CPM技術(shù)在超短波高速數(shù)傳電臺(tái)中的應(yīng)用

張勝

摘 要 提出一種采用CPM技術(shù)實(shí)現(xiàn)在25kHz VHF信道上傳輸64kbps數(shù)據(jù)的高速數(shù)傳方案。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上給出不同數(shù)據(jù)速率條件下的信號(hào)調(diào)制參數(shù)以及簡(jiǎn)單的非相干檢測(cè)算法，并進(jìn)行仿真。最后結(jié)合軟件無(wú)線(xiàn)電思想進(jìn)行了中頻數(shù)字化硬件實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞 超短波 連續(xù)相位調(diào)制 中頻數(shù)字化

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393.04 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

信息技術(shù)的日新月異，近海船舶電臺(tái)的語(yǔ)音業(yè)務(wù)已無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)要求，還要支持不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，因此高速數(shù)傳電臺(tái)的研究發(fā)展是必要和急需的。近幾年來(lái)，國(guó)外先進(jìn)的電臺(tái)生產(chǎn)廠家在傳統(tǒng)電臺(tái)的基礎(chǔ)上相繼推出了高速數(shù)傳電臺(tái)。相比之下，國(guó)內(nèi)所裝備的VHF電臺(tái)大多只具有話(huà)音通信和低速的數(shù)據(jù)傳輸能力，而且誤碼率性能較差，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足用戶(hù)要求，因此，對(duì)超短波電臺(tái)高速調(diào)制解調(diào)器的研究已迫在眉睫。在研究國(guó)外相關(guān)體制的過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)，法國(guó)的PR4G電臺(tái)采用多進(jìn)制的連續(xù)相位調(diào)制（CPM）技術(shù)，在25kHz信道內(nèi)提供了64kbps的數(shù)據(jù)傳輸能力；美國(guó)的MIL-STD-188-181B標(biāo)準(zhǔn)中確定采用CPM技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。在這種背景下，本文通過(guò)理論分析及仿真驗(yàn)證，提出了一種基于軟件無(wú)線(xiàn)電思想的窄帶VHF高速數(shù)傳電臺(tái)中頻數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方案，數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到64kbps。

1方案設(shè)計(jì)

1.1調(diào)制方式的選擇

調(diào)制方式對(duì)于系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是至關(guān)重要的。要在25kHz的信道上實(shí)現(xiàn)64kbps的數(shù)據(jù)速率，必須選擇頻譜效率高的調(diào)制方式。此外，背負(fù)式、手持式的窄帶高速數(shù)傳系統(tǒng)通常是通過(guò)電池供電的，因此具有良好功率效率的方案將大幅度延長(zhǎng)系統(tǒng)工作時(shí)間。

首先考慮OFDM調(diào)制方式。OFDM技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)就在于對(duì)抗信道中多徑引起的衰落，25kHz的VHF信道是一個(gè)平坦慢衰落信道，多徑的影響不大，碼間串?dāng)_不是很?chē)?yán)重。所以從提高傳輸性能的角度考慮，使用OFDM技術(shù)比使用均衡的單載波技術(shù)優(yōu)勢(shì)不是很明顯，而且會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)對(duì)同步的要求較高以及信號(hào)的峰均值控制等問(wèn)題。

在單路傳輸方式中，數(shù)據(jù)速率的提高主要是通過(guò)運(yùn)用高效的調(diào)制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如MPSK、MQAM、MCPM等。PSK對(duì)信噪比的要求最大，QAM調(diào)制引入了幅度信息，不屬于恒包絡(luò)調(diào)制，在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，將對(duì)射頻功放的線(xiàn)性工作范圍提出很高的要求，而且幅度信息容易受到干擾的影響。CPM調(diào)制是真正嚴(yán)格意義上的恒包絡(luò)調(diào)制，在具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，射頻功放可以工作在飽和態(tài)，具有很高的功率效率。另外，CPM的頻譜更集中，衰減速率更快，容易滿(mǎn)足通信系統(tǒng)對(duì)帶外輻射的嚴(yán)格要求。

所以可以認(rèn)為采用CPM技術(shù)是實(shí)現(xiàn)窄帶高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的最佳選擇。

1.2 CPM方案設(shè)計(jì)

CPM調(diào)制涉及的參數(shù)包括：進(jìn)制數(shù)M，調(diào)制指數(shù)h，脈沖波形g（t），這些參數(shù)決定了CPM信號(hào)的頻譜、誤碼率以及檢測(cè)復(fù)雜度。本文的目標(biāo)是在容許的誤碼率條件下，在25kHz的超短波信道上實(shí)現(xiàn)最高數(shù)傳輸速率64kbps，并且能夠根據(jù)傳輸信道質(zhì)量，在幾個(gè)可選速率上自適應(yīng)調(diào)整（如16kbps，24kbps，32kbps，48kbps，64kbps）。在參考國(guó)外相關(guān)電臺(tái)資料以及大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性的要求以及仿真驗(yàn)證，表1給出了一定數(shù)據(jù)速率條件下可選的CPM信號(hào)參數(shù)集。表中“REC”表示矩形脈沖，“RC”表示升余弦脈沖，“G”表示高斯脈沖。

CPM信號(hào)解調(diào)算法較多，我們選用算法的目標(biāo)是在兼顧誤碼性能的條件下降低系統(tǒng)復(fù)雜度。相干檢測(cè)性能較好，但是需要精確的載波同步，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，而且在衰落信道中其魯棒性不高。非相干檢測(cè)比相干檢測(cè)性能差，但是它不需要載波同步，計(jì)算量比相干檢測(cè)小，而且在衰落信道中，其魯棒性能較相干檢測(cè)高。因此本方案采用一種簡(jiǎn)單的非相干檢測(cè)算法，來(lái)提高系統(tǒng)的魯棒性以及可實(shí)現(xiàn)性。

1.3無(wú)線(xiàn)高速調(diào)制解調(diào)器中頻數(shù)字化方案

圖1為中頻數(shù)字化系統(tǒng)框圖，從圖中我們可以看出系統(tǒng)包括前向糾錯(cuò)編譯碼（RS碼）、調(diào)制解調(diào)（CPM）、自適應(yīng)均衡、定時(shí)同步（本方案采用非相干解調(diào)方式，所以只需進(jìn)行定時(shí)同步）、A/D、D/A等關(guān)鍵技術(shù)。

2 CPM性能仿真

25kHz的VHF信道是一個(gè)平坦慢衰落信道，在仿真中考慮多徑時(shí)延以及衰落效應(yīng)的影響，信道近似為雙徑Rayleigh衰落模型，兩徑功率比10dB，時(shí)延5，多普勒頻移5Hz。信號(hào)參數(shù)從表1中選取，符號(hào)速率為21.333ksps，實(shí)現(xiàn)比特速率64kbps。其中，M=8，h=1/8，g（t）=1RC/1REC的CPM信號(hào)功率譜帶內(nèi)衰減近20dB， M=8，h=1/6，g（t）=3G的CPM信號(hào)功率譜帶內(nèi)衰減可達(dá)到40dB。在不加帶限濾波器，沒(méi)有均衡和信道估計(jì)的情況下仿真10000個(gè)比特得到圖2所示的性能曲線(xiàn)。

另外給出AWGN信道條件下CPM系統(tǒng)性能曲線(xiàn)，如圖3。

從圖2和圖3可以看出CPM信號(hào)本身就有很好的抗衰落能力，若采用均衡、信道估計(jì)等技術(shù)則系統(tǒng)性能將得到進(jìn)一步提高。

3硬件實(shí)現(xiàn)

硬件設(shè)計(jì)應(yīng)該順應(yīng)技術(shù)的發(fā)展潮流，采用模塊化結(jié)構(gòu)將軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)真正地融入其中，做到調(diào)制方式可編程，數(shù)據(jù)速率可編程?；谝陨峡紤]，我們?cè)O(shè)計(jì)了圖4所示的窄帶高速調(diào)制解調(diào)器中頻數(shù)字化硬件實(shí)現(xiàn)方案，下面就其工作過(guò)程作簡(jiǎn)單說(shuō)明。

數(shù)字中頻解調(diào)部分如圖中細(xì)線(xiàn)所示，中頻調(diào)制部分如粗線(xiàn)所示。在解調(diào)過(guò)程中，中頻輸入的模擬信號(hào)首先經(jīng)過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬帶通濾波器（BPF），然后經(jīng)放大器（AMP）放大后進(jìn)行模數(shù)（AD）轉(zhuǎn)換，得到的數(shù)字信號(hào)送于FPGA和DSP進(jìn)行處理，包括下變頻、抽取、同步、解調(diào)和譯碼，譯碼輸出數(shù)據(jù)送于DARAM（雙訪問(wèn)RAM），用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與交換。在調(diào)制過(guò)程中，從DARAM得到的數(shù)據(jù)送入DSP和FPGA進(jìn)行編碼、調(diào)制、內(nèi)插和上變頻，然后數(shù)模（DA）轉(zhuǎn)換送入BPF，再經(jīng)過(guò)AMP后就得到中頻調(diào)制信號(hào)。

4結(jié)語(yǔ)

由于CPM調(diào)制體系具有較好的功率效率、帶寬效率以及抗幅度衰落能力，因此本文采用CPM調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)25kHz VHF信道上64kbps數(shù)傳速率。在中頻數(shù)字化方案設(shè)計(jì)上，給出不同數(shù)據(jù)速率條件下的信號(hào)調(diào)制參數(shù)，利用簡(jiǎn)單的非相干檢測(cè)算法，提高了本方案在衰落信道中的性能魯棒性以及可實(shí)現(xiàn)性。在硬件實(shí)現(xiàn)方面，采用軟件無(wú)線(xiàn)電的思想，設(shè)計(jì)了硬件流程圖，真正實(shí)現(xiàn)了軟件可升級(jí)，模塊多功能。

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