低頻時碼

中國科學院國家授時中心與西安高華電氣實業(yè)有限公司合作，開發(fā)低頻時碼電波授時新技術，致力推動中國電波鐘技術發(fā)展，推出具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的電波鐘表，使中國成為世界上繼德國、美國、英國、日本之后第五個實現(xiàn)長波授時技術民用化的國家。并于2007年7月，在中國河南商丘建成的新電波塔已經(jīng)開始發(fā)送電波。

電波鐘表將傳統(tǒng)鐘表技術與現(xiàn)代時頻技術、微電子技術、通訊技術、計算機技術等多項技術相結(jié)合，通過接收國家授時中心以無線電長波傳送的標準時間信號，經(jīng)過內(nèi)置微處理器解碼處理后，自動校準計時器走時，使電波鐘表顯示的時間與國家保持的標準時間自動保持精確同步。

市場上低頻時碼電波表有兩種，一種不能接收中國授時電波，即所謂的五局電波表，一種可以接收中國授時電波，即所謂的六局電波表。

一種低頻時碼信號場強儀，它括低頻時碼接收電路和用于對整機進行控制的控制電路，低頻時碼接收電路的輸出端接控制電路。本實用新型采用單頻接收，液晶顯示，能自動記錄長時間測量的數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)，具有帶寬窄、能耗低、抗干擾能力強、測量精度高、重量輕、操作靈活簡便等優(yōu)點，避免了指針儀表帶來的人為誤差和讀數(shù)的麻煩。

?軍隊綜合信息系統(tǒng)、指揮系統(tǒng)等，該技術十分適用。在國際上，繼德國成功開發(fā)和廣泛應用該技術以后，美國和日本也重新重視低頻時碼技術。美國政府制訂了三階段的升級改造計劃，將原WWVB電臺的設備更新，輻射功率從13KW增至25KW，又增至50KW。日本則廢掉原JG2AS電臺，重新又購置美國設備在東京東北和九州地區(qū)新建兩個大功率臺，其中的九州臺的方向性圖明顯針對中國。國際電信聯(lián)盟最新建議書也表明，低頻時碼相關技術研究和發(fā)展，在3~5年內(nèi)將是各國研究的熱點。

國家授時中心從1993年起開始跟蹤此項技術。經(jīng)過多年的努力，和企業(yè)合作開展的"低頻授時擴展及應用產(chǎn)業(yè)

化"項目取得了決定性進展，在授時中心建成了可實用的試驗臺已成功發(fā)播，發(fā)播呼號"BPC"，經(jīng)國家無委批準使用頻率為68.5KHz。系統(tǒng)化的研究工作取得了重要突破。研究的編解碼方式，效率是國外同類信號的三倍。相位控制技術解決頻譜利用問題有重要創(chuàng)新。協(xié)作企業(yè)研制成功大功率全固態(tài)長波發(fā)射機，主要合作企業(yè)主導產(chǎn)品列入2002年科技部星火計劃，多個產(chǎn)品通過成果鑒定，并申請專利多項，形成一批自主知識產(chǎn)權(quán)。2003年，成功地與企業(yè)合作推出了國內(nèi)第一款中國制式電波鐘表，在國內(nèi)鐘表業(yè)界引起巨大反響，并為國內(nèi)諸多媒體爭相報道，并使"原子時表"進入尋常百姓家庭不再是夢想。產(chǎn)業(yè)化計劃進展良好，產(chǎn)品開始陸續(xù)推向市場。試驗臺已成為國家授時體系的重要擴展和補充，開始發(fā)揮其效用。

截至到2013年全球共有6座正式投入使用的低頻時碼授時臺，分別是英國 Anthorn(60.0kHz)、德國 Mainflingen(77.5kHz)，中國 商丘(68.5kHz)，美國 科羅拉多州 Fort Collins(60.0kHz)，日本 福島(40.0kHz)，日本 福岡/佐賀(60.0kHz)。

圖中所示范圍，虛線為地波可靠接受范圍，實線為天波可靠接收范圍。設計可接受范圍約為圖示范圍的兩倍。但受到天氣，氣象條件，電離層條件，季節(jié)變化，日出日落等變化的影響?？赡芗词乖诳煽拷邮芊秶鷥?nèi)接收授時信號失敗。亦可能接收到超過設計接受范圍之外的電波信號。如在天氣晴好無風的秋冬季凌晨，中國高緯度地區(qū)亦有一定幾率接收到德國/英國授時電波。

空時格型編碼 STTC 編譯碼的基本原理: TCM 編碼器的基本結(jié)構(gòu)在多數(shù)情況下可以看作一個有限狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移器, 最新的信息源比特流數(shù)據(jù)用來確定編碼器的從當前狀態(tài)到下一個狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移,狀態(tài)轉(zhuǎn)移的結(jié)果就是要從多個發(fā)射天線上同時發(fā)射出去的一個空時矢量符 STS . STS 的組成符號從原理上可以選擇任何星座圖, 如 QPSK , 8-PSK , 16QAM 等 .

空時格型編碼 STTC( Space-Time Trellis Coding) 最初由 V .Tarokh 等人提出,它是由 Ungerboeck 提出的格型編碼調(diào)制 TCM(Trellis Coded Modulation) 的推廣. 一個空時格型碼的例子, 它是兩天線的 8-PSK 的 8 態(tài)的空時編碼 ,可以看到它與 TCM 編碼很相像, 只不過每一個狀態(tài)轉(zhuǎn)移結(jié)果的空時矢量符 STS ,代表同一時刻分別從兩個天線發(fā)射出去的符號 .

空時編碼可以根據(jù)編碼增益和分集增僧準則設計出來, 只是好碼字的搜索設計非常麻煩, V . Tarokh 給出的幾種空時碼都呆以達到滿分集增益( 滿分集增益等于發(fā)射天線數(shù)乘接收天線數(shù)) , 但它們的編碼增佃沒有達到最大 ,其他學者也提出了一些新的空時格型編碼 . 空時格型編碼的設計其實是在接收端已知信道信息條件下最大化任意兩個碼字矩陣之間的歐氏距離,可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸速率、分集增益和格型復雜度及譯碼復雜度的最佳折中, 所以在 3 種空時編碼方案中 ,它的性能是最佳的 ,但是目前因為其譯碼復雜度而影響了它的應用, 空時分組編碼就是基于此考慮所提出的 ,目前以其較低的編 、譯碼復雜度得到了廣泛認同 ?.

作為一種新的通信信號處理技術和方法 ,自從空時編碼提出以來 ,全球無線通信領域內(nèi)掀起了研究空時編碼的熱潮,除了對如何構(gòu)造空時編碼和空時編碼與其他信道編碼方式如 Turbo 碼相結(jié)合方面的研究外,許多和工程應用緊密聯(lián)系的研究方向正在形式 ?.

當前雖然關于空時編碼的構(gòu)造和應用有了一些成果, 但是這些理論大多假設信道是準靜態(tài)、平衰落的,各衰落路徑也是假設是相互獨立的 ,而實際信道為頻率選擇性衰落、快變化以至各衰落路徑有可能相關 ,所以為了推動空時編碼技術的實用性 ,有必要對空時編碼在信道為頻率選擇性衰落 、快變化以至各衰落路徑相關的情況下的性能以及相應的改進措施進行理論和實踐研究. 同時, 如何將空時編碼和第三代移動通訊的標準相結(jié)合, 研究在CDMA ,WCDMA 環(huán)境下空時編碼技術的性能以及和其他技術如多用戶檢測技術的結(jié)合目前也吸引了不少的研究人員進行研究,如空時編碼和OFDM 等通訊技術的結(jié)合, 使其適用于寬帶無線通訊系統(tǒng) .

另外 ,如何將空時編碼和陣列信號處理技術如波束形成技術( Beamforming)和干擾抵消技術( Interference Cancellation) 有機地結(jié)合起來,充分發(fā)揮二者的優(yōu)點, 進一步提高其性能 , 提高它的實用性 ,是當前研究的另一個熱點和方向; 由于二者均是多個陣元天線系統(tǒng)的重要而有效的信號處理技術 ,所以它們的結(jié)合應用就具有的應用基礎 ,最先提出和研究空時編碼技術的研究人員也正在進行這方面的研究和探索工作,但是此項工作剛剛開始, 具有很大的理論和實際研究價值. 當然 ,有關在接收端和發(fā)射端均得不到信道信息的差分空時編碼方面的研究對于空時編碼在未來移動蜂窩系統(tǒng)中的應用也是很有意義的 ?.

1 空時分組碼

正交空時分組編碼( OSTBC) 的原理框圖如圖 2 所示. 正交空時分組編碼( OSTBC) 包括兩大類: ⑴空時發(fā)射分集( STTD),最初上 Alamouti 于 1998 年以兩個發(fā)射天線的簡單發(fā)射分集技術為例提出,其基本思想類似于接收分集中的最大比接收合并 MRRC ; 然后經(jīng) V . Tarokh 等人于 1999 年利用正交化設計思想推廣到多天線情況,稱為空時分組編碼. 數(shù)據(jù)經(jīng)過空時編碼后,編碼數(shù)據(jù)分為多個支路數(shù)據(jù)流 ,分別經(jīng)過多個發(fā)射天線同時發(fā)射出去; 接收端的最大似然譯碼可以通過把不同天線發(fā)射的數(shù)據(jù)解偶來得到更簡單的實現(xiàn)形式, 利用的是空時碼字矩陣的正交性從而得到基于線性處理的最大似然譯碼算法 . ⑵正交發(fā)射分集( OTD), 由Motorola 做為 cdma2000 3G CDMA 的標準提出 . 這兩種方法都具有不擴展信號帶寬的優(yōu)點 ,即可以不同犧牲頻譜效率 ; 并且解碼可以由線性運算按照最大似然算法給出 , 優(yōu)于標準的 Viterbi 譯碼, 接收機可以比較簡單,但是它們也不能夠提供編碼增益. 其中關鍵部分"分組映射器"和"分組解旋轉(zhuǎn)器"的基本原理在下節(jié)中詳細介紹 ?.

2 空時分組碼的構(gòu)造問題

通常 ,如果在 p 個時隙周期內(nèi) ,有 k 個符號被發(fā)送出去 ,則定義編碼比率為 R =k/ p . 對兩個天線的復信號的情況 ,共編碼比率為 1 .這里的編碼矩陣的行代表發(fā)射天線的空間維 ,列代表時間維的各個發(fā)射時隙或符號周期 . 空時分組編碼的構(gòu)造問題其實就是碼字矩陣的正交性設計 ,各陣元所發(fā)射的信號在一幀內(nèi)互相正交, 即碼字矩陣的行正交. 類似地 ,從空時正交性這個基本關鍵點出發(fā), 也可以設計出其他多個發(fā)射天線的空時分組碼,它們所提供的分集增僧和通常的發(fā)射天線個數(shù)乘以接收天線個數(shù)的接收最大比合并具有相同的信噪比, 即具有相同的分集增益 .

3 譯碼算法

對任何空時分組碼,用最大似然解碼算法都可以在接收機處通過線性處理來實現(xiàn) , 這就意味著, 接收機的結(jié)構(gòu)可以很簡單, 而這一點在實際應用中對移動用戶的接收機設計很在意義 ?.

類似地,其他空時分組碼的譯碼器同樣可以推導得出, 對各個符號的檢測判斷可以相互獨立地通過線性運算得出 ,其實上面的最大似然檢測是一種相干檢測方法, 這種相干檢測方案可以使空時編碼的譯碼性能獲得所能達到的最佳性能 .