信道传输特性

信道传输特性（精选八篇）

信道传输特性 篇1

美军最新的AEHF系统的工程模型和系统定义已经结束,将完成前2颗卫星的装配和测试,同时开发和部署了地面测控单元。AEHF系统由4颗具有星际链路的卫星组成,覆盖全球南纬65°和北纬65°之间的地区。EHF频段带来的好处是显而易见的,首先是其高频段带来的高带宽和高容量,可以大大减轻现有频谱拥挤现象;其次是EHF的波束窄,可减少受核爆炸影响出现的信号闪烁和衰落,抗干扰和抗截获能力强;而且EHF频段系统使用的部件尺寸和重量都可大大缩小和减轻。

Ka/EHF频段卫星通信面临的一个巨大挑战在于它受气象因素的影响大,降雨、闪烁、大气吸收等因素都会导致Ka/EHF频段地空链路信道质量的恶化,必须采用动态的抗衰减对策。本文详尽讨论了Ka/EHF频段卫星通信信道的电波传播特性,重点分析了降雨对卫星通信性能的影响。

针对Ka/EHF频段卫星通信信道的特性,在此基础上建立了Ka/EHF频段卫星通信信道及系统的仿真模型,并进行了性能评估。本文在进行性能评估时主要采用了2种方法,即分析法与仿真法。

本文首先对Ka/EHF频段的频率漂移问题进行了分析,指出多普勒频移中是终端移动而不是卫星漂移起主要作用。其次对Ka/EHF频段中大气损耗和降雨衰减特性进行了分析,估计了Ka/EHF传输链路上可能达到的衰减量值。最后给出了有关结论。

1 Ka/EHF频段的频率源漂移问题

由于Ka/EHF频段的工作频率较高,相同频率稳定度情况下其载波频差要远大于UHF和C频段。系统频率源频漂主要有卫星频漂和地面终端频漂。表1给出了不同稳定度情况下,卫星通信系统中典型链路的频率漂移值,其单位为Hz。

从表1可以看出,由于频率源的漂移而造成的链路频率偏移,对低速数据传输信道是相当不利的,为了克服这一不利因素,必须提高地面频率源的稳定度,而这必然增加设备的体积和功耗。

2 Ka/EHF频段的多普勒频移问题

由于EHF频段系统的工作频率较高,由移动终端所造成的多普勒问题更为严重,多普勒现象主要是由卫星和地面终端间的相对移动造成的,同相对移动速度和地面终端的工作仰角有关,所造成的影响主要有载波频偏和时钟偏差,将会影响到系统频率配置、校频和解调。表2给出了最坏情况下的多普勒频移,其单位为kHz。

2.1 卫星移动所造成的多普勒频移

由于太阳幅射压力、太阳和月球的引力等作用,卫星在其定点精度范围内作不规则移动,其移动特性可近似地认为以24 h为周期在各个方向按正弦波规律运动,考虑到在南北和东西方向位置保持精度为±0.1°,各方向上运动距离最大约为150 km,等效最大运动速度为1.414×150×π/12≈55 km/h。在上行(44 GHz)和下行(20 GHz)造成的频偏最大约为2.2 kHz和1 kHz。

2.2 终端移动所造成的多普勒频移

在卫星通信系统中,终端的移动速度可从几十公里每小时到数千公里每小时,因此其多勒频移相差非常大。图1给出了终端相对卫星移动的示意图。

以1 224 km/h(1马赫)的机载终端为例,在零度仰角情况下,上行和下行链路上所造成的最大频偏约为49.9 kHz和22.7 kHz。如此大的频偏如不采取措施将严重影响系统的性能,特别是对于低速信道而言,不采取校频措施将使系统很难工作。由于中等速率的车载终端移动速率与卫星漂移速率相当,因此也是导致多普勒频移的主要因素。从上面分析可以看出,机载移动所造成的多普勒频移要远大于卫星移动所造成的多普勒频移,在实际分析中我们可仅考虑由地面终端移动对系统的影响并研究其解决方案。

另外,多频勒效应还会造成数据收发时钟发生偏离,影响到数据解调、位定时同步和跳频图案的同步。对于128 kbit/s的下行数据,以1 224 km/h飞行的机载终端上接收到的时钟最大偏差为0.113 bit/s,对应于相对稳定度为1×10-6时钟源所造成的偏差。较长时间的积累就会使得时隙发生偏差、数据时钟滑动、数据缓冲区发生溢出,系统设计中要予以充分考虑。

3 Ka/EHF频段空间传播特性

当卫星通信系统的工作频率小于10 GHz时,通过设置合适的链路备余量,电波传播对系统可用度所造成的影响可以略不计。但当工作频率大于10 GHz时,电波传播对系统造成的影响就要严重的多,这种影响在目前Ku频段和Ka频段系统中已非常明显,对于工作在EHF频段的卫星通信系统将更为严重。

影响电磁波传播的主要自然现象有大气中水分子和氧分子的吸收、雨、云、雾、雪、雨夹雪等。

3.1 大气损耗

晴朗天气下的大气损耗在大于20 GHz范围内主要是由于氧分子和水分子的吸收引起的,二者加在一起的效果如下:在大约22.5 GHz处有一个水分子谐振峰,但其最大损耗不超过0.5 dB,且随着空气中水分含量变化而稍作变化,在此谐振峰处的损耗同降雨损耗相比,可忽略不计。图2给出了空气中水分含量与大气衰减量的关系。

在大约60 GHz处有一个氧分子谐振峰,其最大值在100～140 dB之间,因此该区域为星地之间通信链路绝对禁止区域,其宽度大约为55～64 GHz(假设允许的大气损耗为1 dB)。图3给出了水分子和氧分子吸收效应造成的信号衰减示意图。

云和雾其厚度一般为几千米,星地之间的云和雾所造成的损耗在约在0.1～0.5 dB之间。固态的水分子对电磁波影响较小且其存在的厚度较薄,由雪和雨夹雪造成的影响几乎可以忽略不计。

根据ITU-R给出的世界雨区分布和预测模型计算得到的信号衰减图谱,与实测结果比较,可以看出云、水汽的影响是被低估的,尤其是在20 GHz以上频段和低仰角地区。

根据相关文献统计,对世界大部分地区而言,20 GHz时云汽衰减量为0～3 dB,在高纬度地区由于路径倾斜使衰减量达到5～8 dB;44 GHz时同样情况下衰减量就变成了0～8 dB和12～20 dB;

3.2 降雨损耗

当电波穿过降雨的区域时,雨滴会对电波产生吸收和散射,故而造成衰减。雨衰减的大小和雨滴半径与波长的比值有着密切的关系,而雨滴的半径则与降雨率有关。

降雨衰减对电波产生的影响主要是吸收衰减,大部分表现为热损耗。雨衰减的大小与雨滴的物理模型、电波的极化方向、工作波长,接收地点的位置及海拨高度等诸多因素有关,而雨滴的模型在世界是不大相同的,故雨衰数值的估算是一项十分复杂的工作。

目前,对降雨损耗的研究一般有以下几种方法:

① 通过长期的实地测量,例如利用卫星导频对降雨损耗进行研究,但这种方法不可能被广泛采用;

② 利用CCIIR对降雨区的划分(ITU将全球分为15个雨区,我国范围内共有C、E、F、K、N等5个雨区),通过预测模型来获得,但误差较大;

③ 利用实际的降雨数据,通过选择合适的预测模型获得(常用模型为ITU-R雨衰模型和DAH雨衰模型);

④ 根据已有的实验数据,通过近似得到。

ITU-R的雨衰预测模型给出的衰减率回归系数如图4所示。

根据上述降雨预测模型及诸多城市的经纬度和降雨率得出了表3的计算结果。从中可以看出在44 GHz时,在降雨率高的地区,其0.01%降雨衰减达到了正常情况下无法补偿的量值;而在20 GHz时,其0.01%降雨衰减也可达到40 dB的量值。

由于降雨的非均匀性,雨媒质的非均匀性并具有随机性,从而使雨衰减的计算复杂化。雨衰减值除了与频率有关以外还与其他许多因素有关,而且

有的因素只能用统计概率来考虑,例如:雨滴尺寸分布、雨滴速度、雨滴温度、云层高度、地面站的纬度与海拔高度及其地形地势等等。由于这些因素的影响,要想找到一个预测精度高、使用简便、应用范围广、物理意义明确、适应于不同频段、不同仰角的理想雨衰减预测模型,显然是十分困难的。总而言之,想要获取我国精确的降雨衰减预测模型是很困难的,更遑论全球适用的模型了。

降雨不仅会衰减电磁波,还会引起噪声温度的增加,影响到接收信号的质量。对于上行链路,因为卫星天线指向地球,由地球导致的卫星接收机噪声温度的增加量远远超过降雨产生的噪声,所以在上行链路设计中,通常只考虑雨衰引起的信号衰减,不考虑由降雨产生的噪声温度增加。对于下行链路,在晴空条件下,大气热噪声是比较小的,可不考虑天空大气热噪声。当降雨发生时,除了会引起信号的衰减外,降雨会增加下行链路的系统噪声温度。

4 结束语

通过对影响Ka/EHF频段卫星通信传输信道的各种因素进行分析,主要分析了频率漂移和链路衰减。链路衰减主要研究了雨衰和云汽损耗,研究了其产生衰减的机理与特性。根据实测气象数据,对Ka/EHF频段采用ITU-R降雨衰减预测模型时的衰减量值进行了计算,为下一步抗衰减措施的提出提供理论依据,同时为工程设计提供具体的参考数据。在未来EHF频段卫星通信系统建设时,必须对该卫星通信系统覆盖范围内的EHF频段传输特性作细致深入的调查,采取针对性的补偿措施,最大限度地提高系统可用度指标。

参考文献

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[2]孔宝根,刘芸江,屠明亮.Ka频段卫星通信网传播衰落效应研究[J].现代电子技术,2004,21(188):34-35.

[3]尚金伟.Ka频段卫星通信信道电波传输特性及自适应TDMA抗雨衰对策的应用研究[C].天津大学电子信息工程学院硕士论文,2003,10.

[4]王保印.我国Ka波段卫星通信系统降雨衰减特性及补偿方法的研究[C].吉林大学硕士论文,2004,5.

信道传输特性 篇2

关键词：窄带；加密数据；传输处理

中图分类号： TP393.04 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）14-160-2

0 引言

当前，信息安全面临各种各样的严酷挑战和威胁，随着“棱镜门”等事件的爆发，逐渐成为各方关注的焦点[1]。高涉密级行业经常涉及大量的私密信息传输场景，在使用安全传输协议和安全网络环境的同时，基于信息安全考量，通常在信息传输过程中采用数据加密的方式，实现信息的安全交换。

根据系统及所传递信息的安全等级和价值不同，信息系统会采用不同的加密方式。对涉及政府、军队等与国家安全密切相关的领域，基本采用硬件加密方式实现对信息的加解密。

对信息的加密处理，通常会付出一定的代价，如增加交换的数据量等。对有线宽带网络，由于增加的数据量远小于信道传输能力，对系统的影响可忽略不计，但是对北斗短报文等无线窄带链路而言，受传输信道的带宽限制，信息系统设计过程中需要充分考虑信息加密对传输处理的影响。

以往的信息系统设计中一般采用对数据进行分拆后再进行加密的方式，通过将加密后的数据大小限制在一定范围的方式以满足数据的传输要求。采用这种处理方式常常会引起数据的大量增加，放大信息加密过程对数据传输的影响，造成信息处理和信息传输的浪费：一是处理过程中需要对分拆的每一帧数据进行加密和解密处理，增加信息处理压力；二是在传输过程中，每一帧传输的数据中都包含一定数量的加密信息，造成信道浪费。

显然以往的设计属于一种简单的实现策略，具有相当的改进余地，特别是在无线传输信道带宽较窄的情况下，出现上述情况的概率大幅提升。由此，本文针对工程实践需求，通过对处理过程进行调整及基于无线信道带宽的发送窗口动态适配等，提出了一种基于窄带信道的加密数据传输处理方法，以此提高窄带信道条件下的信息传输效率。

1 主要实现方法

1.1 处理方式调整

以往信息系统采用先分帧再加密的处理方式，会在拆分后的每一帧数据中引入一定数量的加密信息。

作为基于窄带信道的加密数据传输处理方法的一部分，对数据处理方式进行了一定调整。在信息发送端，采用先对整个待传输数据进行加密处理，然后对加密后的密文数据进行分拆，并提交通信信道进行数据传输。在信息接收端，先对接收的数据进行拼接，完成数据拼接后再进行解密处理。

1.2 实现方法说明

在接收到上层应用提交的待发送数据后，首先对数据进行加密处理，完成对整体数据的加密。然后根据通信信道的传输能力，对加密后的数据进行拆分，并将拆分后的数据提交通信信道发送。处理流程如图1所示。

采用这种实现方式后，由于对整体数据进行了加密，没有降低信息的安全性能力。在数据传输过程中，加密信息区仅传输一次，既避免加密信息区多次频繁暴露在通信链路，降低信息窃听和泄密隐患，又有效减轻了对窄带通信链路的传输压力。收发端信息处理过程参见图2。

1.3 发送窗口自适应调整

发送窗口的自适应调整是指在发送数据时，依据信道带宽的改变而动态调整发送的数据量。发送窗口的自适应调整不但可以提高数据传输的速度，而且对于解决可靠传输和拥塞控制有非常重要的作用[2]。在工程实践中，大量的信道设备目前基本具备主动报告信道带宽，或者在接收到应用的信道状态查询请求后被动报告信道带宽。

在接收到信道设备的带宽报告后，首先根据带宽大小计算在单位时间内允许发送的数据量，然后根据一定时间内允许发送的数据量调整发送窗口大小。

发送窗口自适应调整处理流程如图3所示。

2 工程应用

基于窄带信道的加密数据传输处理方法目前在某型设备的研制工作中得到应用。在该设备的研制及试验过程中发现，采用该技术后主要在以下几方面得到提升：

2.1 屏蔽了信道状态对上层应用的影响

采用基于窄带信道的加密数据传输处理方法后，屏蔽了信道状态对上层应用的影响。信息系统以往的设计中，上层应用需要关注信道状态（特别是无线信道状态）的改变，需要根据信道状态来控制信息的发送量。采用基于窄带信道的加密数据传输处理方法后，传输软件能够对不同信道带宽进行自动适配，上层应用不需要再关注信道状态，使之能更好的专注于自身的业务处理。

2.2 信道使用效率得到提升

以往在使用信息系统时，在窄带信道条件下，每一帧数据传输都附带一次加密信息的传输，造成信道资源的浪费。采用该方法后，一方面在大数据的传输过程中，仅需要对一个加密信息区进行传输；另一方面，在信道带宽动态改变时，可动态调整发送窗口大小，充分利用信道资源。这些成果都表明，采用该技术后，信道的使用效率得到有效提升。

3 结束语

本文提出的一种基于窄带信道的加密数据传输处理方法还有很大改进余地，比如，可以增加信息提交发送时的优先级机制。另外，该技术经一定的调整后也可延伸应用于使用有线网络的数据传输。

当然，本文提出的基于窄带信道的加密数据传输处理方法也肯定存在缺点和漏洞，有待于在以后的工程实践中进一步改进、完善。

参 考 文 献

[1] 王大伟.网络信息安全手段探讨[J].信息通信，2015，145（1）：148.

信道传输特性 篇3

无人机地空数据传输过程中, 无线信号会受到地形、地物以及大气等因素的影响, 引起电波的反射、散射和绕射, 形成多径传播, 造成数据传输质量下降。

该文分析了无人机地空数据传输信道特性, 提出了相应的数据传输体制, 提高了地空宽带数据链的抗多径传输性能。

1 地空信道模型

寻找和建立一个合适的信道模型是研究无人机地空数据传输信道特性的关键。在无人机整个工作过程中, 根据飞行环境的不同, 存在不同数量的传播路径, 包括直射分量r1、地面反射波r2以及除地面反射波之外的其他反射分量r3, 如图1所示。

为了方便分析, 使用WSSUS三径模型对无人机地空数据链路信道特性进行分析:

式中, a0、a1、a2分别为直射分量、地面反射分量和除地面反射分量以外的其余多径分量的幅度增益;fLOS为直射分量的多普勒频移;θref、fref、τref分别为地面反射分量的相移、多普勒频移和延迟时间;θscat、fscat、τscat分别为除地面反射之外的多径分量的相移、多普勒频移和延迟时间。

2 地空信道特性分析

在不同的工作状态下, 无人机所处的信道具有不同的特性, 并且由信道衰落类型、多普勒频移以及延迟扩展等特性决定。为了准确建立信道模型, 将无人机系统整个工作过程划分为“滑行”、“起降”和“巡航”3种状态。

2.1 滑行阶段

在无人机滑行阶段存在视距传播分量r1, 同时机场地面及其周围建筑物、山脉等地物地貌会引起很强的多径传播分量r2和r3, 信道呈现明显的莱斯特性。该阶段的多径信号能量较强, 在文献[4]中建议无人机滑行阶段的莱斯因子大小为6.9 dB。

在该阶段可以借鉴COST-207标准中的乡村信道模型, 最大多径时延为0.7 μs, 计算得到信道相关带宽约为1.4 MHz。而此时数据传输速率在2 Mbps以上时, 信号带宽大于信道相关带宽, 信号在传输过程中会引起频率选择性衰落。

2.2 起降阶段

“起降”阶段传输信号由直射波信号r1、地面发射波信号r2以及周围建筑物、山脉等地物地貌引起的反射波信号r3组成, 属于莱斯 (Rice) 信道。相对于滑行阶段, 信号r1有所加强, r2和r3分量相对减弱, 文献[4]中建议无人机起降阶段的莱斯因子大小为15 dB。

多径衰落效应主要由r2和r3引起, 其中r2径时延相对较小。以地面站天线高度为5 m、飞机高度为50～5 km、飞行距离为1～100 km为例来计算, 最大多径时延约为16.7 ns;而r3的多径时延相对较大。在某些复杂飞行环境下, 多径时延可以达到几μs, 甚至几十μs。以最大多径时延1 μs来计算, 信道相关带宽为1 MHz;当多径时延增大时, 相关带宽会变得更小。而这个阶段数据传输速率一般不低于2 Mbps, 信号带宽远大于信道相关带宽, 数据在传输过程中会产生严重的频率选择性衰落。

2.3 巡航阶段

在这个阶段, 传输信号同样由r1、r2和r3组成。而此时r3信号分量相对较弱, 其能量约为直射分量的1%～8.4%, 可以忽略。在该状态下, 无人机地空数据链路可以等效为由信号r1和r2组成的莱斯信道, 莱斯因子可以设定为10 dB。

多径效应主要由信号r2引起。假设地面反射为理想镜面反射, 以地面站天线高度为5 m, 飞机高度为5～20 km, 飞行距离为100～400 km来计算, 多径时延约为0.42～6.67 ns。信道相关带宽最小约为150 MHz。而这个阶段数据传输速率一般在2～100 Mbps之间, 远小于信道相关带宽。所以在这种飞行状态下, 信道是一个平坦衰落信道。

3 宽带数据传输技术

根据上述分析, 在无人机巡航飞行阶段, 信道属于平坦衰落信道, 采用QPSK调制等调制体制, 加入合适的信道纠错编码就可以满足系统误码率要求。而在无人机滑行阶段和起降阶段, 较大的多径时延会引起频率选择性衰落, 影响数据传输质量, 所以必须采取有效宽带数据传输方案以对抗多径衰落的影响。

在2003年提出的IEEE802.16a标准中, 规定了SC-FDE系统和OFDM系统2种抗多径衰落的宽带无线数据传输技术。

3.1 SC-FDE系统基本原理

SC-FDE的基本原理框图如图2所示。

在发送端, 输入的二进制信息流根据调制方式 (如MPSK或者MQAM) 先进行星座图映射, 然后插入UW序列和保护间隔进行数据成帧, 对成帧后的数据序列进行脉冲成型后调制到高频载波上, 通过射频发射出去;在接收端, 信号进行A/D转换后经过正交下变频将信号搬移到基带, 在基带完成同步、信道估计以及均衡处理, 再恢复到时域进行判决输出。

3.2 OFDM系统基本原理

OFDM基本原理框图如图3所示。

在发送端, 输入的二进制信息流根据调制方式 (如MPSK或者MQAM) 先进行星座图映射, 然后串并转换、插入循环前缀 (CP) 形成特定的数据帧。将成帧后的数据通过IFFT变换将并行数据调制到相应的子载波上发射出去。在接收端, 通过FFT变换后在频域进行均衡, 最后判决输出。

3.3 SC-FDE系统和OFDM系统比较

对比图2和图3可以看出, SC-FDE和OFDM二者在原理上有很多相似之处。但是OFDM信号是多路子载波信号的叠加, 会产生很大的峰值平均功率比 (PARA) , 通过非线性放大器时会导致信号畸变;同时OFDM系统中子载波之间要求严格的正交, 所以OFDM对载波频偏较敏感。而SC-FDE采用单载波传输体制, 同时保留了多载波系统信号处理的方法, 有效消除多径衰落影响的同时避免了多载波传输的缺陷, 加上单载波系统适合下行链路的对无人机跟踪。所以在无人机滑行和起降阶段, 可以选择SC-FDE宽带数据传输方案来对抗多径衰落。

4 地空数据链路中SC-FDE性能仿真

根据上述对无人机地空数据链路信道特性分析, 分别模拟无人机滑行阶段和起降阶段信道特性对SC-FDE系统的抗多径衰落性能进行仿真。设定数据传输速率为2 Mbps, 调制方式为QPSK。

4.1 滑行阶段

采用COST-207标准中乡村莱斯信道模型, 最大多径时延设定为0.7 μs, 莱斯因子K取6.9 dB。UW序列选择的是长度为64的Frankzadoff序列, FFT数据块长度为512。信道编码采用为 (2, 1, 7) 卷积编码。采用MMSE信道估计准则对均衡性能进行仿真, 误码率曲线如图4所示。

从图4中可以看出, 在信噪比为10 dB时, 均衡将误码率从10-1数量级降低到10-2, 加入卷积编码以后, 误码率降低到<10-5。

4.2 起降阶段

信道模型选择莱斯信道, Rice因子K取15 dB, 最大多径时延设定为10 μs。UW序列选择的是长度为64的Frankzadoff序列, FFT数据块长度为512。信道编码采用 (2, 1, 7) 卷积编码。采用MMSE信道估计准则对均衡性能进行仿真, 误码率曲线如图5所示。

从图5中可以看出, 在信噪比为10 dB时, 均衡将误码率从10-1数量级降低到10-3, 加入卷积编码以后, 误码率降低到<10-6。

5 结束语

无人机地空数据链路在数据传输过程中受到多径衰落的影响, 造成通信质量下降。通过对比分析SC-FDE技术和OFDM技术, SC-FDE技术具有载波包络恒定, 适合下行链路跟踪等的特点, 能很好地解决无人机地空数据链在滑行和起降阶段的多径衰落问题, 大大提高数据传输质量。该文的研究对无人机地空宽带数据链的抗多径设计具有一定的参考意义。

摘要：无人机地空链路数据传输存在多径衰落的影响。详细分析了无人机在滑行、起降和巡航3种状态下地空信道的传输特性。针对滑行、起降阶段多径时延大、存在频率选择性衰落的问题, 提出了宽带数据传输技术——单载波频域均衡 (SC-FDE) 和正交频分复用 (OFDM) , 并对SC-FDE进行了性能仿真。仿真结果表明, SC-FDE可以有效解决无人机滑行、起降阶段的多径衰落影响, 提高宽带数据传输质量。

关键词：数据链路,多径时延,频率选择性衰落,SC-FDE,OFDM

参考文献

[1]尹长川, 罗涛, 乐光新.多载波宽带无线通信技术[M].北京:北京邮电大学出版社, 2004.

[2]龚志红, 陈宏伟, 樊昊.空基型导弹图像传输信道模型研究[J].航空兵器, 2006 (6) :58-62.

[3]HASS E.Aeronautial Channel Modeling[J].IEEE Transactionon Vehicular Technology, 2002, 5 (2) :56-60.

经典信息在量子信道传输的研究 篇4

量子通信[1,2,3]是目前通信界研究的一个热点。经典通信的目的是为了从发端到收端可以传输信息,信息传输的上限受香农定理的限制。本论文研究经典信息如何在量子信道传输的问题。假设一种量子版本的香农通信信道,目的是为了从发端到收端可以传输信息。这里的“通信”和“传输”并不是指通过一条线从一点经过一段距离发送到另一个点。而是指,从发端到收端,无论物理传输工具是什么,总体信道被认为是一个量子系统。

在经典通信中,信息被封装为消息X,表示一系列的符号(字母或者码字)。在发送端依据大小为n的序列(或码字)对x进行编码,信息符号与概率px相关。符号通过一个物理“传输管道”传输之后,在接收端将符号解码,并存储为经典信息。然而在量子情形下,信息由量子态携带,这个量子态可以用它的密度算符ρx来表示。简单来说,对于发送端,编码操作由量子态的“准备”——ρx组成,它是通过信息的概率分布px所决定的。“准备”的意思是为给定的量子系统设置情景,让它严格地处在状态ρx。在接收端,译码操作即在每个接收到的量子态上进行“测量”。该测量可通过n个厄米算子{Em}m=,1(43)n进行,也被称为正定算子估值测量(positiveoperator valued measure,POVM)集合。任何测量的结果都是属于某个大小为n的序列Y(或码字)中的某个正数y。由上述可知,我们用X和Y来表示发送和接收到的经典信息,x和y表示与它们相关的随机事件,而通信的信道是量子的。

1. 量子信道的Holevo边界

研究将集中于交互信息场景,H(X;Y)就是与上述量子通信信道相关的交互信息。H(X;Y)的关键特征是交互信息有一个上限最大值χ,也就是Holevo边界[4],定义为

式(1)中,

ρ=∑xpxρx=ρ是均值密度算子,是依编码概率的平均。基于式(1)及熵具有凹性的一般特征[5],Holevo边界可以表示为

该式中,H(X)是发送端信息源的香农熵。在经典信道上,交互信息不能大于源端的熵,也就是说

H(X;Y)≤H(X),故式(1)成立。然而,中间的Holevo边界χ在该式中是非平凡的,除非χ=H(x),相对应的特殊场景也就是ρx是正交态。与此相反的情形下,可以得到χ<H(x),这时H(X;Y)<H(X),在这种情形下,接收端不论对Y采用什么样的测量都不可能完全恢复发送端信息H(x)。

2. 经典信息的量子信道传输

本小结提供一个经典信息在量子信道传输的典型案例,以研究经典信息与量子信息表示的对应关系以及所对应的Holevo边界值。

每个量子符号具有相同的概率p1=p2=1/2,故我们可以计算出均值密度算符为

对于式(4),ρ的特征值为λ1,2=(1±cosθ)/2或者,λ1=cos2(θ/2)和λ2=sin2(θ/2)=1-λ1。发送端的量子源(ρ)的冯·诺依曼熵为

因为对于纯态来说,S(ρ1)=S(ρ2)=0,因此Holevo边界值为

上述Holevo边界值可用图1表示。

3. 结论

综上所述,通过量子信道传输经典信息是可行的,但需要的先决条件是,对信息进行编码的量子符号必须由纯态构成,这样Holevo边界χ就等于冯·诺依曼熵,也是每符号的平均量子信息量(χ=S(ρ))。另外,一个可选的条件是状态之间正交,这种情形下,Holevo边界可最大化至源信息的熵(χ=H(x))。不论在哪种情况下,交互信息H(X;Y),即发送端与接收端共享的信息,都会满足H(X;Y)≤χ。

摘要：本文研究了经典信息在量子信道传输所需要的条件和限制。结果证明,当表征经典信息的量子状态由纯态构成时,经典信息可以在量子信道传递。发送和接收端的信息受Helovo边界值的限制,该值为每符号的平均量子信息量;当纯态之间正交时,该值可以最大化至源信息的熵。

关键词：经典信息,量子信道,传输

参考文献

[1]王中结,阮飞,方旭.基于免退纠缠态的原子态隐形传输[J].光学学报,2015(03):338-343.

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[3]C.H.Bennett and G.Brassard,Proceedings of the IEEE International Conference on Computers,Systems and Signal Processing,Bangalore,India(IEEE,New York,1984),p175.

[4]A.S.Holevo,Bounds for the quantity of information transmitted by a quantum communication channel,Prob.Inf.Transm.(USSR)9,177–83(1973)

基于网络的数字信道时统传输研究 篇5

1 新时统的基本组成

新时统采用了适应于网络化测量和控制系统的精确时钟同步协议 (IEEE1588协议) 和适应于E1信道传输的G.703协议来解决时间信息高精度传输的问题, 时统设备主要由同步单元、中央处理器、用户单元、频标单元和电源组成, 设备组成如图1所示。

PTP是精确时钟同步协议的简称。网络中的主时钟节点时间信息, 通过报文传递到从时间节点, 主从节点通过周期性的交换带有时间标记的时钟同步报文来测算出节点间的时间偏差, 并采用适当的算法调整从节点的时间和频率, 从而达到时钟的同步。

2 时间同步以太网组建

时间同步以太网组成如图2所示。

时间同步以太网由中心站、分站、用户三部分组成, 中心站负责定时、校频、生成标准时间和频率, 然后把标准时间和频率传输给分站或用户, 时间传输的方法有三种:网络传输, 数字信道传输, 音频信道传输。中心站根据信道质量情况选择传输方式。

3 用IEEE1588协议实现高精度时间同步

3.1 网络传输时间不稳定原因分析

时间信息在网络中传输时, 传输时延可分为线路时延和协议时延两部分。线路时延主要包括链路的传输时延和设备传输时延, 链路的时延与线缆的长度有关;设备的时延会随流量的变化而产生抖动, 使时间在以太网上的传输具有不稳定性。

协议时延是由UDP时钟同步报文发送时在TCP/IP协议模型下进行报文的逐层封装和下传, 接收时报文的逐层拆封和上传时产生的, 其中操作系统的多任务和以太网的CSMA/CD介质访问机制是产生时延抖动的主要原因。

网络协议栈和操作系统响应时间的不确定性是影响时钟同步精度的另一个重要因素, 只有在以太网的物理层完成报文的时间标记才能有效的消除这些不确定性以获得最佳的标记精度。

3.2 在以太网物理层对报文加盖时戳的方案

以太网IEEE802.3协议规定在数据链路层中, 数据帧的封装、解封、发送和接收功能由媒体访问控制子层 (MAC) 独立完成, 它的电路结构随着传输介质和速度的不同有一定的差异。物理层可有效的屏蔽传输介质的差异, 使网络从MAC层向上看是无差异的。因此MAC层和物理层的接口也称为介质无关MII接口。

MAC层和物理层的数据交换通过MII接口总线完成。MII总线以4位方式双向传输数据, 传输速率为网速的1/4, 一般来说, 网络控制器已将MAC层和物理层电路集成在一起, 无法获取MII总线上的数据, 但也有一些网络控制器芯片允许外部陪接以太网物理层收发器芯片, 这就使得我们可以很方便在物理层进行时间标记, 如图3所示。

IEEE1588协议栈的高层 (应用层, 传输层和网络层) 在设备内部由软件实现, 数据链路层则由外部的网卡芯片实现, 物理层采用专用的以太网收发器芯片完成, 采用FPGA设计时间戳处理单元, 时间戳处理单元由同步报文检测器和本地时钟组成, 从MII接口来的报文数据流进入报文检测器, 如检测到符合条件的报文, 则读取本地时钟的时间值标记报文然后将标记时间通过总线传输给控制单元, 由于物理层电路对报文的传输时延很小且几乎没有时延抖动, 因此可以得到较高的时间精度。

4 用E1接口实现精确时间同步

时统信号的数字传输终端主要把时统产生的B码信号换成能适应数字信道传输的E1信号, 数字信道传输到用户端后再还原为B码, 供用户选用。

时统信号数字传输终端, 在发送端可以接收来自时统中心的三种信号, B (AC) 码信号, B (DC) 码信号和1PPS信号, 其中如果接收的是B码, 那么可以把钟面信息传送到对端, 如果接收的只是1个1PPS信号, 那么只能把准时点发送到对端, 在接收端, 如果发送端发送的是B码信号, 那么可以同时送出准时的B (AC, DC) 码和1PPS三种信号, 供用户终端使用。

结语

新的时统系统采用模块化设计, 用户可以根据不同的需要选用不同的模块组合, 并且与以前的设备在体制上完全兼容。

参考文献

信道传输特性 篇6

目前,移动卫星通信得到了迅猛发展,其应用已渗透到各个领域,于1991年建成的北京海事卫星地球站已成功地开通了INMASAT-A/B/C/M/Mini-M/F 标准站业务,移动卫星通信服务遍及了抢险、救灾、勘探、探险等多个领域。

随着INMASAT服务范围的广泛应用和技术上的不断成熟,将其应用于军事通信领域,是今后研究的一个新思路。下面介绍了INMARSAT系统的发展及应用,详细讨论了加密话音在海事卫星数据信道上的双向传输,分析了在方案实现中应用的关键技术及解决方法。

1 INMARSAT系统概述

INMARSAT(国际移动卫星组织)是一个提供全球范围内卫星移动通信的政府间合作机构。从1979年成立初至今,INMARSAT已发展为可提供海上、陆上和空中全方位移动卫星通信服务的通信组织。INMARSAT系统是GEO移动卫星通信系统,在“铱星”,“全球星”等几大移动卫星通信系统中,海事卫星系统发展最快,迄今为止已发展到第四代卫星移动通信系统,具备覆盖范围广,传输速率高,支持业务类型广泛等多种优点。

INMARSAT系统由空间段、地球站和移动终端3大部分组成。其中,空间段包括卫星、网控中心及网络协调站。通信卫星分布在地球同步轨道上,覆盖了太平洋区、印度洋区、大西洋区。在同一覆盖区内,移动用户可选择不同的地球站进行通信。地球站作为接入和控制中心,将陆地通信网与卫星系统连接起来,从而实现陆上用户与移动站之间的通信;而移动终端的主要任务是通过通信卫星和地球站,在移动终端与地球站或移动终端与移动终端之间进行通信。

INMARSAT系统包括几种不同的移动通信系统,通过一系列终端向用户提供不同的服务。 最早的A系统是模拟通信系统,提供9.6 kbps 话音、传真、电传和数据业务;随着数字通信的发展,又相继推出了数字化系统B、C、M、Mini M及F系统。B系统是A系统的数字制式,提供的业务与A系统相同;M系统是在1993年开发出来并推向市场的,提供高质量的数字话音(4.8 kbps)、传真和数据业务(2.4 kbps),它可以接入公共电话网,M系统与B系统在信令上是兼容的,是B系统的简化;Mini M系统是M系统的微型化系统,提供与M系统相似的业务。F系统是M系统的发展,将数据业务与IP技术相结合,可提供MPDS移动包交换数据业务等。

2 密话传输

在军事通信中,INMARSAT提供的话音业务,尚不能满足通话保密性要求。而话音加密技术是较为成熟的技术,结合话音加密技术,方案中采用了应用海事卫星终端数据传输信道传送加密话音的实现方式,将模拟话音转化为数据格式进行加密,再应用数传信道进行话音传输。

2.1 系统组成

应用海事卫星系统数传信道传送话音的地面部分原理框图图1所示。地面系统主要由海事终端、数据处理单元、密话单元组成。

海事卫星终端选用M终端,采用M终端标准业务进行数据传输和话音通信,数传速率为2.4 kbps。数据处理单元是核心处理部分,配置计算机、数据处理软件、操作系统、业务数据库以及与其他地面设备连接的外围硬件接口设备。数据处理应用软件完成数据处理单元的所有功能逻辑。主要完成话音与数据的切换、转发、存储,海事信道的建立/拆除、终端及信道设备的监控等功能。数据处理单元存储的话音数据可回送密话单元进行话音再回放。

密话单元完成话音压缩、编码及加密功能,将加密后的话音数据送给数据处理单元,同时接收数据处理单元转发的下行数据,解密后转换为模拟话音。

该系统具备以下功能:

① 具备搜索海事卫星、接入海事卫星通信系统的功能;

② 主动拨号呼叫对端海事终端建立通信链路,或接收对端呼叫建立通信链路的能力;

③ 具备传输数据或双向话音,以及不同工作模式切换的能力;

④ 话音存储及回放功能;

2.2 关键技术

在方案实现中,要解决多种关键技术,如话音的实时转发;数据、话音模式的切换;话音的存储、回放等,下面对其中的关键技术作以介绍。

2.2.1 话音流控实现

为了具有更好的拥塞机制,保证话音数据不丢失,密话单元和数据处理单元采用了协议流控。控制功能采用4线RTS/CTS、DTR/DSR信号实现。由于数据处理单元采用的是标准串口卡,只具备两线流控的能力,因而在控制实现上,采用了两端口流控信号复用实现与密话单元接口的4线控制。

在话音传输中,流控的依据为接受缓冲区的余量,及数传信道的链路状态。密话单元在发送信息前,设置RTS有效,等候数据处理单元回送CTS。数据处理单元在接收状态就绪后,设置CTS有效,允许密话单元发送数据。在接收过程中,若接收缓冲区将满或数传信道断链,数据处理单元设置CTS无效,禁止密话单元发送数据;在接收缓冲区有足够的空闲量或数传信道重新建立后,重新设置CTS有效,允许密话单元发送数据。

数据处理单元在发送信息前,设置DSR有效,等候密话单元回送DTR。若检测到DTR有效,则开始发送数据。在发送过程中,若检测到DTR无效,则停止向密话单元发送数据;直到重新检测到DTR有效,继续向密话单元发送数据。

密话单元作为独立的设备,只工作于单一模式下,若流控信号允许,则保持发送/接收数据的状态。而对于数据处理单元,工作在多种模式下,同时具备处理话音数据和其它数据的功能,因而在流控处理上,相对复杂得多。除了在正常的话音通信模式下,需要采取流控处理,在以下几种状态时都需进行流控处理:① 密话单元状态改变;② 系统工作模式改变;③ 链路状态改变;④ 话音回放状态。

2.2.2 话音实时转发

对于海事系统,数据传输经过上星处理,已经具有较大的时延,若采用数传信道传输话音,则必须保证话音质量,尽可能地缩小在转发过程中的处理时延。由于数据处理单元数据处理功能庞大,需要在某一时刻内完成多个任务的执行。因此,在软件部分采用了多线程设计,将主要任务放在不同的线程,各线程是独立的执行流,是进程内部一个独立的执行单元,每个线程占用的CPU时间由系统分配,系统不停地在线程间切换。同时,所有线程都共享进程的虚拟地址空间、全局变量和系统资源,这样既提高了实用性,又简化了设计。为保证话音传输的实时性及不失真性,将话音转发作为一个独立的线程处理,数据处理单元在转发话音数据时,必须使系统为话音转发线程提供更多的时间片,尽可能的减小传输时延。因此在软件设计中,根据各线程运行的频繁程度对线程优先级进行了灵活分配,配置话音转发线程为较高优先级,处理级别优于其他线程,这样在线程运行中,能够获得较多的运行时间;此外,在话音转发处理中,采用了逐字节数据转发,每收到一个字节的话音数据就触发接收事件,在通信层进行数据转发,而数据的存储则以帧为单位,采用并行处理,每收完一帧,存储到数据库中,采用这种并行处理,大大缩短了转发时延,优化了设计。经测试,话音转发的软件时延小于1 ms,硬件时延小于5 ms,满足系统对话音时延的要求。

2.2.3 话音存储及回放

为实时记录话音通信的过程,数据处理单元具备话音存储与话音回放功能。话音数据存储与话音数据转发同时进行,话音数据以帧为单位进行存储,便于数据检索以及进行话音回放。由于话音数据为异步串行数据,单字节接收,在处理过程中,数据处理单元采取持续搜索帧同步的方式,当检测到帧同步后,开始记录帧长,若帧长符合规定,则认定为正常帧存入数据库。由于卫星信道的特殊性,丢帧、漏帧的情况不能避免,当搜索不到同步头时,以固定帧长截取数据存储入库。若发生丢失字节,连续两帧间字节数目小于固定帧长时,在检索到下一帧的同步头后,将前一帧记录为异常帧并存储入库。

在话音回放状态下,数据处理单元从数据库读出话音数据,按照话音速率,以标准的帧格式将字节流发送给密话单元,在该状态下,数据处理单元流控密话单元只收不发,由密话单元进行译码、解密,恢复成模拟话音。

3 结束语

在海事卫星系统中,应用文中所述技术进行了原理论证及密话传输试验,实现了密话在海事卫星数据信道上的传输,验证了该技术的可行性,并可进一步将该技术推广应用于相关军事通信领域。移动卫星系统作为全球无缝覆盖通信的主要手段,技术日趋成熟,将其与军事通信研究相结合,必将有着广泛的应用前景。

参考文献

[1]王建.INMARSAT全球卫星移动通信系统的新进展[J].北京广播学院学报,2004,11(1),64-68.

[2]于志坚.海事卫星系统在载人航天数据中继的应用[J].宇航学报,2003,24(3),268-272.

[3]马进华.INMARSAT系统在我国的发展与应用[J].指挥技术学院学报,2000,11(4),49-53.

无线图像传输的联合信源信道编解码 篇7

无线图像传输又称视频实时传输。由于传送视频流需要足够的带宽的限制, 无线网络一直被排除在外。但随着信息技术的飞速发展, 特别是互联网络和移动通信技术在全球的普及, 无线网络已经可以承载视频图像, 并逐渐代替有线传输, 从而让我们获取所需信息更方便、更快捷。尤其是对于某些具有突发性、移动性、紧急性和临时性等特点的场合, 通过无线网络的通信手段可以方便地实现与中心交互, 将现场的图像送回中心。目前, 移动无线图像传输的方式主要有以下三种[1]:移动GPRS通信网络、卫星通信网络及联通通信网络。

由于无线网络带宽资源有限, 另外干扰因素多, 而且信息的数据量十分惊人, 实时性要求高, 因此要在带宽有限的无线网络上传送信息, 必须经过压缩编码。经证明, 联合信源信道编码是一种行之有效编码技术。联合信源信道编码技术将信源与信道编码两者结合考虑, 与传统方案相比较而言更加有效。本文提出了一种基于纠错算术码的联合信源信道编码算法, 经过仿真验证, 此方法图像质量比传统方法有明显提高。

2 联合信源信道编码

总的来说, 一个通信系统应分为两个领域的问题, 即信源编码和信道编码。信源编码即数据压缩, 而信道编码恰好与之相反。Shannon的信源信道编码理论阐述了在何种条件下, 通信系统中的信源和信道编码器可以分别进行优化设计而不会牺牲系统的整体性能[2]。根据这个观点, 信源编码器设计成能获得最大的压缩比, 而信道编码器设计成在给定的传输速率下能够产生最小的差错概率。我们有必要将信源编码与信道编码联合起来进行设计。以实现结构来划分, 目前联合信源信道编码系统主要有以下两种: (1) 信源编码与信道编码结构仍然分开; (2) 一体式的联合信源信道编码。

2.1 算术码

算术编码是一种无前缀的编码方法, 其将信源表示为实轴上0和1之间的一个区间, 信源集合中的每一个元素都用来缩短这个区间。简单地说, 算术编码的过程就是不断分割编码空间的过程, 而编码空间的长度是与各个信源符号概率大小相对应的。假设某信源符号的概率越大, 那么它所占用的编码空间长度就越长, 反之则越短。假设以S表示长度为N的信源符号序列, 则算术编码过程将产生出N+1个区间

undefined

其中

undefined

整个算数编码过程如下:

undefined

式中p (sundefined) 表示为s1到sk的累积概率。

2.2 纠错算术码

纠错算术码又称算术码内嵌禁用符号, 其对信道错误十分敏感, 任何单个比特的错误都将给后续比特的译码带来相当严重的后果。纠错算术码利用算术码对于错误的超高敏感性通过人为加入禁用区间在实现信源压缩的同时, 给编码码字提供了错误保护的能力[3]。近些年, Grangetto就算术编码中引入禁用符号后的检错能力、编码码率作了很多研究, 并提出了基于最大后验概率的联合信源信道解码系统, 即MAP。

2.3 性能仿真及评价指标

目前许多新的图像视频编码标准都采用了算术码作为最后的熵编码。但正如上所述, 算术编码对于传输错误十分敏感, 所以有必要对纠错算术编码性能进行仿真, 人们就如何提高算术编码的鲁棒性作了大量的研究工作。目前使用最多的仿真方法是利用Matlab软件进行模拟仿真验证。

纠错码的纠错能力主要用字错误率即误字率来表示误码率, 另外还有传输实时性、图像质量及传输鲁棒性等评价指标。

1) 误码率:一般由误比特率 (BER) 表示。作为一项标准指标, 其可以用来比较不同纠错码系统的性能。

2) 传输实时性, 更快的编码速度, 更短的传输时延。

3) 图像质量, 获得令人更满意的图像质量。

4) 传输鲁棒性, 更好适应传输信道的误比特干扰。

3 纠错算术码的联合信源信道编码

带禁用符号的算术编码利用了算术编码对于错误的高度灵敏性这一特点, 在信源空间中加入一个保留不用的概率空间而实现算术码的检错能力, 这一保留的概率空间在编码过程中始终不会使用, 在译码过程中, 一旦解码区间落入这一保留的空间内则表明前面某个或几个比特有错误。纠错算术码的联合信源信道编码算法正是利用算术编码中加入的禁用符号实现整体编码, 利用一阶马尔科夫信源模型实现信源的自适应, 根据信道状态信息调整禁用符号概率的大小从而调整编码码率的大小实现信道自适应。

3.1 联合编码

本文讨论的是一阶的马尔可夫信源{Sn}∞n=1, 其中q0, q1∈ (0, 1]分别为状态0和状态1的自转移概率, 信源的转移概率可如下表示:

undefined

其中sn∈{0, 1},

undefined

一般分为以下两种情况:

1) 当q0=1-q1≠1/2, 此时信源只包含统计冗余ρD, 即ρD=log2 (|S|) -H (S1) 。

2) 当q0=q1≠1/2, 信源信息冗余只包含有记忆冗余, 即时间相关性ρM:ρM=H (S1) -H∞ (S) , 其中H∞ (S) 表示马尔可夫信源的熵率。

一般而言, 马尔可夫信源同时具有上述两种信息冗余。

3.2 基于最大后验的联合解码

当编码码字undefinedk进入到信道以后 (表示为undefined, 信道输出为等长序列undefined, 最大后验概率译码的思想是根据信道输出序列undefinedk找到一个合法的编码器输入序列undefined, 使得后验概率达到最大即:

undefined

对于解码器而言, 信道输出序列是已知的, 因此上式中的分母在计算中为确定数, 考虑到其对最大值求解没有任何影响, 进而忽略来减少多余的计算量, 上式可以简化为:

undefined

上式中, 最大值的求解范围是长度为L的二进制序列, 也是编码器的输入序列, 且此二进制序列经过编码器后产生的码字长度必须等于N (k) 。

3.3 图像传输中的性能仿真

信道条件不理想时, 较弱的信道编码码率使得分离编码所重建的图像在主观视觉上能看出显著的信息损失, 而且因算术码引起的误码扩散问题也较为明显 (连续出现错误) ;为验证本文提出方法的性能, 进行仿真验证, 经验证此方法图像质量比传统方法有所提高。

4 结论

无线图像传输已经成为个人终端获取信息的普遍途径, 在介绍了无线图像传输发展及纠错算术码基本概念基础上, 本文首先提出了一种基于纠错算术码的联合信源信道编码算法, 经过仿真验证, 此方法图像质量比传统方法有所提高。

摘要：随着计算机及通信等技术日新月异的发展, 无线图像传输技术得到了广泛的重视。针对视频、图像传输效率低及通信系统性能没有达到最优等问题, 在列出了基本概念基础上, 本文提出了一种基于最大后验概率的联合信源信道编码算法, 经过仿真验证, 此方法图像质量比传统方法有所提高。

关键词：无线图像传输,联合信源信道,算术码,纠错算术码

参考文献

[1]刘争芳.利用CDMA技术传输用电监视数据及图片的研究[D].华北电力大学硕士学位论文, 2007.

[2]史君良.无线图像传输中的联合信源信道编码[D].南京理工大学硕士学位论文, 2004.

[3]P.G.Howard, J.S.Vitter, Analysis of Arithmetic Codingfor Data Compression[J].Information Processing andManagement, 1992, 28:749～763.

信道传输特性 篇8

关键词：正交相移键控,加性高斯信道,多径衰落信道

1引言

QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)是四相相移键控的简称,也叫正交相移键控,是现代通信中一种十分重要的数字调制方式。它具有较高的频带利用率和良好的抗噪声性能,在电路上实现也较为简单等一系列独特的优点,已经广泛应用于移动通信中。调制信号在各种干扰信道中的传输性能决定了调制技术的优劣,因此文中研究具有一定的必要性。

文中先概要介绍了QPSK调制技术的基本原理,然后以Matlab/Simulink仿真软件为平台,建立高斯白噪声信道和多径衰落信道下QPSK通信系统模型,并对两种信道下传输性能进行了仿真分析。

2QPSK基本原理

QPSK信号可以表示为:

式中Es为单位符号的信号能量,即0 ≤ t ≤ Ts时间内的信号能量;wc为载波角频率,Ts为符号持续时间。

由上式知,QPSK利用载波的4种不同相位来表征数字信息,是一种四进制相移键控。为了能和四进制的载波相位配合起来, 需要把输入调制器的二进制数字序列转换为四进制。两个二进制码元中的前一比特用a来表示,后一比特用b表示,称为双比特码元ab,然后用4种不同的载波相位分别表征这4种数字码元。按ab分组与载波相位的对应关系有π/2体系(也称A方式)与π/4体系(也称B方式),具体定义如表1所示:

QPSK信号可以看成两个正交载波进行双边带调制所得信号之和,即它可以等效为是对两个载波正交的2PSK调制信号的叠加。由QPSK信号的解调原理可知,它也可以采用与2PSK信号类似的相干解调方法来进行解调[1]。

3信道

在通信系统中,信道是不可或缺的一部分。信道是发送端和接收端的媒介,即可以传输信号,又不可避免的对信号产生各种干扰和噪声。按照干扰和噪声的种类,信道通常可以分为:加性高斯白噪声信道、多径衰落信道和Rician衰落信道等[1]。由于信道的固有特性及引入的干扰与噪声对无线信号的传输质量起着决定性的作用,因此研究信号在各种干扰信道的性能有一定的必要性。在此,选择在通信仿真中应用比较多的加性高斯白噪声信道、多径衰落信道进行研究,其他信道性能不在此赘述。

3.1高斯白噪声信道

加性高斯白噪声是最常见的一种噪声,无论信号是否存在,噪声均存在于各传输媒质中,包括有线信道和无线信道。 从概率论角度去分析加性高斯白噪声,它表现为信号围绕平均值的一种整体取值服从高斯分布的随机波动过程。对于一维的高斯随机变量x ,它的概率p(x) , 一般由下式确定[1]。

其中,μ 为均值,在高斯白噪声中取0;σ2为方差,表现为信号噪声功率的大小。

由于AWGN信号易于分析、近似,因此在信号处理领域,一般先研究信号在加性高斯白噪声信道下的性能,然后再把它推广到更复杂的多径衰落信道。

3.2多径衰落信道

移动无线信道的典型特点是:时变和多径。“时变”是指对信号的衰减和传输时延随时间变化;“多径”是指由于发送端和接收端之间建筑物或其他物体的反射、绕射、散射等引起的传输路径不止一条。由于多径反射和衰减的时变性会使各路信号经历不确定的随机波动,导致各路反射波的到达时间、相位也各不相同。而接收端接收到的信号是对多条路径信号进行同相加强,反相减弱的叠加,使得接收信号幅度急剧变化而产生衰落。这种衰落是由于多径现象引起的,所以称为多径衰落。多径衰落使接收信号的质量变差, 严重影响通信质量的可靠性[2].

由于无线信道的复杂性,为了方便分析,接下来建立数学模型来分析。

假设信道的输入是一个经过调制的信号,其形式为:

在N条路径的条件下,由于每条路径衰减和时延都是时变的,所以到达接收端信号是各路径信号的合成可表示为:

当路径条数N足够大时,x1(t) 和x2(t) 是服从均值为0,方差为 σ2的高斯随机过程,接收信号的包络ai(t) 服从瑞利分布。由瑞利分布定义,一个服从瑞利分布的变量Z的概率密度可表示为[3]:

在式(4)中,σ2是决定瑞利分布的参数。可以以得出,瑞利随机变量Z的均值为,方差为 (4 - π)σ2/2 ,所以常用瑞利信道作为多径衰落的代表来研究。在仿真衰落信道时,两个重要的参数是多径扩展和多普勒带宽。

3.3QPSK信号在信道中的性能指标

QPSK信号在信道中传输,会受到信道中噪声干扰导致接收端出现错误。传输性能的优劣主要由差错率来衡量,差错率越小,可靠性越高,抗干扰能力越强。差错率也有两种表达方式:误符号率与误比特率。

1)误符号率:又叫误码率(SER),指接收到的错误码元数和总的传输码元个数之比。

2)误比特率(BER):是指接收到的错误比特数和总的传输比特数之比。

4QPSK信号在不同信道下的性能仿真

在了解常用信道特点后,根据通信系统的一般模型,借助Matlab软件自带Simulink模块搭建不同信道下QPSK通信系统模型,进行仿真,并对QPSK信号通过信道后的差错率进行结果分析[4]。

4.1系统顶层模型

以高斯信道为例,借助Simulink模块搭建高斯信道下QPSK通信系统模型[5~7]。顶层模型如下图1所示。其中TX模块为发送端,是一个子系统。它用来把信源产生的比特信息转换成相应的符号并送到QPSK调制模块进行调制,然后调制信号通过高斯白噪声信道(AWGN Channel)模块进行传输最后到达接收端RX。RX模块也是一个子系统,它负责完成QPSK信号的相干解调,恢复出初始数据比特和符号。

4.2主要模块介绍

1)TX模块

TX模块的结构框图如图2所示。整个过程是:由随机数产生(Random Integer Generator)模块产生原始数据比特一方面作为信源模块的输出信号, 另一方面经过比特到整数转换(Bit to Integer Converter)模块将比特数据转换成对应的符号;再经过数据映射(Data Mapper)模块完成对符号的Gray编码;再送入基带调 制器 ( QPSK Modulator Baseband) 模块, 对数据进 行QPSK调制;最后在经过理想矩形脉冲成形滤波器模块完成脉冲成形,得到调制后的QPSK信号。

2)信道

AWGN信道模块是为了将噪声叠加到TX模块产生的QPSK调制信号中。需要注意的是在进行多径衰落信道的仿真过程中,只需要在AWGN信道模块前添加多径衰落信道(Mul-tipath Rayleigh Fading Channel)模块。这样可以满足信号不仅受到信道衰落的乘性干扰,同时还需要受到信道中高斯白噪声的加性干扰,使仿真过程更接近实际传输。两种模型下信道参数设置如表2所示:

3)RX模块

RX模块的结构图如图3所示,它的输入端口模块In1连接TX模块的输出端口3代表已调制QPSK信号先经过积分清除 (Integrate and Dump)模块完成对抽样数据的累加,再经过增益 (Gain)模块完成对累加数据的归一化;再送入基带解调器(QPSK Demodulator Baseband) 模块, 对数据进行QPSK信号进行解调,得到Gray编码;然后再经过数据逆映射模块将Gray编码转换成原始四进制符号;最后再将四进制符号转换成原始二进制比特信息。

4)误比特率与误符号率计算模块

误比特率和误符号率计算(Error Rate Calculation)模块是将原始输入比特、符号与解调后的比特、符号进行比较,并计算比较结果。

5系统仿真与结果分析

信号经过调制、信道、解调过程。在接收端,将得到的数据与原始信号源数据比较,得到在特定信噪比下的误码率。改变系统信噪比,从而得到系统的误码率曲线图。为了得到不同信噪比下的误码率和误比特率需要编写脚本文件,并与模型放于同一目录。将仿真时间和信噪比设置为与脚本文件一致,对所有模块参数设置,然后开始进行仿真,仿真结果如下图4所示:

由图4中可以看出:在两种信道下QPSK信号的误比特率均小于相应的误符号率;随着信噪比的增加,QPSK信号在高斯白噪声信道下的误比特率和误符号率均会降低,而在多径衰落信道中二者变化不明显;对于相同的信噪比, QPSK信号经过多径衰落信道后,误符号率和误比特率大大高于高斯白噪声信道下的误符号率和误比特率。例如当信噪比=1d B时,多径衰落信道误比特率SER接近100,而高斯白噪声信道的误比特率接近10-3,因此如果不对衰落进行补偿,则无法得到与高斯白噪声信道相同的传输效果,导致可靠性更差。由于在移动通信中信道衰落是不可避免的,因此,经常采用信道估计校正接收信号或者采用其他对信道相位变化不敏感的调制技术的方法来提高通信系统的性能。

6结语