適用于戰(zhàn)術通信的信號同步檢測算法研究

摘要：信號同步檢測算法是無線通信建立的基礎，其性能決定了無線通信系統(tǒng)性能的下限。戰(zhàn)術通信的信道環(huán)境覆蓋范圍廣闊、復雜多變，同時戰(zhàn)術通信大多為非視距通信。因此對信號同步檢測提出了較高要求。本文分析了不同的信號同步檢測算法的原理、技術特點，并給出了性能對比分析，為不同戰(zhàn)術通信系統(tǒng)信號同步檢測算法的選擇提供了參考，最后給出了其在戰(zhàn)術通信系統(tǒng)的應用前景。

關鍵詞：戰(zhàn)術通信；信號檢測；同步

一、引言

在無線通信領域，信號同步檢測是數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A，并且是整個無線通信系統(tǒng)建立的基礎。無線信號同步檢測性能的好壞直接決定了整個無線通信系統(tǒng)傳輸性能的下限。戰(zhàn)術通信系統(tǒng)通常部署于山岳叢林環(huán)境等缺乏視距通信條件的地區(qū)，因此對信號同步檢測性能提出了較高要求。

通常，同步信號采用插入已知信號的方式，發(fā)射機發(fā)射已知序列，接收端通過對接收的無線信號進行信號搜索，完成信號的同步檢測[1]。本文分析了不同的同步序列和信號調(diào)制算法在無線信道環(huán)境下的性能，給出了不同算法的性能曲線，為選擇戰(zhàn)術通信環(huán)境下的信號同步檢測算法奠定基礎。

二、基于PN序列的BPSK調(diào)制搜索算法（PN-BPSK）

基于PN序列的BPSK調(diào)制搜索算法在發(fā)射端采用PN信號進行BPSK調(diào)制，PN序列的0和1分別對應BPSK的相位0o和180o。典型的PN調(diào)制信號如下所示。接收端通常采用基于滑動窗的信號相關檢測算法，算法定義如式（1）所示：

（1）

其中，共軛Si*表示本地信號，yi+n表示接收機采樣信號，Cx（n）表示接收采樣信號與本地信號的相關值。通過對Cx（n）進行判決來決定是否檢測到信號。

不同長度的PN序列在AWGN信道條件下的性能仿真結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，隨著PN序列長度的增加，在相同信噪比下，同步檢測丟失概率逐漸降低。然而，檢測算法表達式也表明，PN長度越長，檢測計算復雜度就越大。因此，在實際工程應用中，一般會選擇PN長度為64-128之間。此外，圖1還展示了不同的Cx（n）閾值的同步檢測概率，相同長度的PN序列，當閾值降低時，同步檢測丟失概率會相應降低。

圖1 " PN-BPSK調(diào)制同步檢測丟失概率

圖2顯示了同步檢測方差隨著PN序列長度和信噪比的變化情況。同步檢測方差用于衡量同步信號檢測的準確度，方差越大，準確度越低。

隨著PN序列長度的增加，相同信噪比下的同步檢測準確度逐漸提高。同時，信噪比的變化也會影響準確度。特別是在序列長度較短的情況下，隨著信噪比的降低，同步檢測性能急劇下降。

圖2 " PN-BPSK調(diào)制同步檢測方差

三、基于PN序列的CPM調(diào)制搜索算法（PN-2CPM）

基于PN序列的CPM調(diào)制搜索算法將PN信號采用二進制CPM調(diào)制，由于CPM調(diào)制信號為恒包絡信號，因此往往可以獲得比BPSK調(diào)制更多的輸出功率。發(fā)射端CPM信號的表達式[2]如（2）所示。

（2）

其中，fc為載波頻率，φ0為初始相位，φ（t，I）是以（t，I）為自變量的隨機相位，定義如式（3）所示。

（3）

其中，{Ik}是M進制的信息符號序列，其取值范圍為Ik∈{±1，±3，…，±（M-1）}，發(fā)送PN列時M=2，Ik=±1。

接收端進行信號檢測時首先進行差分解調(diào)輸出相位信息，然后相位信息與本地序列進行軟信息匹配濾波，根據(jù)匹配濾波的能量高低判斷信號是否被同步檢測。

接收端差分解調(diào)算法[3]如式（4）所示。

（4）

其中，cosφi表示接收I路信號第i個采樣點，sinφi表示接收Q路信號第i個采樣點。接收端匹配濾波的表達式如式（5）所示。

（5）

PN為本地參考序列，X為匹配濾波能量值。

圖3給出了該算法不同的PN序列長度在AWGN信道下的性能仿真結(jié)果。

圖3 " PN-2CPM調(diào)制同步檢測丟失概率

由圖3可以看出，與PN-BPSK類似，隨著PN序列的變長，同步檢測丟失概率降低，但是其SNR性能低于PN-BPSK算法。閾值設置的影響與PN-PSK算法相同，越低的閾值產(chǎn)生了越高的同步概率。

圖4 " PN-2CPM調(diào)制同步檢測方差

PN-2CPM的準確度趨勢與PN-BPSK類似，但從SNR性能來看，差距在4-8dB。

四、基于ZC序列的隨機相位調(diào)制時域搜索算法（ZC-RPTD）

基于ZC序列的隨機相位調(diào)制搜索算法在發(fā)射端采用ZC信號進行發(fā)射。由于ZC序列是在單位圓上隨機取得相位點，因此可以視為一種隨機的相位調(diào)制。采用ZC序列的檢測算法與PN-BPSK類似，算法定義如式（6）所示。

（6）

與PN序列不同的是，PN序列的取值只有0和1兩個值，而ZC序列由于是相位值，因此其取值范圍為[-1，+1]，因此上式中的分子乘法就變成了復數(shù)乘法，其計算復雜度急劇上升。但是由于ZC序列在做同步檢測的同時，還可以用于其他的訓練序列（如信道估計等），因此即使計算復雜，但其復用特性降低了無線資源的開銷。

不同長度的ZC序列在AWGN信道條件下性能仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 " "ZC-RPTD同步檢測丟失概率

從圖5可以看出，基于ZC序列的同步檢測算法性能與PN-BPSK檢測算法性能極為接近，但是其計算較為復雜，通常如果系統(tǒng)中ZC序列有其他用途的復用設計，則可以選擇該算法。

圖6 " "ZC-RPTD同步檢測方差

盡管從丟失概率上來看，ZC-RPTD的性能與PN-BPSK極為接近，但在準確度上卻有所下降，但其兩個性能皆好于PN-2CPM算法。

五、基于ZC序列的隨機相位調(diào)制頻域搜索算法（ZC-RPFD）

與ZC-RPTD算法不同，該算法的匹配相關是在頻域進行，因此接收信號需要首先進行FFT運算。算法定義如式（7）所示。

（7）

其中，Si*為本地ZC信號FFT計算后信號的共軛，與ZC-RPTD算法相比，由于FFT計算的引入，其計算復雜度進一步提高。

不同長度的ZC序列在AWGN信道條件下性能仿真結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出，ZC-RPFD算法的同步檢測性能極為優(yōu)異，復雜度的提升也帶來了優(yōu)良的性能提升。在極低的SNR下，依然保持很低的同步檢測丟失概率。

雖然ZC-RPFD算法的復雜度極高，但除了同步檢測概率的性能優(yōu)異之外，其檢測準確度也極高，與前面所述三種算法相比，其性能大幅提升。

六、結(jié)束語

本文分析了四種同步檢測算法的原理和性能，四種算法的對比如表1所示。由表1可以看出，四種算法在不同領域的表現(xiàn)存在差異。因此，在戰(zhàn)術通信中，可以根據(jù)信道環(huán)境不同，選擇不同的同步檢測算法或它們的組合。

作者單位：徐子龍 陳咪 王健 中國電子科技集團公司第七研究所

參 "考 "文 "獻

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