基于導(dǎo)頻序列的火箭橇試驗(yàn)遙測(cè)抗多徑信道編碼方法

李鵬勃，馬方遠(yuǎn)，杜劍英，王 茜，劉 鵬

(中國(guó)兵器工業(yè)試驗(yàn)測(cè)試研究院，陜西 華陰 714200)

0 引言

火箭橇是以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，沿著專用滑軌運(yùn)動(dòng)，可裝載被試品和相關(guān)測(cè)試裝置的地面試驗(yàn)設(shè)施。以火箭橇試驗(yàn)為基礎(chǔ)，模擬導(dǎo)彈加速飛行，通過相關(guān)測(cè)試，獲取導(dǎo)彈飛行狀態(tài)參數(shù)，是導(dǎo)彈研制過程中的重要驗(yàn)證手段。由于火箭橇試驗(yàn)是一種地面試驗(yàn)設(shè)施，一方面遙測(cè)信號(hào)在傳輸?shù)倪^程中多徑效應(yīng)會(huì)更加明顯，遙測(cè)接收端在接收無線信號(hào)的過程中，由于收到的信號(hào)有真實(shí)信號(hào)、反射信號(hào)等，遙測(cè)解調(diào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的誤碼率；另一方面作為其動(dòng)力源的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，燃燒產(chǎn)生的火焰中含有高溫、高壓、湍流等顆粒物，使得遙測(cè)信號(hào)產(chǎn)生較大衰減(實(shí)測(cè)衰減20 dB)、頻偏和相移，也會(huì)導(dǎo)致遙測(cè)信號(hào)失真、誤碼率高，影響測(cè)試結(jié)果。

高速無線數(shù)字通信系統(tǒng)中，由于帶限發(fā)射、信道衰落、多徑傳輸與時(shí)延擴(kuò)展、多普勒擴(kuò)展等的影響，在接收端會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的碼間干擾，增大誤碼率。為了消除碼間干擾，提高通信系統(tǒng)的性能，在接收端需采用均衡技術(shù)[1-2]。均衡算法是一種有效補(bǔ)償調(diào)制信號(hào)高速通信過程中碼間干擾失真的技術(shù)。雖然目前的盲均衡算法可以有效解決多徑效應(yīng)的難題，但是在某些特定應(yīng)用場(chǎng)景或者功率受限等高速通信過程中，仍存在不足。現(xiàn)提出一種基于導(dǎo)頻序列的火箭橇試驗(yàn)遙測(cè)抗多徑信道編碼方法，可以有效地克服多徑效應(yīng)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的影響，提高遙測(cè)信號(hào)質(zhì)量，降低誤碼率。

1 基于導(dǎo)頻序列的信道均衡技術(shù)

基于導(dǎo)頻序列的信道均衡技術(shù)，是一種基于訓(xùn)練序列的線性信道估計(jì)半盲均衡技術(shù)，其方式是根據(jù)火箭橇試驗(yàn)情況，通過在每幀數(shù)據(jù)之間插入一定數(shù)量的已知訓(xùn)練序列對(duì)信道進(jìn)行估計(jì)，在對(duì)信道進(jìn)行初始化的估計(jì)后再發(fā)送有效序列，利用被訓(xùn)練序列估計(jì)過的信道結(jié)果來對(duì)有效序列進(jìn)行一個(gè)判決更新，完成均衡任務(wù)[3-4]。半盲均衡是一種綜合了基于訓(xùn)練序列的線性均衡算法和盲均衡算法優(yōu)點(diǎn)的信道估計(jì)均衡算法。其主要特點(diǎn)就是不僅利用訓(xùn)練序列的信道估計(jì)方法，引入少量的已知序列來跟蹤信道，同時(shí)也利用有效序列的某些特征來進(jìn)行信道估計(jì)[5]。

2 導(dǎo)頻序列信道編碼方法

基于導(dǎo)頻序列的火箭橇試驗(yàn)遙測(cè)抗多徑信道編碼設(shè)計(jì)方法，在遙測(cè)發(fā)射端，通過分析以往的火箭橇試驗(yàn)速度、信號(hào)傳輸速率以及多徑效應(yīng)對(duì)信號(hào)傳輸帶來的影響，結(jié)合分析結(jié)果對(duì)插入導(dǎo)頻的信道進(jìn)行估計(jì)，設(shè)計(jì)導(dǎo)頻數(shù)據(jù)包和信道估計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，選擇合適的特殊字序列，采用已知信道特性的MSE均衡算法[6-7]，設(shè)計(jì)了基于導(dǎo)頻序列的火箭橇試驗(yàn)遙測(cè)抗多徑信道編碼技術(shù)。

2.1 導(dǎo)頻數(shù)據(jù)包設(shè)計(jì)

火箭橇試驗(yàn)過程中，由于火箭橇橇體貼地運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度快，地面反射路徑干擾較大，信道特性屬于時(shí)變頻率選擇性信道。在單載波體制下，頻率選擇性導(dǎo)致接收信號(hào)中存在嚴(yán)重的符號(hào)間干擾，必須進(jìn)行均衡補(bǔ)償才能有效提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。而采用自適應(yīng)信道盲估計(jì)和盲均衡兩種方法，需進(jìn)行復(fù)雜的信號(hào)分析和計(jì)算過程，這兩種方法復(fù)雜度高、收斂性差且可靠性不足?；诓迦雽?dǎo)頻的信道估計(jì)擬采用特殊字輔助進(jìn)行信道估計(jì)，通過設(shè)計(jì)合適的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)和插入合適的導(dǎo)頻序列，可以簡(jiǎn)單有效地實(shí)現(xiàn)多徑信道估計(jì)與均衡。

根據(jù)典型航空信道特性和以下假設(shè)信號(hào)參數(shù)進(jìn)行導(dǎo)頻數(shù)據(jù)包設(shè)計(jì)。信號(hào)傳輸碼速率為10 Mbps，符號(hào)周期為100 ns，火箭橇試驗(yàn)時(shí)運(yùn)動(dòng)速度為3Ma(3×340 m/s)，在10 km作用距離下可得出自由空間中，路徑的最大延遲時(shí)間為33 μs，多徑時(shí)延擴(kuò)展100 ns。設(shè)計(jì)中考慮20%的時(shí)延裕量，考慮最大延遲時(shí)間為120 ns，時(shí)延擴(kuò)展對(duì)應(yīng)約為1.2個(gè)符號(hào)周期。

2.2 基于插入導(dǎo)頻的航空信道估計(jì)

遙測(cè)S波段頻率為2.2～2.4 GHz，為預(yù)留裕量，取最大頻率為f=2.4 GHz，假設(shè)火箭橇運(yùn)動(dòng)速度為3Ma(V=3×340 m/s=1 020 m/s)，則對(duì)應(yīng)的多普勒頻率擴(kuò)展計(jì)算為：

(1)

根據(jù)多普勒擴(kuò)展的影響，認(rèn)為信號(hào)在5%多普勒變化周期內(nèi)，信道的特性是固定不變的，火箭橇橇體運(yùn)動(dòng)速度為3Ma，遙測(cè)發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸碼速率為10 Mbps，多普勒頻偏小于8.16 kHz不變的假設(shè)下，信道的持續(xù)時(shí)間間隔為6.13 μs。因此，數(shù)據(jù)幀總長(zhǎng)度應(yīng)小于6.13 μs，以保證在每個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸間隔內(nèi)信道特性保持不變，導(dǎo)頻完成的信道估計(jì)有效。

2.3 信道估計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

信號(hào)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可分為信道測(cè)量模式和信道跟蹤模式兩種形式。信道測(cè)量模式下發(fā)射數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為圖1所示。

圖1 信道測(cè)量模式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.1 Data structure of channel measurement mode

信道測(cè)量模式下，每?jī)蓚€(gè)連續(xù)的UW數(shù)據(jù)之后發(fā)送一個(gè)有效的數(shù)據(jù)塊VD(valid data)。第一個(gè)UW用于消除信道干擾，第二個(gè)UW用于進(jìn)行信道估計(jì)。這種結(jié)構(gòu)下數(shù)據(jù)的塊長(zhǎng)為：

Nb=2NUW+NVD

(2)

根據(jù)信道估計(jì)的需求，數(shù)據(jù)包設(shè)計(jì)原則為：UW持續(xù)時(shí)間大于信道時(shí)延擴(kuò)展Td；需要傳送的據(jù)塊長(zhǎng)2NUW+NVD的持續(xù)時(shí)間小于信道相干時(shí)間(信道相干時(shí)間Tc估算為多普勒擴(kuò)展20×fd的倒數(shù))，即：

NUW×Tb>Td
Nb×Tb

(3)

式(3)中，Tb為符號(hào)周期，Tc為相干時(shí)間，Td為信道時(shí)延擴(kuò)展。該設(shè)計(jì)中：

Tb=0.1 μs

(4)

(5)

有效數(shù)據(jù)的利用率為：

(6)

該結(jié)構(gòu)相對(duì)傳統(tǒng)單載波體制頻帶利用率會(huì)有所下降。一般情況下UW的長(zhǎng)度約為最大時(shí)延擴(kuò)展的兩倍，在該設(shè)計(jì)中給定的信道條件下，由于信道擴(kuò)展為Td=0.12 μs，符號(hào)周期為0.1 μs，實(shí)際中至少需要4～8個(gè)符號(hào)長(zhǎng)度的UW導(dǎo)頻才能完成信道估計(jì)(此時(shí)滿足NUW×Tb>Td條件)，對(duì)于3Ma運(yùn)動(dòng)速度的飛行器，可計(jì)算出總數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為：2NUW+NVD=6 130 ns/100 ns≈61 sym，即61個(gè)符號(hào)組成一個(gè)數(shù)據(jù)幀(實(shí)際設(shè)計(jì)中，考慮運(yùn)動(dòng)速度小于最大速度3Ma，那么可取64個(gè)符號(hào)組成一個(gè)子幀)，若取最少4個(gè)符號(hào)的導(dǎo)頻長(zhǎng)度，則導(dǎo)頻2×UW總長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果為：

NUW×Tb=2×4×0.1 μs=0.8 μs

(7)

若接收機(jī)運(yùn)動(dòng)速度為1Ma，則其最高的數(shù)據(jù)效率約為：

(8)

若接收機(jī)運(yùn)動(dòng)速度為3Ma，則其最高的數(shù)據(jù)效率約為：

(9)

通過以上計(jì)算可以看出，在接收機(jī)運(yùn)動(dòng)速度不大于3Ma(1 020 m/s)的情況下插入導(dǎo)頻的最高傳輸效率大于70%。當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度低于1Ma的運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，可以獲得更高的數(shù)據(jù)傳輸效率，在該情況下可以通過適當(dāng)?shù)脑黾訉?dǎo)頻UW序列長(zhǎng)度，提高信道測(cè)量精度。

信道跟蹤模式下發(fā)射數(shù)據(jù)具有兩種形式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，信道估計(jì)形式和信道跟蹤形式，如圖2、圖3所示。每一個(gè)傳輸幀，幀起始位置采用信道估計(jì)形式，其余位置采用信道跟蹤形式。每次信道估計(jì)僅在幀起始位置進(jìn)行，其余位置信道特性采用自適應(yīng)算法進(jìn)行跟蹤。

圖2 信道估計(jì)形式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.2 Data structure of channel estimation form

圖3 信道跟蹤形式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.3 Channel tracking data structure

假設(shè)，每一個(gè)信道估計(jì)形式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之后嵌入N個(gè)信道跟蹤形式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。單個(gè)信道估計(jì)形式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包括M個(gè)UW塊，不包含任何有效數(shù)據(jù)，此時(shí)滿足NVD=(M-1)NUW，數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)為Nb=MNUW。信道跟蹤形式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括一個(gè)UW塊和一個(gè)VD塊。有效數(shù)據(jù)的利用率為：

(10)

當(dāng)N?M時(shí)，ηVD近似為：

(11)

信道跟蹤模式下要求信道在每(N+1)Nb個(gè)數(shù)據(jù)塊內(nèi)變化是緩慢的，在該設(shè)計(jì)中，給定條件下，信道跟蹤模式能夠?qū)崿F(xiàn)的最大有效數(shù)據(jù)利用率約為91.4%。

在低碼率情況下，信道的相對(duì)變化速率更快，比如1 Mbps下，信道的相對(duì)固定的符號(hào)周期數(shù)僅為10個(gè)符號(hào)點(diǎn)，此時(shí)信道跟蹤模式很難對(duì)信道進(jìn)行有效地跟蹤。通過分析對(duì)比，采用信道測(cè)量模式進(jìn)行信道估計(jì)是一種比較可靠，適應(yīng)符號(hào)速率范圍更寬的方式。

信道測(cè)量模式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)下信道估計(jì)的方式為：接收信號(hào)的頻率響應(yīng)除以理想U(xiǎn)W信號(hào)的頻域特性。

(12)

2.4 特殊字序列(導(dǎo)頻序列)選擇

UW序列的選擇需使得序列的頻譜幅度平坦，以保證信道估計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性。常用的UW序列包括Chu序列、PN序列以及CAZAC(constant amplitude zero autocorrelation)序列等。

Chu序列滿足頻譜幅度平坦及周期性自相關(guān)僅在偏移為零時(shí)不為零的特性，同時(shí)可以給出任意長(zhǎng)度序列的構(gòu)造方法。當(dāng)序列長(zhǎng)度N為偶數(shù)時(shí)，序列滿足：

(13)

式(13)中，M與N互質(zhì)。

當(dāng)序列長(zhǎng)度為奇數(shù)時(shí)，序列滿足：

(14)

取信道最大時(shí)延擴(kuò)展的兩倍作為UW序列長(zhǎng)度，在10 Mbps速率下，UW持續(xù)符號(hào)周期數(shù)為8，此時(shí)Chu序列的頻域特性如圖4所示。

圖4 Chu序列頻域幅度特性曲線Fig.4 Amplitude characteristic curve of Chu sequence in frequency domain

2.5 信道均衡設(shè)計(jì)

信道均衡采用已知信道特性的MSE均衡算法，利用UW序列估計(jì)獲得信道沖激響應(yīng)內(nèi)插到有效信號(hào)長(zhǎng)度進(jìn)行信道補(bǔ)償。在已知當(dāng)前信號(hào)信噪比的情況下，均方誤差準(zhǔn)則(MSE)均衡器的系數(shù)可表示為：

(15)

式(15)中，ωF表示均衡器系數(shù)的頻域特性，υF表示噪聲的功率。

MSE均衡器實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可滿足10 Mbps碼率、3Ma運(yùn)動(dòng)速度遙測(cè)信號(hào)均衡處理的要求，但是該結(jié)構(gòu)對(duì)深度信道衰落信號(hào)存在噪聲增強(qiáng)的問題，需要結(jié)合信道編碼獲得可靠的接收信號(hào)。

采用UW序列進(jìn)行信道估計(jì)能夠獲得準(zhǔn)確的信道估計(jì)結(jié)果，但是MSE均衡器本身存在當(dāng)信道深度衰落時(shí)性能差的問題。當(dāng)信道衰落特性為深度零點(diǎn)的時(shí)刻，MSE均衡器存在噪聲增強(qiáng)的效應(yīng)，影響接收機(jī)性能。橇載遙測(cè)發(fā)射裝置采用糾錯(cuò)能力較強(qiáng)的LDPC編碼，遙測(cè)接收端通過LDPC譯碼，能夠有效地降低深度衰落的影響，彌補(bǔ)MSE均衡器的不足。所有的設(shè)計(jì)都是限于自跟蹤天線能夠滿足跟蹤指標(biāo)要求的情況，但是在實(shí)際試驗(yàn)過程中，遙測(cè)發(fā)射裝置天線的姿態(tài)變化可能會(huì)影響跟蹤的精度，在跟蹤性能較差時(shí)，信道均衡將會(huì)失效。為克服這種情況，增加系統(tǒng)魯棒性，可以通過增加異常情況處理，降低數(shù)據(jù)誤碼率。另外，均衡器設(shè)計(jì)采用頻域?qū)崿F(xiàn)，需要進(jìn)行大量FFT運(yùn)算，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)中FFT的處理可采用并行方式進(jìn)行FFT實(shí)現(xiàn)。

3 信道均衡數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

通過以上的分析，在信道測(cè)量模式下，信道均衡數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)采用每?jī)蓚€(gè)連續(xù)的UW數(shù)據(jù)之后發(fā)送一個(gè)有效的數(shù)據(jù)塊VD(valid data)，第一個(gè)UW用于消除信道干擾，第二個(gè)UW用于進(jìn)行信道估計(jì)，有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為7個(gè)字節(jié)，一共包含Nb=2NUW+NVD=2×4+56=64個(gè)符號(hào)。

包含有信道估計(jì)導(dǎo)頻序列的子幀長(zhǎng)度為64個(gè)符號(hào)(8 B)，包括1個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度的UW信道估計(jì)序列和7個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度的有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀總長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為128 B，包含8 B的數(shù)據(jù)幀頭和15個(gè)連續(xù)的子幀序列。該信道估計(jì)的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 信道估計(jì)的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)Fig.5 Data frame structure of channel estimation

根據(jù)圖5的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，可計(jì)算得到有效數(shù)據(jù)利用率為：

(16)

可以看出，通過該方法設(shè)計(jì)的遙測(cè)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，不但可以獲得更高的數(shù)據(jù)傳輸效率，還可以提高信道測(cè)量精度。

4 結(jié)論

本文提出了基于導(dǎo)頻序列的火箭橇試驗(yàn)遙測(cè)抗多徑信道編碼方法。該方法根據(jù)火箭橇試驗(yàn)速度以及信號(hào)傳輸速率等數(shù)據(jù)，通過選擇合適的特殊字序列，采用已知信道特性的MSE均衡算法，設(shè)計(jì)信道估計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和信道均衡數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。理論數(shù)據(jù)計(jì)算表明，該方法可以有效地降低信號(hào)誤碼率，確保試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，提高了測(cè)試的可靠性，在近地試驗(yàn)測(cè)試中具有更廣闊的應(yīng)用前景。