適用于戰術通信的信號同步檢測算法研究

摘要：信號同步檢測算法是無線通信建立的基礎，其性能決定了無線通信系統性能的下限。戰術通信的信道環境覆蓋范圍廣闊、復雜多變，同時戰術通信大多為非視距通信。因此對信號同步檢測提出了較高要求。本文分析了不同的信號同步檢測算法的原理、技術特點，并給出了性能對比分析，為不同戰術通信系統信號同步檢測算法的選擇提供了參考，最后給出了其在戰術通信系統的應用前景。

關鍵詞：戰術通信；信號檢測；同步

一、引言

在無線通信領域，信號同步檢測是數據傳輸的基礎，并且是整個無線通信系統建立的基礎。無線信號同步檢測性能的好壞直接決定了整個無線通信系統傳輸性能的下限。戰術通信系統通常部署于山岳叢林環境等缺乏視距通信條件的地區，因此對信號同步檢測性能提出了較高要求。

通常，同步信號采用插入已知信號的方式，發射機發射已知序列，接收端通過對接收的無線信號進行信號搜索，完成信號的同步檢測[1]。本文分析了不同的同步序列和信號調制算法在無線信道環境下的性能，給出了不同算法的性能曲線，為選擇戰術通信環境下的信號同步檢測算法奠定基礎。

二、基于PN序列的BPSK調制搜索算法（PN-BPSK）

基于PN序列的BPSK調制搜索算法在發射端采用PN信號進行BPSK調制，PN序列的0和1分別對應BPSK的相位0o和180o。典型的PN調制信號如下所示。接收端通常采用基于滑動窗的信號相關檢測算法，算法定義如式（1）所示：

（1）

其中，共軛Si*表示本地信號，yi+n表示接收機采樣信號，Cx（n）表示接收采樣信號與本地信號的相關值。通過對Cx（n）進行判決來決定是否檢測到信號。

不同長度的PN序列在AWGN信道條件下的性能仿真結果如圖1所示。

從圖1可以看出，隨著PN序列長度的增加，在相同信噪比下，同步檢測丟失概率逐漸降低。然而，檢測算法表達式也表明，PN長度越長，檢測計算復雜度就越大。因此，在實際工程應用中，一般會選擇PN長度為64-128之間。此外，圖1還展示了不同的Cx（n）閾值的同步檢測概率，相同長度的PN序列，當閾值降低時，同步檢測丟失概率會相應降低。

圖1 " PN-BPSK調制同步檢測丟失概率

圖2顯示了同步檢測方差隨著PN序列長度和信噪比的變化情況。同步檢測方差用于衡量同步信號檢測的準確度，方差越大，準確度越低。

隨著PN序列長度的增加，相同信噪比下的同步檢測準確度逐漸提高。同時，信噪比的變化也會影響準確度。特別是在序列長度較短的情況下，隨著信噪比的降低，同步檢測性能急劇下降。

圖2 " PN-BPSK調制同步檢測方差

三、基于PN序列的CPM調制搜索算法（PN-2CPM）

基于PN序列的CPM調制搜索算法將PN信號采用二進制CPM調制，由于CPM調制信號為恒包絡信號，因此往往可以獲得比BPSK調制更多的輸出功率。發射端CPM信號的表達式[2]如（2）所示。

（2）

其中，fc為載波頻率，φ0為初始相位，φ（t，I）是以（t，I）為自變量的隨機相位，定義如式（3）所示。

（3）

其中，{Ik}是M進制的信息符號序列，其取值范圍為Ik∈{±1，±3，…，±（M-1）}，發送PN列時M=2，Ik=±1。

接收端進行信號檢測時首先進行差分解調輸出相位信息，然后相位信息與本地序列進行軟信息匹配濾波，根據匹配濾波的能量高低判斷信號是否被同步檢測。

接收端差分解調算法[3]如式（4）所示。

（4）

其中，cosφi表示接收I路信號第i個采樣點，sinφi表示接收Q路信號第i個采樣點。接收端匹配濾波的表達式如式（5）所示。

（5）

PN為本地參考序列，X為匹配濾波能量值。

圖3給出了該算法不同的PN序列長度在AWGN信道下的性能仿真結果。

圖3 " PN-2CPM調制同步檢測丟失概率

由圖3可以看出，與PN-BPSK類似，隨著PN序列的變長，同步檢測丟失概率降低，但是其SNR性能低于PN-BPSK算法。閾值設置的影響與PN-PSK算法相同，越低的閾值產生了越高的同步概率。

圖4 " PN-2CPM調制同步檢測方差

PN-2CPM的準確度趨勢與PN-BPSK類似，但從SNR性能來看，差距在4-8dB。

四、基于ZC序列的隨機相位調制時域搜索算法（ZC-RPTD）

基于ZC序列的隨機相位調制搜索算法在發射端采用ZC信號進行發射。由于ZC序列是在單位圓上隨機取得相位點，因此可以視為一種隨機的相位調制。采用ZC序列的檢測算法與PN-BPSK類似，算法定義如式（6）所示。

（6）

與PN序列不同的是，PN序列的取值只有0和1兩個值，而ZC序列由于是相位值，因此其取值范圍為[-1，+1]，因此上式中的分子乘法就變成了復數乘法，其計算復雜度急劇上升。但是由于ZC序列在做同步檢測的同時，還可以用于其他的訓練序列（如信道估計等），因此即使計算復雜，但其復用特性降低了無線資源的開銷。

不同長度的ZC序列在AWGN信道條件下性能仿真結果如圖5所示。

圖5 " "ZC-RPTD同步檢測丟失概率

從圖5可以看出，基于ZC序列的同步檢測算法性能與PN-BPSK檢測算法性能極為接近，但是其計算較為復雜，通常如果系統中ZC序列有其他用途的復用設計，則可以選擇該算法。

圖6 " "ZC-RPTD同步檢測方差

盡管從丟失概率上來看，ZC-RPTD的性能與PN-BPSK極為接近，但在準確度上卻有所下降，但其兩個性能皆好于PN-2CPM算法。

五、基于ZC序列的隨機相位調制頻域搜索算法（ZC-RPFD）

與ZC-RPTD算法不同，該算法的匹配相關是在頻域進行，因此接收信號需要首先進行FFT運算。算法定義如式（7）所示。

（7）

其中，Si*為本地ZC信號FFT計算后信號的共軛，與ZC-RPTD算法相比，由于FFT計算的引入，其計算復雜度進一步提高。

不同長度的ZC序列在AWGN信道條件下性能仿真結果如圖7所示。

從圖7可以看出，ZC-RPFD算法的同步檢測性能極為優異，復雜度的提升也帶來了優良的性能提升。在極低的SNR下，依然保持很低的同步檢測丟失概率。

雖然ZC-RPFD算法的復雜度極高，但除了同步檢測概率的性能優異之外，其檢測準確度也極高，與前面所述三種算法相比，其性能大幅提升。

六、結束語

本文分析了四種同步檢測算法的原理和性能，四種算法的對比如表1所示。由表1可以看出，四種算法在不同領域的表現存在差異。因此，在戰術通信中，可以根據信道環境不同，選擇不同的同步檢測算法或它們的組合。

作者單位：徐子龍 陳咪 王健 中國電子科技集團公司第七研究所

參 "考 "文 "獻

[1]金紅軍.超短波遠距離山區通信關鍵技術研究[J].通信技術，2012，46（06）： 22-25.

[2]鄒勝福，陶建軍，胡飛.連續相位調制（CPM）系統的參數選擇研究[J].通信技術，2017，50（2）：224-231.

[3]陳沛，黃焱，鐘凱.低復雜度的CPM信號聯合定時和序列檢測算法[J].信號處理，2014，30（02）：189-196.