基本信息
- 項目名稱：
- 高速率短波OFDM調制解調器
- 小類：
- 信息技術
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品是基于正交頻分復用（OFDM）技術的高速率短波調制解調器，能在惡劣的短波信道條件下實現低誤碼率和高速率傳輸，人機接口和設備接口符合使用要求。作品已通過了實驗室物理測試和室外無線電通信測試。 本作品采用先進的OFDM技術，避開了單載波系統(tǒng)存在的復雜均衡問題，而且可擴展帶寬到12KHz，大幅提高了傳輸速率以及高速傳輸時的傳輸效果，使得對于圖像等多媒體信息也能夠進行高質量的傳輸。本作品擁有廣闊的市場應用前景：民用方面，可用于民用救災應急，海洋作業(yè)的指揮調度救援和偏遠山區(qū)通信保障等系統(tǒng)的數據傳輸；軍用方面，以本作品為核心組成的短波鏈在戰(zhàn)場信息化、損毀評估、偵察數據/圖像傳輸、雷達網信息傳輸，遠程武器遙控及無人值守系統(tǒng)等方面也都有重要的應用。
- 詳細介紹：
- 傳統(tǒng)的短波電臺只提供話音通信功能。隨著信息時代的到來，軍事和民用通信對數據傳輸的需求不斷增長。短波調制解調器和短波通信電臺組成的數字通信系統(tǒng)可以滿足人們對短波數據通信的需求。在發(fā)送端，調制解調器接收來自計算機終端的用戶數據，經過OFDM調制產生偽話音信號，并通過話音接口送至短波電臺發(fā)射出去。在接收端，短波電臺將接收的短波信號進行處理，通過話音接口輸出到OFDM調制解調器。OFDM調制解調器對接收的話音信號進行解調和處理，恢復數據，并上傳用戶終端。顯然，調制解調器是短波數字通信系統(tǒng)的核心，數據傳輸的速率和誤碼率是衡量調制解調器性能的最重要指標。 針對短波信道環(huán)境和應用需求，本作品采用了移動通信領域近年來提出的多項新技術，將先進的OFDM技術、信道估計技術、比特交織編碼調制（BICM）技術和低密度校驗（LDPC）編譯碼技術創(chuàng)新地集成在一個系統(tǒng)中，研發(fā)成功了高速率OFDM短波調制解調器。 本作品硬件平臺的設計采用了DSP+FPGA結構的軟件無線電思想，具有開放性、可擴展性和可升級性，充分滿足目標系統(tǒng)的應用要求。軟件方案采用了結構化、模塊化和面向對象的程序設計方法，便于代碼重用和軟件升級。 調制解調器已具備實際使用所需的各種接口，包括連接短波電臺的話音信號接口，與計算機數據通信的串行接口和一個用于系統(tǒng)軟件升級與參數配置的超級終端串行接口。作品前面板的鍵盤和LCD顯示屏用于參數設置和工作狀態(tài)指示。 我們對本作品進行了大量性能測試，實驗室測試環(huán)境采用美國ROCKWELL公司生產的短波信道模擬器MDM-3001（在國際上已成為行業(yè)標準）。測試表明，本作品在3KHz帶寬內的傳輸速率達到9.6Kbps,比國內串行MODEM的速率提高了四倍，在12KHz帶寬內的傳輸速率達到了38.4Kbps。在典型的ITU POOR短波信道（時延2ms，多普勒擴展1Hz）條件下，各種傳輸速率時的誤碼性能均優(yōu)于國際上最先進的串行MODEM（具體測試結果見先進性分析部分）。我們還在南京和無錫之間對本作品進行了外場無線通信測試，結果表明，本作品性能良好，工作穩(wěn)定，使用操作符合實際應用要求。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 【作品目的】 目前，短波通信存在的主要問題是傳輸速率低。在3KHz帶寬內，我國的短波通信系統(tǒng)最高傳輸速率2.4Kbps，國外最高傳輸速率9.6 Kbps。現有的短波通信系統(tǒng)均采用復雜的單載波自適應均衡技術，但隨著傳輸速率的提高，均衡器的階數變得很大，以至于難以實現，迫切需要新的適于多徑衰落信道的傳輸技術。 【作品思路】 短波信道的多徑時延將產生嚴重的符號間干擾，而OFDM技術具有很高的頻帶利用率和天然的抗頻率選擇性衰落的能力。本作品的基本思路就是將OFDM技術應用到短波數字通信領域，并應用近年來無線通信領域提出的新技術，提高了誤碼率性能，研制成功新一代高性能短波調制解調器。 【創(chuàng)新點與關鍵技術】 1）性能優(yōu)越的新型OFDM短波調制解調器； 2）適于短波信道的多模式OFDM傳輸體制； 3）適于短波信道和OFDM系統(tǒng)特點的聯(lián)合信道估計方案； 4）BICM-LDPC聯(lián)合編碼調制及相干檢測技術。 【主要技術指標】 信號帶寬：3KHz，12KHz 數據速率：3KHz帶寬：75bps～9.6Kbps 12KHz帶寬：75bps～38.4Kbps 工作方式：全雙工 調制方式：PSK/4QAM/8PSK/16QAM/32QAM/64QAM 同步方式：突發(fā)同步，同步概率大于99% 人機接口：鍵盤、LCD、局域網（RJ45）、USB、RS232串口 信號接口：話音、512KHZ中頻 供電方式：直流5V-24V 功耗：≤5W
科學性、先進性
- 【科學性】 OFDM是一種新的多載波調制技術，可以最大限度地利用頻譜資源。已有研究表明，OFDM技術具有很高的頻帶利用率和天然的抗頻率選擇性衰落的能力，特別適合短波信道，為高速短波通信提供了新的技術途徑。 【先進性】 一、本作品采用了多項先進技術 1.將OFDM技術用于短波通信領域； 2.采用高性能的低密度奇偶校驗（LDPC）編譯碼方法； 3.所提出的聯(lián)合信道估計方案針對短波信道和OFDM系統(tǒng)的特點； 4.將先進的比特交織編碼調制（BICM）技術用于短波OFDM通信系統(tǒng)。 二、本作品采用了先進的設計方法 本作品的硬件平臺采用了軟件無線電設計思想和先進的A/D/A、DSP、FPGA芯片，具有開放性、可擴展性和可升級性。系統(tǒng)軟件采用了面向對象的程序設計方法，具有結構化、模塊化特點，便于代碼重用和軟件升級。 三、本作品達到了國際先進的性能指標 本作品已實現3KHz帶寬內傳輸9.6 Kbps的國外最高水平，且誤碼率性能比國外單載波調制解調器提高3dB左右。
獲獎情況及鑒定結果
- 2008.11 學校第十一屆大學生科技競賽特等獎
作品所處階段
- 本作品已完成實驗室測試和室外無線通信測試,可直接進入生產階段。 生產所需的設備條件簡單。
技術轉讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、產品；現場演示；錄像
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 【使用說明】 本作品工作于雙工模式。發(fā)送端的modem將用戶數據調制為OFDM信號，通過音頻接口送至短波電臺，經短波信道發(fā)送出去。接收部分完成相反的操作，恢復傳輸數據。 實驗室中我們采用Rockwell公司的短波信道物理模擬器MDM-3001仿真真實的短波信道。 【特點和優(yōu)勢】 本作品的主要特點是誤碼率低、傳輸速率高；另一特點是帶寬可擴展到12KHz，這是其它調制解調器不具備的。本作品大幅提高了傳輸速率，可支持圖像等多媒體信息的高速有效傳輸。 【應用領域】 本作品可用于所有短波數字通信應用，其高速率和低誤碼率性能進一步拓寬短波通信的應用范圍。 民用方面，可用于民用救災應急，海洋作業(yè)的指揮調度救援和偏遠山區(qū)通信保障等系統(tǒng)。軍用方面，以本作品為核心組成的短波數據鏈在戰(zhàn)場信息化方面有重要應用。 【經濟效益】 我國正在使用的調制解調器有數百萬臺，信息社會的發(fā)展進一步擴大了應用需求。本作品可作為現有調制解調器的替代和補充，其推廣應用可產生巨大的經濟效益。
同類課題研究水平概述
- 【短波通信的國內外現狀】 短波信道利用電離層的反射傳送信息，由于電離層是分層、不均勻、各向異性、隨機性的介質，短波信道存在嚴重的多徑時延和衰落。多徑效應引起的時域擴展成為限制短波通信速率的主要因素。 國外有代表性的短波通信公司有美國的Harris公司、通用航天航空防務公司、加拿大CRC研究中心，法國的Thales公司。目前，Harris公司的RF-5800系統(tǒng)傳輸速率已達到9.6Kbps。我國的短波通信系統(tǒng)實際最高傳輸速率2.4Kbps，急需更高速率的短波通信系統(tǒng)。 目前短波通信的研究重點是進一步提高頻帶利用率。當傳輸速率大于9.6Kbps時，傳統(tǒng)的均衡單載波短波傳輸系統(tǒng)已難于勝任，需要采用新的適于多徑衰落信道的傳輸技術。 【OFDM技術在短波通信中的應用概況】 OFDM是上世紀七十年代提出的一種多載波調制技術，但直到九十年代以后才得到足夠的重視。OFDM采用多載波技術將頻率選擇性信道轉化為若干個頻率非選擇性的子信道，使信道均衡比單載波系統(tǒng)簡單得多，特別適合于短波通信的應用。 DRM是采用OFDM技術，獲得成功的短波數字廣播系統(tǒng)，其目的是代替現行短波AM廣播。DRM使用短波頻段（3～30MHz）傳輸數字音頻和數據信息。 國外已有多家公司從事OFDM短波通信技術方面的研究：法國Thales公司的短波OFDM系統(tǒng)數據傳輸速率達到9.6Kbps， 美國環(huán)球無線電通信公司（UR）的ARD9900型OFDM調制解調器數據傳輸速率3.6Kbps，但未見誤碼率性能方面的報導。 國內其它單位也開展了短波OFDM系統(tǒng)的研究工作。西安電子科技科大學從事寬帶OFDM短波通信系統(tǒng)的研究，但頻帶利用率比本作品低得多，現在只有仿真結果的報導。查新結果表明，國內還大量的理論和仿真研究報導，但研究內容只針對某個單項技術，未見系統(tǒng)研究和性能方面的報導。 國內外相關研究表明 OFDM技術在短波通信領域的應用已經成為發(fā)展趨勢，但基于OFDM技術的短波通信體制尚不成熟。所采用的OFDM系統(tǒng)在保護間隔、子載波間隔、調制方式和糾錯編碼方案均不相同，而在導頻信號設計、同步和信道估計方案以及PAPR減小技術方面的差別則更大，尚未形成如串行體制美國MIL-STD-188-110B軍用標準這樣完備的技術規(guī)范，這從另一方面也說明OFDM短波通信技術還有很大的發(fā)展空間。
