短波多音并行信號全數(shù)字解調(diào)算法設(shè)計

王俊蕊，李艷斌

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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短波多音并行信號全數(shù)字解調(diào)算法設(shè)計

王俊蕊，李艷斌

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要針對短波多音并行信號解調(diào)算法的通用性和性能的不足，根據(jù)短波多音并行信號傳輸?shù)奶攸c，以16單音信號為例，設(shè)計了一種全數(shù)字解調(diào)算法。算法對采樣速率無特殊要求，保證無失真采樣即可。算法主要包括信號檢測、多普勒頻移測量、同步提取和FFT相位解調(diào)幾部分。仿真結(jié)果表明，在S/N>12 dB的情況下，算法的丟幀率和誤碼率滿足實用要求。算法實現(xiàn)簡單，適合在商用PC機用VC編程和全數(shù)字接收機中實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞短波通信；多音并行信號；全數(shù)字解調(diào)；信號檢測；頻移校正；同步

0引言

短波通信[1，2]是唯一不受網(wǎng)絡(luò)樞鈕和有源中繼制約的遠(yuǎn)程通信手段。短波信道是一個時變色散信道，路徑衰耗、時間延遲、多徑效應(yīng)和電離層衰落等因素嚴(yán)重阻礙了短波信道中進行數(shù)字信息的傳輸。在短波通信中存在著信道衰落和碼間干擾。

短波信道使用的調(diào)制體制分為單音串行體制和多音并行體制。單音串行體制是將輸入數(shù)據(jù)用單一載波的不同分量(如頻率、相位等)進行調(diào)制。數(shù)據(jù)傳輸速率限制在100 bit/s以下；多音并行體制是用多個副載波在短波信道的有效帶寬內(nèi)并行傳輸數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到2 400 bit/s。

多音并行體制在克服多徑傳播、信道衰落、多普勒頻移和提高數(shù)據(jù)傳輸速率等方面具有突出的優(yōu)勢。

本文以短波多音并行體制中常見的16音信號為例，對多音并行信號接收中的關(guān)鍵技術(shù)：信號檢測、多普勒頻移測量、同步提取和FFT相位解調(diào)進行深入研究，設(shè)計出一種不依賴于特定采樣速率的高性能全數(shù)字解調(diào)算法。

1短波多音并行信號傳輸

在短波通信中，當(dāng)多徑時延與碼元周期處于同一量級時，碼間干擾變得嚴(yán)重起來[3]。因此，延長碼元周期，使碼間干擾只發(fā)生在碼元的前后沿，用一段保護時間確保解調(diào)器只工作在碼元無串?dāng)_的部分，可以有效改善數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。由于碼元周期的加長，導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)速率下降，所以采用足夠數(shù)量的副載波來實現(xiàn)所需的數(shù)據(jù)傳輸速率。

短波多音并行信號常見的有16音、39音和51音。

16音信號規(guī)格如下[4]：

① 一個多普勒單音，605 Hz，單頻未調(diào)制，用于校正頻率偏差；

② 一個同步單音，2 915 Hz，在報頭幀用于信號同步；

③ 15個調(diào)相單音，從935～2 365 Hz，頻率間隔110 Hz，以及2 915 Hz，用于數(shù)據(jù)傳輸；

④ 每個數(shù)據(jù)音為時間差分四相移相鍵控(TDQPSK)調(diào)制；

⑤ 各個數(shù)據(jù)音初始相位不同；

⑥ 碼元長度為22.22 ms(速度45 Bd)和13.33 ms(速度75 Bd)2種；

⑦ 采用漢明編碼和加密等技術(shù)。

16音信號信息傳輸?shù)膸袷絒5]如圖1所示。其中信息幀中，根據(jù)工作方式的不同，包含或同時包含地址碼、終止碼和報文數(shù)據(jù)。

圖1　信息傳輸幀格式

2解調(diào)算法設(shè)計

依據(jù)軟件無線電理論和全數(shù)字接收機原理[6，7]，所謂全數(shù)字解調(diào)，是指解調(diào)器首先對接收的模擬信號采樣并數(shù)字化，其采樣時鐘振蕩于固定頻率，后續(xù)的解調(diào)處理全部用數(shù)字信號處理的方法且不再提供振蕩控制信號去反饋控制采樣器。

對于短波多音并行信號，一般應(yīng)用于飛機、陸基和艦艇戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)之間實時交換戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)。由于目標(biāo)的相對運動，所以在接收的信號中都會產(chǎn)生多普勒頻移。由于戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)信號都為分時傳輸，且傳輸時間很短。所以在相對運動速度較低且短時間內(nèi)多普勒頻移近似認(rèn)為固定不變，并且近似認(rèn)為各數(shù)據(jù)音與多普勒單音的多普勒頻移相同。解調(diào)時，利用多普勒單音精確測量出多普勒頻移，以此測量值為基準(zhǔn)糾正其他數(shù)據(jù)音的多普勒偏移。并對糾正后的數(shù)據(jù)音做頻譜分析，實現(xiàn)FFT相位解調(diào)。

FFT相位解調(diào)主要包括下面幾個部分：信號檢測、多普勒頻移校正、信號同步和FFT相位解調(diào)。解調(diào)原理框圖如圖2所示。

圖2　解調(diào)原理

2.1信號檢測

如前所述，多音并行信號為分時傳輸，解調(diào)時需要提取信號部分的數(shù)據(jù)。也就是說信號檢測是判斷接收信號是噪聲還是攜帶數(shù)據(jù)信息的信號的過程。所以信號的檢測應(yīng)該包含對信號開始時刻的檢測和信號終止時刻的檢測。由于發(fā)報時多普勒音為單頻未調(diào)制，且幅度為其他數(shù)據(jù)音的2倍，因此適合用檢測能量的方法來檢測信號。

信號檢測方法1：在接收端用2個帶通濾波器，其中1個帶通濾波器中心頻率置于多普勒音，濾波器的輸出為多普勒音的信號能量；另外1個帶通濾波器置于多普勒音和同步音之間，其輸出能量僅為噪聲能量。利用信號濾波器和噪聲濾波器輸出能量的差異，進行信號檢測。為了減少噪聲起伏帶來的干擾，減少虛警和漏警，取N個樣點做平均。為提高檢測精度，以固定窗長進行小步進的滑動，用連續(xù)多次步進的測量結(jié)果進行綜合判斷。

信號檢測方法2：可采用頻譜分析的方法。通過對一段數(shù)據(jù)進行FFT運算，分別取多普勒頻率和噪聲頻率對應(yīng)譜線的能量值，進行比較，從而進行信號檢測。

頻譜分析本身就是對信號進行窄帶濾波，所以這2種方法的本質(zhì)是相同的，效果也大致相同。需要注意的是，不管采用哪種方法，都必須進行小步進滑動進行多次判斷，才能保證檢測的精度和準(zhǔn)確度。

2.2多普勒頻移測量

多音并行體制中，各個副載波間的頻率間隔很窄，只有100 Hz左右，因此對由信道或由載機運動引起的多普勒頻移相當(dāng)敏感。因此，這種體制的調(diào)制解調(diào)器在同步建立和數(shù)據(jù)解調(diào)前必須進行多普勒頻移校正，否則，將無法建立正確的同步和獲得比較好的解調(diào)性能。

傳統(tǒng)的FFT方法[8]，要提高頻率測量精度，需要增加數(shù)據(jù)長度。而實際系統(tǒng)中，尤其是數(shù)據(jù)帶有幀格式的系統(tǒng)中，其用于頻率測量的數(shù)據(jù)長度(通常指導(dǎo)頻)一般都較短，因此數(shù)據(jù)長度不能滿足要求。這里采用的相位差法，是傳統(tǒng)FFT方法的改進，它可以利用較短的數(shù)據(jù)而達(dá)到高精度頻率測量的目的。

相位差法測頻的基本思想如下：連續(xù)取一時域信號的2段采樣數(shù)據(jù)，用此2段數(shù)據(jù)做FFT，當(dāng)所取數(shù)據(jù)的長度與所做FFT的點數(shù)相等且被測信號的頻率是整倍數(shù)的頻率分辨率時，前后2次FFT相同譜線位置的相位差應(yīng)該為零。當(dāng)被測信號的頻率不是整倍數(shù)的頻率分辨率時，利用前后2次FFT相同譜線位置的相位差對測量的頻率值進行修正。利用上述原理，可以達(dá)到高精度頻率測量的目的。

所謂的連續(xù)取數(shù)據(jù)包含2層含義：① 2次取數(shù)之間沒有間斷；② 2次取數(shù)之間有間斷，間斷的點數(shù)已知。

第①種情況時，所測得的頻率為：

式中，f為頻率測量值；Δf為頻率分辨率；Nmax為最大譜線位置；A為前后2段數(shù)據(jù)在最大譜線位置的相位差。

第②種情況時，所測得的頻率為：

式中，f為頻率測量值；Δf為頻率分辨率；Nmax為最大譜線位置；A為前后2段數(shù)據(jù)在最大譜線位置的相位差；K為2次取數(shù)間隔；N為所做FFT的點數(shù)；Fs為采樣率。

利用相位差測頻的前提是先粗略地知道頻率的大致范圍，以確定所取譜線的位置。這一條件的實現(xiàn)可利用FFT找最大譜線位置的方法。經(jīng)仿真實驗，這種方法在所取FFT點數(shù)很少的情況下，即可達(dá)到很高的測頻精度。

2.3信號同步

數(shù)據(jù)通信中要實現(xiàn)正確解調(diào)的先決條件是在接收端建立正確的幀同步[9]。在對多普勒頻移進行估計后，對輸入信號進行多普勒頻移校正，對校正后的信號，首先將進行同步提取。同步提取包括前導(dǎo)碼期間同步的建立和數(shù)據(jù)段的同步跟蹤。針對不同格式的多音并行信號，有時只需要在前導(dǎo)碼期間建立同步即可，如16音信號，一次傳輸?shù)臅r間很短，所以在前導(dǎo)碼期間建立了同步后在傳送信息時不會發(fā)生失步現(xiàn)象。

文獻(xiàn)[10]中，采用逐點滑動進行頻譜分析的方法來獲得前導(dǎo)碼期間的同步，采用縫隙值同步技術(shù)[11]實現(xiàn)數(shù)據(jù)段的同步跟蹤。

除上述方法外。利用同步音相鄰2幀之間有180°的相差，及發(fā)送端對碼元進行了成型濾波的特點，首先設(shè)計一窄帶濾波器，將同步音濾出，然后計算得到同步音的包絡(luò)，包絡(luò)曲線應(yīng)該包含5個波峰和至少4個波底，波峰的位置即為碼元的中心點，波底的位置即為碼元同步點。利用這一原理，經(jīng)過較少的運算量，即可獲得幀同步。

2.4FFT相位解調(diào)

在同步建立后,即碼元起始位置確定后，對一幀的時域信號Y(n)做快速付氏變換(FFT)，求出各個數(shù)據(jù)音的幅值和相位。

采用FFT，可以大大減少運算量，節(jié)省處理時間。由FFT計算出信號所有音的相位，取15個數(shù)據(jù)音的相位值，該信號采用TDQPSK調(diào)制，是以前后碼元相位變化來攜帶信息的。

ΔΦ(k)=Φi(k)-Φi-1(k)-2*pi*freal*n/Fs。

式中，k=int(freal/(Fs/N)+0.5)為各音真實頻率對應(yīng)的譜線位置；freal為各音真實頻率，等于各音標(biāo)稱頻率與測量得到的多普勒頻移之和，即freal=fbiaozhun+fduo；Φi(k)為第i幀第k音上的相位；Φi-1(k)為第i-1幀第k音上的相位。

判斷ΔΦ(k)所在像限，即可解調(diào)出相位信息。

ΔΦ(k)在第1像限，輸出10；ΔΦ(k)在第2像限，輸出00；ΔΦ(k)在第3像限，輸出01；ΔΦ(k)在第4像限，輸出11。

將每一幀的15個音的30 bit串起來,就得到原發(fā)送數(shù)據(jù)，完成相位解調(diào)。之后可以對數(shù)據(jù)進行解碼、還原信息等工作。

3算法實現(xiàn)及仿真結(jié)果分析

3.1算法實現(xiàn)

短波接收機對射頻信號進行邊帶解調(diào)后，實時輸出音頻數(shù)據(jù)。

如前所述，本文所述解調(diào)算法為全數(shù)字解調(diào)算法，且對采樣頻率無特殊要求，只要保證能對音頻信號進行無失真采樣即可。這里介紹一種最簡單的實時解調(diào)實現(xiàn)方案：利用計算機中的聲卡作為采樣器，用C語言對采樣數(shù)據(jù)進行實時處理。

選擇聲卡的采樣頻率為16 kHz，一次讀取采樣數(shù)據(jù)的點數(shù)為2 028點，這樣每幀中包含采樣點數(shù)為213點或352點，一包采樣數(shù)據(jù)中包含9.6幀數(shù)據(jù)或5.8幀數(shù)據(jù)。

信號檢測和信號同步時滑動窗長為128，步進為20。多普勒頻移測量時FFT的點數(shù)為256點。FFT相位解調(diào)時FFT點數(shù)為512點。

算法實現(xiàn)流程圖如圖3所示。實現(xiàn)流程同樣適合在全數(shù)字接收機[12]DSP中實現(xiàn)。

圖3　算法實現(xiàn)流程

3.2仿真結(jié)果分析

按照16音信號格式，以16 kHz的采樣速率產(chǎn)生16音調(diào)制信號，選擇資料[13]中規(guī)定的地址碼為基帶碼流，并加入多普勒頻移和高斯白噪聲。設(shè)置多普勒頻移為6 Hz，信噪比S/N為12 dB(3 kHz帶寬)。仿真結(jié)果如下：信號檢測誤差為8個采樣點，頻率測量精度為0.01 Hz，同步誤差為12個采樣點。在上述條件和估計精度下，連續(xù)觀察10 min，無丟幀和誤碼現(xiàn)象，能100%正確解調(diào)。

對估計精度的分析如下：

由于碼元長度為22.22 ms 或13.33 ms，相應(yīng)的總間隔為18.18 ms或9.09 ms，所以允許信號處理誤差分別為1.91 ms或2.12 ms，對應(yīng)的采樣點數(shù)為30個或34個采樣點。也就是說，信號檢測誤差和同步誤差之和只要小于30或34，就能正確建立同步。

對于測頻精度的衡量，可以這樣估算：假設(shè)一個時隙傳輸?shù)淖畲髱瑪?shù)為100幀，按照22.22 ms幀長計算，當(dāng)頻率誤差為0.1 Hz時，引起的相位誤差僅為2°，而QPSK允許的相位誤差為45°，所以不會影響相位判決。

如上所述，對誤差的理論分析結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

4結(jié)束語

本文以16音信號的解調(diào)為例，介紹多音并行信號的解調(diào)過程，此方法適用于39音和51音等其他多音并行信號。

對于多音并行信號，采用FFT相位解調(diào)的方法。傳統(tǒng)的FFT相位解調(diào)對采樣頻率有著嚴(yán)格的要求?；蛞笠粋€碼元周期內(nèi)為整數(shù)個采樣點(即采樣頻率是幀速率的整倍數(shù))，或要求做FFT后，各單音的標(biāo)稱頻率必須落在整數(shù)根譜線位置上。這樣，設(shè)計好的一種采樣速率只能適應(yīng)一種多音格式中的一種速率的信號的解調(diào)。即只要標(biāo)稱頻率集不同，調(diào)制速率不同，就必須要設(shè)計不同速率的采樣時鐘。此外，由于各部分算法處理精度高，使得在較低信噪比下，可獲得很好的解調(diào)性能。

本文設(shè)計的FFT相位解調(diào)方法，其最大特點是對采樣頻率沒有特殊要求，同一個固定速率的采樣便可實現(xiàn)不同頻率集和不同幀速率的多音信號的解調(diào)，是一種真正的全數(shù)字解調(diào)算法。

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王俊蕊女，(1974—)，高級工程師。主要研究方向：信號分析和數(shù)字解調(diào)、通信導(dǎo)航領(lǐng)域的檢測認(rèn)證。

李艷斌男，(1966—)，研究員。主要研究方向：通信對抗、信號分析。

引用格式：王俊蕊,李艷斌.短波多音并行信號全數(shù)字解調(diào)算法設(shè)計[J].無線電工程,2016,46(1):76-79.

Design on All-digital Demodulation Algorithm for

HF Multitone Parallel Signal

WANG Jun-rui,LI Yan-bin

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractIn view of the universality and the performance of demodulation algorithm for HF multitone parallel signal,this paper designs an all-digital demodulation algorithm taking 16 tones as an example based on the characteristics of HF multitone parallel signal.The algorithm has no special requirements except for A/D conversion with no distortion.The algorithm consists of the following parts:signal detection,Doppler shift measurement,synchronous extraction and FFT phase demodulation.The simulation results show that the algorithm can meet the requirement of frame loss rate and bit error rate when S/N is greater than 12 dB.As the algorithm implementation is simple,the algorithm can be applied in commercial PC with VC language and all-digital receiver in real time.

Key wordsHF communication;multitone parallel signal;all-digital demodulation;signal detection;frequency shift correction;synchronization

作者簡介

收稿日期：2015-10-21

中圖分類號TN763

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1003-3106(2016)01-0076-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.01.19