低信噪比下卫星通信信号的非线性增强算法

刘 进

(中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西 西安 710068)

0 引 言

卫星通信系统传输距离远，自由空间传播损耗大，导致卫星接收机接收到的有用信号电平很低、信号强度很微弱。因此，在卫星接收机前端引入到系统中很小的噪声都会使得接收信号信噪比很低，从而导致卫星通信信号接收误码率性能下降[1-2]。针对低信噪比卫星通信信号的接收与处理，传统的线性信号处理方法通常采用滤波或相关检测技术，主要利用信号和噪声之间的差异性来抑制噪声[3]。然而线性信号处理方法主要面临以下问题：

(1) 线性系统本身也是产生噪声的源，信息处理中涉及的系统越多，产生额外噪声的概率也越大；

(2) 抑制噪声的同时，被测信号也受到抑制，在强背景噪声下，经过线性处理后的信号仍然不能满足检测灵敏度的要求，很难对被测信号进行有效提取；

(3) 线性系统不具备提升信噪比的能力，背景噪声的增加会导致系统的输出信噪比下降。

随机共振是指利用输入信号、噪声和非线性系统之间产生的协作效应，此时噪声能量向信号能量进行转移，实现增强信号和抑制噪声的非线性现象[4]。随机共振系统具有的这种“化弊为利”独特优势，可以将噪声从有害因素转变为增强信号的有利因素，非常适用于低信噪比下的卫星通信信号的接收与处理中。常用的随机共振系统有单稳态系统、双稳态系统、阈值系统、广义随机共振系统等等[5-7]。由于噪声在双稳态系统中的非线性作用最为明显，且关于双稳态系统的理论研究较为成熟，因此，非线性双稳态系统成为最常使用的随机共振系统[4-10]。目前，关于双稳态系统的信号处理研究中，主要针对周期正弦信号和非周期二进制脉冲振幅调制(PAM)信号开展了相关理论研究[8-10]。然而，卫星通信信号通常采用信息传输速率较高的正交相移编码(QPSK)信号调制方式，目前采用双稳态系统的QPSK信号处理研究还很少见。因此，本文采用双稳态系统为非线性随机共振系统，利用双稳态系统对卫星通信QPSK传输信号进行信号增强处理研究，以提升低信噪比条件下的卫星通信信号接收性能。

1 卫星通信信号传输与处理模型

图1 卫星通信信号传输与处理模型

(1)

卫星通信信号经过远距离传输，由于自由空间传播损耗大，导致卫星接收机端接收到的QPSK信号电平很低、幅值很小，在卫星通信系统噪声和接收机端引入噪声的影响下，卫星接收机接收到的信号r(t)=s(t)+w(t)具有低信噪比特性。为改善低信噪比条件下的卫星通信信号接收性能，本文采用典型的非线性双稳态系统作为随机共振系统，利用随机共振系统对卫星接收机接收到的微弱信号r(t)=s(t)+w(t)进行随机共振增强，其实质是一个过阻尼布朗粒子在双稳态势阱中运动，同时伴有驱动力和噪声，描述双稳态系统的朗之万方程如下[4]：

(2)

其中，双稳态系统势函数U(x)表达式为：

(3)

图2 双稳态系统势函数曲线

2 采用随机共振的信号增强算法

通过图1的卫星通信信号传输与处理模型及双稳态随机共振技术原理分析可以看出，采用随机共振系统对卫星通信信号进行增强的关键在于研究卫星通信信号、系统噪声和非线性双稳态系统三者之间的共振匹配关系，从而通过调节双稳态系统参数的方式，使得卫星通信接收机接收信号、系统噪声和非线性双稳态系统三者之间产生共振协同，达到利用噪声增强卫星通信信号的目的。

卫星通信采用QPSK调制信号传输时，由式(1)可以看出QPSK信号可以分为I路和Q路的基带数据Ik(t)和Qk(t)，这2路数据分别作为输入信号进行随机共振处理时，其原理与 PAM信号的随机共振原理相同。因此，将采用随机共振的信号增强算法实现归纳为以下几个步骤：

(1) 参照文献[10]的研究成果，首先建立绝热近似条件下(传统随机共振系统适用条件，噪声强度D和信号码元间隔T分别满足D<1,T>1)的归一化双稳态系统模型，即设定双稳态系统参数a=1,b=1，当输入噪声强度和信号码元间隔为D0=0.25,T0=100 s时，信号、噪声和双稳态系统之间可以产生随机共振现象，得到归一化条件下的双稳态系统模型：

(4)

(5)

对比式(4)和式(5)可以得到双稳态系统参数表达式为：

(6)

根据双稳态系统参数表达式，结合输入信号码元间隔T和噪声强度D，调节双稳态系统参数a,b。

(3) 利用双稳态系统对卫星接收机接收到的噪声信号进行处理，判别双稳态系统输出信号是否达到共振状态。如达到共振状态，则继续执行步骤(4)，否则根据图3的实现流程图返回执行步骤(2)；或者当卫星接收机接收信号和卫星接收机前端引入的噪声特性发生变化时，返回执行步骤(2)～(4)。

(4) 对双稳态系统输出的共振信号x(t)进行抽样判决，分析经过随机共振处理后的卫星通信信号接收性能。

图3 卫星通信信号随机共振处理流程

3 仿真结果及分析

3.1 时域信号处理仿真

仿真参数：卫星通信接收机接收到的QPSK信号幅值A=1，信号码元间隔为T=0.01 s，高斯白噪声强度为D=3，等效噪声方差为σ2=2D=6。其中，归一化参考模型中QPSK信号码元间隔设定为T0=100 s、高斯白噪声噪声强度设定为D0=0.25。根据式(6)双稳态系统参数表达式可以得到双稳态系统参数取值为a=1×104,b=8.33×1010。

图4给出了卫星通信系统接收机端的接收信号经过随机共振处理前后的时域对比。受噪声影响的卫星通信信号接收信噪比为RSN=-9.542 4 dB，卫星通信信号接收信噪比较低，从时域信号可以看出受噪声影响的微弱通信信号已经完全淹没在噪声中。仿真结果表明，经过随机共振系统处理后，卫星接收机收到的I路和Q路信号基带信号、噪声与双稳态随机共振系统间产生了随机共振现象，消除噪声的同时，有用信号得到了增强，达到了利用噪声增强有用信号的目的。

图5和图6给出了卫星接收信号经过随机共振系统处理前后的星座图对比，通过对比可以定性得出：经过随机共振处理后，无序的噪声能量向有序的信号能量进行了转移，从而可以更加准确地进行接收信号的判决，有效地改善卫星通信接收机端信号接收的误码率性能。

3.2 信号接收性能仿真

图7给出了经过随机共振处理前后的接收信号误码率曲线示意图。仿真结果表明，在-30 dB～-5 dB的低信噪比条件下，相比未经过随机共振处理的卫星通信信号接收性能，经过随机共振处理后的卫星接收机接收信号误码率性能得到明显提升。

4 结束语

为改善低信噪比条件下的卫星通信信号接收性能，提出了一种采用非线性双稳态随机共振系统的卫星通信信号增强算法。该算法通过研究卫星通信信号、背景噪声和非线性随机共振系统三者的共振匹配关系，采用调节随机共振系统参数的方法，使得卫星通信信号、背景噪声和非线性随机共振系统三者之间达到共振匹配状态，消除噪声的同时增强了接收信号。随机共振系统利用噪声增强有用微弱信号的独特性质，特别适用于低信噪比条件下的微弱信号处理，预计在未来卫星通信信号处理领域具有潜在的应用价值。

图4 随机共振处理前后时域信号对比示意图

图5 卫星接收机接收到的噪声信号星座示意图

图6 经过随机共振处理后的信号星座示意图

图7 经过随机共振处理前后的接收信号误码率曲线示意图