直升機(jī)衛(wèi)星通信中高動(dòng)態(tài)低信噪比突發(fā)解調(diào)

龔險(xiǎn)峰，劉明洋，惠騰飛,2

（1.中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710100；2.西安電子科技大學(xué)ISN 國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710071）

為了克服旋翼遮擋問題，直升機(jī)寬帶衛(wèi)星通信多采用縫隙通信技術(shù)，通過非遮擋縫隙時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)來恢復(fù)信息。具體而言，前向鏈路可采用組幀重發(fā)時(shí)間分集策略，返向鏈路可采用旋翼同步突發(fā)技術(shù)［1?3］。2009 年，美國ViaSat 公司研制的直升機(jī)寬帶衛(wèi)通設(shè)備應(yīng)用于黑鷹直升機(jī)［1］，前向鏈路采用兩重時(shí)間分集傳輸方式，信道利用率達(dá)到50%；返向鏈路采用本地控制突發(fā)傳輸方式，信道利用率達(dá)到65%。2011 年，清華大學(xué)為“神舟八號(hào)”飛船返回艙搜救任務(wù)研制的直升機(jī)衛(wèi)通系統(tǒng)［4］采用信道預(yù)測和可變速率編碼技術(shù)，返向信道利用率超過75%?？梢钥闯?，縫隙通信降低了鏈路利用率，前向鏈路信噪比損失較大（按兩重組幀重發(fā)，損失為3 dB），返向鏈路信噪比損失較?。ò?5%信道利用率，損失為1.3 dB）。但是，對(duì)于低速直升機(jī)衛(wèi)星鏈路，由于同時(shí)存在旋翼遮擋和高多普勒動(dòng)態(tài)，基于縫隙檢測的短突發(fā)信號(hào)解調(diào)性能較差。因此，有必要尋找新的通信方法，進(jìn)一步提高前向鏈路利用率和返向鏈路解調(diào)性能。

1 系統(tǒng)模型

1.1 直升機(jī)衛(wèi)星通信鏈路特性

當(dāng)直升機(jī)與衛(wèi)星進(jìn)行通信時(shí)，電磁波在旋翼附近產(chǎn)生衍射效應(yīng)，對(duì)于較低的UHF 和L 頻段，遮擋導(dǎo)致的信號(hào)衰落可能達(dá)到5～15 dB，而對(duì)于較高的Ku 和Ka 頻段，該衰落則更加顯著。遮擋特性與旋翼轉(zhuǎn)速、載機(jī)與衛(wèi)星的相對(duì)位置和姿態(tài)、載機(jī)槳葉寬度和數(shù)量、天線安裝位置等諸多因素有關(guān)。由于影響因素眾多，獲取精確的鏈路特性并不容易，為了簡化分析，可以采用簡易直升機(jī)信道模型［5］。

簡易直升機(jī)信道模型可以由3 個(gè)參數(shù)確定，分別為遮擋周期Tc、遮擋持續(xù)時(shí)長Tb、衰落深度Pb，如圖1 所示。其中，遮擋周期是旋轉(zhuǎn)角頻率與螺旋槳數(shù)量之積的倒數(shù)；遮擋持續(xù)時(shí)長取決于旋轉(zhuǎn)角頻率、天線與螺旋槳軸的距離以及螺旋槳葉片的寬度；衰落深度則與葉片的材質(zhì)、寬度、通信頻率等參數(shù)相關(guān)。本文將以簡易直升機(jī)信道模型為依據(jù)，對(duì)算法性能進(jìn)行評(píng)估。

圖1 簡易直升機(jī)信道模型Fig.1 Simplified helicopter channel model

1.2 抗旋翼遮擋波形設(shè)計(jì)

對(duì)于突發(fā)通信，一般采用帶前導(dǎo)頭的物理層幀結(jié)構(gòu)，便于接收機(jī)進(jìn)行突發(fā)捕獲和快速參數(shù)同步。但是，當(dāng)存在旋翼遮擋時(shí)，前導(dǎo)頭可能處于深度衰落，因而集中導(dǎo)頻幀結(jié)構(gòu)存在明顯不足。在正交頻分復(fù)用通信系統(tǒng)中，通常采用在時(shí)域和頻域分散導(dǎo)頻的幀結(jié)構(gòu)，用于跟蹤時(shí)變的頻域選擇性信道響應(yīng)。借鑒上述思路，為了對(duì)抗旋翼遮擋，采用分散導(dǎo)頻幀結(jié)構(gòu)輔助接收機(jī)同步。如圖2 所示，突發(fā)幀長為LF，分成N段，每段長度為LD，包含1 個(gè)導(dǎo)頻符號(hào)和(LD-1) 個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)，下文約定以(LF，LD，N)表示該幀結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的相關(guān)參數(shù)。

圖2 分散導(dǎo)頻幀結(jié)構(gòu)Fig.2 Decentralized pilots frame structure

在上述幀結(jié)構(gòu)中，為了提高信道交織性能，突發(fā)幀長度一般取遮擋周期的2～3 倍以上。導(dǎo)頻間隔LD對(duì)旋翼遮擋和多普勒動(dòng)態(tài)的適應(yīng)能力具有重要影響，增大LD可以提高幀傳輸效率和頻率估計(jì)分辨率，但會(huì)降低對(duì)旋翼遮擋衰落的適應(yīng)能力，反之亦然。

1.3 解調(diào)架構(gòu)

整個(gè)解調(diào)架構(gòu)如圖3 所示，AD 采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字下變頻和濾波后，進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存。在給定的最大頻偏范圍[ -fmax，fmax]內(nèi)，以載波同步模塊能夠適應(yīng)的最大頻偏±fsub為間隔，將整個(gè)頻偏范圍等間隔劃分為H個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間的中心頻率為fn(n=0，1，…，H-1)，實(shí)際頻偏落在其中某一個(gè)區(qū)間內(nèi)?？紤]到載波速率低，為了降低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，可以對(duì)每個(gè)頻率區(qū)間采用時(shí)分復(fù)用方式進(jìn)行解調(diào)。首先，對(duì)緩存數(shù)據(jù)預(yù)補(bǔ)償頻偏fn；然后，經(jīng)過符號(hào)同步、突發(fā)捕獲、載波同步、解信道交織以及Turbo 譯碼等處理后，得到H路不同的譯碼輸出軟信息；最后，根據(jù)譯碼軟輸出目標(biāo)函數(shù)，從H路譯碼輸出中選擇最優(yōu)的一路作為最終輸出結(jié)果。下文重點(diǎn)介紹突發(fā)捕獲算法和譯碼輸出選擇算法。

圖3 突發(fā)解調(diào)總體架構(gòu)Fig.3 Overall architecture of burst demodulation

2 高動(dòng)態(tài)低信噪比下的突發(fā)捕獲

對(duì)于突發(fā)信號(hào)解調(diào)，突發(fā)捕獲一般是后續(xù)其他參數(shù)估計(jì)和同步的基礎(chǔ)。由于多個(gè)信道參數(shù)（如：頻偏、頻率變化率、突發(fā)起始等）處于未知狀態(tài)，為了降低捕獲難度，一般利用已知的前導(dǎo)頭通過時(shí)域相關(guān)［6］或者頻域FFT［7］完成突發(fā)捕獲。時(shí)域捕獲方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低，但是對(duì)頻偏的適應(yīng)能力有限；頻域捕獲對(duì)頻偏適應(yīng)能力較強(qiáng)，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較高。對(duì)于分散導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)，由于導(dǎo)頻符號(hào)間隔為LD，若采用時(shí)域相關(guān)捕獲，等效于對(duì)頻偏的適應(yīng)能力降低了LD倍，因而更適合采用基于FFT 變換的頻域捕獲方案。

2.1 突發(fā)信號(hào)的頻域捕獲

經(jīng)過高斯白噪聲信道傳輸?shù)膯屋d波突發(fā)信號(hào)，在通過匹配濾波器和理想符號(hào)同步后，等效基帶信號(hào)可以表示為［8］

（4）對(duì)于給定的捕獲門限Jth，如果J≥Jth，則認(rèn)為捕獲到突發(fā)信號(hào)；否則，收到下一個(gè)符號(hào)后，將接收數(shù)據(jù)向后移動(dòng)一個(gè)符號(hào)，然后重復(fù)（1）～（4）步。

Michael等用三種可以公開獲得的軟件：RESRAD-BIOTA、R&D128和ERICA評(píng)估了德里格(英國塞拉菲爾德后處理廠附近)海灘沙丘對(duì)周圍生物的輻射劑量。作者以在沙灘中測量得到的90Sr、99Tc、137Cs、238Pu、239+240Pu和241Am的活度濃度為依據(jù)，計(jì)算了一系列生物體內(nèi)的活度濃度和劑量率。通過和實(shí)際生物測量結(jié)果的對(duì)比，作者發(fā)現(xiàn)影響計(jì)算結(jié)果的主要是轉(zhuǎn)移系數(shù)。

上述頻域捕獲算法1 對(duì)頻偏不敏感，但是在高多普勒動(dòng)態(tài)下，頻率變化率會(huì)導(dǎo)致頻譜幅度出現(xiàn)“平臺(tái)效應(yīng)”［8］，捕獲性能急劇惡化。如圖4 所示，參數(shù)(LF，LD，N)為（2 304，12，192）的突發(fā)幀，當(dāng)歸一化頻率變化率為1×10-5時(shí)，頻譜峰值特性完全消失。為了解決該問題，可以對(duì)頻率變化率進(jìn)行分區(qū)預(yù)置，然后多通道并行捕獲，但這會(huì)大幅度提高實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度［9］。

圖4 算法1 中頻率變化率對(duì)信號(hào)頻譜的影響Fig.4 Influence of frequency rate on signal spectrum in Algorithm 1

2.2 聯(lián)合頻率變化率估計(jì)的頻域捕獲算法

在低信噪比條件下，頻率變化率估計(jì)一般需要導(dǎo)頻輔助，因而需要先進(jìn)行突發(fā)捕獲。但是，從2.1節(jié)的分析可以看出，在高多普勒動(dòng)態(tài)下，為了滿足頻域突發(fā)捕獲性能要求，需要先對(duì)頻率變化率進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償。因此，突發(fā)捕獲和頻率變化率估計(jì)在處理先后上存在矛盾。本文提出一種聯(lián)合頻率變化率估計(jì)的頻域捕獲，算法描述如下（算法2）：

（1）當(dāng)接收到一個(gè)新的基帶信號(hào)符號(hào)r(n)，執(zhí)行式（2）得到z(n)；

（2）對(duì)z(n)進(jìn)行間隔為M的共軛差分，若不考慮噪聲w(n)的影響，可得

上述算法2 中，在突發(fā)起始未知情況下，每接收到一個(gè)符號(hào)，假定其為突發(fā)起始，進(jìn)行基于導(dǎo)頻輔助的頻率變化率估計(jì)和補(bǔ)償，并利用FFT 變換對(duì)突發(fā)捕獲進(jìn)行判定。當(dāng)接收信號(hào)導(dǎo)頻符號(hào)與本地導(dǎo)頻符號(hào)對(duì)齊時(shí)，頻率變化率估計(jì)正確，在進(jìn)行補(bǔ)償后，消除了其對(duì)突發(fā)捕獲的影響。如圖5 所示，當(dāng)歸一化頻率變化率為1×10-5時(shí)，頻譜峰值特性與圖4（a）基本一致。

圖5 算法2 中頻率變化率對(duì)信號(hào)頻譜的影響（歸一化頻率變化率為1×10-5）Fig.5 Influence of frequency rate on signal spectrum in Algorithm 2 (The normalized frequency rate of 1×10-5)

3 基于譯碼軟輸出度量的最優(yōu)選擇

受頻偏和信噪比影響，G(n)呈現(xiàn)出不同的統(tǒng)計(jì)特性。圖6 所示為1 個(gè)長度為1 200 的Turbo 碼，在不同的歸一化頻偏和信噪比下，經(jīng)過10 次迭代后的譯碼軟輸出目標(biāo)函數(shù)統(tǒng)計(jì)。

圖6 信噪比和頻偏對(duì)目標(biāo)函數(shù)值的影響Fig.6 Influence of SNR and frequency offset on objec?tive function

可以看出，在同一信噪比下，當(dāng)歸一化頻偏為0 時(shí)，G(n)具有唯一的全局最大值，此時(shí)譯碼輸出結(jié)果具有最低的誤碼率。因此，對(duì)于H路譯碼軟輸出g(n)(k)，可以選擇具有最大目標(biāo)函數(shù)值的1 路作為最終輸出結(jié)果g(k)（k=0，1，…，Lc-1），即

4 性能評(píng)估

通過算法仿真，從誤碼率（Bit error rate，BER）及誤幀率（Frame error rate，F(xiàn)ER）兩方面評(píng)估直升機(jī)旋翼遮擋信道下的接收性能，并與AWGN 信道下的理論性能進(jìn)行比較，如圖7 所示。

圖7 仿真性能Fig.7 Simulation performance

仿真條件：載波符號(hào)速率8 ksps，突發(fā)幀參數(shù)(LF，LD，N)為（2 304，12，192），調(diào)制方式QPSK，Turbo 編碼（碼率1/3、碼長2 112）。頻率變化率2 000 Hz/s，旋翼遮擋周期Tc=40 ms、遮擋持續(xù)時(shí)長Tb=6 ms、衰落深度Pb=20 dB。

仿真結(jié)果表明，在給定的旋翼遮擋信道下，與無遮擋高斯白噪聲信道理論性能相比，誤碼率1E-5 時(shí)的解調(diào)門限僅提高1.5 dB。與文獻(xiàn)［4］中典型的前向鏈路兩重組幀重發(fā)、返向鏈路縫隙突發(fā)傳輸方式相比，前向鏈路信噪比損失降低1.5 dB，返向鏈路信噪比損失增大0.2 dB。此外，該算法可以工作在較低的信噪比門限下，且能夠適應(yīng)高多普勒動(dòng)態(tài)，可以滿足低速直升機(jī)衛(wèi)星通信需求。

5 結(jié)論

針對(duì)低速直升機(jī)衛(wèi)星通信，提出一種聯(lián)合頻率變化率估計(jì)的頻域捕獲算法，消除了頻率變化率對(duì)捕獲性能的影響。同時(shí)，針對(duì)基于分散導(dǎo)頻的數(shù)據(jù)輔助算法頻偏估計(jì)范圍較小的問題，采用頻偏分區(qū)預(yù)置，并根據(jù)譯碼軟輸出構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，選擇具有最大目標(biāo)函數(shù)值的一路作為最終輸出。仿真表明，所述突發(fā)解調(diào)方法在典型直升機(jī)信道環(huán)境下，鏈路性噪比損失較小。在衛(wèi)星處理載荷、直升機(jī)衛(wèi)通終端設(shè)備研制中，具有一定的應(yīng)用前景。