDM)调制方式以其传输速率快、频带利用率高和抗多径能力强等优点越来越受到人们的重视,也开始逐步被应用于短波通信领域,取代原来的单载波调制和非正交多载波调制技术1。本文介绍的基于OFDM调制技术的短波通信电台采用了软件无线电的思想,以

2、DSP为控制和运算核心完成对数字信号的OFDM调制和解调。二、短波通信电台的系统模型与性能参数1.基本系统模型短波通信电台的实验样机框图如图1所示,发送端首先通过PC机录入人的语音数据进行语音编码和压缩,然后通过RS-232接口将压缩后的比特数据流传送至数字发射机进行OFDM调制,最后由射频模块将OFDM信号变频到射频频段后发送至无线信道;接收端首先由射频模块接收通过无线信道传来的模拟信号,然后在数字接收机内部将信号恢复成基带信号后进行同步和OFDM解调,最后通过RS-232接口将解调后的比特数据上传到PC机,由其进行解压缩和语音解码将数据恢复成语音数据。短波电台的系统参数如表1所示,主要性能

3、指标为:4QAM调制时,在10 kHz的信号带宽上数据速率达到11.25kbps;16QAM时,则能达到22.5 kbps;4QAM调制时采用编码后在信噪比为10 dB的AWGN信道中的比特误码率能达到105;4QAM调制时采用编码后在信噪比为20 dB的短波信道(多径信道最大延迟4 ms)中的比特误码率能达到104。阵限于窜篇幅题,下晓文主惜要介铲绍数暂字发黄射机肌和接共收机哄两个鼻中频岂处理霜模块句的软圆硬件券方案洁设计值,而半对射突频模写块和厉语音毯编解滨码模哗块不伶做介祥绍。乳三、亏数字潜发射氧机软航、硬影件结泡构时数字台发射便机的革结构陷框图顿如图骑2所摩示,莫压缩晚后的恭语音旅数据

4、施通过或RS贺-2意32奋接口好传到晓发射长机,圆先进由行缓术冲后乐送入防DS肿P进肺行O茶FD成M调晚制,衣最后食将已最调信胜号上帮变频份到中诊频后跳采样焦。堂图2框数字铜发射乔机的错结构籍框图描兼在数六字发渡射机邪中我通们采裂用了有TI惕公司榨的T继MS况VC掌54拦10选芯片译来完厕成信球号的盗OF索DM壶调制抱,该众芯片饰是一备款1中6位王定点燥DS毫P,雄片内阀有6绳4软K的愈16养位字蛾节R掀AM晶,最牌高工挡作时趁钟可兄达1动00绣 M善Hz姥。壳DS骄P内按部信傲号处票理流假程如业图3根所示斑,数匹据进帜行星颈座映鞋射(饮4Q币AM凭/1驾6Q银AM量)后蚁插入示导频洽,由胡于

5、在饮我们库的方搅案中梢数据拾传输须采用尊了帧浸结构译每2削0个纹符号倘为一换帧,呜因此辫在每鸽帧的屈第一终个符胆号内丢需插厅入时机间导柱频用璃于接杜收端摆的帧忌同步毫,同说时在路所有菠符号粪中插窗入增灰益导票频用铸于接届收端曲的信狮号同令步和酷信道户估计适,时均间导幕频和胆增益慈导频桑的幅份度是佣信号屑幅度危的倍廉而相的位为夏随机餐分布只。脆由于霉OF拴DM倘调制埋可以搏等效次成一灰次I浑DF泥T,遇所以滚已调腹信号恭可以护表示迹为:查为了狭消除莫多径筑引起率的符狼号间壶干扰前还需舒加入攻循环秀前缀袄(C纺P)痰,实童际中厘循环轧前缀融的长制度一酷般要巧大于拿信道辣的最崖长延岩迟时矿间,洗最后

6、跳的输结出信及号为宜为了嗓产生捎带宽佩为1仓0 妥kH南z、然中心籍频率旗为5怖12硬kH遭z的上OF醋DM妨信号茅,有烂2种估方案侄可供登选择位:拿淋在D出SP随中进懒行O告FD彼M调蛇制时吨直接嫩产生形,根织据奈旦奎斯醉特采旦样定乌理此厉时的境离散染采样夫速率绿至少曾为1检.0键24订MH柔z,鹿这就饱意味缩着O炎FD沟M调遣制时嚼IF段FT焰的点浙数为妹16寺38决4点燥,虽絮然采骑用这趁种方议法硬剥件结醒构比耗较简职单,爽但对库DS瘦P运祖算速吼度要强求很隐高T柱MS享VC恢54蛾10伪无法旷胜任芬;省门在D匀SP蜂中产法生离旅散采凉样率葡为3若2口KH柱z的逼OF碌DM闻信号快(I仙

7、FF肃T的腐点数假为5糕12俯点)宝,然诚后对述其内敢插和炊滤波划,为显了获参得1随.0芒24离 M葬Hz笼的离灶散采尺样率防至少他对原障来信沙号进谅行3押2倍梦插值些,最愁后将千其混员频到满51豪2腔KH识z,万实际赔中为无了降熊低数祸模转可换后吩的模薯拟滤驴波器膀的设纵计要处求我艺们采昂用了码25最6倍纠的插肃值,壳虽然慕采用做这种滴方案送运算下量也耗很大创,但钩是可栗以采脸用专笼用的世上变棍频(总DU植C)罚芯片避来完捉成。渣Ha野rr这is召公司剩生产屡的H税SP陵50矮21酬5是富一款显单路鹿调制艘的上遵变频符器件虏,最且大输矩入数厦据流顿为3散MH威z,些输出岭数据棒流为休52剪M

8、H缴z,激内部腰包括防32牌位的剃可编电程载周波数漏字振坐荡器遇(N驾CO奉)、眠30卧位可逢编程富符号醋定时脉NC暖O、程25超6阶狮可编陵程整掀形F蜓IR汁滤波暮器,印最大投内插舍因子钳为2迎56扬完全角可以块满足顺我们描的设陕计需园要。愧四、葱数字峡接收槐机软惯、硬多件结速构爽数字菜接收勇机的捏设计混采用胁了中终频带碎通采私样的寿软件肥无线罪电模助型其期结构需框图兆如图弦4,再先对垦输入唉的中溜频信君号进互行带宅通采泽样,救然后煌进行努混频验、低艺通滤第波和予下变耕频等斤处理蜂恢复渡出基佛带信阅号,狱最后伟进行置OF不DM捎信号秀同步探、信瓜道估圾计和劣解调吓。揭1.握带通装采样屑输入欲

9、信号吸为中聚心频隐率为奔51丘2 户kH乔z、浆带宽焦10悬kH业z的羊窄带画信号纱,为江了使唤得恢朴复出狼的O探FD定M信梯号与玻发送漫信号牢采样田率一宵致以查保证污每个董子载伐波对怒应的劳实际示频率床值一严致,艳首先切需要炉获得耳采样耕率为幻32甩kH昆z的液离散锤基带反信号柿。有挤2种伸方案暖可供膜选择取:认章直接大采样质,根虾据采辈样定惜理采抄样速倡率至孝少为猎1.各02茶4墨MH苍z,遗为了谜得到挤所需贵的基引带信稼号还淹要进年行3辅2倍答的抽房取,由最后曾再用跳低通旧滤波沫器滤胞出所茎需信山号,守考虑究到运旧算量擦比较及大实狭现这砖种方失案可鸡以与坝数字晶发射伞机一仿样采膝用专跳用

10、的杯下变养频(读DD斧C)住器件松(如围Ha历rr电is岩公司缸的H改SP技50际21僚4B经)来送完成奇;透锹带通汉采样页,根应据带出通采幕样定拖理和灵前述糟原因充采样森速率冰必须障为3贫2仅kH齐z的万整数慨倍,中由于验实际臭中总召是存剂在载扰波偏皂差直老接用和32椅 k胀Hz诊采样剂后的恭信号顷频谱古会产非生混磁叠,饺故本炮系统待采用房的采察样率镇为9忠6孤kH启z,途然后秤通过展混频蹲、低勒通滤把波和曾3倍穴抽取萄恢复教出所岛需的云基带烧信号智。比笔较两言种方低案后估我们轮采用钱后者业,因赌为该庭方案户不必手使用零额外克的下剥变频迈器件季,系忍统结肥构比建较简献洁,布而且旋最后粉的信父

11、号处羞理运拳算量下不是浸太复岂杂完逗全可泄以由踪DS受P来颈完成多。勇2.纸OF余DM婆信号隔同步乔和信袭道估非计拔对于仁采样枝后的龄信号渡的处绳理由裤AD删公司堵SH澡AR切K系振列的暂AD温SP捐21姜16句0来荣完成极,该俊芯片零是一侦款3旧2位纤的双主核浮逃点D滚SP批,片荷内有甘25炊0廉K的部16总位字品节R倒AM伞,最清高工查作时遥钟可浴达8相0落MH冈z。哥它主蒸要完域成信柿号的姜预处隔理即傲通过吩混频风、滤矿波和蜂抽取践将信悄号恢叙复成秧基带灾信号酒、O贷FD猫M信要号的卫同步候和信线道估是计,灾最后处星座供逆映誓射恢晨复出闷原始疏信号婆。杂对于盗一个唱实际犁的O遗FD姥M系

12、崖统,纵如果炸考虑询时间饺、载石波和三采样搂率没第有同突步的浮影响份以及负无线信信道约对信飘号的揪随机词衰落捡,在咽接收亡端接豆收到休的信态号可谈以写泰成:橡式中读悄l,府k表晒示发佛送信愿号,榜n准已表示滨符号妹偏差胸,椅认f表扭示载却波频样率偏仅差,樱姐表示赚采样陪率偏紫差,厨Hl芳,k洋表示取信道去转移顾函数交,n脉l,丽k表源示加煌性高钟斯白坊噪声宫。拖为了加能够胞正确固恢复勤出原蓄来的渠信号燕,必沈须先扎对信测号进望行同埋步和券信道巨估计光,其刺中信编号同肉步又罩分为漫3个愿步骤欣(符始号同系步、科载波跪同步粉和采净样率酷同步锈),翅同步箱算法践流程繁如图布5所甩示。家(1叶)符赖号

13、同迅步帜符号霞的同堂步可粪以利横用每县个符振号中启的循搏环前院缀与男信号凯的相帝关性反,考霞虑到薄符号个粗同百步后狐还要脂进行龟跟踪注,所刚以对踪于粗伙同步钱可以智适当肝放宽发对精线确性籍的要表求以廊减少节粗同盈步时疑的运腐算量汗,我橡们将并最大以似然钩方法买(M谊L)膨3抖加亲以修嫌改如赴下:咱式中袍d表贞示整婆数时尚偏估堪计值欲,L兵表示洒循环尝前缀子的长烫度,坝N表夕示有重效符料号的瑞长度仇。剪(2涂)载厌波同带步夹4,占5办用子中载波芹间隔妖(6钳2.撑5筒Hz夸)归期一化哄后的纵载波斑偏差卡可以今分为血整数告部分茄和小浸数部班分。盛整数御偏差恐的估挑计可去以利和用每说个O贸FD骡M频

14、稿域符冲号中焦的导敞频信练号位抓置的掌幅度庭信息丰,其巴估计蔽值可犯以通杂过下溉式获杨得:铺式中爷Cp线表示野导频弟集合誓,d蔑表示帐搜索逼整数潜频偏是的范旗围为纺前后描10威个子莫载波软间隔学。卖小数式偏差丝估计兵和跟即踪则岔利用驾相邻尽两个执OF怨DM理符号养中对孕应导络频位淹置信亮号的泳相位窝旋转末,其赛估计珠值可过以通然过下闹式获奋得:粱式中贴Ng肚是循群环前夫缀长扒度,驾N 寸是 奉有 升效冻符号港长度报,遍刺2(忆繁k)艇是由被于频宴偏导牙致信兄号幅哥度的剥衰落难,当叹频偏醉很小主时该腿值近袭似为西1,王H只k蜜是由多于信龄号经以过无征线信陷道导恒致的泉幅度醒衰落备。座(3悠)采精

15、样率接同步极采样序率的肌偏差念同样血会引积起信瓶号的顺相位业旋转畅且旋茂转的判大小检与子圆载波馒号相篮关,野所以能它的瓣估计超和跟摧踪也轧可以射利用芽相邻例两个霞OF冷DM忍符号总中对份应导慧频位亏置信稻号的森相位垒的旋比转值零,其法估计锈方法子见式摄(6搏)。吩由于种采样汽率和惨载波家跟踪傍都可短以归鬼结为姨信号恶相位偷旋转煎的跟点踪,紫所以纽实际什中只雄需用颠一个脂锁相顺环来肯跟踪披信号缘的相值位变贝化。昌(4屈)信粘道估思计作信号每经过笨短波读无线舍信道碰后会旗引起余幅度仿和相嘱位的碧随机铸衰落置,在缸接收量端即倘使对壤信号邪完全懒同步煮,如转果不袖进行击信道馆估计亭仍然杨无法母回复驾出

16、正娃确的蔽信号倘。通脱常信秧道估命计方斤法可迫以分述为2解种铃6,斯7,叼8肥:柄牛数据咏辅助尸方法桃,辅指助数应据可肌以是蔬导频默或训肉练序尚列,蒙前者陈是在桨每个火或每怠隔若赢干个剖调制丰前的流OF俱DM耀符号肚中插街入一面些导竭频信轧号,雄后者趣是在发每帧匠或每扬隔若远干帧慰调制袭后的棕OF灭DM志信号颈的起革始处戒插入活一定笑长度籍的训驻练序粥列;雕荒盲估机计,愉仅利盘用接璃收到抚的信桌号来降进行商信道团估计代。本锐文采约用了猪基于径导频哪的信础道估回计方逼法,晚具体忘算法四流程闯如下底:圈1)除对接杆收到岗的导今频信痒号利宜用下碧式估角计出迈对应坦其中蹦k表听示子踪载波膜序号病,m尤表示虚导频辨序号终,L也表示获插值线数目早,l亭=1涝四m。刘3)饿构建肤一个免特殊篇的插粪值滤蜜波器耕,该灵滤波旋器能扫够保坑证对即信号杏滤波涛时保临持非装零位批置处层的值聪不变乐,用药其对剃进行垃滤波膨获得亦信道恳的转幅移函只数的绞估计胜值。僚五、聪实测嘱信

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