分集接收技術在海上升空通信中繼系統中的應用*

陳書恒,張 鑫,朱倪瑤,趙 勇

(中國人民解放軍92728部隊,上海 200436)

0 引 言

海上升空通信中繼系統主要包括能較長時間停留在一定空域范圍的直升機、長航時無人機、浮空氣球等平臺,以及其搭載的通信中繼轉發設備。系統升空運行后能夠使海上艦船之間、艦船與低空飛行器之間或艦船與地面站之間實現寬帶超視距通信,有效地實現海上大范圍超視距平臺間的無線寬帶通信[1-2]。然而,海面波動帶來的多徑衰落會對無線寬帶通信質量造成嚴重影響[3-5],從而惡化升空通信中繼系統的中繼效能,甚至導致系統不可用。分集接收技術是一種有效的抗衰落技術途徑[4,6],特別是對于寬帶通信信號,利用多個天線的空間分集技術可有效減小接收機端的信號衰落深度,提高接收端信噪比[8-10]。

本文利用分集接收技術設計實現了一種抗多徑衰落的海上升空通信中繼系統。該系統通過安裝架的方式在直升機平臺底部布設了多個天線組成的天線陣列,通過數字信號處理的方法實現各接收信號的有效合成,增強有用信號,抑制噪聲干擾。仿真和試驗驗證表明,該方法能夠有效提升海上升空通信中繼系統的接收信號質量,擴展系統中繼覆蓋范圍。

1 分集接收原理與實現

海上升空通信中繼系統的主要工作方式和構成如圖1所示。

為增強升空通信中繼系統信號的強度,保證中繼數據的完整性,可采用多天線分集接收技術提升系統信號接收能力,其原理如圖2所示。中繼系統通過多天線接收中繼對象發射的信號,每副接收天線對應一個接收通道,信號在接收通道中采樣后進行數字信號處理,實現對多個天線接收信號傳輸信道參數的提取,并根據信道參數對不同通道接收信號加權合成,實現信號疊加和噪聲相消,從而提高信號信噪比。在系統的實際應用過程中,還采用了頻率分集技術解決了多天線之間的信號互擾問題。

圖2 分集接收技術原理框圖

當兩個分集天線同時接收相同發射信號s時,兩路信號x1(k)和x2(k)可以表示為式(1),其信號時延相差Δk,幅度分別為α1和α2,相位相差φ,噪聲分別為n1(k)和n2(k+Δk)。若考慮兩個接收天線與信號發射源之間的相對位置關系一致,則不存在多普勒效應引起的頻偏差異。

(1)

當兩個接收天線間距引入的信號延時遠小于數據周期且采樣率足夠高時,可以近似得到

s(k+Δk)?s(k)

(2)

分別對兩路信號分別按權值w1和w2進行加權合成,合成后信號xc(k)可表示為

xc(k)=(w1α1+w2α2ej(ωΔk+φ))s(k)ejωk+(w1n1+w2n2)

(3)

根據最大合成信號信噪比準則[6],各天線的權值在相位上使得各信號相位對齊,在幅度上正比于各加權信號幅度和噪聲方差的比值時,合成信號信噪比最大,此時有

Angle(w1)=Angle(w2)+ωΔk+φ

(4)

(5)

故合成信號最大信噪比ρopt可表示為式(6),相應合成增益Δρ可表示為式(7)。

(6)

(7)

上述結論易推廣到多個天線系統,即對于L個天線陣元合成,合成后可以獲得最大合成增益ΔρL為

(8)

利用現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)對所設計的分集接收技術進行實現,首先給出兩天線分集接收時相應的模塊組成,如圖3所示。

圖3 FPGA實現分集接收模塊組成

每路信號經模數轉換器(Analog to Digital Converter,ADC)轉換為數字信號并送入FPGA后,在FPGA內部進行正交下變頻到零中頻正交信號,再分別進入數字有限脈沖響應(Finite Impulse Response,FIR)濾波器濾波處理后進入數字自動增益控制(Automatic Gain Control,AGC)穩幅。穩幅后的信號用于對信道進行估計,然后利用估計參數計算各路信號的分集合成權值,并對信號進行加權合成后送入接收機進行信號解調。多于兩天線的分集接收均可在該模塊組成基礎上擴展得到。

綜合考慮實現成本和天線安裝等因素,本文所設計的升空通信中繼系統使用的分集接收天線數量設置為4個。

2 仿真分析

在Matlab中使用數值仿真方法對所提出的分集接收技術進行驗證。由于所設計分集接收信號處理的基本單元為兩天線分集,首先對兩天線分集接收效果進行仿真評估。向兩天線分集接收處理仿真模塊注入信噪比-20～10 dB范圍內變化信號,信號信噪比差異在-10～0 dB變化。分集接收處理后的合成信號增益與兩注入信號差異信噪比關系如圖4所示,在兩信號差異為0時達到最佳合成效果,兩天線分集增益可達到約3 dB。隨著天線輸入信號差異增大,合成增益會下降,但增益仍然大于0 dB。

圖4 分集合成增益與差異信噪比關系

進一步給出兩信號輸入信噪比在-5～10 dB范圍變化時,兩天線分集合成信號與兩信號分別輸入后輸出信號的信噪比,如圖5所示?？梢?兩路信號信噪比差異不大時,分集合成增益接近3 dB。四天線分集合成是在兩天線基礎上進一步疊加而成,通過以上對兩天線的仿真可知,四天線合成增益理論能夠接近6 dB。

圖5 分集合成信號與單個信號輸出信噪比

3 試驗驗證

3.1 實驗室有線測試

對所設計的升空通信中繼系統的分集接收效果進行有線測試。首先從4個天線端口輸入單載波信號,未經分集接收合成的單路信號與4通道合成后的信號如圖6所示。其中,單路載波接收信號經直接轉發后信噪比為C/N=79.58 dB,4路分集接收合成信號經轉發后信噪比達到C/N=84.72 dB,合成增益5.14 dB。

(a)未分集接收

進一步將正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)調制信號輸入4個天線端口,如圖7所示,可看到分集接收合成信號的信號質量明顯優于單路接收信號,信號星座圖更清晰,相位誤差等指標也得到了明顯改善。

(a)未分集接收

3.2 海上實測試驗

將應用了四天線分集接收技術的升空通信中繼系統加裝到直升機上,天線分布于機身兩側,左右各兩個接收天線,加裝完成后進行海上通信中繼試驗。同時,為對比應用所設計四天線分集接收技術的通信中繼系統與未使用分集接收技術通信中繼系統的性能差異,在試驗海域布置了1號中繼站(編號116,分集)、2號中繼站(編號111,未分集)、3號中繼站(編號115,分集)和4號中繼站(編號112,未分集)。

如圖8所示,在海上試驗過程中,選擇14號目標發送的位置數據作為各中繼站的接收數據,基帶數據發送速率為2 Mb/s,對各中繼站接收數據的完整性進行統計分析,結果如表1所示?？梢?應用四天線分集接收技術的升空通信中繼系統在數據接收完整性上有明顯提高,相對未使用該技術的通信中繼系統,數據完整性提升了10%～20%。相關差異也表現在圖8所示的14號目標直線軌跡連續性中。

表1 各中繼站接收數據完整性

(a)111中繼站接收數據

4 結 論

本文針對海上升空通信中繼系統存在的接收信號多徑衰落問題,提出了采用四天線分集接收技術提升接收信號質量的方法,并給出了相應的FPGA實現方案。通過仿真分析給出了所提出的分集接收技術的預期性能,進一步在實驗室有線測試和海上實測試驗中驗證了其有效性。