CN104038271A - 基于ofdm技术的机载两副天线同时通信方法 - Google Patents

Abstract

基于OFDM技术的机载两副天线同时通信方法，接收信号处理中，将两副天线接收到的信号合并叠加，再进行串/并转换，去掉保护间隔，进行FFT变换，通过训练序列进行信道估计，进行信号校正，消除不同延时分量信号之间的干扰，再进行并/串转换，最后进行数字解调，得到解调数据。本发明利用OFDM技术消除了机载两副天线同时通信时多个延时信号分量之间的干扰问题，从而实现了机载两副天线同时通信，提高了通信质量。

Description

基于OFDM技术的机载两副天线同时通信方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种无线通信方法，具体涉及一种基于OFDM技术的机载两副天线同时通信方法。

背景技术

当前超短波地空通信中，地面电台有一副天线，而机载超短波通信电台一般都有两副天线，即在飞机背部的上天线和在飞机腹部的下天线，在接收时选择信号较好的天线信号，在发射时指定一副天线进行发射，即虽然机载电台安装有两副天线，但实际使用时只用到一副天线。

机载一副天线通信存在问题：在接收时，当信道质量不够好时，一副天线接收的信号可能不能满足通信需求，而另一副天线的信号却又得不到利用。在发射时，由于机身遮挡等原因，相对接收方，可能指定的天线并不是最理想的天线。

而在传统的通信中，如果两个天线同时使用则会造成多信号相互之间的干扰。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于OFDM技术机载两副天线同时进行通信的方法，解决了现有技术存在的两个天线同时使用会造成多信号相互之间干扰的问题。

本发明所采用的技术方案是，基于OFDM技术的机载两副天线同时通信方法，在接收信号处理中，将两副天线接收到的信号合并叠加，经过串/并转换后，去掉保护间隔，进行FFT变换，通过训练序列进行信道估计，然后进行信号校正，消除不同延时分量信号之间的干扰，再经过并/串转换和数字解调，得到解调数据。

本发明的特点还在于：

信道估计为：对训练序列进行如式(1)的计算，得到信道估计值

信道校正为：通过信道估计值对后续接收通信数据进行如式(2)的运算，得到校正后的通信数据：

当一机载两副天线发信，另一机载两副天线收信时，发射信号有两个信号分量，接收信号由四个不同延时信号分量叠加。

当地面发信，机载两副天线收信时，发射信号有一个信号分量，接收信号为两个不同延时信号分量叠加，在接收信号处理过程中，把接收信号看作由四个信号分量叠加进行处理，其中两个信号分量的幅度为0。

当机载两副天线发信，地面收信时，发射信号有一个信号分量，接收信号为两个不同延时信号分量叠加，在接收信号处理过程中，把接收信号看作由四个信号分量叠加进行处理，其中两个信号分量的幅度为0。

去掉保护间隔的方法为：假定接收信号中时延最小的信号时延为0，其他信号时延为与时延最小信号时延的差值；假定时延最小信号的幅度为归一化的1，其余时延信号的幅度为与时延最小信号幅度的比值，得到的接收信号为：

S_收(k)＝S(k)+β₁S_D1(k)+β₂S_D2(k)+β₃S_D3(k)

其中S(K)为其中一路接收的OFDM信号，以此为其准；β_nS_Dn(K)为相对第一路延迟D_n衰减β_n的信号,与第一路信号中s(0),s(1),…s(N-1)对准的三路延迟信号为：

S_D1(k)＝s(N-D1),...,s(N-1),s(0),...,s(N-D1-1)

S_D2(k)＝s(N-D2),...,s(N-1),s(0),...,s(N-D2-1)

S_D3(k)＝s(N-D3),...,s(N-1),s(0),...,s(N-D3-1)

发射信号处理中，首先在发送的一帧数据前面插入训练序列，经过数字调制，将调制信号经过串/并变换后再进行IFFT变换，然后插入保护间隔，再经过并/串变换，进行射频调制发射。

数字调制的方法为BPSK、QPSK或8PSK。

本发明具有如下有益效果：本发明利用OFDM技术消除了机载两副天线同时通信时多个延时信号分量之间的干扰问题，从而实现了机载两副天线同时通信，提高了通信质量。

附图说明

图1本发明基于OFDM技术的机载两副天线同时通信方法的地面电台发信机载电台收信示意图；

图2本发明基于OFDM技术的机载两副天线同时通信方法的机载电台发信地面电台收信示意图；

图3本发明基于OFDM技术的机载两副天线同时通信方法的机载电台间通信示意图；

图4本发明基于OFDM技术的机载两副天线同时通信方法的通信过程示意图；

图5本发明基于OFDM技术的机载两副天线同时通信方法的信号分布示意图；

图6本发明基于OFDM技术的机载两副天线同时通信方法的一组加循环前缀前的OFDM符号

图7本发明基于OFDM技术的机载两副天线同时通信方法的一组加循环前缀后的OFDM符号；

图8本发明基于OFDM技术的机载两副天线同时通信方法的四个延迟信号叠加的OFDM符号；

图9本发明基于OFDM技术的机载两副天线同时通信方法的不同信噪比下的识码率。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

1、本发明包括三类地空通信：

第一类：电面通信电台用一副天线进行发信，机载通信电台同时用两副天进行收信，如图1所示，发射信号有一个信号分量，接收信号为两个不同延时信号分量叠加。

第二类：机载通信电台同时用两副天线进行发信，电面通信电台用一副天线进行收信，如图2所示，发射信号有两个信号分量，接收信号为两个不同延时信号分量叠加。

第三类：一机载通信电台同时用两副天线进行发信，另一机载通信电台同时用两副天线进行收信，如图3所示，发射信号有两个信号分量，接收信号有四个不同延时信号分量叠加。

2、本发明地空通信方法如图4所示。

发射机处理过程如下：

第一步：将一组要发送的数据前面加入训练序列，得到S_k；

第二步：进行数字调制，调制方法有多种，如BPSK、QPSK、8PSK、QAM等等；

第三步：进行串/并变换，得到X_n如图5所示的数据，前两列为训练序列；

第四步：进行IFFT变换；

第五步：插入循环前缀，假定一组长为N的OFDM符号为S(k)，(k＝0,1,…,N-1)，如图6所示，插入长度为L的循环前缀(即保护间隔)后为S_n如图7所示，

S_n＝S(N-L+n),n＝0,1,….,L-1

S_n＝S(n-L),n＝L,L+1,….,N-L-1

第六步：进行并/串转换，并进行载波调制发射，地面电台用一副天线，机载电台用两副天线。

接收机处理过程如下：

第一步：接收信号，机载电台用两副天线，地面电台用一副天线；并进行串/并转换；此时得到的信号为多个延时分量信号的叠加。

如前所述，第一类和第二类通信中接收信号有两个不同延时的信号分量叠加，第三类通信中接收信号有四个不同延时信号分量叠加，在处理过程中我们采用相同的处理方式进行处理，即都把接收信号都看作由四个信号分量叠加进行处理，第一类和第二类通信可以看作另外两个通信分量的幅度为0。

第二步：去掉保护间隔；

接收信号中就包含四个时延不同的信号的叠加，为便于分析研究，假定时延最小的信号时延为0，其他三个信号时延为与时延最小信号时延的差值；假定时延最小信号的幅度为归一化的1，其余三个时延信号的幅度为与时延最小信号幅度的比值，这样得到的接收信号可以表示如下：

S_收(k)＝S(k)+β₁S_D1(k)+β₂S_D2(k)+β₃S_D3(k)

其中S(K)为其中一路接收的OFDM信号，以此为其准；β_nS_Dn(K)为相对第一路延迟D_n衰减β_n的信号,与第一路信号中s(0),s(1),…s(N-1)对准的三路延迟信号为：

S_D1(k)＝s(N-D1),...,s(N-1),s(0),...,s(N-D1-1)

S_D2(k)＝s(N-D2),...,s(N-1),s(0),...,s(N-D2-1)

S_D3(k)＝s(N-D3),...,s(N-1),s(0),...,s(N-D3-1)

第三步：进行FFT变换；

第四步：通过插入的训练序列进行信道估计，并对后续的通信数据进行信道校正，消除多个信号延时分量的相互干扰；

首先进行信道估计：对插入的训练序列进行如式(1)的计算，得到信道估计值通过信道估计值再对后续接收通信数据进行如式(2)的运算，以此进行信道校正。

第五步：进行并/串转换；

第六步：进行解调，得到传输的数据；

3、本发明通信方法工作原理。

地面电台与机载电台通信分析，当地面电台发信，机载电台收信息时，假定天线1接收信号为s(t)，则天线2接收信号为βs(t-t₀)，β表示天线2相对天线1的衰减差值，t₀表示天线2相对天线1的时间差，这样当机载电台收信时，信号可以表示为s(t)+βs(t+t₀)；当机载电台发，地面电台收信时，s(t)表示收到天线1的信号，βs(t-t₀)表示收到天线2的信号，接收信号也可表示为s(t)+βs(t-t₀)。

机载电台之间通信分析，机载电台收发都有两个天线，则机载电台接收的信号可以表示为四个信号的叠加，s(t)+β₁s(t-t₁)+β₂s(t-t₂)+β₃s(t-t₃)。

从上面分析可以看出，无论地面电台与机载电台之间的通信还是两机载电台之间的通信时，信号都可以表示为由同一信号在不同衰减和延迟后得到的多个信号的叠加。

OFDM技术的可以有处理相同信号在不同延时的叠加信号问题，下面对OFDM进行分析解决上面接收多天线信号的问题。

假定一组OFDM符号为S(k)，(k＝0,1,….N-1)，长度为N，循环前缀长度为L。

原始OFDM符号为S(k)＝s(0),s(1),…s(N-1)，长度为N，如图3所示。

加循环前缀，即从S(K)末尾L个值移到前面，得到实际传输的OFDM符号为

S_L(k)＝s(N-L),…s(N-1),s(0),s(1),…s(N-1)，长度为N+L，如图5所示。

接收信号为：

S_收(k)＝S(k)+β₁S_D1(k)+β₂S_D2(k)+β₃S_D3(k)

如图5所示。其中S(K)为其中一路接收的OFDM信号，以此为其准；β_nS_Dn(K)为相对第一路延迟D_n衰减β_n的信号,与第一路信号中s(0),s(1),…s(N-1)对准的三路延迟信号为：

S_D1(k)＝s(N-D₁),...,s(N-1),s(0),...,s(N-D₁-1)

S_D2(k)＝s(N-D₂),...,s(N-1),s(0),...,s(N-D₂-1)

S_D3(k)＝s(N-D₃),...,s(N-1),s(0),...,s(N-D₃-1)

S(k-D₁)、S(k-D₂)、S(k-D₃)相似。

对S_收(K)进行DFT变换，即得到实际接收到的数据信号。

式(3)为四部分的和，第一部分为第二部分为 ${\mathrm{\β}}_1\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{D1}\left(k\right)\·\exp (-j\frac{2\mathrm{\πik}}{N});$ 第三部分为 ${\mathrm{\β}}_2\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{D2}\left(k\right)\·\exp (-j\frac{2\mathrm{\πik}}{N});$ 第四部分为 ${\mathrm{\β}}_3\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{D3}\left(k\right)\·\exp (-j\frac{2\mathrm{\πik}}{N}).$

式(3)中第一部分 $\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}S\left(k\right)\·\exp (-j\frac{2\mathrm{\πik}}{N})=d_i---\left(4\right)$

下面分析式(3)中第二部分：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_1\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{D1}\left(k\right)\·\exp (-j\frac{2\mathrm{\πik}}{N})\\ ={\mathrm{\β}}_1\underset{k=0}{\overset{D1-1}{\mathrm{\Σ}}}S(N-D1+k)\·\exp (-j\frac{2\mathrm{\πik}}{N})+{\mathrm{\β}}_1\underset{k=D1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}S(k-D1)\·\exp (-j\frac{2\mathrm{\πik}}{N})\end{array}---\left(5\right)$

下面先分析式(5)中前半部分：

${\mathrm{\β}}_1\underset{k=0}{\overset{D1-1}{\mathrm{\Σ}}}S(N-D1+k)\·\exp (-j\frac{2\mathrm{\πik}}{N})$

再分析式(5)中的后半部分：

合并式(6)和式(7)得到：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_1\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{D1}\left(k\right)\·\exp (-j\frac{2\mathrm{\πik}}{N})\\ ={\mathrm{\β}}_1\exp (-j\frac{2\mathrm{\πiD}1}{N})\·\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}S\left(n\right)\·\exp (-j\frac{2\mathrm{\πin}}{N})\\ ={\mathrm{\β}}_1\exp (-j\frac{2\mathrm{\πiD}1}{N})\·d_i\end{array}---\left(8\right)$

同理，可得式(3)中第三部分为

${\mathrm{\β}}_2\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{D2}\left(k\right)\·\exp (-j\frac{2\mathrm{\πik}}{N})={\mathrm{\β}}_2\exp (-j\frac{2\mathrm{\πiD}2}{N})\·d_i---\left(9\right)$

得式(3)中第四部分为

${\mathrm{\β}}_3\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{D2}\left(k\right)\·\exp (-j\frac{2\mathrm{\πik}}{N})={\mathrm{\β}}_3\exp (-j\frac{2\mathrm{\πiD}2}{N})\·d_i---\left(10\right)$

所以，合并式(4)、式(8)、式(9)、式(10)可得实际接收信号为 $d_i^{\text{'}}=d_i(1+{\mathrm{\β}}_1\exp (-j\frac{2\mathrm{\πiD}1}{N})+{\mathrm{\β}}_2\exp (-j\frac{2\mathrm{\πiD}2}{N})+{\mathrm{\β}}_3\exp (-j\frac{2\mathrm{\πiD}3}{N}))---\left(11\right)$

由式(11)可以看出，接收信号为原信号乘上一个系数，这个系数是各路信号衰减系数和延迟时间的函数，因地面天线与机载天线以及机载天线之间的距离和方位关系是时变的，所在各路信号的衰减系数和延迟时间也是时变的，但在短时间内，可以认为这个衰减系数和延迟时间是不变的，这样接收信号与原信号之间就为线性关系，这可以通过训练确定，即通信训练进行信道估计。

4、信道估计及校正

在OFDM系统信道估计的实现准则一般可以分为：最小均方误差准则(MMSE，Minimum Mean-Square Error)，最小二乘准则(LS，Least Square)，最大似然准则(ML，Maximum Likelihood)等。

最小平方(LS)算法是最简单且有效的一种信道估计算法，它的目标是：

由正交性原理，可得LS估计为：

在理想信道(没有噪声)情况下，由式(12)可以完全准确的进行信道估计，再由式(13)可以完全恢复原始数据；但实际信道为非理想信道，会有各种各样的噪声，这样由式(12)的信道估计常受噪声的影响而不准确，由式(13)也就不能完全恢复原始数据，仍会造成一定的通信误码率，在实验中，若由多组训练序列各自进行如式(12)进行信道估计，再对信道估计值进行平均，会显著的提高信道估计的准确性，从而提高通信质量，降低误码率。

5、举例仿真

仿真过程如图7所示。串行数据首先QPSK调制，再进行串/并转换，子载波数为256，每子载波有11个符号，得到X(256,11)，经过IFFT变换，插入保护间隔，得到S(266,11)，然后进行并/串变换，经过多径+高斯白噪声信道发射，D₁＝0.5，D₂＝0.4，D₃＝0.3，β₁＝2，β₂＝4，β₃＝6，在接收端，首先将信号进行串/并转换，得到R(266,11)，去掉保护间隔，进行FFT变换，得到Y'(256,11)，然后要进行信道估计，估计方法为由X(:,1)和Y'(:,1)根据公式(1)得到训练参数再根据公式(2)得到Y(256,11)，进行并/串变换，最后进行QPSK解调，得到接收数据R_k。

Claims (9)

1.基于OFDM技术的机载两副天线同时通信方法，其特征在于，在接收信号处理中，将两副天线接收到的信号合并叠加，经过串/并转换后，去掉保护间隔，进行FFT变换，通过训练序列进行信道估计，然后进行信号校正，消除不同延时分量信号之间的干扰，再经过并/串转换和数字解调，得到解调数据。

2.如权利要求1所述的基于OFDM技术的机载两副天线同时通信方法，其特征在于，信道估计为：对训练序列进行如式(1)的计算，

得到信道估计值

3.如权利要求1所述的基于OFDM技术的机载两副天线同时通信方法，其特征在于，信道校正为：通过信道估计值对后续接收通信数据进行如式(2)的运算，

得到校正后的通信数据。

4.如权利要求1-3任一项所述的基于OFDM技术的机载两副天线同时通信方法，其特征在于，当一机载两副天线发信，另一机载两副天线收信时，发射信号有两个信号分量，接收信号由四个不同延时信号分量叠加。

5.如权利要求1-3任一项所述的基于OFDM技术的机载两副天线同时通信方法，其特征在于，当地面发信，机载两副天线收信时，发射信号有一个信号分量，接收信号为两个不同延时信号分量叠加，在接收信号处理过程中，把接收信号看作由四个信号分量叠加进行处理，其中两个信号分量的幅度为0。

6.如权利要求1-3任一项所述的基于OFDM技术的机载两副天线同时通信方法，其特征在于，当机载两副天线发信，地面收信时，发射信号有一个信号分量，接收信号为两个不同延时信号分量叠加，在接收信号处理过程中，把接收信号看作由四个信号分量叠加进行处理，其中两个信号分量的幅度为0。

7.如权利要求1-3任一项所述的基于OFDM技术的机载两副天线同时通信方法，其特征在于，去掉保护间隔的方法为：假定接收信号中时延最小的信号时延为0，其他信号时延为与时延最小信号时延的差值；假定时延最小信号的幅度为归一化的1，其余时延信号的幅度为与时延最小信号幅度的比值，得到的接收信号为：

S_收(k)＝S(k)+β₁S_D1(k)+β₂S_D2(k)+β₃S_D3(k)

其中S(K)为其中一路接收的OFDM信号，以此为其准；βnSDn(K)为相对第一路延迟D_n衰减β_n的信号,与第一路信号中s(0),s(1),…s(N-1)对准的三路延迟信号为：

S_D1(k)＝s(N-D1),...,s(N-1),s(0),...,s(N-D1-1)

S_D2(k)＝s(N-D2),...,s(N-1),s(0),...,s(N-D2-1)

S_D3(k)＝s(N-D3),...,s(N-1),s(0),...,s(N-D3-1)。

8.如权利要求1-3任一项所述的基于OFDM技术的机载两副天线同时通信方法，其特征在于，发射信号处理中，首先在发送的一帧数据前面插入训练序列，经过数字调制，将调制信号经过串/并变换后再进行IFFT变换，然后插入保护间隔，再经过并/串变换，进行射频调制发射。

9.如权利要求8所述的基于OFDM技术的机载两副天线同时通信方法，其特征在于，数字调制的方法为BPSK、QPSK或8PSK。