直升机卫星通信中高动态低信噪比突发解调

龚险峰，刘明洋，惠腾飞,2

（1.中国空间技术研究院西安分院，西安 710100；2.西安电子科技大学ISN 国家重点实验室，西安 710071）

为了克服旋翼遮挡问题，直升机宽带卫星通信多采用缝隙通信技术，通过非遮挡缝隙时间内传输的数据来恢复信息。具体而言，前向链路可采用组帧重发时间分集策略，返向链路可采用旋翼同步突发技术［1⁃3］。2009 年，美国ViaSat 公司研制的直升机宽带卫通设备应用于黑鹰直升机［1］，前向链路采用两重时间分集传输方式，信道利用率达到50%；返向链路采用本地控制突发传输方式，信道利用率达到65%。2011 年，清华大学为“神舟八号”飞船返回舱搜救任务研制的直升机卫通系统［4］采用信道预测和可变速率编码技术，返向信道利用率超过75%。可以看出，缝隙通信降低了链路利用率，前向链路信噪比损失较大（按两重组帧重发，损失为3 dB），返向链路信噪比损失较小（按75%信道利用率，损失为1.3 dB）。但是，对于低速直升机卫星链路，由于同时存在旋翼遮挡和高多普勒动态，基于缝隙检测的短突发信号解调性能较差。因此，有必要寻找新的通信方法，进一步提高前向链路利用率和返向链路解调性能。

1 系统模型

1.1 直升机卫星通信链路特性

当直升机与卫星进行通信时，电磁波在旋翼附近产生衍射效应，对于较低的UHF 和L 频段，遮挡导致的信号衰落可能达到5～15 dB，而对于较高的Ku 和Ka 频段，该衰落则更加显著。遮挡特性与旋翼转速、载机与卫星的相对位置和姿态、载机桨叶宽度和数量、天线安装位置等诸多因素有关。由于影响因素众多，获取精确的链路特性并不容易，为了简化分析，可以采用简易直升机信道模型［5］。

简易直升机信道模型可以由3 个参数确定，分别为遮挡周期Tc、遮挡持续时长Tb、衰落深度Pb，如图1 所示。其中，遮挡周期是旋转角频率与螺旋桨数量之积的倒数；遮挡持续时长取决于旋转角频率、天线与螺旋桨轴的距离以及螺旋桨叶片的宽度；衰落深度则与叶片的材质、宽度、通信频率等参数相关。本文将以简易直升机信道模型为依据，对算法性能进行评估。

图1 简易直升机信道模型Fig.1 Simplified helicopter channel model

1.2 抗旋翼遮挡波形设计

对于突发通信，一般采用带前导头的物理层帧结构，便于接收机进行突发捕获和快速参数同步。但是，当存在旋翼遮挡时，前导头可能处于深度衰落，因而集中导频帧结构存在明显不足。在正交频分复用通信系统中，通常采用在时域和频域分散导频的帧结构，用于跟踪时变的频域选择性信道响应。借鉴上述思路，为了对抗旋翼遮挡，采用分散导频帧结构辅助接收机同步。如图2 所示，突发帧长为LF，分成N段，每段长度为LD，包含1 个导频符号和(LD-1) 个数据符号，下文约定以(LF，LD，N)表示该帧结构所对应的相关参数。

图2 分散导频帧结构Fig.2 Decentralized pilots frame structure

在上述帧结构中，为了提高信道交织性能，突发帧长度一般取遮挡周期的2～3 倍以上。导频间隔LD对旋翼遮挡和多普勒动态的适应能力具有重要影响，增大LD可以提高帧传输效率和频率估计分辨率，但会降低对旋翼遮挡衰落的适应能力，反之亦然。

1.3 解调架构

整个解调架构如图3 所示，AD 采样数据经过数字下变频和滤波后，进行数据缓存。在给定的最大频偏范围[ -fmax，fmax]内，以载波同步模块能够适应的最大频偏±fsub为间隔，将整个频偏范围等间隔划分为H个区间，每个区间的中心频率为fn(n=0，1，…，H-1)，实际频偏落在其中某一个区间内。考虑到载波速率低，为了降低实现复杂度，可以对每个频率区间采用时分复用方式进行解调。首先，对缓存数据预补偿频偏fn；然后，经过符号同步、突发捕获、载波同步、解信道交织以及Turbo 译码等处理后，得到H路不同的译码输出软信息；最后，根据译码软输出目标函数，从H路译码输出中选择最优的一路作为最终输出结果。下文重点介绍突发捕获算法和译码输出选择算法。

图3 突发解调总体架构Fig.3 Overall architecture of burst demodulation

2 高动态低信噪比下的突发捕获

对于突发信号解调，突发捕获一般是后续其他参数估计和同步的基础。由于多个信道参数（如：频偏、频率变化率、突发起始等）处于未知状态，为了降低捕获难度，一般利用已知的前导头通过时域相关［6］或者频域FFT［7］完成突发捕获。时域捕获方法实现复杂度低，但是对频偏的适应能力有限；频域捕获对频偏适应能力较强，但实现复杂度较高。对于分散导频结构，由于导频符号间隔为LD，若采用时域相关捕获，等效于对频偏的适应能力降低了LD倍，因而更适合采用基于FFT 变换的频域捕获方案。

2.1 突发信号的频域捕获

经过高斯白噪声信道传输的单载波突发信号，在通过匹配滤波器和理想符号同步后，等效基带信号可以表示为［8］

（4）对于给定的捕获门限Jth，如果J≥Jth，则认为捕获到突发信号；否则，收到下一个符号后，将接收数据向后移动一个符号，然后重复（1）～（4）步。

Michael等用三种可以公开获得的软件：RESRAD-BIOTA、R&D128和ERICA评估了德里格(英国塞拉菲尔德后处理厂附近)海滩沙丘对周围生物的辐射剂量。作者以在沙滩中测量得到的90Sr、99Tc、137Cs、238Pu、239+240Pu和241Am的活度浓度为依据，计算了一系列生物体内的活度浓度和剂量率。通过和实际生物测量结果的对比，作者发现影响计算结果的主要是转移系数。

上述频域捕获算法1 对频偏不敏感，但是在高多普勒动态下，频率变化率会导致频谱幅度出现“平台效应”［8］，捕获性能急剧恶化。如图4 所示，参数(LF，LD，N)为（2 304，12，192）的突发帧，当归一化频率变化率为1×10-5时，频谱峰值特性完全消失。为了解决该问题，可以对频率变化率进行分区预置，然后多通道并行捕获，但这会大幅度提高实现复杂度［9］。

图4 算法1 中频率变化率对信号频谱的影响Fig.4 Influence of frequency rate on signal spectrum in Algorithm 1

2.2 联合频率变化率估计的频域捕获算法

在低信噪比条件下，频率变化率估计一般需要导频辅助，因而需要先进行突发捕获。但是，从2.1节的分析可以看出，在高多普勒动态下，为了满足频域突发捕获性能要求，需要先对频率变化率进行估计和补偿。因此，突发捕获和频率变化率估计在处理先后上存在矛盾。本文提出一种联合频率变化率估计的频域捕获，算法描述如下（算法2）：

（1）当接收到一个新的基带信号符号r(n)，执行式（2）得到z(n)；

（2）对z(n)进行间隔为M的共轭差分，若不考虑噪声w(n)的影响，可得

上述算法2 中，在突发起始未知情况下，每接收到一个符号，假定其为突发起始，进行基于导频辅助的频率变化率估计和补偿，并利用FFT 变换对突发捕获进行判定。当接收信号导频符号与本地导频符号对齐时，频率变化率估计正确，在进行补偿后，消除了其对突发捕获的影响。如图5 所示，当归一化频率变化率为1×10-5时，频谱峰值特性与图4（a）基本一致。

图5 算法2 中频率变化率对信号频谱的影响（归一化频率变化率为1×10-5）Fig.5 Influence of frequency rate on signal spectrum in Algorithm 2 (The normalized frequency rate of 1×10-5)

3 基于译码软输出度量的最优选择

受频偏和信噪比影响，G(n)呈现出不同的统计特性。图6 所示为1 个长度为1 200 的Turbo 码，在不同的归一化频偏和信噪比下，经过10 次迭代后的译码软输出目标函数统计。

图6 信噪比和频偏对目标函数值的影响Fig.6 Influence of SNR and frequency offset on objec⁃tive function

可以看出，在同一信噪比下，当归一化频偏为0 时，G(n)具有唯一的全局最大值，此时译码输出结果具有最低的误码率。因此，对于H路译码软输出g(n)(k)，可以选择具有最大目标函数值的1 路作为最终输出结果g(k)（k=0，1，…，Lc-1），即

4 性能评估

通过算法仿真，从误码率（Bit error rate，BER）及误帧率（Frame error rate，FER）两方面评估直升机旋翼遮挡信道下的接收性能，并与AWGN 信道下的理论性能进行比较，如图7 所示。

图7 仿真性能Fig.7 Simulation performance

仿真条件：载波符号速率8 ksps，突发帧参数(LF，LD，N)为（2 304，12，192），调制方式QPSK，Turbo 编码（码率1/3、码长2 112）。频率变化率2 000 Hz/s，旋翼遮挡周期Tc=40 ms、遮挡持续时长Tb=6 ms、衰落深度Pb=20 dB。

仿真结果表明，在给定的旋翼遮挡信道下，与无遮挡高斯白噪声信道理论性能相比，误码率1E-5 时的解调门限仅提高1.5 dB。与文献［4］中典型的前向链路两重组帧重发、返向链路缝隙突发传输方式相比，前向链路信噪比损失降低1.5 dB，返向链路信噪比损失增大0.2 dB。此外，该算法可以工作在较低的信噪比门限下，且能够适应高多普勒动态，可以满足低速直升机卫星通信需求。

5 结论

针对低速直升机卫星通信，提出一种联合频率变化率估计的频域捕获算法，消除了频率变化率对捕获性能的影响。同时，针对基于分散导频的数据辅助算法频偏估计范围较小的问题，采用频偏分区预置，并根据译码软输出构建目标函数，选择具有最大目标函数值的一路作为最终输出。仿真表明，所述突发解调方法在典型直升机信道环境下，链路性噪比损失较小。在卫星处理载荷、直升机卫通终端设备研制中，具有一定的应用前景。