一种基于相位旋转的短波发射分集技术研究*

（中国电子科技集团公司第三十研究所 成都 610000）

1 引言

短波通信传输距离远，抗毁性强，它常常在国际通信和军事通信等方面具有重要作用［1］。短波通信信道具有时变色散、衰落和干扰严重等特性，严重影响接收信号的质量，导致传统的短波通信可靠性和可通率较低。而采用短波分集技术可以显著提高短波通信可靠性和稳定性［2］。短波分集技术主要分为短波接收分集技术和短波发射分集技术，国内外研究证明短波接收分集技术可以有效地提升短波通信系统可靠性［3～5］。但是在常见的短波分集技术的应用场景中，移动终端由于受到的成本、规模和功率等的限制，通常还是采用单根天线配置。当多天线的基站为发射端，单天线移动端为接收端时，就需要利用发射分集技术来获得分集增益。

Alamouti首先提出了一种发射分集解决方案——空时块编码（space-time block coding，STBC），STBC编码是一种速率为1的正交编码方式，由于两根天线上的发射信号具有严格正交性，因此该分集方案达到了满分集［6］。Tarokh等在Alamouti工作的基础上提出了一种正交空时分组码（orthogonal space-time block code，OSTBC），将其推广到多个发射天线的情况［7］，但是除了Alamouti编码方案外均不能实现全速率传输［8］。Jafarkhani提出一种弱化发射信号之间的正交性实现的准正交空时码，牺牲一定的分集增益以获得全速容量［9］。上述发射分集方案都可以获得极大的性能提升，但是都存在问题：发射天线数目固定，导致动态调整天线数目困难；不同天线之间需要进行同步协调编码，导致发射天线之间组网难度大。这些问题都限制了短波发射分集技术的实际工程应用［10］。

本文提出了一种基于相位旋转的短波发射分集方法，通过对每根天线的发射信号都进行相位旋转，在深衰落信道条件下，可以避免信号遭到静态的破坏性干扰［10］，从而获得性能增益。该方案不再限制发射天线数目，并可以根据实际需求调整发射天线数目，还消除了不同天线协同编码的影响，这极大地降低了短波发射分集系统的复杂度，为短波发射分集技术的研究提供了一种新的思路。

2 基于相位旋转的短波发射分集系统

2.1 系统模型

基于相位旋转的短波发射分集系统框图，如图1所示。

发射端信源比特经过纠错编码、交织后进行PSK/QAM星座映射，然后进行幅度增益和相位旋转，并按照图2帧格式组帧。组帧信号通过成型滤波器得到波形发射信号，最后将发射信号送到短波多天线信道。接收端接收到多发射天线的复合信号，然后将复合信号进行接收端处理，最后得到信源比特数据。

如图2所示，信号帧格式及纠错编码参考美军标 MIL-STD-188-110C［11］，传输数据流主要包括三部分：TLC/AGC部分、同步头部分和数据段部分，以3 kHz带宽下600 b/s速率波形为例，具体参数见表1。

图2 信号帧结构

表1 3 kHz宽带下600 b/s速率波形主要参数

表2 短波信道典型参数

2.2 信道模型

Watterson模型是国际电信联盟无线通信组（ITU-R）推荐的短波通信测试信道模型［12］，该模型每条路径的抽头分别独立地服从幅度的Rayleigh分布和相同的高斯衰减谱，短波信道典型参数如表2所示。考虑到实际的短波信道条件，考虑在多径衰落为2ms、多普勒扩展为1Hz的短波“差”信道（CCIR-Poor）下进行仿真。

3 相位旋转原理

3.1 基于调制符号的相位旋转原理

基于相位旋转的的发射分集方法，关键是对调制后序列Sk进行幅度增益和相位旋转，即序列Sk乘上各自独立的相位旋转序列An[k]ejp(n，k)，得到新的符号序列Xk。Xk的表达式可表示为

图1 基于相位旋转的短波发射系统框图

其中，n为发射天线n的序号，An[k]表示幅度增益，ejp(n，k)表示相位变化。在本文中幅度增益设为恒定值1，即An[k]=1。所以，下文中我们只考虑相位变化，现在我们将序号为n的天线的发射过程作为例子进行说明。信源信号序列经过编码调制后，变为长度为N的复数域符号序列Sn=(S1，S2，…，SN)T，然后对每个发射符号进行相位旋转，得到新的符号序列Xn：

其中，Fn是发射天线n的相位旋转矩阵，对于不同时刻的发送信号而言，其相位旋转矩阵中的元素是不同的。相位旋转矩阵为对角矩阵，我们可以表示为

其中，N表示符号序列长度，矩阵元素pk可以表示为

其中，k表示对角矩阵主对角线上的第k个元素，n表示序号为n的发射天线。

经相位旋转矩阵后，新的符号序列不再分布于星座图固定的点上，而是分布于以原点为圆心，原有信号幅度为半径的圆上，与旋转前星座图分布相比，星座图分布自由度有了明显的提高，可以提供一定的星座图分集增益。

3.2 基于数据帧的相位旋转原理

在基于调制符号的相位旋转的方案中，因为每个调制符号都要进行一次相位旋转，所以这种相位旋转方法会使接收端的均衡过程相当复杂。为降低接收端的复杂度，我们可以采用基于数据帧变化的相位旋转，即对同一发站台的同一数据帧内的调制符号进行相同的相位旋转，而不同数据帧之间的相位旋转相位值不同。基于数据帧变化的相位旋转发射分集示意图如图3所示。

通过对数据帧进行相位旋转，接收端只需要对原始训练序列进行信道估计，这样就可以估计出多个发射信号经过衰落信道后的叠加信道冲激响应，利用信道估计值进行均衡就可以解调出原信号。

图3 基于帧的相位旋转发射分集示意图

4 接收合并处理

接收端接收多根天线的信息时，首先进行合并处理。对于N发射天线的系统，接收端接收到的无噪声的复合信号的基带等效模型z［k］可以表示为

如果信号通过多径衰落信道，传统单发单收系统的波形离散基带信号可以表示为

其中，x(n)表示发射信号；y(n)表示接收信号；ω(n)表示均值为0、方差为σ2的加性高斯白噪声；{h0，h1，…，hL-1}表征了短波信道的离散等效多径传播效应，其多径长度为L。参照式（6），在基于相位旋转发射分集系统中，接收端接收到不同发射天线的信号可以表示为

其中，xm是第m根发射天线的发射信号，可以由式（1）得到；ym(n)表示第m根天线在接收端接收的信号。根据式（5）和式（7），接收端可以通过将来自不同接收天线的信号相加得到复合信号z(n)，可以表示为

在基于相位旋转的发射分集方案中，短波信道的多普勒扩展值取1Hz，对应相干时间为1s。而现有设计系统中的波形每个数据块（未知数据+训练序列）长度为128个符号。经计算，数据块时间远低于1s，我们可以假定在一帧内信道冲击响应保持不变。而每根发射天线在每个数据块的开头插入的训练序列是相同的，所以接收端仅需要对复合信号进行信道估计，求出叠加信道冲激响应，然后对复合信号进行均衡、解调和译码就可以得到原始比特序列。

5 仿真与分析

为了验证基于相位旋转的短波发射技术性能，仿真系统采用基于帧的相位旋转发射分集方案。仿真波形采用表1中的参数设置；采用BPSK调制和块交织，即输入数据块要采用交织块长度的连续比特发送，交织块比特数3072的为长交织，交织块比特数为768的为短交织；仿真中信道采用Watterson信道模型。研究仿真基于以下假设：1）总发射功率相同，并且发射分集中各个天线发射功率相同；2）接收端能够准确估计出叠加信道冲激响应；3）发射天线到接收天线之间的衰落不相关。基于上述条件，系统在不同交织深度和不同信噪比（SNR）环境下的误比特率（BER）曲线如图4，图5所示。

图4 短交织条件下误码率曲线

图4、图5给出了短波“差”信道（CCIR-Poor）下，不同发射天线数的性能对比。从仿真结果看出，采用本文的多天线发射分集方案，相比传统单发单收系统性能得到很大提高。在短交织条件下，当误比特率为10-3时，4发1收有约5.5dB增益，2发1收约有4dB增益；在长交织条件下，当误比特率为10-3时，4发1收有约3dB增益，2发1收约有2dB增益，当误比特率为10-4时，4发1收有约4.5dB的增益，2发1收有约3dB的增益。

图5 长交织条件下误码率曲线

通过上述仿真结果，我们可以得出：本文提出的方法，在恶劣的多径衰落信道条件下可以有效地提高短波通信误码性能，适用于实际的短波通信系统。

6 结语

短波分集技术可以有效提高短波通信性能，但在实际应用中，常常受到设备、场地等条件的限制，不能充分发挥分集技术在短波通信中性能的优势。本文提出基于相位旋转的发射分集方法，降低了短波发射分集对发射天线数目和不同天线之间协同编码的要求，为实际工程应用提供了一种有效途径。文中最后仿真分析了该方案在短波信道模型下的性能，仿真结果表明：在短波“差”信道的条件下，基于相位旋转的发射分集可以有效地改善短波通信系统的误码率性能，具有实际工程参考价值。