非线性信道下接收天线择优的算法研究

吴平，金荣，车志超

（1 中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068; 2 空装驻西安军事代表室，西安 710068）

0 引言

在通信设备的研制过程中，当接收大电平信号时，往往存在接收漏组率和误码率超标等接收性能下降现象。引起这类故障的原因也很复杂。一般来说，有硬件因素，也有软件因素。因此，出现上述故障，不能轻易下结论是由于某个因素造成的。事实上，它是多种因素共同作用的结果。在实际工作中，考虑到时间及成本等多种因素，通过优化算法，修改软件，达到消除上述故障的目的。无疑，这种代价是最小的。下面，我们就某一通信设计进行讨论。

1 通信设备接收组成原理

该通信设备采用宽间隔跳频，具有极强抗干扰、低截获能力。

与通信设备接收相关组成模块组成包括：天线控制单元、非线性接收机、信号处理模块。模块组成及原理框图见图1。

（1）天线控制单元：主要由环形器、天线选择开关等组成，主要完成上、下两路天线的接口与信号选择功能。

（2）非线性接收机：完成接收信号的非线性放大、解调处理等。

（3）信号处理模块：主要由FPGA和DSP电路组成，由软件逻辑算法完成天线捕获、天线选择、同步和信息处理功能。

2 影响通信设备大电平信号接收性能的因素

2.1 硬件因素

可能影响通信设备大电平信号接收性能的硬件性能包括天控开关隔离度、接收机动态范围、信息解调精度等几方面。

图1 通信设备接收原理框图

上、下天线的接收信号经过环形器完成收发信号分离，送至天线选择开关。天线选择开关完成信号的选择，并将两路信号中的一路送至接收机。由接收机完成解调，恢复信息。

2.2 软件因素

信号处理软件完成接收处理中捕获、同步及信息解调等过程各个环节的控制，包括对天控单元的转向设置，双天线选择策略及同步算法和解调算法等，其优劣将直接影响接收性能指标。

3 故障机理

在实验室测试条件下，端机上下天线端口一路通过射频电缆连接信号源，另一路连接负载。当信号源输出大电平信号时，由于天控单元的耦合，会在天控选择开关另一路输出接口产生耦合信号。耦合信号电平强度由隔离度频响曲线决定。天线选择开关耦合示意图见图2。

图2 天线选择开关耦合示意图

由天控单元隔离度频响曲线（见图3），可以看出耦合信号的电平在工作频段内是不平坦的，会导致随机跳频工作的通信设备，在工作频带内部分频点性能较差。由于用于捕获的频点较少，同步和信息解调的频点较多，导致可能出现可完成捕获但无法完成同步和信息解调的情况，影响接收性能。

4 软件接收处理中的天线选择策略

通信设备接收机同一时刻仅具备一路信号接收处理能力，这需要通信设备在上下天线两路接收信号中选择一路完成信号的接收，天线选择策略用于完成这项工作，其直接决定了通信设备用于接收信息的信号来源，进而影响通信设备的接收性能。

4.1 天线捕获即锁定

“天线捕获即锁定”：通信设备完成捕获时直接选择当前天线。这种天线选择策略优点在于可以迅速锁定天线，利用的脉冲数量少。其缺点在于没有天线优选能力，抗干扰能力差。这个问题在通信设备集成在小型飞机平台应用中，影响了在某些条件下通信设备的接收性能。

4.2 天线择优、精同步一体完成

“天线择优、同步一体完成”具体方法是：完成捕获后，在后续同步脉冲段扫描天线，选择质优的天线锁定，同时完成同步和天线择优锁定。

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图3 天控的隔离度频响曲线

4.2.1 天线选择策略的理论分析

天线择优实际上牵涉到信号统计检测理论，我们知道，通信设备在工作过程中，尽管向空间发射的是已知的规则信号，但是它的接收系统却必须在有噪声的情况下，检测起伏变化的信号。接收机的任务就是要在有限的观察时间内，按一定的步骤对从输入波形x(t)取得的抽样值序列x=x1,x2,… ,xn进行分析和判断，得出相应的结论。“判断”一般分为两种情况：一种情况是确定信号是否存在，通常称为“信号检测”；另一种情况是确定信号的某一个或某几个参量的数值，称为“信号参量估值”，典型的参量有振幅、相位、频率、信号的时延等等。

对信号参量的估计就必然涉及到采用的信号检测准则。通常讲，贝叶斯准则、极小极大准则及尼曼-皮尔逊准则用法较多。涉及到本文讨论的接收处理，有两个可观测参量：接收脉冲个数及脉冲落点时刻。在接收信号处于小信号范围内，只有来自于与接收机相连的天线信号才能被有效放大及处理，而不相连的另一路天线信号通过泄露极其微弱，低于极限灵敏度，这种情况的处理很简单。但在接收信号处于大信号范围内，上下两路天线的信号都能被检测到，要确定出信号究竟来自于哪一路就困难了。

4.2.2 天线选择策略缺陷

天线择优的难点是信号质量的优劣判断，理想的评判标准是信号的电平和信噪比参数。对于非线性通道的通信设备，很难精准地直接观测信号电平和信噪比，需采用间接方法进行测量和评判。本案通信设备选用基于同步脉冲解调的有效个数和信息离散度（脉冲落点时刻）两个测量参数进行判决。

为排查问题搭载测试环境如图 4。信号源和通信设备用射频电缆连接，分别用示波器、开发器进行状态信号观测、软件跟查及数据采集，在大电平信号下测试通信设备接收天线选择策略的正确性。

图4 软件性能排查环境

“离散度优先策略”，是根据同步脉冲解调的离散度进行择优选择。详细地说，即利用同步脉冲在上下天线各进行多次重复接收，根据解调信息离散区间范围大小进行比较判定。优先选择区间范围小、离散度低的天线。

观察在不同信号电平下的解调信息及其分布，发现在两路信号电平均在灵敏度范围内时，或仅有一路信号在灵敏度内时，“离散度优先策略”具有良好的性能。当存在一路信号电平临界时，“离散度优先逻辑”存在缺陷，无法可靠的识别。

具体现象是：发现在临界天线上，同步脉冲输出个数较少，因其统计个数少，可能获得较小离散度；在较好天线上，相关峰输出个数较多，但可能有较高离散度，离散度在此条件下无法正确反映信号质量，导致判决失败。

4.2.3 天线选择策略改进

对天线选择策略进行改进，采用接收个数优先策略。在大信号电平下进行对比测试，记录漏包数和误码数。结果如表1所示。

表1 天线选择策略改进对比测试结果

测试结果表明：信号处理软件天线选择策略由“离散度优先策略”改为“有效脉冲个数优先策略”时，大电平信号条件下天线误锁明显改善，接收漏组及误码明显下降。

5 同步算法缺陷分析及改进

进行进一步分析发现同步处理软件中存在设计缺陷。在“天线捕获即锁定”中，由于捕获和后续的同步均在同一天线上完成，同步解算将捕获过程观测数据作为同步解算的起点，进行同步过程。这种处理方法快捷、简单，有利于提高解算精度。

在“天线择优、精同步一体完成”中，为实现天线的择优选择，将捕获与同步分别完成。捕获和同步可能并不在同一天线上完成。存在同步错误的使用另一路天线信号捕获数据进行同步，由此引入了系统误差，影响性能。

对信号处理软件精同步算法进行改进，剔出捕获数据带来的精度影响因素，进行重复测试。测试结果见表2。

测试结果表明：信号处理软件同步算法进行改进，利用同步脉冲自身的迭代完成同步解算时，大电平信号条件下接收漏组及误码明显下降。

表2 精同步算法改进对比测试结果

6 天线选择策略及精同步算法同时改进后情况

对信号处理软件进行改进，同时进行天线选择策略、同步算法两处缺陷进行改进。改进后进行测试。结果见表3。

表3 天线选择策略及精同步算法同时改进测试结果

经测试，在大信号电平下性能改善，没有出现误码及漏包超标。测试结果表明：大电平下漏组误码问题是由于信号处理软件中的天线选择策略缺陷和精同步算法缺陷共同引起的，通过算法的优化可以解决。

7 结束语

通过对以上实例的处理来看，工程中的信号检测与估值受制于实际条件的限制，无论采用哪一种判决准则都难免有其局限性，达不到理想效果，如果将几种判决准则结合起来灵活运用却能收到满意效果。

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