王國(guó)波

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510000）

1 2G-ALE鏈路波形簡(jiǎn)介

短波通信依靠1.5～30 MHz的電磁波進(jìn)行信號(hào)傳輸，是最早出現(xiàn)并被廣泛應(yīng)用的無(wú)線通信方式，至今仍是中遠(yuǎn)距離無(wú)線通信的重要手段[1]。短波自適應(yīng)通信以鏈路建立和信道評(píng)估以及鏈路維護(hù)完全自動(dòng)化為主要特征，其中又以ALE為核心技術(shù)[2]。2G-ALE是第二代自動(dòng)鏈路建立的英文簡(jiǎn)稱[3]。GJB2077—94標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了短波自適應(yīng)通信系統(tǒng)中自動(dòng)鏈路建立所采用的波形、信號(hào)結(jié)構(gòu)、協(xié)議以及性能等基本要求[4]。ALE信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的單邊帶無(wú)線電設(shè)備的音頻信號(hào)，其波形具有8個(gè)正交單音，每次1個(gè)單音（或符號(hào)）來(lái)實(shí)現(xiàn)8FSK調(diào)制[5]。在發(fā)送端，當(dāng)電臺(tái)收到命令或數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過(guò)8FSK調(diào)制之后，信號(hào)以每秒125個(gè)單音（或符號(hào)）的速率發(fā)送，每個(gè)單音持續(xù)8 ms[6]。相鄰頻點(diǎn)的頻率間隔為250 Hz，各音之間相位連續(xù)，從而保證基帶音頻信號(hào)占用頻帶最窄，能量更加集中[7]。

基本ALE字由指定的最高有效位（Most Significant Bit，MSB）W1到最低有效位（Least Significant Bit，LSB）W24的24 bit信息組成，分為1個(gè)3 bit的報(bào)頭和3個(gè)7 bit的字符共4個(gè)部分[8]。

2 SNR估計(jì)算法設(shè)計(jì)

2G-ALE采用8FSK調(diào)制，共8個(gè)正交單音，每個(gè)單音代表3 bit數(shù)據(jù)，包含64個(gè)采樣點(diǎn)[9]。根據(jù)探測(cè)信號(hào)確定同步后，可以分別對(duì)每個(gè)單音符號(hào)進(jìn)行FFT變換，在頻域計(jì)算信號(hào)與噪聲功率，以統(tǒng)計(jì)該信道上的信噪比。

2.1 同 步

在計(jì)算信噪比之前首先要進(jìn)行同步。根據(jù)其他站發(fā)送的探測(cè)信號(hào)（包含信息為TO+本址，如TO101，表示對(duì)方呼叫本地址），用本地產(chǎn)生的8個(gè)單音符號(hào)分別與之進(jìn)行相關(guān)解調(diào)確定初始同步，然后在初始同步的基礎(chǔ)上依次做相關(guān)解調(diào)、滑動(dòng)窗口譯碼。當(dāng)譯碼正確時(shí)，即得到譯碼結(jié)果為TO+本址，則確認(rèn)為真正同步，同時(shí)確認(rèn)精確同步位置。

2.2 統(tǒng)計(jì)信噪比

從同步位置開(kāi)始，對(duì)探測(cè)信號(hào)中每64個(gè)樣點(diǎn)做一次FFT變換，即對(duì)一個(gè)單音符號(hào)做FFT變換，而在頻域中出現(xiàn)的一個(gè)峰值就是信號(hào)，噪聲經(jīng)過(guò)FFT變換后仍均勻分布在整個(gè)帶寬內(nèi)[10]。一個(gè)單音信號(hào)的64點(diǎn)FFT變換頻域如圖1所示。

圖1 一個(gè)單音信號(hào)的64點(diǎn)FFT變換頻域圖

將峰值記為信號(hào)功率值，其余值之和記為噪聲功率值。依次下去分別統(tǒng)計(jì)探測(cè)信號(hào)49個(gè)符號(hào)（每個(gè)符號(hào)64個(gè)樣點(diǎn)）上的信號(hào)功率和噪聲功率值，疊加之后，計(jì)算信噪比為：

式中，SNR表示信噪比，sig_power表示信號(hào)功率，noise_power表示噪聲功率。

3 仿真結(jié)果

仿真AWGN信道下信噪比估計(jì)的均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE），仿真次數(shù)為1 000，接收端流程如下。首先初始同步；其次滑動(dòng)解碼精同步；再次從精同步位置開(kāi)始，每64點(diǎn)做一次FFT，統(tǒng)計(jì)信號(hào)功率和噪聲功率；最后統(tǒng)計(jì)49個(gè)64點(diǎn)FFT的功率，累加后計(jì)算SNR。

仿真分同步+信噪比估計(jì)（高信噪比）和理想同步+信噪比估計(jì)（全部信噪比）兩種方案。后一種仿真方案是針對(duì)低信噪比時(shí)接收端無(wú)法同步的情況設(shè)計(jì)的。

3.1 同步+信噪比估計(jì)

同步+信噪比估計(jì)情況下的仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 仿真結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果可見(jiàn)，當(dāng)信噪比大于4 dB時(shí)，信噪比估計(jì)的RMSE隨著信噪比增加而減?。恍旁氡容^小時(shí)，RMSE隨著信噪比增加反而減小。圖2為同步位置與理想同步位置的RMSE，信噪比較小時(shí)由于同步位置偏差較信噪比大時(shí)要大，導(dǎo)致信噪比估計(jì)準(zhǔn)確度降低。

3.2 理想同步+信噪比估計(jì)

理想同步+信噪比估計(jì)情況下的仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 仿真結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果可見(jiàn)，隨著信噪比增加，信噪比估計(jì)準(zhǔn)確度越高。在加性高斯白噪聲、無(wú)頻偏信道下，在SNR=-10～10 dB區(qū)間內(nèi)，信噪比估計(jì)的RMSE小于1，并且隨著信噪比增大，信噪比估計(jì)的RMSE逐漸減小。

上面是在無(wú)頻偏的情況下進(jìn)行的仿真，下面仿真在有固定頻偏情況下的性能。估計(jì)信噪比是通過(guò)對(duì)單音序列進(jìn)行FFT變換，計(jì)算峰值的功率從而計(jì)算SNR，因此當(dāng)存在頻偏時(shí)，F(xiàn)FT后的峰值位置會(huì)隨著頻偏移動(dòng)。當(dāng)移動(dòng)位置為整數(shù)時(shí)，對(duì)SNR估計(jì)沒(méi)有影響；而當(dāng)移動(dòng)位置不為整數(shù)時(shí)，會(huì)發(fā)生信號(hào)功率泄露，導(dǎo)致SNR估計(jì)出現(xiàn)誤差。由于頻偏影響，同步概率下降，仿真頻偏為10 Hz、60 Hz、120 Hz理想同步下的SNR估計(jì)性能，估計(jì)信噪比與實(shí)際信噪比的絕對(duì)差值均值如圖4所示。

圖4 估計(jì)信噪比與實(shí)際信噪比的絕對(duì)差值均值

根據(jù)結(jié)果可見(jiàn)，峰值位置遠(yuǎn)離整數(shù)點(diǎn)的頻偏下（如60 Hz），性能更差，靠近整數(shù)點(diǎn)（如120 Hz）的性能越好。此外，根據(jù)仿真結(jié)果可知，當(dāng)峰值位置遠(yuǎn)離整數(shù)點(diǎn)時(shí)，信噪比越高，性能越差。這是由于信噪比較高時(shí)，峰值上主要是信號(hào)功率，噪聲功率很小，因此當(dāng)存在頻偏影響時(shí)，峰值上的信號(hào)功率泄露到整個(gè)頻域上，峰值位置越遠(yuǎn)離整數(shù)點(diǎn)，泄露得越多。而當(dāng)信噪比較小時(shí)，峰值除了信號(hào)功率還疊加了該點(diǎn)上的噪聲功率，計(jì)算信號(hào)功率時(shí)是將信號(hào)與該點(diǎn)上的噪聲功率一并算上。當(dāng)存在頻偏影響時(shí)，峰值上的信號(hào)功率有泄露，而該點(diǎn)上的噪聲功率仍在，所以計(jì)算的信號(hào)功率不如高信噪比時(shí)信號(hào)功率減小得多?？偟膩?lái)說(shuō)，就是信噪比越高，有頻偏影響時(shí)信號(hào)功率泄露越多，信號(hào)功率相對(duì)越小，與實(shí)際信噪比的差值越大。

4 總 結(jié)

本文針對(duì)2G-ALE 8FSK調(diào)制系統(tǒng)，采用對(duì)每個(gè)單音符號(hào)進(jìn)行FFT頻域功率統(tǒng)計(jì)的方式估計(jì)信噪比，為L(zhǎng)QA提供了一種計(jì)算方法，對(duì)于現(xiàn)役產(chǎn)品改進(jìn)和新產(chǎn)品兼容開(kāi)發(fā)以及提升系統(tǒng)性能具有很大參考價(jià)值。