江苏省扬州技师学院 225003
【文章摘要】
在数字信号调制方式中, 正交相移键控QPSK 是最常用的一种信号调制方式, 它具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰性、在电路上实现也较为简单。而正交频分复用OFDM 是一种无线环境下的高速传输技术， 为多载波调制方式。本文介绍了基于QPSK 调制的多频带时频信号分析研究的方法。其方法在MATLAB 仿真平台的基础上，首先产生二进制源信号，然后再进行QPSK 调制，对已调信号通过OFDM 调制，得到UWB 信号，最后对该信号进行时频信号分析。
【关键词】
正交相移键控QPSK ；正交频分复用OFDM ；UWB 信号；MATLAB 仿真
1 多频带时频信号系统分析
1.1 UMB 技术的简介
近年来，超宽带（UWB）技术在无线通信领域的应用引起了人们广泛的关注。相对于传统的窄带无线通信系统，UWB 无线通信系统具有高空间频谱效率、高测距精度、低载获概率、抗多径衰落、不干扰现有通信系统、低功耗、低成本等诸多优点和潜力。这些优点使UWB 通信成为中短距离无线网络理想的传输/ 接入技术之一。然而，为了解决在密集多径环境中提供高数据率、多用户同时通信以及与窄带通信系统共存等问题，UWB 无线网络系统仍有大量的课题有待研究分析，尤其在其传输技术方面。就UWB 传输技术方案而言，目前存在两大主流：一是多带正交频分复用（MB-OFDM）技术方案；二是直接序列码分多址（DS-CDMA）技术方案。但是在高速无线数据传输方面，OFDM 技术方案具有一定的优势，并获得越来越多的支持，也是本文研究的重点。
1.2 OFDM 的基本原理
正交频分复用OFDM(OrthogonalFreq uencyDivisionMultiplex) 是一种无线环境下的高速传输技术，为多载波调制方式。通过减小和消除码间串扰的影响来克服信道的频率选择性衰落。它的基本原理是在频域内将所给信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，且各个子载波并行传输。OFDM 特别适合于存在多径传播和多普勒频移的无线移动信道中传输高速数据。能有效对抗多径效应，消除干扰，对抗频率选择性衰落，信道利用率高。由于子载波的频谱相互重叠，因而可以得到较高的频谱效率。近几年OFDM 在无线通信领域得到了广泛的应用。
OFDM 具体的实现方式为：在发射端，首先对比特流进行QPSK 调制，然后依次经过串并变换和IFFT 变换，再将并行数据转化为串行数据，加上保护间隔（又称“循环前缀”），形成OFDM 码元。在组帧时，须加入同步序列和信道估计序列， 以便接收端进行突发检测、同步和信道估计，最后输出正交的基带信号，其核心技术便在于发射端的QPSK 调制技术。
1.3 QPSK 的基本原理
四相绝对相移键控可简记为4PSK 或QPSK。根据QPSK 调制的概念，在一个四进制码元周期TB 内，QPSK 有四种可能信号形式。表示为：
图1 QPSK 调制框图
图2 QPSK 调制后I 和Q 部分的波形
图3 QPSK 调制后的信号波形004
载波振幅为1，载波频率fc 是码元传输速率RB 的整数倍。QPSK 信号可以看成是对两个正交载波进行双边带调制后所得两路2ASK 信号的叠加，因此，功率谱取决于两路基带信号功率谱。
如图1 所示，将相邻的二进制信号同时产生载波相互正交的2PSK 信号，然后再将这两路信号相加，合成为QPSK 信号。
2 多频带超宽带系统的仿真与分析
2.1 QPSK 调制的仿真与分析
参数设置为：时间t 为一秒，采样点数为500，载波频率为30Hz，仿真波形如图2 所示：
从图中可以看出：调制后QPSK 信号分为两个部分：实部和虚部，输入的二进制源信号为（1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1），根据前面的QPSK 调制的原理， 当输入信号为“0 0”时，输出的波形应该是从0 处开始，输入信号为“0 1”时，输出波形应该从处开始，输入信号为“1 0” 时，输出波形应该从处开始，输入信号为“1 1”时，输出波形从处开始。根据以上原理，两个部分相加后的QPSK 信号如图3 所示：
2.2 整体系统的仿真与分析
多频带超宽带系统仿真时域波形如图4 所示：
中心频率（fp）为1GHz ；抽样频率（fc）为50GHz ；信息长度（T0）为242.4ns ；循环前缀（TP）为60.6ns ；保护间隔（TG）为70.1ns ；矩形脉冲响应振幅（A）为1 ；子载波数（N）为128。具体的符号模型如图5 所示：
中心频率（fp）为3.432GHz ；抽样频率（fc）为50GHz ；信息长度（T0）为242.4ns ； 循环前缀（TP）为60.6ns ；保护间隔（TG） 为70.1ns ；矩形脉冲响应振幅（A）为1 ；子载波数（N）为128。频谱图如图6 所示：
中心频率（fp）为3.432GHz; 抽样频率（fc）为50GHz; 信息长度(T0) 为242.4ns; 循环前缀（TP）为60.6ns; 保护间隔（TG）为70.1ns; 矩形脉冲响应振幅(A) 为1; 子载波数（N）为128。频谱图如图7 所示：
中心频率（fp）为1GHz; 抽样频率（fc）为50GHz; 信息长度(T0) 为100ns; 循环前缀（TP）为0ns; 保护间隔（TG）为50ns; 矩形脉冲响应振幅(A) 为1; 子载波数（N）为64。
频谱图如图8 所示：
中心频率（fp）为1GHz; 抽样频率（fc）为50GHz; 信息长度(T0) 为100ns; 循环前缀（TP）为0ns; 保护间隔（TG）为50ns; 矩形脉冲响应振幅(A) 为1; 子载波数（N）为32。
频谱图如图9 所示：
从以上时域和频域的波形来看，在时域上各子信道之间互相正交，在频域上各子信道之间互相重叠。随着子载波数的增加，并没有影响到信号的传输，可见抗多径干扰和频率选择性衰落能力强，大大提
图4 多频带超宽带系统的时域波形
图5 一个OFDM 符号
图6 多频带超宽带系统的频谱图
图7 多频带超宽带系统的频谱图005
高了传输速率。
3 总结
多频带正交超宽带技术是UWB 技术的一种技术实现方案。与传统的脉冲UWB 系统相比，具有系统容量大、抗多径干扰能力强、信道利用率高等优点。该系统通过插入循环前缀，可以有效降低ISI 和ICI，解决系统中时间和载波同步问题。通过增加子载波数（即带宽），达到在相同时间里的更多符号的传输。
【参考文献】
[1] 李志农. 浅析超宽带无线电技术[J]. 中国无线电学报,2007,(01).
[2] 葛利嘉, 朱林, 等译. 超宽带无线电基础[M]. 北京: 电子工业出版社,2005.
[3]Benedetto G M,Giancola G.Understanding Ultra wide Band Radio Fundamentals. Prentice Hall PTR,2004:26-72.
[4] 王晓英, 荣思远. 一种多载波OFDM-UWB 无线通信系统[J]. 电视技术学报，2006,(07).
[5] 李海涛, 邓樱.《MATLAB 程序设计教程》[M]. 北京：高等教育出版社， 2002.
图8 多频带超宽带系统的频谱图
图9 多频带超宽带系统的频谱图
》 接014 页
性、智能化分析等问题，亟需技术突破。
一是特殊地区对无人机安全飞行构成威胁。如山区等地形对无人机巡检系统通讯存在影响；高海拔环境会导致无人机有效荷载和续航时间明显降低；山谷、垭口等微气象区的突发切向风等影响无人机安全飞行。
二是无人机安全飞行保障技术尚未完全成熟，可能危及设备安全或造成次生灾害。如无人机近距观测时，与设备及障碍物距离控制不当，可能导致碰线（目前巡检一般保持在50 米左右, 难以做到精确巡检）；燃油动力无人机发生飞行事故时，可能引发火灾等。
三是缺陷精细化诊断技术不成熟。目前依靠人为识别发现缺陷，缺少目标探测及属性判定、海量信息融合、自动化批处理技术，导致缺陷判定效率低、主观性强，可能出现漏判或误判。
四是目前电力巡线用大型固定翼无人机尚属空白，大型无人直升机还处于科研阶段，应用尚未定型；中、小型无人机续航时间及荷载与巡检任务要求不完全匹配。
（3）缺乏安全可靠的无人机、整个解决方案供应商
线路巡检（国网）需要安全、可靠的无人机巡检系统，但目前较少符合要求的设备，亟需国内外研究单位和厂家详细了解电力巡检需求，尽快研发经济适用、专业化的电力线路巡检无人机。
目前无人机离得太远、运行时间不够长、对线距离无法控制、成本较高、安全性保障措施缺乏，亟需无人机单位和系统内单位建立合作共赢的关系，建立开放的攻坚平台，广罗国内力量，推进无人机电力巡线的发展。
（4）直升机/ 无人机巡检应用管理体系有待完善
一是直升机巡检作业管理规范、技术和作业标准、巡检作业质量考核、应急管理体系等仍需完善，应急基础设施建设有待加强。
二是无人机巡检管理规范、技术和作业标准等还处于根据不同机型分散制定和试行阶段，尚未统一；无人机巡检飞行、日常维修保养、班组建设和人员培训等尚未实现规范化管理；缺乏无人机巡检系统入网检测规范、标准和手段。
三是直升机/ 无人机统筹调度、指挥体系尚未建立，资源未得到充分利用。
（5）对无人机空域使用和适航认证的认识不足
部分单位在无人机巡检应用中未严格执行《民用无人机空中交通管理办法》，欠缺履行空域申请经验，存在擅自放飞和使用民航通讯频率等现象，对公司系统无人机巡检业务开展带来不利影响。
目前电力巡线用无人机国家层面的行业管理尚不规范，民航局也没有无人机的适航认证相关政策出台。按照民航法规与国际接轨的惯例，仿照美国联邦航空局（FAA）对无人机视同有人直升机的适航管理要求，对无人机尤其是中大型无人机的设计、制造、维修和改装等的认证会更加严格，未来存在适航认证风险，应引起高度重视。
总之，随着电网企业在无人机领域的深入发展以及应用技术的不断创新，未来线路无人机巡检将更加规范，应用更加深入，面临的问题也将逐步解决。
6 输电线路巡检无人机发展及展望
线路无人机巡检具有需求迫切、发展迅速、政策利好、技术壁垒高、系统性强、无行业寡头、无行业垄断等特点，为线路巡检提供了自动、智能、高效的技术手段，有潜力革新线路巡检技术，形成线路巡检新格局，是线路智能化巡检潮流和新的增长点。
随着无人机巡检技术的创新和应用的推进，无人机巡检将作为常态化手段逐步实现管理的精细化，各单位、供应商、服务商分工将更加明确，分析手段将逐步完善，并形成从前端硬件到中间服务到后端软件的全产业链，最终形成从作业任务到分析报告的全过程。
【参考文献】
[1] 叶志航. 小型无人机快速原型仿真技术研究[D]. 南京航空航天大学,2012.
[2] 尚何章. 小型无人机飞行控制系统硬件设计与实现[D]. 南京航空航天大学,2012.
[3] 秦博, 王蕾. 无人机发展综述[J]. 飞航导弹,2002,08:4-10.006
85597153
