湯新廣

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

OFDM系統(tǒng)利用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)對電磁環(huán)境和信道傳輸特性進行感知與探測,自適應(yīng)地調(diào)整OFDM各個子載波上的負荷,并隨著空閑頻譜和信道質(zhì)量的改變,動態(tài)地改變OFDM所使用的子載波頻率、子載波數(shù)目和子載波調(diào)制方式,將動態(tài)頻譜分配和功率控制聯(lián)合使用,可最大限度地提高OFDM通信系統(tǒng)的性能。因此,構(gòu)建智能化自適應(yīng)OFDM系統(tǒng)的特征參數(shù)進行智能識別和監(jiān)測接收系統(tǒng)十分必要。

1 功能需求

傳統(tǒng)通信偵察監(jiān)測系統(tǒng)僅僅是針對固定調(diào)制方式的通信系統(tǒng)設(shè)計,監(jiān)測信號的工作參數(shù)是固定的,此類監(jiān)測設(shè)備往往不具備信道質(zhì)量分析能力和自適應(yīng)信號的盲檢測識別功能,很難適應(yīng)外界環(huán)境和信道傳輸特性的變化,同時也不具備系統(tǒng)重構(gòu)的能力。

智能偵察監(jiān)測系統(tǒng)最大的特點是“智能性”,這是與傳統(tǒng)偵察接收系統(tǒng)最根本的不同點。其智能性主要表現(xiàn)在具備對電磁環(huán)境的感知能力、對無線信道特性變化的學習適應(yīng)能力、對OFDM信號參數(shù)的盲檢測和識別能力及系統(tǒng)重構(gòu)和參數(shù)自動配置能力等幾個方面。

1.1 自適應(yīng)感知功能

電磁環(huán)境的自適應(yīng)感知技術(shù)是指在預先不知道期望信號與周圍電磁環(huán)境的統(tǒng)計特性情況下,可以從復雜電磁環(huán)境中提取期望信號,并且當期望信號的統(tǒng)計特性和周圍電磁環(huán)境的統(tǒng)計特性變化時,電磁環(huán)境自適應(yīng)技術(shù)能自適應(yīng)的調(diào)節(jié)它的沖激響應(yīng)來適應(yīng)新的情況。目前日益復雜的電磁環(huán)境要求OFDM智能偵察監(jiān)測系統(tǒng)既能夠有效的抑制周圍復雜電磁環(huán)境,同時又能夠偵收到期望的信號,能夠自動適應(yīng)周圍的電磁環(huán)境。因此,自動分析和監(jiān)測電磁環(huán)境功能將是智能偵察監(jiān)測系統(tǒng)正常工作的前提條件。

1.2 信道傳輸特性的分析功能

由于無線衰落信道多徑傳播造成的信號衰落將影響到信號參數(shù)的檢測和識別性能,因此,OFDM智能偵察監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具有對信道傳輸特性的分析與自適應(yīng)能力,自適應(yīng)監(jiān)測失真信號的變化,保證系統(tǒng)具有穩(wěn)定的檢測和識別性能。

1.3 對OFDM信號的參數(shù)盲估計和盲識別功能

在自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)中,發(fā)射信號根據(jù)信道質(zhì)量自適應(yīng)地改變調(diào)制樣式,在此通信環(huán)境中,要求偵察監(jiān)測系統(tǒng)能夠相應(yīng)地檢測和識別出多種調(diào)制體制信號的特征參數(shù)。這種接收方式不依賴于特定的信號形式,應(yīng)具有較強的通用性,通用性恰是OFDM智能偵察監(jiān)測系統(tǒng)所必須具備的基本特征之一。

1.4 可重構(gòu)和參數(shù)可調(diào)整功能

智能偵察監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)采用開放的軟件無線電為基礎(chǔ)的通用平臺,盡可能地通過軟件升級和重配置實現(xiàn)不同的無線電監(jiān)視功能。通過系統(tǒng)參數(shù)自動配置實現(xiàn)智能偵察監(jiān)測系統(tǒng)良好的動態(tài)適應(yīng)性,也是偵察接收系統(tǒng)向智能化發(fā)展的趨勢。智能偵察監(jiān)測系統(tǒng)的重構(gòu)和參數(shù)自動配置技術(shù)通常根據(jù)預先確定好的實際經(jīng)驗規(guī)則和實時抽取的系統(tǒng)特征量確定系統(tǒng)的配置參數(shù),不需要外加特殊的測試信號,但這種方法對信號的自動檢測和盲識別要求比較高。

2 系統(tǒng)構(gòu)建框架

2.1 電磁環(huán)境的自適應(yīng)感知技術(shù)

在OFDM智能偵察監(jiān)測系統(tǒng)無法預先知道期望偵收信號與周圍電磁環(huán)境的統(tǒng)計特性情況,電磁頻譜的自適應(yīng)感知是獲取信號頻譜信息的主要手段。

首先可采用Welch周期圖估計出信號的功率譜,對工作頻段內(nèi)的電磁信號進行全景掃描監(jiān)測和統(tǒng)計,從頻譜上估計出多個信號的信噪比、帶寬、載頻和功率等參數(shù),完成對監(jiān)測數(shù)據(jù)具有頻譜占用度、信道占用度和信號持續(xù)時間的分析,并能實現(xiàn)對監(jiān)測頻段(或重點信道)的超標信號自動測量與報警。根據(jù)電磁頻譜的監(jiān)測分析結(jié)果,獲得指導物理層傳輸參數(shù)重構(gòu)的控制信息?？芍貥?gòu)的參數(shù)包括工作頻率、接收帶寬和接收功率等。OFDM智能偵察接收系統(tǒng)功能模塊1,即電磁環(huán)境自適應(yīng)感知模塊的實現(xiàn)原理如圖1所示。圖1中,用實線模塊表示OFDM數(shù)字偵收通用硬件平臺,虛線部分則表示采用軟件無線電技術(shù)軟件重配置來實現(xiàn)不同的無線電監(jiān)測功能。圖2、圖3和圖4均采用相同的圖形描述方式。

在完成電磁信號全景監(jiān)測的基礎(chǔ)上,再利用參數(shù)估計和檢測方法,對指定的信號有關(guān)參數(shù)進行測量分析,或逐個分析出每個信號的特征參數(shù),如工作頻率、符號速率和調(diào)制方式等重要的調(diào)制域參數(shù),從而識別出待識別信號、干擾和頻譜中的空閑信道。

圖1 電磁環(huán)境自適應(yīng)感知模塊實現(xiàn)

2.2 無線信道質(zhì)量的估計技術(shù)

OFDM智能偵察監(jiān)測系統(tǒng)事先并不知道信道的沖激響應(yīng),信道盲估計是獲取信道參數(shù)的主要手段。

在建立了多徑衰落信道頻域傳輸?shù)臄?shù)學模型和分析了傳輸衰落特性基礎(chǔ)上,可采用基于子空間分解的方法實現(xiàn)對路徑階數(shù)和信道系數(shù)的盲估計;采用基于一步特征值分解的T-ESPRIT算法,通過對采樣數(shù)據(jù)的列抽取數(shù)據(jù)實現(xiàn)了一種旋轉(zhuǎn)不變的矩陣結(jié)構(gòu),只需一步特征分解即可求解出相對時延量。在多徑信道環(huán)境中,OFDM智能偵察監(jiān)測系統(tǒng)如果需要對信號進行正確解調(diào)恢復符號,必須首先準確估計每個子載波上的信道響應(yīng),對信道進行自適應(yīng)均衡,補償信道失真。OFDM智能偵察接收系統(tǒng)功能模塊2,即無線信道估計模塊的實現(xiàn)原理如圖2所示。

圖2 無線信道估計功能模塊實現(xiàn)

2.3 OFDM信號特征參數(shù)提取技術(shù)

偵察監(jiān)測系統(tǒng)需要通過信號盲檢測和參數(shù)盲估計技術(shù)得到信號特征參數(shù),根據(jù)獲得的特征參數(shù)對接收信號進行解調(diào)。

OFDM信號的特征參數(shù)包括信號帶寬、載波頻率、符號速率、有效符號周期、CP長度、子載波頻率集、導頻頻率點和子信道調(diào)制方式等。針對OFDM信號調(diào)制域的參數(shù),之中提出了如何進行有序估計的系統(tǒng)方法,即按照帶寬-＞載波頻率-＞符號速率-＞子載波頻率間隔-＞子載波數(shù)目-＞各個頻率點的流程進行參數(shù)估計,形成一套系統(tǒng)可行的智能參數(shù)提取方案。圖3給出了OFDM信號特征參數(shù)提取模塊(OFDM智能偵察接收系統(tǒng)功能模塊3)的實現(xiàn)原理。

圖3 OFDM信號特征參數(shù)提取模塊實現(xiàn)

圖3中,射頻預處理部分完成信號預選、通帶濾波、放大和下變頻等工作;子載波分選部分完成對OFDM信號的載波數(shù)目和頻點提取;參數(shù)估計部分完成對OFDM信號的符號周期、CP長度、同步時刻估計、導頻信號數(shù)量和頻率等的提取;信號參數(shù)測量部分完成對信噪比、信號帶寬和載波頻率的測量。

2.4 信號接收同步技術(shù)

OFDM智能偵察監(jiān)測系統(tǒng)的接收同步過程中需完成載波頻率同步、幀同步和符號同步。載波頻率同步設(shè)計牽涉到的問題是由于收發(fā)兩端的本振之間的頻差以及多普勒漂移所導致的接收機總的頻率偏移誤差,頻率偏移會導致所有子載波上的鄰道干擾(ICI),從而導致系統(tǒng)解調(diào)性能的急劇下降。因此,可采用基于長短時延匹配的多幀相位差測頻方法,精確估計出各個導頻信號的頻率和多普勒頻偏,從而保證子載波的估計精度。

3 結(jié)束語

目前,傳統(tǒng)的監(jiān)測接收機模式固定單一、缺乏智能特征(主要體現(xiàn)在感知、識別、學習、理解等方面),在兼容性、靈活性和適應(yīng)性上都存在很多的局限性,難以根據(jù)信道條件自適應(yīng)調(diào)整信號參量、實現(xiàn)最佳的檢測和接收,這些將大大限制監(jiān)測接收機的應(yīng)用。因此,研究能實現(xiàn)自動分析和監(jiān)測電磁環(huán)境、信道質(zhì)量和信號形式的智能監(jiān)測接收技術(shù),將是未來監(jiān)測通信系統(tǒng)的重要組成內(nèi)容。給出對調(diào)制方式隨信道質(zhì)量而自適應(yīng)變化的OFDM信號的智能監(jiān)測接收實現(xiàn)框架,對工程實現(xiàn)具有很強的指導意義。

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