直升機衛星通信中高動態低信噪比突發解調

龔險峰，劉明洋，惠騰飛,2

（1.中國空間技術研究院西安分院，西安 710100；2.西安電子科技大學ISN 國家重點實驗室，西安 710071）

為了克服旋翼遮擋問題，直升機寬帶衛星通信多采用縫隙通信技術，通過非遮擋縫隙時間內傳輸的數據來恢復信息。具體而言，前向鏈路可采用組幀重發時間分集策略，返向鏈路可采用旋翼同步突發技術［1?3］。2009 年，美國ViaSat 公司研制的直升機寬帶衛通設備應用于黑鷹直升機［1］，前向鏈路采用兩重時間分集傳輸方式，信道利用率達到50%；返向鏈路采用本地控制突發傳輸方式，信道利用率達到65%。2011 年，清華大學為“神舟八號”飛船返回艙搜救任務研制的直升機衛通系統［4］采用信道預測和可變速率編碼技術，返向信道利用率超過75%。可以看出，縫隙通信降低了鏈路利用率，前向鏈路信噪比損失較大（按兩重組幀重發，損失為3 dB），返向鏈路信噪比損失較小（按75%信道利用率，損失為1.3 dB）。但是，對于低速直升機衛星鏈路，由于同時存在旋翼遮擋和高多普勒動態，基于縫隙檢測的短突發信號解調性能較差。因此，有必要尋找新的通信方法，進一步提高前向鏈路利用率和返向鏈路解調性能。

1 系統模型

1.1 直升機衛星通信鏈路特性

當直升機與衛星進行通信時，電磁波在旋翼附近產生衍射效應，對于較低的UHF 和L 頻段，遮擋導致的信號衰落可能達到5～15 dB，而對于較高的Ku 和Ka 頻段，該衰落則更加顯著。遮擋特性與旋翼轉速、載機與衛星的相對位置和姿態、載機槳葉寬度和數量、天線安裝位置等諸多因素有關。由于影響因素眾多，獲取精確的鏈路特性并不容易，為了簡化分析，可以采用簡易直升機信道模型［5］。

簡易直升機信道模型可以由3 個參數確定，分別為遮擋周期Tc、遮擋持續時長Tb、衰落深度Pb，如圖1 所示。其中，遮擋周期是旋轉角頻率與螺旋槳數量之積的倒數；遮擋持續時長取決于旋轉角頻率、天線與螺旋槳軸的距離以及螺旋槳葉片的寬度；衰落深度則與葉片的材質、寬度、通信頻率等參數相關。本文將以簡易直升機信道模型為依據，對算法性能進行評估。

圖1 簡易直升機信道模型Fig.1 Simplified helicopter channel model

1.2 抗旋翼遮擋波形設計

對于突發通信，一般采用帶前導頭的物理層幀結構，便于接收機進行突發捕獲和快速參數同步。但是，當存在旋翼遮擋時，前導頭可能處于深度衰落，因而集中導頻幀結構存在明顯不足。在正交頻分復用通信系統中，通常采用在時域和頻域分散導頻的幀結構，用于跟蹤時變的頻域選擇性信道響應。借鑒上述思路，為了對抗旋翼遮擋，采用分散導頻幀結構輔助接收機同步。如圖2 所示，突發幀長為LF，分成N段，每段長度為LD，包含1 個導頻符號和(LD-1) 個數據符號，下文約定以(LF，LD，N)表示該幀結構所對應的相關參數。

圖2 分散導頻幀結構Fig.2 Decentralized pilots frame structure

在上述幀結構中，為了提高信道交織性能，突發幀長度一般取遮擋周期的2～3 倍以上。導頻間隔LD對旋翼遮擋和多普勒動態的適應能力具有重要影響，增大LD可以提高幀傳輸效率和頻率估計分辨率，但會降低對旋翼遮擋衰落的適應能力，反之亦然。

1.3 解調架構

整個解調架構如圖3 所示，AD 采樣數據經過數字下變頻和濾波后，進行數據緩存。在給定的最大頻偏范圍[ -fmax，fmax]內，以載波同步模塊能夠適應的最大頻偏±fsub為間隔，將整個頻偏范圍等間隔劃分為H個區間，每個區間的中心頻率為fn(n=0，1，…，H-1)，實際頻偏落在其中某一個區間內。考慮到載波速率低，為了降低實現復雜度，可以對每個頻率區間采用時分復用方式進行解調。首先，對緩存數據預補償頻偏fn；然后，經過符號同步、突發捕獲、載波同步、解信道交織以及Turbo 譯碼等處理后，得到H路不同的譯碼輸出軟信息；最后，根據譯碼軟輸出目標函數，從H路譯碼輸出中選擇最優的一路作為最終輸出結果。下文重點介紹突發捕獲算法和譯碼輸出選擇算法。

圖3 突發解調總體架構Fig.3 Overall architecture of burst demodulation

2 高動態低信噪比下的突發捕獲

對于突發信號解調，突發捕獲一般是后續其他參數估計和同步的基礎。由于多個信道參數（如：頻偏、頻率變化率、突發起始等）處于未知狀態，為了降低捕獲難度，一般利用已知的前導頭通過時域相關［6］或者頻域FFT［7］完成突發捕獲。時域捕獲方法實現復雜度低，但是對頻偏的適應能力有限；頻域捕獲對頻偏適應能力較強，但實現復雜度較高。對于分散導頻結構，由于導頻符號間隔為LD，若采用時域相關捕獲，等效于對頻偏的適應能力降低了LD倍，因而更適合采用基于FFT 變換的頻域捕獲方案。

2.1 突發信號的頻域捕獲

經過高斯白噪聲信道傳輸的單載波突發信號，在通過匹配濾波器和理想符號同步后，等效基帶信號可以表示為［8］

（4）對于給定的捕獲門限Jth，如果J≥Jth，則認為捕獲到突發信號；否則，收到下一個符號后，將接收數據向后移動一個符號，然后重復（1）～（4）步。

Michael等用三種可以公開獲得的軟件：RESRAD-BIOTA、R&D128和ERICA評估了德里格(英國塞拉菲爾德后處理廠附近)海灘沙丘對周圍生物的輻射劑量。作者以在沙灘中測量得到的90Sr、99Tc、137Cs、238Pu、239+240Pu和241Am的活度濃度為依據，計算了一系列生物體內的活度濃度和劑量率。通過和實際生物測量結果的對比，作者發現影響計算結果的主要是轉移系數。

上述頻域捕獲算法1 對頻偏不敏感，但是在高多普勒動態下，頻率變化率會導致頻譜幅度出現“平臺效應”［8］，捕獲性能急劇惡化。如圖4 所示，參數(LF，LD，N)為（2 304，12，192）的突發幀，當歸一化頻率變化率為1×10-5時，頻譜峰值特性完全消失。為了解決該問題，可以對頻率變化率進行分區預置，然后多通道并行捕獲，但這會大幅度提高實現復雜度［9］。

圖4 算法1 中頻率變化率對信號頻譜的影響Fig.4 Influence of frequency rate on signal spectrum in Algorithm 1

2.2 聯合頻率變化率估計的頻域捕獲算法

在低信噪比條件下，頻率變化率估計一般需要導頻輔助，因而需要先進行突發捕獲。但是，從2.1節的分析可以看出，在高多普勒動態下，為了滿足頻域突發捕獲性能要求，需要先對頻率變化率進行估計和補償。因此，突發捕獲和頻率變化率估計在處理先后上存在矛盾。本文提出一種聯合頻率變化率估計的頻域捕獲，算法描述如下（算法2）：

（1）當接收到一個新的基帶信號符號r(n)，執行式（2）得到z(n)；

（2）對z(n)進行間隔為M的共軛差分，若不考慮噪聲w(n)的影響，可得

上述算法2 中，在突發起始未知情況下，每接收到一個符號，假定其為突發起始，進行基于導頻輔助的頻率變化率估計和補償，并利用FFT 變換對突發捕獲進行判定。當接收信號導頻符號與本地導頻符號對齊時，頻率變化率估計正確，在進行補償后，消除了其對突發捕獲的影響。如圖5 所示，當歸一化頻率變化率為1×10-5時，頻譜峰值特性與圖4（a）基本一致。

圖5 算法2 中頻率變化率對信號頻譜的影響（歸一化頻率變化率為1×10-5）Fig.5 Influence of frequency rate on signal spectrum in Algorithm 2 (The normalized frequency rate of 1×10-5)

3 基于譯碼軟輸出度量的最優選擇

受頻偏和信噪比影響，G(n)呈現出不同的統計特性。圖6 所示為1 個長度為1 200 的Turbo 碼，在不同的歸一化頻偏和信噪比下，經過10 次迭代后的譯碼軟輸出目標函數統計。

圖6 信噪比和頻偏對目標函數值的影響Fig.6 Influence of SNR and frequency offset on objec?tive function

可以看出，在同一信噪比下，當歸一化頻偏為0 時，G(n)具有唯一的全局最大值，此時譯碼輸出結果具有最低的誤碼率。因此，對于H路譯碼軟輸出g(n)(k)，可以選擇具有最大目標函數值的1 路作為最終輸出結果g(k)（k=0，1，…，Lc-1），即

4 性能評估

通過算法仿真，從誤碼率（Bit error rate，BER）及誤幀率（Frame error rate，FER）兩方面評估直升機旋翼遮擋信道下的接收性能，并與AWGN 信道下的理論性能進行比較，如圖7 所示。

圖7 仿真性能Fig.7 Simulation performance

仿真條件：載波符號速率8 ksps，突發幀參數(LF，LD，N)為（2 304，12，192），調制方式QPSK，Turbo 編碼（碼率1/3、碼長2 112）。頻率變化率2 000 Hz/s，旋翼遮擋周期Tc=40 ms、遮擋持續時長Tb=6 ms、衰落深度Pb=20 dB。

仿真結果表明，在給定的旋翼遮擋信道下，與無遮擋高斯白噪聲信道理論性能相比，誤碼率1E-5 時的解調門限僅提高1.5 dB。與文獻［4］中典型的前向鏈路兩重組幀重發、返向鏈路縫隙突發傳輸方式相比，前向鏈路信噪比損失降低1.5 dB，返向鏈路信噪比損失增大0.2 dB。此外，該算法可以工作在較低的信噪比門限下，且能夠適應高多普勒動態，可以滿足低速直升機衛星通信需求。

5 結論

針對低速直升機衛星通信，提出一種聯合頻率變化率估計的頻域捕獲算法，消除了頻率變化率對捕獲性能的影響。同時，針對基于分散導頻的數據輔助算法頻偏估計范圍較小的問題，采用頻偏分區預置，并根據譯碼軟輸出構建目標函數，選擇具有最大目標函數值的一路作為最終輸出。仿真表明，所述突發解調方法在典型直升機信道環境下，鏈路性噪比損失較小。在衛星處理載荷、直升機衛通終端設備研制中，具有一定的應用前景。