陳書恒,張 鑫,朱倪瑤,趙 勇

(中國(guó)人民解放軍92728部隊(duì),上海 200436)

0 引 言

海上升空通信中繼系統(tǒng)主要包括能較長(zhǎng)時(shí)間停留在一定空域范圍的直升機(jī)、長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)、浮空氣球等平臺(tái),以及其搭載的通信中繼轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。系統(tǒng)升空運(yùn)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(shí)現(xiàn)寬帶超視距通信,有效地實(shí)現(xiàn)海上大范圍超視距平臺(tái)間的無(wú)線寬帶通信[1-2]。然而,海面波動(dòng)帶來(lái)的多徑衰落會(huì)對(duì)無(wú)線寬帶通信質(zhì)量造成嚴(yán)重影響[3-5],從而惡化升空通信中繼系統(tǒng)的中繼效能,甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不可用。分集接收技術(shù)是一種有效的抗衰落技術(shù)途徑[4,6],特別是對(duì)于寬帶通信信號(hào),利用多個(gè)天線的空間分集技術(shù)可有效減小接收機(jī)端的信號(hào)衰落深度,提高接收端信噪比[8-10]。

本文利用分集接收技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種抗多徑衰落的海上升空通信中繼系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過安裝架的方式在直升機(jī)平臺(tái)底部布設(shè)了多個(gè)天線組成的天線陣列,通過數(shù)字信號(hào)處理的方法實(shí)現(xiàn)各接收信號(hào)的有效合成,增強(qiáng)有用信號(hào),抑制噪聲干擾。仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證表明,該方法能夠有效提升海上升空通信中繼系統(tǒng)的接收信號(hào)質(zhì)量,擴(kuò)展系統(tǒng)中繼覆蓋范圍。

1 分集接收原理與實(shí)現(xiàn)

海上升空通信中繼系統(tǒng)的主要工作方式和構(gòu)成如圖1所示。

為增強(qiáng)升空通信中繼系統(tǒng)信號(hào)的強(qiáng)度,保證中繼數(shù)據(jù)的完整性,可采用多天線分集接收技術(shù)提升系統(tǒng)信號(hào)接收能力,其原理如圖2所示。中繼系統(tǒng)通過多天線接收中繼對(duì)象發(fā)射的信號(hào),每副接收天線對(duì)應(yīng)一個(gè)接收通道,信號(hào)在接收通道中采樣后進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理,實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)天線接收信號(hào)傳輸信道參數(shù)的提取,并根據(jù)信道參數(shù)對(duì)不同通道接收信號(hào)加權(quán)合成,實(shí)現(xiàn)信號(hào)疊加和噪聲相消,從而提高信號(hào)信噪比。在系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用過程中,還采用了頻率分集技術(shù)解決了多天線之間的信號(hào)互擾問題。

圖2 分集接收技術(shù)原理框圖

當(dāng)兩個(gè)分集天線同時(shí)接收相同發(fā)射信號(hào)s時(shí),兩路信號(hào)x1(k)和x2(k)可以表示為式(1),其信號(hào)時(shí)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(gè)接收天線與信號(hào)發(fā)射源之間的相對(duì)位置關(guān)系一致,則不存在多普勒效應(yīng)引起的頻偏差異。

(1)

當(dāng)兩個(gè)接收天線間距引入的信號(hào)延時(shí)遠(yuǎn)小于數(shù)據(jù)周期且采樣率足夠高時(shí),可以近似得到

s(k+Δk)?s(k)

(2)

分別對(duì)兩路信號(hào)分別按權(quán)值w1和w2進(jìn)行加權(quán)合成,合成后信號(hào)xc(k)可表示為

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

(3)

根據(jù)最大合成信號(hào)信噪比準(zhǔn)則[6],各天線的權(quán)值在相位上使得各信號(hào)相位對(duì)齊,在幅度上正比于各加權(quán)信號(hào)幅度和噪聲方差的比值時(shí),合成信號(hào)信噪比最大,此時(shí)有

Angle(w1)=Angle(w2)+ωΔk+φ

(4)

(5)

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

(6)

(7)

上述結(jié)論易推廣到多個(gè)天線系統(tǒng),即對(duì)于L個(gè)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(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)對(duì)所設(shè)計(jì)的分集接收技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn),首先給出兩天線分集接收時(shí)相應(yīng)的模塊組成,如圖3所示。

圖3 FPGA實(shí)現(xiàn)分集接收模塊組成

每路信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter,ADC)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并送入FPGA后,在FPGA內(nèi)部進(jìn)行正交下變頻到零中頻正交信號(hào),再分別進(jìn)入數(shù)字有限脈沖響應(yīng)(Finite Impulse Response,FIR)濾波器濾波處理后進(jìn)入數(shù)字自動(dòng)增益控制(Automatic Gain Control,AGC)穩(wěn)幅。穩(wěn)幅后的信號(hào)用于對(duì)信道進(jìn)行估計(jì),然后利用估計(jì)參數(shù)計(jì)算各路信號(hào)的分集合成權(quán)值,并對(duì)信號(hào)進(jìn)行加權(quán)合成后送入接收機(jī)進(jìn)行信號(hào)解調(diào)。多于兩天線的分集接收均可在該模塊組成基礎(chǔ)上擴(kuò)展得到。

綜合考慮實(shí)現(xiàn)成本和天線安裝等因素,本文所設(shè)計(jì)的升空通信中繼系統(tǒng)使用的分集接收天線數(shù)量設(shè)置為4個(gè)。

2 仿真分析

在Matlab中使用數(shù)值仿真方法對(duì)所提出的分集接收技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。由于所設(shè)計(jì)分集接收信號(hào)處理的基本單元為兩天線分集,首先對(duì)兩天線分集接收效果進(jìn)行仿真評(píng)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(nèi)變化信號(hào),信號(hào)信噪比差異在-10～0 dB變化。分集接收處理后的合成信號(hào)增益與兩注入信號(hào)差異信噪比關(guān)系如圖4所示,在兩信號(hào)差異為0時(shí)達(dá)到最佳合成效果,兩天線分集增益可達(dá)到約3 dB。隨著天線輸入信號(hào)差異增大,合成增益會(huì)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(guān)系

進(jìn)一步給出兩信號(hào)輸入信噪比在-5～10 dB范圍變化時(shí),兩天線分集合成信號(hào)與兩信號(hào)分別輸入后輸出信號(hào)的信噪比,如圖5所示?？梢?兩路信號(hào)信噪比差異不大時(shí),分集合成增益接近3 dB。四天線分集合成是在兩天線基礎(chǔ)上進(jìn)一步疊加而成,通過以上對(duì)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(hào)與單個(gè)信號(hào)輸出信噪比

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)室有線測(cè)試

對(duì)所設(shè)計(jì)的升空通信中繼系統(tǒng)的分集接收效果進(jìn)行有線測(cè)試。首先從4個(gè)天線端口輸入單載波信號(hào),未經(jīng)分集接收合成的單路信號(hào)與4通道合成后的信號(hào)如圖6所示。其中,單路載波接收信號(hào)經(jīng)直接轉(zhuǎn)發(fā)后信噪比為C/N=79.58 dB,4路分集接收合成信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)后信噪比達(dá)到C/N=84.72 dB,合成增益5.14 dB。

(a)未分集接收

進(jìn)一步將正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)調(diào)制信號(hào)輸入4個(gè)天線端口,如圖7所示,可看到分集接收合成信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量明顯優(yōu)于單路接收信號(hào),信號(hào)星座圖更清晰,相位誤差等指標(biāo)也得到了明顯改善。

(a)未分集接收

3.2 海上實(shí)測(cè)試驗(yàn)

將應(yīng)用了四天線分集接收技術(shù)的升空通信中繼系統(tǒng)加裝到直升機(jī)上,天線分布于機(jī)身兩側(cè),左右各兩個(gè)接收天線,加裝完成后進(jìn)行海上通信中繼試驗(yàn)。同時(shí),為對(duì)比應(yīng)用所設(shè)計(jì)四天線分集接收技術(shù)的通信中繼系統(tǒng)與未使用分集接收技術(shù)通信中繼系統(tǒng)的性能差異,在試驗(yàn)海域布置了1號(hào)中繼站(編號(hào)116,分集)、2號(hào)中繼站(編號(hào)111,未分集)、3號(hào)中繼站(編號(hào)115,分集)和4號(hào)中繼站(編號(hào)112,未分集)。

如圖8所示,在海上試驗(yàn)過程中,選擇14號(hào)目標(biāo)發(fā)送的位置數(shù)據(jù)作為各中繼站的接收數(shù)據(jù),基帶數(shù)據(jù)發(fā)送速率為2 Mb/s,對(duì)各中繼站接收數(shù)據(jù)的完整性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如表1所示?？梢?應(yīng)用四天線分集接收技術(shù)的升空通信中繼系統(tǒng)在數(shù)據(jù)接收完整性上有明顯提高,相對(duì)未使用該技術(shù)的通信中繼系統(tǒng),數(shù)據(jù)完整性提升了10%～20%。相關(guān)差異也表現(xiàn)在圖8所示的14號(hào)目標(biāo)直線軌跡連續(xù)性中。

表1 各中繼站接收數(shù)據(jù)完整性

(a)111中繼站接收數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

本文針對(duì)海上升空通信中繼系統(tǒng)存在的接收信號(hào)多徑衰落問題,提出了采用四天線分集接收技術(shù)提升接收信號(hào)質(zhì)量的方法,并給出了相應(yīng)的FPGA實(shí)現(xiàn)方案。通過仿真分析給出了所提出的分集接收技術(shù)的預(yù)期性能,進(jìn)一步在實(shí)驗(yàn)室有線測(cè)試和海上實(shí)測(cè)試驗(yàn)中驗(yàn)證了其有效性。