（中國電子科技集團公司第三十研究所 成都 610000）

1 引言

短波通信傳輸距離遠，抗毀性強，它常常在國際通信和軍事通信等方面具有重要作用［1］。短波通信信道具有時變色散、衰落和干擾嚴重等特性，嚴重影響接收信號的質量，導致傳統(tǒng)的短波通信可靠性和可通率較低。而采用短波分集技術可以顯著提高短波通信可靠性和穩(wěn)定性［2］。短波分集技術主要分為短波接收分集技術和短波發(fā)射分集技術，國內外研究證明短波接收分集技術可以有效地提升短波通信系統(tǒng)可靠性［3～5］。但是在常見的短波分集技術的應用場景中，移動終端由于受到的成本、規(guī)模和功率等的限制，通常還是采用單根天線配置。當多天線的基站為發(fā)射端，單天線移動端為接收端時，就需要利用發(fā)射分集技術來獲得分集增益。

Alamouti首先提出了一種發(fā)射分集解決方案——空時塊編碼（space-time block coding，STBC），STBC編碼是一種速率為1的正交編碼方式，由于兩根天線上的發(fā)射信號具有嚴格正交性，因此該分集方案達到了滿分集［6］。Tarokh等在Alamouti工作的基礎上提出了一種正交空時分組碼（orthogonal space-time block code，OSTBC），將其推廣到多個發(fā)射天線的情況［7］，但是除了Alamouti編碼方案外均不能實現(xiàn)全速率傳輸［8］。Jafarkhani提出一種弱化發(fā)射信號之間的正交性實現(xiàn)的準正交空時碼，犧牲一定的分集增益以獲得全速容量［9］。上述發(fā)射分集方案都可以獲得極大的性能提升，但是都存在問題：發(fā)射天線數(shù)目固定，導致動態(tài)調整天線數(shù)目困難；不同天線之間需要進行同步協(xié)調編碼，導致發(fā)射天線之間組網難度大。這些問題都限制了短波發(fā)射分集技術的實際工程應用［10］。

本文提出了一種基于相位旋轉的短波發(fā)射分集方法，通過對每根天線的發(fā)射信號都進行相位旋轉，在深衰落信道條件下，可以避免信號遭到靜態(tài)的破壞性干擾［10］，從而獲得性能增益。該方案不再限制發(fā)射天線數(shù)目，并可以根據實際需求調整發(fā)射天線數(shù)目，還消除了不同天線協(xié)同編碼的影響，這極大地降低了短波發(fā)射分集系統(tǒng)的復雜度，為短波發(fā)射分集技術的研究提供了一種新的思路。

2 基于相位旋轉的短波發(fā)射分集系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)模型

基于相位旋轉的短波發(fā)射分集系統(tǒng)框圖，如圖1所示。

發(fā)射端信源比特經過糾錯編碼、交織后進行PSK/QAM星座映射，然后進行幅度增益和相位旋轉，并按照圖2幀格式組幀。組幀信號通過成型濾波器得到波形發(fā)射信號，最后將發(fā)射信號送到短波多天線信道。接收端接收到多發(fā)射天線的復合信號，然后將復合信號進行接收端處理，最后得到信源比特數(shù)據。

如圖2所示，信號幀格式及糾錯編碼參考美軍標 MIL-STD-188-110C［11］，傳輸數(shù)據流主要包括三部分：TLC/AGC部分、同步頭部分和數(shù)據段部分，以3 kHz帶寬下600 b/s速率波形為例，具體參數(shù)見表1。

圖2 信號幀結構

表1 3 kHz寬帶下600 b/s速率波形主要參數(shù)

表2 短波信道典型參數(shù)

2.2 信道模型

Watterson模型是國際電信聯(lián)盟無線通信組（ITU-R）推薦的短波通信測試信道模型［12］，該模型每條路徑的抽頭分別獨立地服從幅度的Rayleigh分布和相同的高斯衰減譜，短波信道典型參數(shù)如表2所示。考慮到實際的短波信道條件，考慮在多徑衰落為2ms、多普勒擴展為1Hz的短波“差”信道（CCIR-Poor）下進行仿真。

3 相位旋轉原理

3.1 基于調制符號的相位旋轉原理

基于相位旋轉的的發(fā)射分集方法，關鍵是對調制后序列Sk進行幅度增益和相位旋轉，即序列Sk乘上各自獨立的相位旋轉序列An[k]ejp(n，k)，得到新的符號序列Xk。Xk的表達式可表示為

圖1 基于相位旋轉的短波發(fā)射系統(tǒng)框圖

其中，n為發(fā)射天線n的序號，An[k]表示幅度增益，ejp(n，k)表示相位變化。在本文中幅度增益設為恒定值1，即An[k]=1。所以，下文中我們只考慮相位變化，現(xiàn)在我們將序號為n的天線的發(fā)射過程作為例子進行說明。信源信號序列經過編碼調制后，變?yōu)殚L度為N的復數(shù)域符號序列Sn=(S1，S2，…，SN)T，然后對每個發(fā)射符號進行相位旋轉，得到新的符號序列Xn：

其中，F(xiàn)n是發(fā)射天線n的相位旋轉矩陣，對于不同時刻的發(fā)送信號而言，其相位旋轉矩陣中的元素是不同的。相位旋轉矩陣為對角矩陣，我們可以表示為

其中，N表示符號序列長度，矩陣元素pk可以表示為

其中，k表示對角矩陣主對角線上的第k個元素，n表示序號為n的發(fā)射天線。

經相位旋轉矩陣后，新的符號序列不再分布于星座圖固定的點上，而是分布于以原點為圓心，原有信號幅度為半徑的圓上，與旋轉前星座圖分布相比，星座圖分布自由度有了明顯的提高，可以提供一定的星座圖分集增益。

3.2 基于數(shù)據幀的相位旋轉原理

在基于調制符號的相位旋轉的方案中，因為每個調制符號都要進行一次相位旋轉，所以這種相位旋轉方法會使接收端的均衡過程相當復雜。為降低接收端的復雜度，我們可以采用基于數(shù)據幀變化的相位旋轉，即對同一發(fā)站臺的同一數(shù)據幀內的調制符號進行相同的相位旋轉，而不同數(shù)據幀之間的相位旋轉相位值不同?；跀?shù)據幀變化的相位旋轉發(fā)射分集示意圖如圖3所示。

通過對數(shù)據幀進行相位旋轉，接收端只需要對原始訓練序列進行信道估計，這樣就可以估計出多個發(fā)射信號經過衰落信道后的疊加信道沖激響應，利用信道估計值進行均衡就可以解調出原信號。

圖3 基于幀的相位旋轉發(fā)射分集示意圖

4 接收合并處理

接收端接收多根天線的信息時，首先進行合并處理。對于N發(fā)射天線的系統(tǒng)，接收端接收到的無噪聲的復合信號的基帶等效模型z［k］可以表示為

如果信號通過多徑衰落信道，傳統(tǒng)單發(fā)單收系統(tǒng)的波形離散基帶信號可以表示為

其中，x(n)表示發(fā)射信號；y(n)表示接收信號；ω(n)表示均值為0、方差為σ2的加性高斯白噪聲；{h0，h1，…，hL-1}表征了短波信道的離散等效多徑傳播效應，其多徑長度為L。參照式（6），在基于相位旋轉發(fā)射分集系統(tǒng)中，接收端接收到不同發(fā)射天線的信號可以表示為

其中，xm是第m根發(fā)射天線的發(fā)射信號，可以由式（1）得到；ym(n)表示第m根天線在接收端接收的信號。根據式（5）和式（7），接收端可以通過將來自不同接收天線的信號相加得到復合信號z(n)，可以表示為

在基于相位旋轉的發(fā)射分集方案中，短波信道的多普勒擴展值取1Hz，對應相干時間為1s。而現(xiàn)有設計系統(tǒng)中的波形每個數(shù)據塊（未知數(shù)據+訓練序列）長度為128個符號。經計算，數(shù)據塊時間遠低于1s，我們可以假定在一幀內信道沖擊響應保持不變。而每根發(fā)射天線在每個數(shù)據塊的開頭插入的訓練序列是相同的，所以接收端僅需要對復合信號進行信道估計，求出疊加信道沖激響應，然后對復合信號進行均衡、解調和譯碼就可以得到原始比特序列。

5 仿真與分析

為了驗證基于相位旋轉的短波發(fā)射技術性能，仿真系統(tǒng)采用基于幀的相位旋轉發(fā)射分集方案。仿真波形采用表1中的參數(shù)設置；采用BPSK調制和塊交織，即輸入數(shù)據塊要采用交織塊長度的連續(xù)比特發(fā)送，交織塊比特數(shù)3072的為長交織，交織塊比特數(shù)為768的為短交織；仿真中信道采用Watterson信道模型。研究仿真基于以下假設：1）總發(fā)射功率相同，并且發(fā)射分集中各個天線發(fā)射功率相同；2）接收端能夠準確估計出疊加信道沖激響應；3）發(fā)射天線到接收天線之間的衰落不相關?；谏鲜鰲l件，系統(tǒng)在不同交織深度和不同信噪比（SNR）環(huán)境下的誤比特率（BER）曲線如圖4，圖5所示。

圖4 短交織條件下誤碼率曲線

圖4、圖5給出了短波“差”信道（CCIR-Poor）下，不同發(fā)射天線數(shù)的性能對比。從仿真結果看出，采用本文的多天線發(fā)射分集方案，相比傳統(tǒng)單發(fā)單收系統(tǒng)性能得到很大提高。在短交織條件下，當誤比特率為10-3時，4發(fā)1收有約5.5dB增益，2發(fā)1收約有4dB增益；在長交織條件下，當誤比特率為10-3時，4發(fā)1收有約3dB增益，2發(fā)1收約有2dB增益，當誤比特率為10-4時，4發(fā)1收有約4.5dB的增益，2發(fā)1收有約3dB的增益。

圖5 長交織條件下誤碼率曲線

通過上述仿真結果，我們可以得出：本文提出的方法，在惡劣的多徑衰落信道條件下可以有效地提高短波通信誤碼性能，適用于實際的短波通信系統(tǒng)。

6 結語

短波分集技術可以有效提高短波通信性能，但在實際應用中，常常受到設備、場地等條件的限制，不能充分發(fā)揮分集技術在短波通信中性能的優(yōu)勢。本文提出基于相位旋轉的發(fā)射分集方法，降低了短波發(fā)射分集對發(fā)射天線數(shù)目和不同天線之間協(xié)同編碼的要求，為實際工程應用提供了一種有效途徑。文中最后仿真分析了該方案在短波信道模型下的性能，仿真結果表明：在短波“差”信道的條件下，基于相位旋轉的發(fā)射分集可以有效地改善短波通信系統(tǒng)的誤碼率性能，具有實際工程參考價值。