MF-TDMA信號的檢測方法研究﹡

陳相登， 雷 菁， 劉 偉

（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子與工程學(xué)院，湖南 長沙 410073）

0 引言

MF-TDMA[1]體制采用頻分和時分相結(jié)合的二維多址方式，利用頻率跳變發(fā)送和接收、變速率以及虛電路技術(shù)可以實現(xiàn)大小終端間針對不同種類業(yè)務(wù)的靈活組網(wǎng)[2]，極大地提高了通信鏈路的利用率。終端在網(wǎng)絡(luò)控制中心分配給自身的每一個時隙內(nèi)，以突發(fā)的形式進行數(shù)據(jù)傳輸。

在組網(wǎng)通信時，各個終端的回傳的MF-TDMA信號在主站接收端疊加在一起，文中提出了如何在多路混疊的MF-TDMA信號分離出各單路信號并對各單路MF-TDMA信號進行參數(shù)估計的方法。

1 MF-TDMA信號的特點及仿真生成

MF-TDMA按組網(wǎng)方式的不同，可以分為時隙和帶寬固定的 Fixed-slot MF-TDMA系統(tǒng)以及時隙和帶寬按需分配的 Dynamic-slot MF-TDMA系統(tǒng)[1]，兩種MF-TDMA組網(wǎng)方式具有一定的相同點，主要有以下幾個方面：一是每個時隙內(nèi)不同用戶在不同的載波上，每個用戶在同一時隙內(nèi)只能占用一個載波；二是同一用戶在相鄰的時隙內(nèi)載波可以跳變；三是所有用戶的載波頻率集是相同的。但也有明顯的不同點：Fixed-slot MF-TDMA方式下,每個時隙長度相同，接收端收到的信號都是不同終端信號在相同長度的時隙內(nèi)的疊加，疊加后信號的持續(xù)時間能夠反映系統(tǒng)的時隙分配情況；Dynamic-slot MF-TDMA方式下，由于每個載波上的時隙分配不一致，疊加后信號的持續(xù)時間不能夠反映系統(tǒng)的時隙分配情況。如圖1所示（假設(shè)有兩個終端在通信）。

圖1 兩種MF-TDMA模式下終端的跳頻圖案

每個時隙都由 3部分組成：包括保護時間（Guard Time）、前導(dǎo)符(Preamble)和凈負(fù)荷(Payload)[3]，如圖2所示。

圖2 時隙的構(gòu)成

文中按照MF-TDMA信號的形成原理在simulink中實現(xiàn)了較低頻率下的兩種MF-TDMA信號的仿真[4]。其中Dynamic-slot MF-TDMA信號仿真參數(shù)如表1所示。根據(jù)仿真參數(shù)，在simulink中搭建了仿真平臺，如圖3所示。

仿真平臺利用PN Sequence Generator控制每一路信號每個時隙信號的有無,利用fr_control變量實現(xiàn)突發(fā)信號格式形成的控制，并確保在每個時隙的保護時間內(nèi)沒有數(shù)據(jù)發(fā)出。跳頻載波由M-FSK模塊產(chǎn)生，數(shù)據(jù)調(diào)制方式采用π/4QPSK。調(diào)制后的π/4QPSK信號和跳頻載波相乘，得到 MF-TDMA信號，每路信號都在scope里進行顯示。由于文中只涉及到對MF-TDMA信號的分離與估計，沒有涉及到對信號的解調(diào)，preamble和payload都用隨機數(shù)來代替，這并不影響文中所提出的信號分離和估計方法的使用。

表1 dynamic-slot MF-TDMA信號simulink仿真參數(shù)

圖3 MF-TDMA信號仿真平臺

根據(jù)以上仿真參數(shù)和仿真平臺，對兩種MF- TDMA信號進行了仿真生成。由于篇幅關(guān)系，文中只給出Dynamic-slot MF-TDMA信號的仿真圖，如圖4所示。

圖4 Dynamic-slot MF-TDMA信號

2 基于ICA分離的MF-TDMA信號分離

一般情況下接收到的MF-TDMA信號是多路信號的混疊，還不能確定混疊后的信號分別來自哪些終端，所以要進行信號分離。而信號的有無檢測是進行信號分離的前提，信號的有檢測算法主要有能量檢測算法、雙滑動窗口法、自適應(yīng)調(diào)整門限算法、短時自相關(guān)法和一種利用信號前導(dǎo)字的實時的頻域檢測算法[5]，由于篇幅的關(guān)系，文中不做介紹。接收端要在沒有任何源信號的先驗知識的的基礎(chǔ)上對混合信號進行分離。獨立分量分析（ICA，Independent Component Analysis）是為了解決信號分離問題而發(fā)展起來的，使用條件是各個源信號彼此是相互獨立的，多路MF-TDMA信號中各個終端發(fā)出的 MF-TDMA信號之間是統(tǒng)計獨立的，因此文中提出用ICA算法進行源分離。

若同一時刻有兩個接收機同時記錄下了兩個終端的信號，則每個接收機所獲得的信號形式應(yīng)該為兩個信號的線性加權(quán)和。令兩個接收機記錄的信號為 )2,1)(( =itxi，兩個不同方位的終端信號為，則：

ICA算法目前有快速算法，F(xiàn)astICA算法適宜于實時處理場合，計算量小，收斂速度較快，所以文中采用FastICA算法進行信號分離。

對混疊的兩路MF-TDMA信號進行源分離后結(jié)果如圖5所示（橫坐標(biāo)表示采樣點數(shù)，單位為10 000點）。從圖中可以看出，ICA信號處理的方法存在兩個不確定性：尺度不確定，即分離信號的幅度會和原信號有所出入；次序不確定性，即分離信號的次序在缺乏先驗知識的情況下, 無法與原信號一一對應(yīng)。但是這兩個不確定性并不會影響到后續(xù)對信號特征的提取與識別[6]。

ICA的任務(wù)就是尋找一個解混矩陣 B，使得

圖5 FICA算法對Dynamic-slot MF-TDMA混疊信號的分離

3 MF-TDMA信號的特征提取與識別

分離后的信號都是獨立的各終端的跳頻信號，對跳頻信號的檢測和參數(shù)提出的方法有 STFT,SPWVD和小波變換等。SPWVD和小波變換雖然精度較高，但是的實時性不是很高。對于STFT來說，它最大的好處是計算速度快，只要窗長合適，對頻率值的估計精度較髙，但是，由于受到窗長對時間分辨率的影響，對于跳變時刻的估計不夠準(zhǔn)確。這個不足，可以再次對每路信號采用短時能量算法來進行彌補。

對分離后的兩路MF-TDMA信號進行STFT變換，窗口長度為128，步長為64，仿真結(jié)果如圖6所示（圖6中的頻率單位為10 000 Hz，時間單位為s）。從圖 6(d)上可以看出，終端信在 0～0.2 s內(nèi)載波是500 Hz,在0.2～0.4 s內(nèi)載波是4 500 Hz,在0.6～0.8內(nèi)是6 500 Hz,在1.2～1.4 s內(nèi)載波是1 500 Hz,在1.4～1.6 s內(nèi)是2 500 Hz。

圖6 分離后其中一路MF-TDMA信號的時頻分析

4 結(jié)語

文中對MF-TDMA信號的特點進行了分析，對兩種體制的MF-TDMA信號進行了深入的研究[7-8]。利用simulik工具，對兩種MF-TDMA的信號進行了仿真。對仿真信號生成的基礎(chǔ)上，利用 FICA算法對多路MF-TDMA混重疊信號進行了分離，并利用STFT算法對分離后的單路MF-TDMAW信號進行了參數(shù)估計，通過對分離后的終端信號進行時頻分析，估計出了跳頻參數(shù)。

[1] ETSI. Digital Video Broadcasting (DVB),Interaction channel for satellite distribution systems[EB/OL].(2009-05-01) [2012-10-10]. http://pda.etsi.org/pda/queryform.asp.

[2] 賀軍,彭華.MF-TDMA信號檢測和參數(shù)估計系統(tǒng)[J].通信技術(shù),2008(09):32-33.

[3] ETSI. Digital Video Broadcasting (DVB);Interaction channel for Satellite Distribution Systems;Guidelines for the use of EN 301 790[EB/OL].(2009-07-20)[2012-10-15].http://pda.etsi.org/pd a/queryform. asp.

[4] 周靖宇,田書林.利用Simulink及AWG產(chǎn)生擴跳頻通信信號的方法[J].中國測試,2011,37(01):74-76.

[5] 鄭金良.衛(wèi)星突發(fā)信號解調(diào)技術(shù)研究與實現(xiàn)[D].南京:中國人民解放軍信息工程大學(xué),2006.

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[7] 楊杰.MF-TDMA體制下載波信道管理[J].通信技術(shù),2011,44(07):10-12.

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