一種基于2G-ALE中快速信噪比的估計算法

王國波

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510000）

1 2G-ALE鏈路波形簡介

短波通信依靠1.5～30 MHz的電磁波進行信號傳輸，是最早出現(xiàn)并被廣泛應(yīng)用的無線通信方式，至今仍是中遠(yuǎn)距離無線通信的重要手段[1]。短波自適應(yīng)通信以鏈路建立和信道評估以及鏈路維護完全自動化為主要特征，其中又以ALE為核心技術(shù)[2]。2G-ALE是第二代自動鏈路建立的英文簡稱[3]。GJB2077—94標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了短波自適應(yīng)通信系統(tǒng)中自動鏈路建立所采用的波形、信號結(jié)構(gòu)、協(xié)議以及性能等基本要求[4]。ALE信號為標(biāo)準(zhǔn)的單邊帶無線電設(shè)備的音頻信號，其波形具有8個正交單音，每次1個單音（或符號）來實現(xiàn)8FSK調(diào)制[5]。在發(fā)送端，當(dāng)電臺收到命令或數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過8FSK調(diào)制之后，信號以每秒125個單音（或符號）的速率發(fā)送，每個單音持續(xù)8 ms[6]。相鄰頻點的頻率間隔為250 Hz，各音之間相位連續(xù)，從而保證基帶音頻信號占用頻帶最窄，能量更加集中[7]。

基本ALE字由指定的最高有效位（Most Significant Bit，MSB）W1到最低有效位（Least Significant Bit，LSB）W24的24 bit信息組成，分為1個3 bit的報頭和3個7 bit的字符共4個部分[8]。

2 SNR估計算法設(shè)計

2G-ALE采用8FSK調(diào)制，共8個正交單音，每個單音代表3 bit數(shù)據(jù)，包含64個采樣點[9]。根據(jù)探測信號確定同步后，可以分別對每個單音符號進行FFT變換，在頻域計算信號與噪聲功率，以統(tǒng)計該信道上的信噪比。

2.1 同 步

在計算信噪比之前首先要進行同步。根據(jù)其他站發(fā)送的探測信號（包含信息為TO+本址，如TO101，表示對方呼叫本地址），用本地產(chǎn)生的8個單音符號分別與之進行相關(guān)解調(diào)確定初始同步，然后在初始同步的基礎(chǔ)上依次做相關(guān)解調(diào)、滑動窗口譯碼。當(dāng)譯碼正確時，即得到譯碼結(jié)果為TO+本址，則確認(rèn)為真正同步，同時確認(rèn)精確同步位置。

2.2 統(tǒng)計信噪比

從同步位置開始，對探測信號中每64個樣點做一次FFT變換，即對一個單音符號做FFT變換，而在頻域中出現(xiàn)的一個峰值就是信號，噪聲經(jīng)過FFT變換后仍均勻分布在整個帶寬內(nèi)[10]。一個單音信號的64點FFT變換頻域如圖1所示。

圖1 一個單音信號的64點FFT變換頻域圖

將峰值記為信號功率值，其余值之和記為噪聲功率值。依次下去分別統(tǒng)計探測信號49個符號（每個符號64個樣點）上的信號功率和噪聲功率值，疊加之后，計算信噪比為：

式中，SNR表示信噪比，sig_power表示信號功率，noise_power表示噪聲功率。

3 仿真結(jié)果

仿真AWGN信道下信噪比估計的均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE），仿真次數(shù)為1 000，接收端流程如下。首先初始同步；其次滑動解碼精同步；再次從精同步位置開始，每64點做一次FFT，統(tǒng)計信號功率和噪聲功率；最后統(tǒng)計49個64點FFT的功率，累加后計算SNR。

仿真分同步+信噪比估計（高信噪比）和理想同步+信噪比估計（全部信噪比）兩種方案。后一種仿真方案是針對低信噪比時接收端無法同步的情況設(shè)計的。

3.1 同步+信噪比估計

同步+信噪比估計情況下的仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 仿真結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果可見，當(dāng)信噪比大于4 dB時，信噪比估計的RMSE隨著信噪比增加而減小；信噪比較小時，RMSE隨著信噪比增加反而減小。圖2為同步位置與理想同步位置的RMSE，信噪比較小時由于同步位置偏差較信噪比大時要大，導(dǎo)致信噪比估計準(zhǔn)確度降低。

3.2 理想同步+信噪比估計

理想同步+信噪比估計情況下的仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 仿真結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果可見，隨著信噪比增加，信噪比估計準(zhǔn)確度越高。在加性高斯白噪聲、無頻偏信道下，在SNR=-10～10 dB區(qū)間內(nèi)，信噪比估計的RMSE小于1，并且隨著信噪比增大，信噪比估計的RMSE逐漸減小。

上面是在無頻偏的情況下進行的仿真，下面仿真在有固定頻偏情況下的性能。估計信噪比是通過對單音序列進行FFT變換，計算峰值的功率從而計算SNR，因此當(dāng)存在頻偏時，F(xiàn)FT后的峰值位置會隨著頻偏移動。當(dāng)移動位置為整數(shù)時，對SNR估計沒有影響；而當(dāng)移動位置不為整數(shù)時，會發(fā)生信號功率泄露，導(dǎo)致SNR估計出現(xiàn)誤差。由于頻偏影響，同步概率下降，仿真頻偏為10 Hz、60 Hz、120 Hz理想同步下的SNR估計性能，估計信噪比與實際信噪比的絕對差值均值如圖4所示。

圖4 估計信噪比與實際信噪比的絕對差值均值

根據(jù)結(jié)果可見，峰值位置遠(yuǎn)離整數(shù)點的頻偏下（如60 Hz），性能更差，靠近整數(shù)點（如120 Hz）的性能越好。此外，根據(jù)仿真結(jié)果可知，當(dāng)峰值位置遠(yuǎn)離整數(shù)點時，信噪比越高，性能越差。這是由于信噪比較高時，峰值上主要是信號功率，噪聲功率很小，因此當(dāng)存在頻偏影響時，峰值上的信號功率泄露到整個頻域上，峰值位置越遠(yuǎn)離整數(shù)點，泄露得越多。而當(dāng)信噪比較小時，峰值除了信號功率還疊加了該點上的噪聲功率，計算信號功率時是將信號與該點上的噪聲功率一并算上。當(dāng)存在頻偏影響時，峰值上的信號功率有泄露，而該點上的噪聲功率仍在，所以計算的信號功率不如高信噪比時信號功率減小得多?？偟膩碚f，就是信噪比越高，有頻偏影響時信號功率泄露越多，信號功率相對越小，與實際信噪比的差值越大。

4 總 結(jié)

本文針對2G-ALE 8FSK調(diào)制系統(tǒng)，采用對每個單音符號進行FFT頻域功率統(tǒng)計的方式估計信噪比，為LQA提供了一種計算方法，對于現(xiàn)役產(chǎn)品改進和新產(chǎn)品兼容開發(fā)以及提升系統(tǒng)性能具有很大參考價值。