便攜極低速對流層散射通信系統優化設計

李 影，張震強

(石家莊郵電職業技術學院，河北 石家莊 050021)

0 引言

對流層散射通信利用對流層媒質的不均勻性來實現超視距通信。相對于其他通信方式，對流層散射通信具有傳輸距離遠、信息容量大、信道不容易被破壞以及保密性好等得天獨厚的優點[1]。相比衛星通信，衛星通信每兆比特吞吐量月成本為$3 000～$5 000，而散射通信對于多種環境能夠提供高可靠性、低時延的鏈路，因此與衛星通信相比是一個非常有吸引力的、低成本、高效率的選擇。

隨著散射通信的重新崛起，對流層散射通信設備已經從龐大、重型終端發展為更小、更輕、更易部署的能夠以一條安全鏈路傳輸數字話音和數據的網絡系統。便攜極低速散射通信設備由于體積小、可搬移和傳輸距離遠等特點獲得廣泛應用。而對流層散射通信信道是一種典型的瑞利衰落信道，具有顯著的快衰落特征(包括多徑和多普勒效應)，嚴重影響便攜極低速散射通信系統的通信質量[2-3]。

為有效克服接收信號的衰落，本文針對遠距離散射信道特性，首先采用合理的分集接收體制，在不增加設備復雜度的前提下有效平滑信號衰落；提出適用于極低速散射通信的高效糾錯編碼技術，提高設備能力；同時，采用自適應窄帶濾波技術，通過接收信號中的導頻信號進行載波頻偏估計與多普勒彌散跟蹤，實現極低速同步解調，進一步提升設備性能。

1 便攜散射通信系統設計

1.1 分集方式的選取

根據文獻[4-7]可知，對流層散射信道具有快衰落特性，服從瑞利分布，衰落速率在正常情況下為0.1～10 Hz，必須采用分集接收等抗衰落措施平滑信道衰落，保證信息的平穩傳輸。由于信道存在頻率選擇性、空間選擇性和時間選擇性，可采用頻率分集、空間分集和時間分集等分集措施。

空間分集需要2面以上的分集天線，嚴重影響設備的便攜性要求。時間分集利用散射信道存在的時間選擇性實現分集措施，存在秒級的傳輸時延，該便攜散射設備對傳輸時延較敏感，因此不適合使用時間分集方式平滑信道衰落。頻率分集在同一傳輸路徑中，一定頻率間隔上進行分集接收實現分集措施，系統設計與實現簡單，當信道存在明顯的頻率選擇性衰落時可獲得很好的分集效果，采用頻率分集的系統組成如圖1所示。

圖1 便攜極低速通信系統組成

在圖1的散射通信系統中，業務信息經過信道編碼和基帶成形后進行頻率分集載波調制，采用帶內4頻頻率分集，頻率間隔2 MHz，滿足頻率分集要求(相關帶寬為1 MHz)，占用系統帶寬6 MHz，滿足使用要求。采用頻率分集平均誤碼率曲線如圖2所示，歸一化信噪比在13 dB左右時可保證平均誤碼率為1×10-4，優于無分集時誤碼性能20 dB。

圖2 采用頻率分集平均誤碼率曲線

1.2 抗多徑波形設計

接收到的散射信號是來自不同散射體信號的總和，且信號經過的傳播路徑時延不同，導致接收信號畸變，影響接收信號質量[8-9]。因此，發射端采用1/4占空方波成形，如圖3所示，4重頻率分集信號間相對延時1/4符號周期(T)，使調制信號占滿整個符號周期，信號峰均比為0 dB，合理利用發射功率。

圖3 抗多徑調制波形

在接收端，采用失真自適應(Distortion Adaptive Receiver，DAR)解調，由于調制波形1/4占空，不僅能夠克服多徑時延展寬，還能獲取可觀的隱分集增益。從而進一步平滑信道衰落，可近似達到8重分集效果，平均誤碼率為1×10-4時，獲取3 dB的隱分集增益。

2 LDPC譯碼器與窄帶濾波器設計

2.1 LDPC編譯碼特點

散射信道是一種變參信道，接收電平快衰落起伏可高達20 dB，誤碼是集中成串出現的突發誤碼類型，瞬時誤碼很大。隨著具有譯碼失效門限低的Turbo碼和低密度奇偶校驗(Low-Density Parity-Check Codes，LDPC)碼相繼問世以及數字信號處理能力的增強，使散射通信采用前向糾錯編碼(Forward Error Correction，FEC)技術改善通信系統誤碼性能、提高系統傳播可靠度成為可能[10]。目前，散射通信中使用的LDPC糾錯編碼為幾何碼或者具有循環結構的LDPC編碼，實現復雜度低；但若達到理想的編碼增益要求較長碼長，不適用于極低速散射通信。

本文基于漸進邊增長(Progress Edge Growth，PEG)算法構造548 bit碼長的LDPC碼，其隨機性強，性能優越，但該碼沒有循環或準循環結構[11]，譯碼器的設計較復雜。下面列出該碼字校驗矩陣特點：

① 校驗節點數：4 818；

② 行重：7或8，2種行重的行數如表1所示；

③ 列重：2，3，4，11，列重的列數如表2所示。

表1 LDPC碼行重表

行重行數行重行數71218153

表2 LDPC碼列重表

列重列數列重列數224641732031182

2.2 LDPC譯碼器設計與實現

LDPC譯碼一般采用置信傳播(Belief Propagation，BP)算法和簡化算法(如最小和算法、歸一化最小和算法等)。由于歸一化最小和算法計算復雜度低且性能與BP算法差距較小，故譯碼器設計采用歸一化最小和算法[12-13]。

由于該碼字的校驗矩陣不具備循環或準循環特性，不具備將校驗矩陣分割成互不相關的子矩陣完成迭代操作從而達到降低譯碼實現復雜度的目的。若將所有校驗節點用寄存器表示，則迭代時序復雜、占用過多邏輯資源，實現時難免出錯。考慮到該碼字應用于極低速通信中，編碼數據1幀的周期約為1 s，可采用適當增加譯碼時間換取譯碼復雜度的下降，在譯碼時間與譯碼復雜度之間做權衡。

譯碼算法迭代過程如圖4所示，圖中列出了LDPC譯碼器的迭代譯碼過程，同時還標注了譯碼過程每個環節的處理時鐘周期數。

圖4 譯碼算法迭代過程

按照圖4中標注的LDPC譯碼過程中的處理時鐘周期，完成迭代譯碼所需的周期約為5 371*N，假設迭代此時為N=40次，則LDPC譯碼過程所需的處理時鐘周期為214 840個。譯碼過程采用100 MHz高鐘完成，則LDPC譯碼過程所需時間為2.15 ms，譯碼時間可滿足使用要求。圖5為該編碼的性能測試曲線，由圖5可知，在誤碼率為1×10-6時，編碼增益為6 dB以上。

圖5 LDPC編碼恒參性能測試曲線

2.3 窄帶濾波技術

由于散射體雜亂無章的隨機運動，導致接收信號頻率的彌散，稱為多普勒效應。不同于移動通信，這種散射體運動所引起的多普勒頻移一般比較小，在C波段其范圍一般在0.1～10 Hz，對于極低速通信，傳統的鎖相環同步技術無法直接用于跟蹤，嚴重影響系統性能[14-17]。而采用窄帶自適應濾波技術，通過對接收信號中的導頻信號進行載波頻偏估計與多普勒彌散跟蹤[18]，可有效提高載波提取輸出的信噪比[19-20]，滿足系統指標要求。載波提取濾波器的輸出信噪比/濾波器增益與輸入信噪比的關系曲線如圖6所示。

圖6 輸出信噪比增益曲線

由圖6可知，若滿足輸出載波信噪比高于20 dB的同步要求，輸入信噪比只要大于8 dB即可，而傳統的鎖相環濾波需要輸入信噪比達到12 dB以上。因此，利用自適應陷波器實現的窄帶濾波器性能滿足載波提取門限要求。

3 性能測試

搭建通信系統測試平臺，在對流層散射信道條件下，測試便攜極低速散射設備的誤碼性能，從而驗證設計合理性與設備能力。系統主要技術指標如下：

① 傳輸速率：400 bps；

② 糾錯編碼：LDPC；

③ 分集方式：4重頻率分集；

④ 解調方式：DAR相干解調。

分別在無糾錯與加糾錯條件下實測系統的誤碼性能曲線如圖7所示。

圖7 平均誤碼率實測曲線

由圖7可知：

① 在不加糾錯條件下，實測曲線與理論8重分集曲線重合，考慮到工程損失的因素，實際達到的分集效果應高于8重分集，達到系統設計要求；

② 加糾錯條件下，在誤碼率為1×10-6時，高效糾錯編碼帶來約3 dB增益，與恒參信道有差距，這是由于散射信道與恒參信道的特性差異造成的；在相同的通信距離下，3 dB的編碼增益可將年傳播可靠度從95%提高至98%，明顯提升了設備能力。

4 結束語

隨著對流層散射通信的重新崛起，便攜極低速對流層散射通信設備由于體積小、可搬移和傳輸距離遠等特點也獲得廣泛應用。本文提出采用帶內4頻頻率分集體制，結合抗多徑波形設計、DAR隱分集接收，同時設計高性能低時延的LDPC糾錯編碼以及利用自適應窄帶濾波的載波提取技術的極低速散射關鍵技術，解決了散射信道的快衰落問題，同時進一步提升了設備能力，實測結果也進一步驗證了極低速散射通信系統的性能，對工程實踐具有重要的指導意義。