非線性信道下接收天線擇優(yōu)的算法研究

吳平，金榮，車志超

（1 中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068; 2 空裝駐西安軍事代表室，西安 710068）

0 引言

在通信設備的研制過程中，當接收大電平信號時，往往存在接收漏組率和誤碼率超標等接收性能下降現(xiàn)象。引起這類故障的原因也很復雜。一般來說，有硬件因素，也有軟件因素。因此，出現(xiàn)上述故障，不能輕易下結論是由于某個因素造成的。事實上，它是多種因素共同作用的結果。在實際工作中，考慮到時間及成本等多種因素，通過優(yōu)化算法，修改軟件，達到消除上述故障的目的。無疑，這種代價是最小的。下面，我們就某一通信設計進行討論。

1 通信設備接收組成原理

該通信設備采用寬間隔跳頻，具有極強抗干擾、低截獲能力。

與通信設備接收相關組成模塊組成包括：天線控制單元、非線性接收機、信號處理模塊。模塊組成及原理框圖見圖1。

（1）天線控制單元：主要由環(huán)形器、天線選擇開關等組成，主要完成上、下兩路天線的接口與信號選擇功能。

（2）非線性接收機：完成接收信號的非線性放大、解調處理等。

（3）信號處理模塊：主要由FPGA和DSP電路組成，由軟件邏輯算法完成天線捕獲、天線選擇、同步和信息處理功能。

2 影響通信設備大電平信號接收性能的因素

2.1 硬件因素

可能影響通信設備大電平信號接收性能的硬件性能包括天控開關隔離度、接收機動態(tài)范圍、信息解調精度等幾方面。

圖1 通信設備接收原理框圖

上、下天線的接收信號經(jīng)過環(huán)形器完成收發(fā)信號分離，送至天線選擇開關。天線選擇開關完成信號的選擇，并將兩路信號中的一路送至接收機。由接收機完成解調，恢復信息。

2.2 軟件因素

信號處理軟件完成接收處理中捕獲、同步及信息解調等過程各個環(huán)節(jié)的控制，包括對天控單元的轉向設置，雙天線選擇策略及同步算法和解調算法等，其優(yōu)劣將直接影響接收性能指標。

3 故障機理

在實驗室測試條件下，端機上下天線端口一路通過射頻電纜連接信號源，另一路連接負載。當信號源輸出大電平信號時，由于天控單元的耦合，會在天控選擇開關另一路輸出接口產(chǎn)生耦合信號。耦合信號電平強度由隔離度頻響曲線決定。天線選擇開關耦合示意圖見圖2。

圖2 天線選擇開關耦合示意圖

由天控單元隔離度頻響曲線（見圖3），可以看出耦合信號的電平在工作頻段內是不平坦的，會導致隨機跳頻工作的通信設備，在工作頻帶內部分頻點性能較差。由于用于捕獲的頻點較少，同步和信息解調的頻點較多，導致可能出現(xiàn)可完成捕獲但無法完成同步和信息解調的情況，影響接收性能。

4 軟件接收處理中的天線選擇策略

通信設備接收機同一時刻僅具備一路信號接收處理能力，這需要通信設備在上下天線兩路接收信號中選擇一路完成信號的接收，天線選擇策略用于完成這項工作，其直接決定了通信設備用于接收信息的信號來源，進而影響通信設備的接收性能。

4.1 天線捕獲即鎖定

“天線捕獲即鎖定”：通信設備完成捕獲時直接選擇當前天線。這種天線選擇策略優(yōu)點在于可以迅速鎖定天線，利用的脈沖數(shù)量少。其缺點在于沒有天線優(yōu)選能力，抗干擾能力差。這個問題在通信設備集成在小型飛機平臺應用中，影響了在某些條件下通信設備的接收性能。

4.2 天線擇優(yōu)、精同步一體完成

“天線擇優(yōu)、同步一體完成”具體方法是：完成捕獲后，在后續(xù)同步脈沖段掃描天線，選擇質優(yōu)的天線鎖定，同時完成同步和天線擇優(yōu)鎖定。

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圖3 天控的隔離度頻響曲線

4.2.1 天線選擇策略的理論分析

天線擇優(yōu)實際上牽涉到信號統(tǒng)計檢測理論，我們知道，通信設備在工作過程中，盡管向空間發(fā)射的是已知的規(guī)則信號，但是它的接收系統(tǒng)卻必須在有噪聲的情況下，檢測起伏變化的信號。接收機的任務就是要在有限的觀察時間內，按一定的步驟對從輸入波形x(t)取得的抽樣值序列x=x1,x2,… ,xn進行分析和判斷，得出相應的結論?！芭袛唷币话惴譃閮煞N情況：一種情況是確定信號是否存在，通常稱為“信號檢測”；另一種情況是確定信號的某一個或某幾個參量的數(shù)值，稱為“信號參量估值”，典型的參量有振幅、相位、頻率、信號的時延等等。

對信號參量的估計就必然涉及到采用的信號檢測準則。通常講，貝葉斯準則、極小極大準則及尼曼-皮爾遜準則用法較多。涉及到本文討論的接收處理，有兩個可觀測參量：接收脈沖個數(shù)及脈沖落點時刻。在接收信號處于小信號范圍內，只有來自于與接收機相連的天線信號才能被有效放大及處理，而不相連的另一路天線信號通過泄露極其微弱，低于極限靈敏度，這種情況的處理很簡單。但在接收信號處于大信號范圍內，上下兩路天線的信號都能被檢測到，要確定出信號究竟來自于哪一路就困難了。

4.2.2 天線選擇策略缺陷

天線擇優(yōu)的難點是信號質量的優(yōu)劣判斷，理想的評判標準是信號的電平和信噪比參數(shù)。對于非線性通道的通信設備，很難精準地直接觀測信號電平和信噪比，需采用間接方法進行測量和評判。本案通信設備選用基于同步脈沖解調的有效個數(shù)和信息離散度（脈沖落點時刻）兩個測量參數(shù)進行判決。

為排查問題搭載測試環(huán)境如圖 4。信號源和通信設備用射頻電纜連接，分別用示波器、開發(fā)器進行狀態(tài)信號觀測、軟件跟查及數(shù)據(jù)采集，在大電平信號下測試通信設備接收天線選擇策略的正確性。

圖4 軟件性能排查環(huán)境

“離散度優(yōu)先策略”，是根據(jù)同步脈沖解調的離散度進行擇優(yōu)選擇。詳細地說，即利用同步脈沖在上下天線各進行多次重復接收，根據(jù)解調信息離散區(qū)間范圍大小進行比較判定。優(yōu)先選擇區(qū)間范圍小、離散度低的天線。

觀察在不同信號電平下的解調信息及其分布，發(fā)現(xiàn)在兩路信號電平均在靈敏度范圍內時，或僅有一路信號在靈敏度內時，“離散度優(yōu)先策略”具有良好的性能。當存在一路信號電平臨界時，“離散度優(yōu)先邏輯”存在缺陷，無法可靠的識別。

具體現(xiàn)象是：發(fā)現(xiàn)在臨界天線上，同步脈沖輸出個數(shù)較少，因其統(tǒng)計個數(shù)少，可能獲得較小離散度；在較好天線上，相關峰輸出個數(shù)較多，但可能有較高離散度，離散度在此條件下無法正確反映信號質量，導致判決失敗。

4.2.3 天線選擇策略改進

對天線選擇策略進行改進，采用接收個數(shù)優(yōu)先策略。在大信號電平下進行對比測試，記錄漏包數(shù)和誤碼數(shù)。結果如表1所示。

表1 天線選擇策略改進對比測試結果

測試結果表明：信號處理軟件天線選擇策略由“離散度優(yōu)先策略”改為“有效脈沖個數(shù)優(yōu)先策略”時，大電平信號條件下天線誤鎖明顯改善，接收漏組及誤碼明顯下降。

5 同步算法缺陷分析及改進

進行進一步分析發(fā)現(xiàn)同步處理軟件中存在設計缺陷。在“天線捕獲即鎖定”中，由于捕獲和后續(xù)的同步均在同一天線上完成，同步解算將捕獲過程觀測數(shù)據(jù)作為同步解算的起點，進行同步過程。這種處理方法快捷、簡單，有利于提高解算精度。

在“天線擇優(yōu)、精同步一體完成”中，為實現(xiàn)天線的擇優(yōu)選擇，將捕獲與同步分別完成。捕獲和同步可能并不在同一天線上完成。存在同步錯誤的使用另一路天線信號捕獲數(shù)據(jù)進行同步，由此引入了系統(tǒng)誤差，影響性能。

對信號處理軟件精同步算法進行改進，剔出捕獲數(shù)據(jù)帶來的精度影響因素，進行重復測試。測試結果見表2。

測試結果表明：信號處理軟件同步算法進行改進，利用同步脈沖自身的迭代完成同步解算時，大電平信號條件下接收漏組及誤碼明顯下降。

表2 精同步算法改進對比測試結果

6 天線選擇策略及精同步算法同時改進后情況

對信號處理軟件進行改進，同時進行天線選擇策略、同步算法兩處缺陷進行改進。改進后進行測試。結果見表3。

表3 天線選擇策略及精同步算法同時改進測試結果

經(jīng)測試，在大信號電平下性能改善，沒有出現(xiàn)誤碼及漏包超標。測試結果表明：大電平下漏組誤碼問題是由于信號處理軟件中的天線選擇策略缺陷和精同步算法缺陷共同引起的，通過算法的優(yōu)化可以解決。

7 結束語

通過對以上實例的處理來看，工程中的信號檢測與估值受制于實際條件的限制，無論采用哪一種判決準則都難免有其局限性，達不到理想效果，如果將幾種判決準則結合起來靈活運用卻能收到滿意效果。

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