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摘 要 总结了当前飞行试验遥测的问题和今后面临的挑战，分析了OFDM技术的原理，通过与单载波遥测技术相对比，指出OFDM技术的优势，尤其在抗多径效应方面效果突出，并且指出了设计基于OFDM飞行试验遥测系统的关键因素。
关键词 单载波；正交频分复用；集成增强遥测网络；符号间干扰；载波间干扰
中图分类号：TN919 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）11-0000-00
飞行试验是航空器及其装备在投入实际使用之前所必须进行的验证过程，是在真实的环境下检验试验对象的性能的试验，因此具有高风险，高科技等特点，国家为此投入了大量的人力物力，世界各国都为此付出过巨大的牺牲，所以飞行试验的安全问题受到高度重视。
飞行试验的安全除了产品本身性能的因素外，最重要的就是遥测监控，通过遥测通信将飞行试验的重要参数传递到监控画面，真实反映实验对象的工作状态，这样，专业人员就可以通过实时查看、分析数据，给飞行员及时的反馈信息，处理空中遇到的意外情况，保证飞行安全。
遥测通信系统属于无线通信，而无线通信信道的突出特点之一是信道存在多径时延扩展，当信道的速率较高，信号带宽超过无线信道的相干带宽时，信号通过无线信道后，各频率分量的变化是不一样的，引起信号波形失真，造成符号间干扰（ISI）产生频率选择性衰落。对一定的时延扩展，数据速率越高，需要信道自适应均衡器的抽头数越多，成本和复杂度越高，以致难以实现。
随着我国航空事业的发展，在进行飞行试验的项目非常多，遥测资源紧张，已经不能满足多架飞机遥测监控的需求，而且一条通信链路的数据量成倍增长，符号间干扰和信道间干扰更加严重，严重影响到飞行试验事业的发展。OFDM（正交频分复用）技术以其很高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，提出了一种高速，高效，且安全的数据传输解决方案，越来越受到行业的重视，已被国际遥测协会采用，作为下一代iNet（集成增强遥测网络）计划的技术方案之一，预计将成为以后遥测通信技术的主流。
1 当前飞行试验遥测面临的问题
我国的飞行试验从50年代开始，遥测技术发展进步很快，采用的遥测通信技术主要是单载波遥测技术。在参试飞机少、数据量不大的情况下，单载波遥测还可以满足要求。但是，随着任务量增多，实验对象趋于复杂，数据量剧增，单载波遥测系统的不足凸现，已经严重制约了飞行试验的发展。
首先，由于试验机空间限制，一架飞机一般只能装一套遥测系统，就只能传输一条PCM数据流，而实际的测试系统中存在多条数据流。如果要遥测多条数据流，必须把想要的流合并成一条才能遥测，而合并后必然造成位数率的增加，遥测带宽相应增长，数据不稳定，码间干扰增大，遥测信号的质量严重下降，几乎不能使用。
其次，单载波系统在实际应用中，受路径损耗、阴影衰落和小尺寸衰落的影响，很容易受到干扰，对遥测质量影响很大，数据跳点多。任何的干扰和噪声都会引起波形变化，数据突变，导致不能确定真实数据信息。随着空中实验机姿态的不同，在机载遥测天线背对接收天线时，存在严重多径干扰，数据大量丢失的情况。
再者，单载波遥测系统传输的信息容量有限，以前数据量小，10 Mbit/s左右，单载波系统还能保证传输质量。随着测试参数增多，大量视频数据遥测，数据量倍增，已经达到30 M甚至更高，这样单载波遥测系统是无法满足要求的。
当前，世界上战斗机已步入第四代，相比之前的二代机、三代机，四代机的技术更加先进，采用了AFDX，光纤通道等总线技术，矢量推力发动机也更加复杂，飞机本身隐身、超视距设计，精确制导武器等的装备，使得飞行试验测试系统的数据量成倍增加，飞行试验要求的遥测数据量随之增多，势必造成遥测带宽，频带资源趋于紧张。而且对遥测数据的准确性，实时性和安全性提出了更高的要求。电子对抗，电子干扰，模拟攻击等科目，对遥测质量，抗干扰性能产生巨大影响。加之当前国际形势不稳定，我国周边区域性安全局势不容乐观，出于国防事业的保密，安全性考虑，必需对遥测信道进行加密处理，而单载波遥测技术在这些方面都不具备优势，必须采用更新的遥测技术以满足上述要求。
2 多载波OFDM技术的原理，优点
OFDM技术于20世纪60年代提出，主要用于军事，由于系统结构复杂度高，所以一直没有发展起来，直到把离散傅里叶变换（DEF）用于多载波基带的调制和解调，省去了每个子载波的模拟前端，大大降低了多载波系统的复杂度，为OFDM的实用化奠定了理论基础，数字信号处理技术和大规模集成电路技术的发展也使OFDM开始走向实用化。
OFDM（正交频分复用）系统是一种多载波调制传输技术，多载波调制本质上是一种频分复用技术。OFDM的基本思想是将串行的数据并行地调制在多个正交的子载波上，这样可以降低每个子载波的码元速率，增大码元的符号周期，提高系统的抗衰落和抗干扰能力，同时由于每个子载波的正交性，频谱的利用率大大提高，所以非常适合衰落移动场合中的高速传输。经过分析发现，多载波传输系统的调制解调都可以利用离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT）实现，由于DFT有著名的快速算法FFT（Fast Fourier Transform），使得多载波传输系统实现起来大为简化。
OFDM 技术是多载波调制与频分复用技术的结合，其原理是把高速的数据流通过串并变换，原数据流被分为多个位数率较低的子数据流。每个子数据流用单独的载波来调制，然后再根据正交原理，只要各个载波符合正交性，各子数据流就可以在接收端无干扰的进行解调。其调制原理如图1所示。
图1 OFDM的调制原理
输入的二进制数据流经过QPSK或QAM数字调制后，进行串/并转换，分成N个并行数据流给N个子载波，在每个子载波上进行调相或调幅。然后给每个子通道数据序列中插入导频信号，经过反转快速傅里叶变换，每个子载波互相正交，插入循环前缀后进行并串转换，送到天线进行发送。循环前缀在保证子通道正交的同时，能够消除由于多通道带来的符号间干扰（ISI）和通道间干扰（ICI）。 接收的信号首先进行串并转换，去除各个通道的循环前缀，再经过快速傅里叶变换从子载波中取出信号，取出导频信息后，为确保数据连贯，必须进行信道估计和数据均衡，之后的数据经过并串转换，数字解调后输出。OFDM系统的解调原理如图2所示。
图2 OFDM的解调原理
与传统的单载波系统相比，OFDM技术具有许多优点。
首先，因为其采用多载波调制，实质上是一种频分复用技术，遥测传输的数据被分为很多个子载波，各个子载波可以看做独立通道。每个子载波在低速率调制，所以占据很小的带宽。
其次，频分复用技术把可用带宽分成若干隔离的子频带，各子频带同时分别传送一路低速信号，从而达到信号复用的目的。各子载波上的被调制数据可以来自同一信号源，也可以来自不同的信号源，减少了设备数量，提高了系统容量及灵活性。
再者，OFDM技术因为采用了正交技术，各载波在符号周期中正交，所以允许各载波频谱重叠，相比较传统的频分复用技术，频谱利用率提高许多倍。如图2所示，同样在8个子载波的情况下，OFDM系统所占用的带宽只有一般FDM系统占用带宽的一半左右。
图2 一般FDM和OFDM频带占用示意图
相对于单载波系统而言，OFDM系统天生具有抵抗多径效应的特性。
来自发射机的信号在传输过程中，由于受到各种障碍物的影响，会以不同的路径到达接收机，这样，接收机收到信号的时间、相位都不同，是多个路径传播信号的叠加。同相位时信号会增强，反相位时则信号削弱，这对接收信号的影响非常大，成为多径效应，其产生示意图如图3所示。
信号从发射机出来，直接到达接收天线的路径为r3，同时经过周围障碍物的反射到达接收天线的路径为r1+r2，两者之间的差值为（r1+r2-r3）。则延迟t=（r1+r2-r3）/c，c=3x108 m/s。由于存在路径损耗，所以假设直接到达天线的信号幅值为1，反射后到达天线的信号幅值为a。不考虑多径效应的情况下，其频谱如图4所示。
图4 无多径效应时OFDM和单载波的频谱
存在多径效应时，假设r1+r2-r3=120 m时，延迟t=120/3x108 m/s=0.4 us。这种情况下的附加频谱为2.5 MHz。两者都受到影响，其频谱如图5所示。
图5 OFDM和单载波系统受到多径效应影响的频谱
可以看到，单载波系统的频谱受到影响而变形，且难以恢复，越是位速率高的情况下，变形越严重。而OFDM多载波系统由于采用800个子载波，每个子载波只占有12.5 kHz带宽，整个频谱是各个子频谱之和，各个子载波占用带宽很少，只相当于附加频谱1/200，其效果只相当于各个子载波只受到幅值和衰减影响而没有变形，通过使用前向纠错技术很容易恢复原来的数据。
3 OFDM飞行试验遥测系统设计要素
OFDM系统的设计需要确定以下几个参数：符号周期、保护间隔、子载波数量。这些参数的选择也取决于别的一些系统特征，比如信道带宽、时延扩展、数据的位速率等。假设一个测试系统的位速率为20 Mbit/s，信道的时延扩展为200 ns，带宽小于15MHz。保护间隔一般为时延扩展的2-4倍，取4倍则为800 ns，OFDM的符号周期为保护间隔的6倍就是4.8 us。子载波间隔取4.8-0.8=4 us的倒数，即250 kHz。子载波个数要依据需要的位速率和OFDM符号速率的比值， =96 bit。此时选择16QAM和1/2的编码方法，每个子载波携带2 bit信息，需要96/2=48个子载波，250k x 48=12 MHz，小于15 MHz带宽，满足要求。
4 结束语
OFDM技术占用带宽少，信道利用率高，个子载波互相独立，提高了遥测系统容量及灵活性。并且，该技术能有效对抗频率选择性衰落，消除ISI。并且在频带利用率、自适应地改变高效宽调制方式、增加传输带宽等诸多方面具有巨大优势，已被国际遥测协会作为下一代遥测技术的核心，必将为高速可靠遥测传输带来广阔应用。
参考文献
[1]张海滨编著.正交频分复用的基本原理与关键技术[M].国防工业出版社.
[2]汪裕民编著.OFDM关键技术与应用[M].机械工业出版社.
[3]尹长川，罗涛编著.多载波宽带无线通信技术[M].北京邮电大学出版社.
[4]周恩，张兴，等.下一代宽带无线通信OFDM技术[M].北京：北京人民出版社，1998.
[5]刘彦波.OFDM技术的研究与仿真[J].燕山大学，2009.
[6]李引凡.OFDM技术原理及其应用[J].网络通信.
关键词 单载波；正交频分复用；集成增强遥测网络；符号间干扰；载波间干扰
中图分类号：TN919 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）11-0000-00
飞行试验是航空器及其装备在投入实际使用之前所必须进行的验证过程，是在真实的环境下检验试验对象的性能的试验，因此具有高风险，高科技等特点，国家为此投入了大量的人力物力，世界各国都为此付出过巨大的牺牲，所以飞行试验的安全问题受到高度重视。
飞行试验的安全除了产品本身性能的因素外，最重要的就是遥测监控，通过遥测通信将飞行试验的重要参数传递到监控画面，真实反映实验对象的工作状态，这样，专业人员就可以通过实时查看、分析数据，给飞行员及时的反馈信息，处理空中遇到的意外情况，保证飞行安全。
遥测通信系统属于无线通信，而无线通信信道的突出特点之一是信道存在多径时延扩展，当信道的速率较高，信号带宽超过无线信道的相干带宽时，信号通过无线信道后，各频率分量的变化是不一样的，引起信号波形失真，造成符号间干扰（ISI）产生频率选择性衰落。对一定的时延扩展，数据速率越高，需要信道自适应均衡器的抽头数越多，成本和复杂度越高，以致难以实现。
随着我国航空事业的发展，在进行飞行试验的项目非常多，遥测资源紧张，已经不能满足多架飞机遥测监控的需求，而且一条通信链路的数据量成倍增长，符号间干扰和信道间干扰更加严重，严重影响到飞行试验事业的发展。OFDM（正交频分复用）技术以其很高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，提出了一种高速，高效，且安全的数据传输解决方案，越来越受到行业的重视，已被国际遥测协会采用，作为下一代iNet（集成增强遥测网络）计划的技术方案之一，预计将成为以后遥测通信技术的主流。
1 当前飞行试验遥测面临的问题
我国的飞行试验从50年代开始，遥测技术发展进步很快，采用的遥测通信技术主要是单载波遥测技术。在参试飞机少、数据量不大的情况下，单载波遥测还可以满足要求。但是，随着任务量增多，实验对象趋于复杂，数据量剧增，单载波遥测系统的不足凸现，已经严重制约了飞行试验的发展。
首先，由于试验机空间限制，一架飞机一般只能装一套遥测系统，就只能传输一条PCM数据流，而实际的测试系统中存在多条数据流。如果要遥测多条数据流，必须把想要的流合并成一条才能遥测，而合并后必然造成位数率的增加，遥测带宽相应增长，数据不稳定，码间干扰增大，遥测信号的质量严重下降，几乎不能使用。
其次，单载波系统在实际应用中，受路径损耗、阴影衰落和小尺寸衰落的影响，很容易受到干扰，对遥测质量影响很大，数据跳点多。任何的干扰和噪声都会引起波形变化，数据突变，导致不能确定真实数据信息。随着空中实验机姿态的不同，在机载遥测天线背对接收天线时，存在严重多径干扰，数据大量丢失的情况。
再者，单载波遥测系统传输的信息容量有限，以前数据量小，10 Mbit/s左右，单载波系统还能保证传输质量。随着测试参数增多，大量视频数据遥测，数据量倍增，已经达到30 M甚至更高，这样单载波遥测系统是无法满足要求的。
当前，世界上战斗机已步入第四代，相比之前的二代机、三代机，四代机的技术更加先进，采用了AFDX，光纤通道等总线技术，矢量推力发动机也更加复杂，飞机本身隐身、超视距设计，精确制导武器等的装备，使得飞行试验测试系统的数据量成倍增加，飞行试验要求的遥测数据量随之增多，势必造成遥测带宽，频带资源趋于紧张。而且对遥测数据的准确性，实时性和安全性提出了更高的要求。电子对抗，电子干扰，模拟攻击等科目，对遥测质量，抗干扰性能产生巨大影响。加之当前国际形势不稳定，我国周边区域性安全局势不容乐观，出于国防事业的保密，安全性考虑，必需对遥测信道进行加密处理，而单载波遥测技术在这些方面都不具备优势，必须采用更新的遥测技术以满足上述要求。
2 多载波OFDM技术的原理，优点
OFDM技术于20世纪60年代提出，主要用于军事，由于系统结构复杂度高，所以一直没有发展起来，直到把离散傅里叶变换（DEF）用于多载波基带的调制和解调，省去了每个子载波的模拟前端，大大降低了多载波系统的复杂度，为OFDM的实用化奠定了理论基础，数字信号处理技术和大规模集成电路技术的发展也使OFDM开始走向实用化。
OFDM（正交频分复用）系统是一种多载波调制传输技术，多载波调制本质上是一种频分复用技术。OFDM的基本思想是将串行的数据并行地调制在多个正交的子载波上，这样可以降低每个子载波的码元速率，增大码元的符号周期，提高系统的抗衰落和抗干扰能力，同时由于每个子载波的正交性，频谱的利用率大大提高，所以非常适合衰落移动场合中的高速传输。经过分析发现，多载波传输系统的调制解调都可以利用离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT）实现，由于DFT有著名的快速算法FFT（Fast Fourier Transform），使得多载波传输系统实现起来大为简化。
OFDM 技术是多载波调制与频分复用技术的结合，其原理是把高速的数据流通过串并变换，原数据流被分为多个位数率较低的子数据流。每个子数据流用单独的载波来调制，然后再根据正交原理，只要各个载波符合正交性，各子数据流就可以在接收端无干扰的进行解调。其调制原理如图1所示。
图1 OFDM的调制原理
输入的二进制数据流经过QPSK或QAM数字调制后，进行串/并转换，分成N个并行数据流给N个子载波，在每个子载波上进行调相或调幅。然后给每个子通道数据序列中插入导频信号，经过反转快速傅里叶变换，每个子载波互相正交，插入循环前缀后进行并串转换，送到天线进行发送。循环前缀在保证子通道正交的同时，能够消除由于多通道带来的符号间干扰（ISI）和通道间干扰（ICI）。 接收的信号首先进行串并转换，去除各个通道的循环前缀，再经过快速傅里叶变换从子载波中取出信号，取出导频信息后，为确保数据连贯，必须进行信道估计和数据均衡，之后的数据经过并串转换，数字解调后输出。OFDM系统的解调原理如图2所示。
图2 OFDM的解调原理
与传统的单载波系统相比，OFDM技术具有许多优点。
首先，因为其采用多载波调制，实质上是一种频分复用技术，遥测传输的数据被分为很多个子载波，各个子载波可以看做独立通道。每个子载波在低速率调制，所以占据很小的带宽。
其次，频分复用技术把可用带宽分成若干隔离的子频带，各子频带同时分别传送一路低速信号，从而达到信号复用的目的。各子载波上的被调制数据可以来自同一信号源，也可以来自不同的信号源，减少了设备数量，提高了系统容量及灵活性。
再者，OFDM技术因为采用了正交技术，各载波在符号周期中正交，所以允许各载波频谱重叠，相比较传统的频分复用技术，频谱利用率提高许多倍。如图2所示，同样在8个子载波的情况下，OFDM系统所占用的带宽只有一般FDM系统占用带宽的一半左右。
图2 一般FDM和OFDM频带占用示意图
相对于单载波系统而言，OFDM系统天生具有抵抗多径效应的特性。
来自发射机的信号在传输过程中，由于受到各种障碍物的影响，会以不同的路径到达接收机，这样，接收机收到信号的时间、相位都不同，是多个路径传播信号的叠加。同相位时信号会增强，反相位时则信号削弱，这对接收信号的影响非常大，成为多径效应，其产生示意图如图3所示。
信号从发射机出来，直接到达接收天线的路径为r3，同时经过周围障碍物的反射到达接收天线的路径为r1+r2，两者之间的差值为（r1+r2-r3）。则延迟t=（r1+r2-r3）/c，c=3x108 m/s。由于存在路径损耗，所以假设直接到达天线的信号幅值为1，反射后到达天线的信号幅值为a。不考虑多径效应的情况下，其频谱如图4所示。
图4 无多径效应时OFDM和单载波的频谱
存在多径效应时，假设r1+r2-r3=120 m时，延迟t=120/3x108 m/s=0.4 us。这种情况下的附加频谱为2.5 MHz。两者都受到影响，其频谱如图5所示。
图5 OFDM和单载波系统受到多径效应影响的频谱
可以看到，单载波系统的频谱受到影响而变形，且难以恢复，越是位速率高的情况下，变形越严重。而OFDM多载波系统由于采用800个子载波，每个子载波只占有12.5 kHz带宽，整个频谱是各个子频谱之和，各个子载波占用带宽很少，只相当于附加频谱1/200，其效果只相当于各个子载波只受到幅值和衰减影响而没有变形，通过使用前向纠错技术很容易恢复原来的数据。
3 OFDM飞行试验遥测系统设计要素
OFDM系统的设计需要确定以下几个参数：符号周期、保护间隔、子载波数量。这些参数的选择也取决于别的一些系统特征，比如信道带宽、时延扩展、数据的位速率等。假设一个测试系统的位速率为20 Mbit/s，信道的时延扩展为200 ns，带宽小于15MHz。保护间隔一般为时延扩展的2-4倍，取4倍则为800 ns，OFDM的符号周期为保护间隔的6倍就是4.8 us。子载波间隔取4.8-0.8=4 us的倒数，即250 kHz。子载波个数要依据需要的位速率和OFDM符号速率的比值， =96 bit。此时选择16QAM和1/2的编码方法，每个子载波携带2 bit信息，需要96/2=48个子载波，250k x 48=12 MHz，小于15 MHz带宽，满足要求。
4 结束语
OFDM技术占用带宽少，信道利用率高，个子载波互相独立，提高了遥测系统容量及灵活性。并且，该技术能有效对抗频率选择性衰落，消除ISI。并且在频带利用率、自适应地改变高效宽调制方式、增加传输带宽等诸多方面具有巨大优势，已被国际遥测协会作为下一代遥测技术的核心，必将为高速可靠遥测传输带来广阔应用。
参考文献
[1]张海滨编著.正交频分复用的基本原理与关键技术[M].国防工业出版社.
[2]汪裕民编著.OFDM关键技术与应用[M].机械工业出版社.
[3]尹长川，罗涛编著.多载波宽带无线通信技术[M].北京邮电大学出版社.
[4]周恩，张兴，等.下一代宽带无线通信OFDM技术[M].北京：北京人民出版社，1998.
[5]刘彦波.OFDM技术的研究与仿真[J].燕山大学，2009.
[6]李引凡.OFDM技术原理及其应用[J].网络通信.