一种基于2G-ALE中快速信噪比的估计算法

2021-07-30王国波

通信电源技术 2021年7期

王国波

（广州海格通信集团股份有限公司，广东广州 510000）

1 2G-ALE链路波形简介

短波通信依靠1.5～30 MHz的电磁波进行信号传输，是最早出现并被广泛应用的无线通信方式，至今仍是中远距离无线通信的重要手段[1]。短波自适应通信以链路建立和信道评估以及链路维护完全自动化为主要特征，其中又以ALE为核心技术[2]。2G-ALE是第二代自动链路建立的英文简称[3]。GJB2077—94标准规定了短波自适应通信系统中自动链路建立所采用的波形、信号结构、协议以及性能等基本要求[4]。ALE信号为标准的单边带无线电设备的音频信号，其波形具有8个正交单音，每次1个单音（或符号）来实现8FSK调制[5]。在发送端，当电台收到命令或数据信息，经过8FSK调制之后，信号以每秒125个单音（或符号）的速率发送，每个单音持续8 ms[6]。相邻频点的频率间隔为250 Hz，各音之间相位连续，从而保证基带音频信号占用频带最窄，能量更加集中[7]。

基本ALE字由指定的最高有效位（Most Significant Bit，MSB）W1到最低有效位（Least Significant Bit，LSB）W24的24 bit信息组成，分为1个3 bit的报头和3个7 bit的字符共4个部分[8]。

2 SNR估计算法设计

2G-ALE采用8FSK调制，共8个正交单音，每个单音代表3 bit数据，包含64个采样点[9]。根据探测信号确定同步后，可以分别对每个单音符号进行FFT变换，在频域计算信号与噪声功率，以统计该信道上的信噪比。

2.1 同步

在计算信噪比之前首先要进行同步。根据其他站发送的探测信号（包含信息为TO+本址，如TO101，表示对方呼叫本地址），用本地产生的8个单音符号分别与之进行相关解调确定初始同步，然后在初始同步的基础上依次做相关解调、滑动窗口译码。当译码正确时，即得到译码结果为TO+本址，则确认为真正同步，同时确认精确同步位置。

2.2 统计信噪比

从同步位置开始，对探测信号中每64个样点做一次FFT变换，即对一个单音符号做FFT变换，而在频域中出现的一个峰值就是信号，噪声经过FFT变换后仍均匀分布在整个带宽内[10]。一个单音信号的64点FFT变换频域如图1所示。

图1 一个单音信号的64点FFT变换频域图

将峰值记为信号功率值，其余值之和记为噪声功率值。依次下去分别统计探测信号49个符号（每个符号64个样点）上的信号功率和噪声功率值，叠加之后，计算信噪比为：

式中，SNR表示信噪比，sig_power表示信号功率，noise_power表示噪声功率。

3 仿真结果

仿真AWGN信道下信噪比估计的均方根误差（Root Mean Square Error，RMSE），仿真次数为1 000，接收端流程如下。首先初始同步；其次滑动解码精同步；再次从精同步位置开始，每64点做一次FFT，统计信号功率和噪声功率；最后统计49个64点FFT的功率，累加后计算SNR。

仿真分同步+信噪比估计（高信噪比）和理想同步+信噪比估计（全部信噪比）两种方案。后一种仿真方案是针对低信噪比时接收端无法同步的情况设计的。

3.1 同步+信噪比估计

同步+信噪比估计情况下的仿真结果如图2所示。

图2 仿真结果

根据仿真结果可见，当信噪比大于4 dB时，信噪比估计的RMSE随着信噪比增加而减小；信噪比较小时，RMSE随着信噪比增加反而减小。图2为同步位置与理想同步位置的RMSE，信噪比较小时由于同步位置偏差较信噪比大时要大，导致信噪比估计准确度降低。

3.2 理想同步+信噪比估计

理想同步+信噪比估计情况下的仿真结果如图3所示。

图3 仿真结果

根据仿真结果可见，随着信噪比增加，信噪比估计准确度越高。在加性高斯白噪声、无频偏信道下，在SNR=-10～10 dB区间内，信噪比估计的RMSE小于1，并且随着信噪比增大，信噪比估计的RMSE逐渐减小。

上面是在无频偏的情况下进行的仿真，下面仿真在有固定频偏情况下的性能。估计信噪比是通过对单音序列进行FFT变换，计算峰值的功率从而计算SNR，因此当存在频偏时，FFT后的峰值位置会随着频偏移动。当移动位置为整数时，对SNR估计没有影响；而当移动位置不为整数时，会发生信号功率泄露，导致SNR估计出现误差。由于频偏影响，同步概率下降，仿真频偏为10 Hz、60 Hz、120 Hz理想同步下的SNR估计性能，估计信噪比与实际信噪比的绝对差值均值如图4所示。

图4 估计信噪比与实际信噪比的绝对差值均值

根据结果可见，峰值位置远离整数点的频偏下（如60 Hz），性能更差，靠近整数点（如120 Hz）的性能越好。此外，根据仿真结果可知，当峰值位置远离整数点时，信噪比越高，性能越差。这是由于信噪比较高时，峰值上主要是信号功率，噪声功率很小，因此当存在频偏影响时，峰值上的信号功率泄露到整个频域上，峰值位置越远离整数点，泄露得越多。而当信噪比较小时，峰值除了信号功率还叠加了该点上的噪声功率，计算信号功率时是将信号与该点上的噪声功率一并算上。当存在频偏影响时，峰值上的信号功率有泄露，而该点上的噪声功率仍在，所以计算的信号功率不如高信噪比时信号功率减小得多。总的来说，就是信噪比越高，有频偏影响时信号功率泄露越多，信号功率相对越小，与实际信噪比的差值越大。