無(wú)人機(jī)測(cè)控信道衰落特性及其抑制方式

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

1 引 言

由于沒(méi)有飛行員，無(wú)人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)具有以下幾大優(yōu)點(diǎn)[1]：去除了人體生理承受極限的限制，可具有大過(guò)載與高機(jī)動(dòng)性；機(jī)體設(shè)計(jì)約束降低，體積小，重量輕，可大大減小無(wú)人機(jī)的雷達(dá)截面積(RCS)，從而提高隱身性；可替代有人機(jī)在高危區(qū)執(zhí)行任務(wù)，如密集的空中防御區(qū)域、開(kāi)放式戰(zhàn)爭(zhēng)中大范圍的偵察、自然災(zāi)害觀測(cè)或有生化武器的場(chǎng)合；降低了采購(gòu)、訓(xùn)練、外場(chǎng)使用、保障維護(hù)等方面費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)可承受性好。因而，目前各國(guó)都在積極研制或部署新型無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中將扮演著越來(lái)越重要的角色。

無(wú)人機(jī)測(cè)控是發(fā)展無(wú)人機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，如果測(cè)控失效，信息無(wú)法發(fā)給指揮控制中心，指令也無(wú)法發(fā)給無(wú)人機(jī)，人就無(wú)法在整個(gè)系統(tǒng)中發(fā)揮作用，無(wú)人機(jī)將不能為戰(zhàn)爭(zhēng)服務(wù)。對(duì)于低空飛行或工作于叢林或建筑群等復(fù)雜環(huán)境中的無(wú)人機(jī)，其測(cè)控往往面臨著強(qiáng)的多徑干擾，同時(shí)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致多普勒現(xiàn)象。這些都將嚴(yán)重影響無(wú)人機(jī)測(cè)控效果，甚至使得測(cè)控失效。所以，如何抑制信道小規(guī)模衰落是無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)必須要面臨的一個(gè)難題。

本文第二部分闡述無(wú)人測(cè)控信道模型及其衰落特性，第三部分對(duì)衰落的抑制方式進(jìn)行歸納，第四部分給出相應(yīng)結(jié)論。

2 無(wú)人機(jī)測(cè)控信道模型及衰落特性

無(wú)人機(jī)往往會(huì)面臨低空飛行或叢林、建筑群等復(fù)雜環(huán)境，且與測(cè)控平臺(tái)間多存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以無(wú)人機(jī)信道包含多徑與多普勒兩方面特性，這兩方面均通過(guò)時(shí)延引入。多徑是由多條路徑帶來(lái)的多個(gè)不同時(shí)延引入，而多普勒則是由時(shí)延的時(shí)變性引入。所以，參考無(wú)線信道模型[2]，無(wú)人機(jī)測(cè)控信道可建模為

(1)

式(1)中，若時(shí)延不可分，且無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則多徑僅僅會(huì)引起幅度衰落，而不會(huì)破壞信號(hào)的時(shí)頻域結(jié)構(gòu)，這種衰落為非頻率選擇性衰落。此時(shí)，信道模型為

(2)

若各徑的強(qiáng)度相差不大，接收信號(hào)的幅度服從瑞利分布，如下：

(3)

在式(1)中，若時(shí)延可分，則信道為時(shí)間彌散信道，當(dāng)信號(hào)帶寬大于信道相干帶寬時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生頻率選擇性衰落。若存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則信道為頻率彌散信道，若符號(hào)寬度大于信道相干時(shí)寬時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生時(shí)間選擇性衰落。信道相干帶寬與信道相干時(shí)寬的定義在下文給出。

對(duì)式(1)進(jìn)行關(guān)于τ的傅里葉變換可得信道的時(shí)頻響應(yīng)為

(4)

式中，2πFDt+θm是2πfcτmt的變形，則FD為多普勒頻率，θm為與第m徑對(duì)應(yīng)的隨機(jī)相位。信道統(tǒng)計(jì)特性可由hf,t協(xié)方差表示：

RhΔf,Δt=Ehf,th*f-Δf,t-Δt

(5)

幾條重要的統(tǒng)計(jì)特性可由該式導(dǎo)出。

(1)頻率相關(guān)函數(shù)

phΔf=RhΔf,0衡量信道在頻域的相關(guān)性。相干帶寬Bc是對(duì)phΔf寬度的量度，定義為信道頻率特性為平坦的頻率范圍。

(2)時(shí)延功率譜

(3)時(shí)間相關(guān)函數(shù)

phΔt=Rh0,Δt量化信道的時(shí)變特征，其傅里葉變換即為多普勒譜Φhv。BD則是對(duì)Φhv的量度，BD定義為多普勒頻譜不為零的頻率范圍，其倒數(shù)即為相干時(shí)間，即相干時(shí)間Tc=1/BD。相干時(shí)間是指信道響應(yīng)保持不變的時(shí)間寬度。

歸納起來(lái)，由于多徑與多普勒的影響，無(wú)人機(jī)測(cè)控的小規(guī)模衰落有3種情況：幅度衰落、頻率選擇性衰落、時(shí)間選擇性衰落，幅度衰落損失接收信號(hào)信噪比，后兩者則會(huì)改變信號(hào)時(shí)頻域結(jié)構(gòu)。

3 信道衰落抑制方法

根據(jù)第二部分的分析，對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)控信道3種小規(guī)模衰落帶來(lái)的影響的抑制方法可歸納如下。

3.1 抗信噪比損失

抗信噪比損失主要采用分集與糾錯(cuò)編碼技術(shù)。

分集是指向接收機(jī)提供非相關(guān)的有用信號(hào)成分的各種方法，包括時(shí)間分集、頻率分集、空間分集等。Rake接收機(jī)[3]就是一種路徑分集的方法，將各路徑的信號(hào)分別提取并同相相加，提高接收信號(hào)信噪比。空間分集[4]利用多個(gè)天線接收到的非相關(guān)信號(hào)，對(duì)各天線接收到的非相關(guān)信號(hào)進(jìn)行同相化加權(quán)求和，從而提高信噪比，抑制信噪比損失帶來(lái)的影響，是一種最為有效的分集方式?？臻g分集技術(shù)需要多天線，這在一定程度上約束了其使用范圍。頻率分集技術(shù)則往往伴隨著頻率效率的低下。交織技術(shù)作為時(shí)間分集技術(shù)的一種，不會(huì)降低時(shí)頻資源的利用率而降低噪聲或干擾的影響，常常與糾錯(cuò)編碼一起使用，在通信系統(tǒng)中得到了廣泛的運(yùn)用。

糾錯(cuò)編碼并不提高接收信號(hào)信噪比，但可提供編碼增益，使得接收機(jī)在較低信噪比情況下仍能進(jìn)行解調(diào)。

3.2 抗頻率選擇性失真方法

均衡器是信道的逆濾波器，如果信道是頻率選擇性的，均衡器會(huì)增強(qiáng)小振幅的頻率分量并且衰減大振幅的頻率分量。其目標(biāo)是綜合信道和均衡器的作用，在接收端獲得平坦的接收頻率響應(yīng)和線性相位。由于信道具有時(shí)變性，所以，均衡器應(yīng)是自適應(yīng)地改變自身特性以適應(yīng)信道的變化。目前均衡器主要有判決反饋均衡器[5]和最大似然序列估計(jì)均衡器[6]。隨著單載波頻域均衡技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，頻域均衡也成為了主要的均衡器之一。

均衡器通過(guò)補(bǔ)償信道，使其在信號(hào)帶寬范圍內(nèi)呈現(xiàn)平坦特性。與之相反，以O(shè)FDM[7]為代表的多載波傳輸則通過(guò)將數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換，在多個(gè)載波上并行傳輸，可使得各個(gè)載波信號(hào)帶寬變窄到小于信道的相干帶寬，因而只需在各子載波間進(jìn)行簡(jiǎn)單的一階頻域均衡。所以，多載波傳輸大大提高了抗頻率選擇性衰落的能力。OFDM作為一種多載波傳輸方式，又具有與單載波傳輸相當(dāng)?shù)母哳l譜利用率，處理復(fù)雜度低，是未來(lái)高速傳輸?shù)闹髁骷夹g(shù)之一。但OFDM擴(kuò)展了符號(hào)長(zhǎng)度，因而降低了抗時(shí)間選擇性失真能力。另外，峰均比也是制約OFDM實(shí)際應(yīng)用的重要因素。隨著頻偏估計(jì)算法、基帶預(yù)失真等線性化功放技術(shù)的發(fā)展，OFDM將會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用。

直擴(kuò)抑制頻率選擇性失真的機(jī)理則與前兩者均不一樣。直擴(kuò)技術(shù)利用擴(kuò)頻碼集合的相關(guān)特性，在提取某一徑信號(hào)的同時(shí)，將其余徑上的信號(hào)能量在頻域上大大展寬，從而抑制了各徑之間的干擾。Rake接收機(jī)[3]就是采用此機(jī)理，分別提取出各徑信號(hào)，再將提取出的各徑信號(hào)在時(shí)間上對(duì)齊相加，使得各徑信號(hào)能量得到有效積累，提高了接收機(jī)的檢測(cè)性能。然而，與OFDM技術(shù)相比，Rake接收機(jī)處理復(fù)雜度大。

跳擴(kuò)則是采用快速跳頻技術(shù)，在第一徑到達(dá)而第二徑還未到達(dá)的時(shí)間跳到別的頻點(diǎn)，避開(kāi)了各徑之間的相互影響，但卻損失了隨后到達(dá)各徑的信號(hào)能量，不利于提高檢測(cè)性能。

3.3 抗時(shí)間選擇性衰落

抑制時(shí)間選擇性衰落需要采用魯棒性調(diào)制(非相干)方式，這些方式不需要相位跟蹤且能減少檢測(cè)器的檢測(cè)時(shí)間[8]。另一種技術(shù)是通過(guò)增加信號(hào)的冗余度從而增加碼元速率，使之大于衰落速率。

交織也可提高系統(tǒng)抗時(shí)間選擇性衰落。交織的作用就是把深度衰落的影響轉(zhuǎn)化為隨機(jī)事件，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度越高，這種轉(zhuǎn)化越容易，對(duì)多普勒擴(kuò)展或衰落的抑制作用越強(qiáng)。當(dāng)然，這種作用不會(huì)無(wú)限制地提高。

4 結(jié) 論

無(wú)人機(jī)測(cè)控是未來(lái)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中的重要技術(shù)。由于多徑與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原因，無(wú)人機(jī)測(cè)控信道往往受到多徑與多普勒的影響，造成信號(hào)信噪比損失、頻率選擇性衰落或時(shí)間選擇性衰落。抑制頻率選擇性衰落的主要手段有時(shí)/頻域均衡、OFDM為代表的多載波傳輸技術(shù)、Rake接收機(jī)等，其中，OFDM是未來(lái)高速傳輸?shù)闹髁骷夹g(shù)。抑制時(shí)間選擇性衰落的有效方式是采用交織與差分調(diào)制方式。抑制信噪比降低的影響，則主要通過(guò)各種分集技術(shù)與糾錯(cuò)編碼技術(shù)。分集技術(shù)中，最為有效的則是空間分集與交織。所以，OFDM、交織與高效編碼以及空間分集技術(shù)是無(wú)人機(jī)測(cè)控中值得重點(diǎn)研究的技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

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