孙梅1，周晓东2
（1.四平职业大学，吉林四平136002；2.长春工业大学，吉林长春130012）
摘要：乘性噪声干扰相对于加性噪声干扰具有更强的时变特性和抗滤波性，传统方法难以实现有效的滤波控制，乘性噪声在远程无线通信中会导致信道偏差，为解决这一问题提出了一种基于窄带阻抗匹配的乘性噪声干扰下的通信信号偏差控制方法，并进行控制器的硬件系统设计。设计了基于窄带阻抗匹配远程通信信号的乘性噪声干扰滤波算法，以此为基础进行通信信号偏差控制器系统硬件电路设计。在EPM7128AETI100上连入各芯片的读/写程序，得到3种通信信号偏差复位方式，采用MAX7000AE系列器件实现硬件接口设计，采用分段拟合的方式补偿非线性失真，实现乘性噪声干扰滤波器设计和信号偏差控制器设计。实验结果表明，采用该设计系统能有效滤除了通信信号中的乘性噪声污染，接收信号及其频谱的畸变得到有效补偿，改善了通信质量，提高了远程无线通信的稳定性和可靠性。
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关键词 ：乘性噪声；噪声干扰；通信信号；偏差控制；系统设计
中图分类号：TN911?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）20?0005?03
Design and research of communication signal deviation controllerin multiplicative noise interference
SUN Mei1，ZHOU Xiaodong2
（1. Siping Vocational College，Siping 136002，China；2. Changchun University of Technology，Changchun 130012，China）
Abstract：Multiplicative noise interference，compared with the additive noise interference，has more strong time?varyingcharacteristic and filtering resistance performance，but it is difficult for traditional method to realize the effective control of thefiltering because multiplicative noise can cause channel deviation in the remote wireless communication. In order to solve thisproblem，a control method of the communication signal deviation in multiplicative noise interference based on narrow?band im?pedance matching is proposed to design the hardware system of the controller. A multiplicative noise interference filtering algo?rithm based on narrow?band impedance matching remote communication signal was designed. Based on this algorithm，a hard?ware circuit was designed for the communication signal deviation controller system. The read and write program in each chip isconnected on EPM7128AETI100 to obtain the three kinds of communication signal deviation reset mode. MAX7000AE is used torealize hardware interface design. The nonlinear distortion is compensated by using the segmentation fitting mode. With theabove mentioned methods，the design of the multiplicative noise interference filter and signal deviation controller was realized.The experimental results show that the system can effectively filter the multiplicative noise pollution in communication signal，compensate the distortion of the received signal and its spectrum，improve the quality of communication，and enhance the stabilityand reliability of remote wireless communication.
Keywords：multiplicative noise；noise interference；communication signal；deviation control；system design
0 引言
远程无线通信包括移动通信和卫星通信两大类[1?3]，远程无线通信是通过地球上（包括地面和低层大气中）的通信地球站系统进行通信业务控制，利用卫星作为中继实现数据信息的传输和信号传递。远程无线通信由卫星和地球站两部分组成。作为中继站的微信通过地面监控管理分系统实现两个或多个地球站之间的通信。远程无线通信的特点是通信范围大、自组网性能强和可靠性高等特点受到保密通信和军事通信领域的青睐。在远程无线通信中，同一信道的信号可能来自不同方向或不同区间，由于信道自检的码间干扰产生乘性噪声污染，影响信道均衡，需要进行通信信号的偏差控制设计，以实现有效的滤波控制，提高远程无线通信的稳定性和可靠性；因此，研究远程无线通信在乘性噪声干扰下的通信信号偏差抑制算法和控制系统设计具有重要意义[4?6]。
1 问题描述
远程无线通信统由卫星和地球站两部分组成。而实现两个或多个地球站之间的通信。远程无线通信通过经过每跨距约为46 km 的54 次接力转接，在不同方向或不同区间进行混合MIMO 估计，能经济地实现广播和多址通信（多址特点），远程无线通信模型构建如图1所示。
图1 远程无线通信模型构建
传感器节点会辐射出高强度的脉冲信号，产生乘性噪声干扰，需要对乘性噪声进行准确估计，并进行信道模型设计，以实现异步远程无线卫星和网络通信的信道均衡，降低丢包率。通过上述分析，构建远程无线通信的乘性噪声干扰模型，假设在乘性噪声干扰下同步卫星通信单频脉冲信号为： 
式中A 为通信信号的频谱调制幅度。f0 为初始系统通信频率，受各个子信道载波的干扰下，远程无线通信的多径信道的脉冲响应为： 
式中：接收基阵i 在通信信道中的单分量信号Pri (t) 的时反信号为Pri (-t) ，把Sri (t) 与Pri (-t) 进行盲分离运算，利用Gabor的平均测度，构建自适应滤波器，得到乘性噪声干扰下的滤波检测统计量为： 
式中：S0 表示存在噪声干扰；S1 表示相对应的瞬时谱；n 为噪声。通过上述分析，得到乘性噪声干扰模型，为下一步进行通信信号偏差控制器设计提供算法基础。
2 控制器设计与实现
2.1 乘性噪声干扰下的通信信号动态增益控制在滤波抑制的基础上，采用宽频带大功率基阵中的远程通信信号进行偏差控制器设计。传统方法难以实现有效的滤波控制，乘性噪声在远程无线通信中导致信道偏差，对乘性噪声干扰下的通信信号进行偏差控制器设计，提高通信抗干扰和信道均衡能力。提出一种基于窄带阻抗匹配的乘性噪声干扰下的通信信号偏差增益控制方法，并进行控制器的硬件系统设计。
控制器设计包括收/发转换电路设计、模拟信号的预处理机设计和偏差控制的逻辑电路设计等。设计成两级程控增益的形式，它们与A/D 转换器、D/A 转换器共同作用。模拟信号预处理机有较大的调整放大倍数，输出信号的范围在±10 V 之间，选择了Maxim 公司的5 阶开关滤波器进行乘性噪声抗干扰设计，有公式：
（4）
式中fCLKIN 是通信系统的晶振频率。信号处理系统中数据传输受到干扰产生信号偏差，选用PCI总线与DSP进行通信信号的偏差控制，总线主控是让任何一个具有处理能力的微处理器与总线主控，得到乘性噪声干扰下的通信信号动态增益控制接口连线图如图2所示。
图2 乘性噪声干扰下的通信信号动态增益控制接口连线图图2中，PCI9054 和PCI 插槽间的连接信号线与乘性噪声干扰下的通信信号的W/R读/写信号进行谐调处理地址总线LA[16：1]、数据总线LD[15：0]；采用Altera公司新推出的集成度高的MAX7000AE 系列器件实现硬件接口设计。在无线通信中，由于各级芯片的级联产生乘性干扰，导致码流失真，需要消除直流偏置，在各级芯片的级联之间添加级联滤波器，进行无源高通滤波。无源高通滤波器结构如图3所示。
图3 中，系统外部输入电压±12 V ，将TRF7960 的I/O_0～I/O_7作为并口输入/输出端，电源输入由模拟信号进行调制，设置了隔直通交的RC 滤波电路，采用OFDM 进行信号强度调制/直接检测，实现乘性噪声干扰下的通信信号动态增益控制。
图3 无源高通滤波器结构
2.2 通信信号偏差控制器集成实现通过串口、VXI 总线、CAN 总线进行级联通信，在上述进行乘性噪声干扰抑制的基础上，根据设计需求，选用PCI总线与DSP联合编程进行乘性噪声干扰下的通信信号偏差控制器集成实现。本系统A/D转换器的分辨率是12位的，无线远程通信的天线线圈的电感计算公式为：
式中：n 为输出波形的幅度；a 为IIR的差分系数；b 为矩形天线的宽。控制器的磁感应强度为：
式中：x 为远程通信信号在有限精度下距离天线的线性相位偏差；μ为磁场常数，且μ = 4π × 10-7 H/m ；I 为滤波值。根据上述通信信号偏差控制设计，在EPM7128AE?TI100上连入各芯片的读/写程序，得到3种通信信号偏差复位方式：
（1）上电通信信号偏差复位；
（2）看门狗通信信号偏差复位；
（3）供电电压过低通信信号偏差复位。
通过偏差控制，使DSP系统重新复位，恢复正常工作，McBSP 提供了全双工的通信机制，CPU 与DAM 控制器读取/写入DRR，进行通信信号偏差控制，通过（R/X）DATDLY 设置接收和发送数据延迟。通过电路设计，得到最后设计的乘性噪声干扰下的通信信号偏差控制器的电路设计如图4所示。
3 系统测试仿真实验
为了测试本文设计的噪声干扰算法和通信信号偏差控制器在改善远程无线通信质量中的性能，进行仿真实验。远程无线通信接收与发射换能器均位于移动通信基站10 m，收发端距离为3.7 km。控制器系统引入大量的外部输入/输出信号，都通过CPLD 中转，乘性噪声的输入信噪比为-15.5 dB，运用WIN32 API函数Cre?ateFile（）函数打开PCI设备，CVI从左端口相应地址不断查询噪声数据，进行通信信号的偏差控制，人为地控制系统硬件和设定参数，进行通信信道调制和码元误码率检测，测试本系统的性能，得到乘性噪声干扰下的入射通信信号频谱如图5所示。
图4 乘性噪声干扰下的通信信号偏差控制器的电路设计从图5可见，原始无线远程通信的发射信号含有大量的乘性噪声干扰，难以有效进行信息传输和通信；采用本文控制器设计，在软件上进行带通补偿，实现乘性噪声干扰的抑制和信号偏差控制，得到输出见图6。
图5 乘性噪声干扰下的入射通信信号频谱
图6 乘性噪声干扰的抑制和信号偏差控制后的接收通信信号频谱
从图6可见，采用本文方法进行通信信号偏差控制和干扰抑制，滤除了乘性噪声干扰，接收信号及其频谱的畸变得到有效补偿，提高通信性能，有效地降低了通信误码率。
4 结语
本文提出一种基于窄带阻抗匹配的乘性噪声干扰下的通信信号偏差控制算法。首先设计了基于窄带阻抗匹配远程通信信号的乘性噪声干扰滤波算法，在滤波抑制的基础上，进行远程通信信号偏差控制器设计，控制器设计包括了收/发转换电路设计和模拟信号的预处理机设计以及偏差控制的逻辑电路设计等，采用Altera公司新推出的集成度高的MAX7000AE系列器件实现硬件接口设计；最后完成乘性噪声干扰下通信信号偏差控制器设计和系统调试。实验结果表明，采用该方法具有较好的通信信号偏差控制性能，滤除了乘性噪声干扰，接收信号及其频谱的畸变得到有效补偿，改善通信质量。
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作者简介：孙梅（1971—），女，吉林四平人，副教授，研究生。研究方向为信号检测或控制系统的校正。