分集接收技术在海上升空通信中继系统中的应用*

陈书恒,张 鑫,朱倪瑶,赵 勇

(中国人民解放军92728部队,上海 200436)

0 引 言

海上升空通信中继系统主要包括能较长时间停留在一定空域范围的直升机、长航时无人机、浮空气球等平台,以及其搭载的通信中继转发设备。系统升空运行后能够使海上舰船之间、舰船与低空飞行器之间或舰船与地面站之间实现宽带超视距通信,有效地实现海上大范围超视距平台间的无线宽带通信[1-2]。然而,海面波动带来的多径衰落会对无线宽带通信质量造成严重影响[3-5],从而恶化升空通信中继系统的中继效能,甚至导致系统不可用。分集接收技术是一种有效的抗衰落技术途径[4,6],特别是对于宽带通信信号,利用多个天线的空间分集技术可有效减小接收机端的信号衰落深度,提高接收端信噪比[8-10]。

本文利用分集接收技术设计实现了一种抗多径衰落的海上升空通信中继系统。该系统通过安装架的方式在直升机平台底部布设了多个天线组成的天线阵列,通过数字信号处理的方法实现各接收信号的有效合成,增强有用信号,抑制噪声干扰。仿真和试验验证表明,该方法能够有效提升海上升空通信中继系统的接收信号质量,扩展系统中继覆盖范围。

1 分集接收原理与实现

海上升空通信中继系统的主要工作方式和构成如图1所示。

为增强升空通信中继系统信号的强度,保证中继数据的完整性,可采用多天线分集接收技术提升系统信号接收能力,其原理如图2所示。中继系统通过多天线接收中继对象发射的信号,每副接收天线对应一个接收通道,信号在接收通道中采样后进行数字信号处理,实现对多个天线接收信号传输信道参数的提取,并根据信道参数对不同通道接收信号加权合成,实现信号叠加和噪声相消,从而提高信号信噪比。在系统的实际应用过程中,还采用了频率分集技术解决了多天线之间的信号互扰问题。

图2 分集接收技术原理框图

当两个分集天线同时接收相同发射信号s时,两路信号x1(k)和x2(k)可以表示为式(1),其信号时延相差Δk,幅度分别为α1和α2,相位相差φ,噪声分别为n1(k)和n2(k+Δk)。若考虑两个接收天线与信号发射源之间的相对位置关系一致,则不存在多普勒效应引起的频偏差异。

(1)

当两个接收天线间距引入的信号延时远小于数据周期且采样率足够高时,可以近似得到

s(k+Δk)≅s(k)

(2)

分别对两路信号分别按权值w1和w2进行加权合成,合成后信号xc(k)可表示为

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

(3)

根据最大合成信号信噪比准则[6],各天线的权值在相位上使得各信号相位对齐,在幅度上正比于各加权信号幅度和噪声方差的比值时,合成信号信噪比最大,此时有

Angle(w1)=Angle(w2)+ωΔk+φ

(4)

(5)

故合成信号最大信噪比ρopt可表示为式(6),相应合成增益Δρ可表示为式(7)。

(6)

(7)

上述结论易推广到多个天线系统,即对于L个天线阵元合成,合成后可以获得最大合成增益ΔρL为

(8)

利用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)对所设计的分集接收技术进行实现,首先给出两天线分集接收时相应的模块组成,如图3所示。

图3 FPGA实现分集接收模块组成

每路信号经模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)转换为数字信号并送入FPGA后,在FPGA内部进行正交下变频到零中频正交信号,再分别进入数字有限脉冲响应(Finite Impulse Response,FIR)滤波器滤波处理后进入数字自动增益控制(Automatic Gain Control,AGC)稳幅。稳幅后的信号用于对信道进行估计,然后利用估计参数计算各路信号的分集合成权值,并对信号进行加权合成后送入接收机进行信号解调。多于两天线的分集接收均可在该模块组成基础上扩展得到。

综合考虑实现成本和天线安装等因素,本文所设计的升空通信中继系统使用的分集接收天线数量设置为4个。

2 仿真分析

在Matlab中使用数值仿真方法对所提出的分集接收技术进行验证。由于所设计分集接收信号处理的基本单元为两天线分集,首先对两天线分集接收效果进行仿真评估。向两天线分集接收处理仿真模块注入信噪比-20～10 dB范围内变化信号,信号信噪比差异在-10～0 dB变化。分集接收处理后的合成信号增益与两注入信号差异信噪比关系如图4所示,在两信号差异为0时达到最佳合成效果,两天线分集增益可达到约3 dB。随着天线输入信号差异增大,合成增益会下降,但增益仍然大于0 dB。

图4 分集合成增益与差异信噪比关系

进一步给出两信号输入信噪比在-5～10 dB范围变化时,两天线分集合成信号与两信号分别输入后输出信号的信噪比,如图5所示。可见,两路信号信噪比差异不大时,分集合成增益接近3 dB。四天线分集合成是在两天线基础上进一步叠加而成,通过以上对两天线的仿真可知,四天线合成增益理论能够接近6 dB。

图5 分集合成信号与单个信号输出信噪比

3 试验验证

3.1 实验室有线测试

对所设计的升空通信中继系统的分集接收效果进行有线测试。首先从4个天线端口输入单载波信号,未经分集接收合成的单路信号与4通道合成后的信号如图6所示。其中,单路载波接收信号经直接转发后信噪比为C/N=79.58 dB,4路分集接收合成信号经转发后信噪比达到C/N=84.72 dB,合成增益5.14 dB。

(a)未分集接收

进一步将正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)调制信号输入4个天线端口,如图7所示,可看到分集接收合成信号的信号质量明显优于单路接收信号,信号星座图更清晰,相位误差等指标也得到了明显改善。

(a)未分集接收

3.2 海上实测试验

将应用了四天线分集接收技术的升空通信中继系统加装到直升机上,天线分布于机身两侧,左右各两个接收天线,加装完成后进行海上通信中继试验。同时,为对比应用所设计四天线分集接收技术的通信中继系统与未使用分集接收技术通信中继系统的性能差异,在试验海域布置了1号中继站(编号116,分集)、2号中继站(编号111,未分集)、3号中继站(编号115,分集)和4号中继站(编号112,未分集)。

如图8所示,在海上试验过程中,选择14号目标发送的位置数据作为各中继站的接收数据,基带数据发送速率为2 Mb/s,对各中继站接收数据的完整性进行统计分析,结果如表1所示。可见,应用四天线分集接收技术的升空通信中继系统在数据接收完整性上有明显提高,相对未使用该技术的通信中继系统,数据完整性提升了10%～20%。相关差异也表现在图8所示的14号目标直线轨迹连续性中。

表1 各中继站接收数据完整性

(a)111中继站接收数据

4 结 论

本文针对海上升空通信中继系统存在的接收信号多径衰落问题,提出了采用四天线分集接收技术提升接收信号质量的方法,并给出了相应的FPGA实现方案。通过仿真分析给出了所提出的分集接收技术的预期性能,进一步在实验室有线测试和海上实测试验中验证了其有效性。