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        低信噪比下衛(wèi)星通信信號的非線性增強算法

        2018-08-28 02:02:44
        艦船電子對抗 2018年3期
        關(guān)鍵詞:雙穩(wěn)態(tài)衛(wèi)星通信信號處理

        劉 進

        (中國電子科技集團公司第二十研究所,陜西 西安 710068)

        0 引 言

        衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳輸距離遠,自由空間傳播損耗大,導致衛(wèi)星接收機接收到的有用信號電平很低、信號強度很微弱。因此,在衛(wèi)星接收機前端引入到系統(tǒng)中很小的噪聲都會使得接收信號信噪比很低,從而導致衛(wèi)星通信信號接收誤碼率性能下降[1-2]。針對低信噪比衛(wèi)星通信信號的接收與處理,傳統(tǒng)的線性信號處理方法通常采用濾波或相關(guān)檢測技術(shù),主要利用信號和噪聲之間的差異性來抑制噪聲[3]。然而線性信號處理方法主要面臨以下問題:

        (1) 線性系統(tǒng)本身也是產(chǎn)生噪聲的源,信息處理中涉及的系統(tǒng)越多,產(chǎn)生額外噪聲的概率也越大;

        (2) 抑制噪聲的同時,被測信號也受到抑制,在強背景噪聲下,經(jīng)過線性處理后的信號仍然不能滿足檢測靈敏度的要求,很難對被測信號進行有效提??;

        (3) 線性系統(tǒng)不具備提升信噪比的能力,背景噪聲的增加會導致系統(tǒng)的輸出信噪比下降。

        隨機共振是指利用輸入信號、噪聲和非線性系統(tǒng)之間產(chǎn)生的協(xié)作效應(yīng),此時噪聲能量向信號能量進行轉(zhuǎn)移,實現(xiàn)增強信號和抑制噪聲的非線性現(xiàn)象[4]。隨機共振系統(tǒng)具有的這種“化弊為利”獨特優(yōu)勢,可以將噪聲從有害因素轉(zhuǎn)變?yōu)樵鰪娦盘柕挠欣蛩?,非常適用于低信噪比下的衛(wèi)星通信信號的接收與處理中。常用的隨機共振系統(tǒng)有單穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)、雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)、閾值系統(tǒng)、廣義隨機共振系統(tǒng)等等[5-7]。由于噪聲在雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)中的非線性作用最為明顯,且關(guān)于雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的理論研究較為成熟,因此,非線性雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)成為最常使用的隨機共振系統(tǒng)[4-10]。目前,關(guān)于雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的信號處理研究中,主要針對周期正弦信號和非周期二進制脈沖振幅調(diào)制(PAM)信號開展了相關(guān)理論研究[8-10]。然而,衛(wèi)星通信信號通常采用信息傳輸速率較高的正交相移編碼(QPSK)信號調(diào)制方式,目前采用雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的QPSK信號處理研究還很少見。因此,本文采用雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)為非線性隨機共振系統(tǒng),利用雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)對衛(wèi)星通信QPSK傳輸信號進行信號增強處理研究,以提升低信噪比條件下的衛(wèi)星通信信號接收性能。

        1 衛(wèi)星通信信號傳輸與處理模型

        圖1 衛(wèi)星通信信號傳輸與處理模型

        (1)

        衛(wèi)星通信信號經(jīng)過遠距離傳輸,由于自由空間傳播損耗大,導致衛(wèi)星接收機端接收到的QPSK信號電平很低、幅值很小,在衛(wèi)星通信系統(tǒng)噪聲和接收機端引入噪聲的影響下,衛(wèi)星接收機接收到的信號r(t)=s(t)+w(t)具有低信噪比特性。為改善低信噪比條件下的衛(wèi)星通信信號接收性能,本文采用典型的非線性雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)作為隨機共振系統(tǒng),利用隨機共振系統(tǒng)對衛(wèi)星接收機接收到的微弱信號r(t)=s(t)+w(t)進行隨機共振增強,其實質(zhì)是一個過阻尼布朗粒子在雙穩(wěn)態(tài)勢阱中運動,同時伴有驅(qū)動力和噪聲,描述雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的朗之萬方程如下[4]:

        (2)

        其中,雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)勢函數(shù)U(x)表達式為:

        (3)

        圖2 雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)勢函數(shù)曲線

        2 采用隨機共振的信號增強算法

        通過圖1的衛(wèi)星通信信號傳輸與處理模型及雙穩(wěn)態(tài)隨機共振技術(shù)原理分析可以看出,采用隨機共振系統(tǒng)對衛(wèi)星通信信號進行增強的關(guān)鍵在于研究衛(wèi)星通信信號、系統(tǒng)噪聲和非線性雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)三者之間的共振匹配關(guān)系,從而通過調(diào)節(jié)雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)參數(shù)的方式,使得衛(wèi)星通信接收機接收信號、系統(tǒng)噪聲和非線性雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)三者之間產(chǎn)生共振協(xié)同,達到利用噪聲增強衛(wèi)星通信信號的目的。

        衛(wèi)星通信采用QPSK調(diào)制信號傳輸時,由式(1)可以看出QPSK信號可以分為I路和Q路的基帶數(shù)據(jù)Ik(t)和Qk(t),這2路數(shù)據(jù)分別作為輸入信號進行隨機共振處理時,其原理與 PAM信號的隨機共振原理相同。因此,將采用隨機共振的信號增強算法實現(xiàn)歸納為以下幾個步驟:

        (1) 參照文獻[10]的研究成果,首先建立絕熱近似條件下(傳統(tǒng)隨機共振系統(tǒng)適用條件,噪聲強度D和信號碼元間隔T分別滿足D<1,T>1)的歸一化雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)模型,即設(shè)定雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)參數(shù)a=1,b=1,當輸入噪聲強度和信號碼元間隔為D0=0.25,T0=100 s時,信號、噪聲和雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)之間可以產(chǎn)生隨機共振現(xiàn)象,得到歸一化條件下的雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)模型:

        (4)

        (5)

        對比式(4)和式(5)可以得到雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)參數(shù)表達式為:

        (6)

        根據(jù)雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)參數(shù)表達式,結(jié)合輸入信號碼元間隔T和噪聲強度D,調(diào)節(jié)雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)參數(shù)a,b。

        (3) 利用雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)對衛(wèi)星接收機接收到的噪聲信號進行處理,判別雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)輸出信號是否達到共振狀態(tài)。如達到共振狀態(tài),則繼續(xù)執(zhí)行步驟(4),否則根據(jù)圖3的實現(xiàn)流程圖返回執(zhí)行步驟(2);或者當衛(wèi)星接收機接收信號和衛(wèi)星接收機前端引入的噪聲特性發(fā)生變化時,返回執(zhí)行步驟(2)~(4)。

        (4) 對雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)輸出的共振信號x(t)進行抽樣判決,分析經(jīng)過隨機共振處理后的衛(wèi)星通信信號接收性能。

        圖3 衛(wèi)星通信信號隨機共振處理流程

        3 仿真結(jié)果及分析

        3.1 時域信號處理仿真

        仿真參數(shù):衛(wèi)星通信接收機接收到的QPSK信號幅值A(chǔ)=1,信號碼元間隔為T=0.01 s,高斯白噪聲強度為D=3,等效噪聲方差為σ2=2D=6。其中,歸一化參考模型中QPSK信號碼元間隔設(shè)定為T0=100 s、高斯白噪聲噪聲強度設(shè)定為D0=0.25。根據(jù)式(6)雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)參數(shù)表達式可以得到雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)參數(shù)取值為a=1×104,b=8.33×1010。

        圖4給出了衛(wèi)星通信系統(tǒng)接收機端的接收信號經(jīng)過隨機共振處理前后的時域?qū)Ρ取J茉肼曈绊懙男l(wèi)星通信信號接收信噪比為RSN=-9.542 4 dB,衛(wèi)星通信信號接收信噪比較低,從時域信號可以看出受噪聲影響的微弱通信信號已經(jīng)完全淹沒在噪聲中。仿真結(jié)果表明,經(jīng)過隨機共振系統(tǒng)處理后,衛(wèi)星接收機收到的I路和Q路信號基帶信號、噪聲與雙穩(wěn)態(tài)隨機共振系統(tǒng)間產(chǎn)生了隨機共振現(xiàn)象,消除噪聲的同時,有用信號得到了增強,達到了利用噪聲增強有用信號的目的。

        圖5和圖6給出了衛(wèi)星接收信號經(jīng)過隨機共振系統(tǒng)處理前后的星座圖對比,通過對比可以定性得出:經(jīng)過隨機共振處理后,無序的噪聲能量向有序的信號能量進行了轉(zhuǎn)移,從而可以更加準確地進行接收信號的判決,有效地改善衛(wèi)星通信接收機端信號接收的誤碼率性能。

        3.2 信號接收性能仿真

        圖7給出了經(jīng)過隨機共振處理前后的接收信號誤碼率曲線示意圖。仿真結(jié)果表明,在-30 dB~-5 dB的低信噪比條件下,相比未經(jīng)過隨機共振處理的衛(wèi)星通信信號接收性能,經(jīng)過隨機共振處理后的衛(wèi)星接收機接收信號誤碼率性能得到明顯提升。

        4 結(jié)束語

        為改善低信噪比條件下的衛(wèi)星通信信號接收性能,提出了一種采用非線性雙穩(wěn)態(tài)隨機共振系統(tǒng)的衛(wèi)星通信信號增強算法。該算法通過研究衛(wèi)星通信信號、背景噪聲和非線性隨機共振系統(tǒng)三者的共振匹配關(guān)系,采用調(diào)節(jié)隨機共振系統(tǒng)參數(shù)的方法,使得衛(wèi)星通信信號、背景噪聲和非線性隨機共振系統(tǒng)三者之間達到共振匹配狀態(tài),消除噪聲的同時增強了接收信號。隨機共振系統(tǒng)利用噪聲增強有用微弱信號的獨特性質(zhì),特別適用于低信噪比條件下的微弱信號處理,預(yù)計在未來衛(wèi)星通信信號處理領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。

        圖4 隨機共振處理前后時域信號對比示意圖

        圖5 衛(wèi)星接收機接收到的噪聲信號星座示意圖

        圖6 經(jīng)過隨機共振處理后的信號星座示意圖

        圖7 經(jīng)過隨機共振處理前后的接收信號誤碼率曲線示意圖

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