基于导频序列的火箭橇试验遥测抗多径信道编码方法

李鹏勃，马方远，杜剑英，王 茜，刘 鹏

(中国兵器工业试验测试研究院，陕西 华阴 714200)

0 引言

火箭橇是以火箭发动机为动力，沿着专用滑轨运动，可装载被试品和相关测试装置的地面试验设施。以火箭橇试验为基础，模拟导弹加速飞行，通过相关测试，获取导弹飞行状态参数，是导弹研制过程中的重要验证手段。由于火箭橇试验是一种地面试验设施，一方面遥测信号在传输的过程中多径效应会更加明显，遥测接收端在接收无线信号的过程中，由于收到的信号有真实信号、反射信号等，遥测解调时会产生较大的误码率；另一方面作为其动力源的火箭发动机，燃烧产生的火焰中含有高温、高压、湍流等颗粒物，使得遥测信号产生较大衰减(实测衰减20 dB)、频偏和相移，也会导致遥测信号失真、误码率高，影响测试结果。

高速无线数字通信系统中，由于带限发射、信道衰落、多径传输与时延扩展、多普勒扩展等的影响，在接收端会产生严重的码间干扰，增大误码率。为了消除码间干扰，提高通信系统的性能，在接收端需采用均衡技术[1-2]。均衡算法是一种有效补偿调制信号高速通信过程中码间干扰失真的技术。虽然目前的盲均衡算法可以有效解决多径效应的难题，但是在某些特定应用场景或者功率受限等高速通信过程中，仍存在不足。现提出一种基于导频序列的火箭橇试验遥测抗多径信道编码方法，可以有效地克服多径效应对信号产生的影响，提高遥测信号质量，降低误码率。

1 基于导频序列的信道均衡技术

基于导频序列的信道均衡技术，是一种基于训练序列的线性信道估计半盲均衡技术，其方式是根据火箭橇试验情况，通过在每帧数据之间插入一定数量的已知训练序列对信道进行估计，在对信道进行初始化的估计后再发送有效序列，利用被训练序列估计过的信道结果来对有效序列进行一个判决更新，完成均衡任务[3-4]。半盲均衡是一种综合了基于训练序列的线性均衡算法和盲均衡算法优点的信道估计均衡算法。其主要特点就是不仅利用训练序列的信道估计方法，引入少量的已知序列来跟踪信道，同时也利用有效序列的某些特征来进行信道估计[5]。

2 导频序列信道编码方法

基于导频序列的火箭橇试验遥测抗多径信道编码设计方法，在遥测发射端，通过分析以往的火箭橇试验速度、信号传输速率以及多径效应对信号传输带来的影响，结合分析结果对插入导频的信道进行估计，设计导频数据包和信道估计数据结构，选择合适的特殊字序列，采用已知信道特性的MSE均衡算法[6-7]，设计了基于导频序列的火箭橇试验遥测抗多径信道编码技术。

2.1 导频数据包设计

火箭橇试验过程中，由于火箭橇橇体贴地运动，运动速度快，地面反射路径干扰较大，信道特性属于时变频率选择性信道。在单载波体制下，频率选择性导致接收信号中存在严重的符号间干扰，必须进行均衡补偿才能有效提高数据质量。而采用自适应信道盲估计和盲均衡两种方法，需进行复杂的信号分析和计算过程，这两种方法复杂度高、收敛性差且可靠性不足。基于插入导频的信道估计拟采用特殊字辅助进行信道估计，通过设计合适的数据帧结构和插入合适的导频序列，可以简单有效地实现多径信道估计与均衡。

根据典型航空信道特性和以下假设信号参数进行导频数据包设计。信号传输码速率为10 Mbps，符号周期为100 ns，火箭橇试验时运动速度为3Ma(3×340 m/s)，在10 km作用距离下可得出自由空间中，路径的最大延迟时间为33 μs，多径时延扩展100 ns。设计中考虑20%的时延裕量，考虑最大延迟时间为120 ns，时延扩展对应约为1.2个符号周期。

2.2 基于插入导频的航空信道估计

遥测S波段频率为2.2～2.4 GHz，为预留裕量，取最大频率为f=2.4 GHz，假设火箭橇运动速度为3Ma(V=3×340 m/s=1 020 m/s)，则对应的多普勒频率扩展计算为：

(1)

根据多普勒扩展的影响，认为信号在5%多普勒变化周期内，信道的特性是固定不变的，火箭橇橇体运动速度为3Ma，遥测发射机数据信号传输码速率为10 Mbps，多普勒频偏小于8.16 kHz不变的假设下，信道的持续时间间隔为6.13 μs。因此，数据帧总长度应小于6.13 μs，以保证在每个数据包传输间隔内信道特性保持不变，导频完成的信道估计有效。

2.3 信道估计数据结构设计

信号的数据结构可分为信道测量模式和信道跟踪模式两种形式。信道测量模式下发射数据的数据结构为图1所示。

图1 信道测量模式数据结构Fig.1 Data structure of channel measurement mode

信道测量模式下，每两个连续的UW数据之后发送一个有效的数据块VD(valid data)。第一个UW用于消除信道干扰，第二个UW用于进行信道估计。这种结构下数据的块长为：

Nb=2NUW+NVD

(2)

根据信道估计的需求，数据包设计原则为：UW持续时间大于信道时延扩展Td；需要传送的据块长2NUW+NVD的持续时间小于信道相干时间(信道相干时间Tc估算为多普勒扩展20×fd的倒数)，即：

NUW×Tb>Td
Nb×Tb

(3)

式(3)中，Tb为符号周期，Tc为相干时间，Td为信道时延扩展。该设计中：

Tb=0.1 μs

(4)

(5)

有效数据的利用率为：

(6)

该结构相对传统单载波体制频带利用率会有所下降。一般情况下UW的长度约为最大时延扩展的两倍，在该设计中给定的信道条件下，由于信道扩展为Td=0.12 μs，符号周期为0.1 μs，实际中至少需要4～8个符号长度的UW导频才能完成信道估计(此时满足NUW×Tb>Td条件)，对于3Ma运动速度的飞行器，可计算出总数据帧结构长度为：2NUW+NVD=6 130 ns/100 ns≈61 sym，即61个符号组成一个数据帧(实际设计中，考虑运动速度小于最大速度3Ma，那么可取64个符号组成一个子帧)，若取最少4个符号的导频长度，则导频2×UW总长度计算结果为：

NUW×Tb=2×4×0.1 μs=0.8 μs

(7)

若接收机运动速度为1Ma，则其最高的数据效率约为：

(8)

若接收机运动速度为3Ma，则其最高的数据效率约为：

(9)

通过以上计算可以看出，在接收机运动速度不大于3Ma(1 020 m/s)的情况下插入导频的最高传输效率大于70%。当运动速度低于1Ma的运动速度时，可以获得更高的数据传输效率，在该情况下可以通过适当的增加导频UW序列长度，提高信道测量精度。

信道跟踪模式下发射数据具有两种形式的数据结构，信道估计形式和信道跟踪形式，如图2、图3所示。每一个传输帧，帧起始位置采用信道估计形式，其余位置采用信道跟踪形式。每次信道估计仅在帧起始位置进行，其余位置信道特性采用自适应算法进行跟踪。

图2 信道估计形式数据结构Fig.2 Data structure of channel estimation form

图3 信道跟踪形式数据结构Fig.3 Channel tracking data structure

假设，每一个信道估计形式数据结构之后嵌入N个信道跟踪形式数据结构。单个信道估计形式数据结构中包括M个UW块，不包含任何有效数据，此时满足NVD=(M-1)NUW，数据块长为Nb=MNUW。信道跟踪形式数据结构包括一个UW块和一个VD块。有效数据的利用率为：

(10)

当N≫M时，ηVD近似为：

(11)

信道跟踪模式下要求信道在每(N+1)Nb个数据块内变化是缓慢的，在该设计中，给定条件下，信道跟踪模式能够实现的最大有效数据利用率约为91.4%。

在低码率情况下，信道的相对变化速率更快，比如1 Mbps下，信道的相对固定的符号周期数仅为10个符号点，此时信道跟踪模式很难对信道进行有效地跟踪。通过分析对比，采用信道测量模式进行信道估计是一种比较可靠，适应符号速率范围更宽的方式。

信道测量模式数据结构下信道估计的方式为：接收信号的频率响应除以理想UW信号的频域特性。

(12)

2.4 特殊字序列(导频序列)选择

UW序列的选择需使得序列的频谱幅度平坦，以保证信道估计结果的准确性。常用的UW序列包括Chu序列、PN序列以及CAZAC(constant amplitude zero autocorrelation)序列等。

Chu序列满足频谱幅度平坦及周期性自相关仅在偏移为零时不为零的特性，同时可以给出任意长度序列的构造方法。当序列长度N为偶数时，序列满足：

(13)

式(13)中，M与N互质。

当序列长度为奇数时，序列满足：

(14)

取信道最大时延扩展的两倍作为UW序列长度，在10 Mbps速率下，UW持续符号周期数为8，此时Chu序列的频域特性如图4所示。

图4 Chu序列频域幅度特性曲线Fig.4 Amplitude characteristic curve of Chu sequence in frequency domain

2.5 信道均衡设计

信道均衡采用已知信道特性的MSE均衡算法，利用UW序列估计获得信道冲激响应内插到有效信号长度进行信道补偿。在已知当前信号信噪比的情况下，均方误差准则(MSE)均衡器的系数可表示为：

(15)

式(15)中，ωF表示均衡器系数的频域特性，υF表示噪声的功率。

MSE均衡器实现简单，可满足10 Mbps码率、3Ma运动速度遥测信号均衡处理的要求，但是该结构对深度信道衰落信号存在噪声增强的问题，需要结合信道编码获得可靠的接收信号。

采用UW序列进行信道估计能够获得准确的信道估计结果，但是MSE均衡器本身存在当信道深度衰落时性能差的问题。当信道衰落特性为深度零点的时刻，MSE均衡器存在噪声增强的效应，影响接收机性能。橇载遥测发射装置采用纠错能力较强的LDPC编码，遥测接收端通过LDPC译码，能够有效地降低深度衰落的影响，弥补MSE均衡器的不足。所有的设计都是限于自跟踪天线能够满足跟踪指标要求的情况，但是在实际试验过程中，遥测发射装置天线的姿态变化可能会影响跟踪的精度，在跟踪性能较差时，信道均衡将会失效。为克服这种情况，增加系统鲁棒性，可以通过增加异常情况处理，降低数据误码率。另外，均衡器设计采用频域实现，需要进行大量FFT运算，FPGA实现中FFT的处理可采用并行方式进行FFT实现。

3 信道均衡数据帧结构设计计算

通过以上的分析，在信道测量模式下，信道均衡数据帧结构采用每两个连续的UW数据之后发送一个有效的数据块VD(valid data)，第一个UW用于消除信道干扰，第二个UW用于进行信道估计，有效数据长度为7个字节，一共包含Nb=2NUW+NVD=2×4+56=64个符号。

包含有信道估计导频序列的子帧长度为64个符号(8 B)，包括1个字节长度的UW信道估计序列和7个字节长度的有效数据，数据帧总长度设计为128 B，包含8 B的数据帧头和15个连续的子帧序列。该信道估计的数据帧结构如图5所示。

图5 信道估计的数据帧结构Fig.5 Data frame structure of channel estimation

根据图5的数据帧结构设计方案，可计算得到有效数据利用率为：

(16)

可以看出，通过该方法设计的遥测数据帧结构，不但可以获得更高的数据传输效率，还可以提高信道测量精度。

4 结论

本文提出了基于导频序列的火箭橇试验遥测抗多径信道编码方法。该方法根据火箭橇试验速度以及信号传输速率等数据，通过选择合适的特殊字序列，采用已知信道特性的MSE均衡算法，设计信道估计数据结构和信道均衡数据帧结构。理论数据计算表明，该方法可以有效地降低信号误码率，确保试验测试数据准确可靠，提高了测试的可靠性，在近地试验测试中具有更广阔的应用前景。