基于流星余跡通信的調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李經(jīng)安，周凌宇

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國人民解放軍96275部隊(duì)，河南 洛陽 471003)

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基于流星余跡通信的調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李經(jīng)安1，周凌宇2

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國人民解放軍96275部隊(duì)，河南 洛陽 471003)

隨著對適用于流星余跡信道的各種調(diào)制體制的日漸深入研究，基于流星余跡通信的調(diào)制方案也變得越來越復(fù)雜。為了達(dá)到流余系統(tǒng)通信性能進(jìn)一步提高的目的，主要介紹一種基于流星余跡通信的調(diào)制解調(diào)器。介紹了流星余跡通信系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)體制設(shè)計(jì)，探討了調(diào)制解調(diào)器的具體設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。給出了試驗(yàn)數(shù)據(jù)及測試分析，試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，該調(diào)制解調(diào)器完全滿足系統(tǒng)指標(biāo)，適應(yīng)流星余跡信道的信道特性。

流星余跡通信；調(diào)制解調(diào)方式；快速解調(diào)；前向糾錯(cuò)技術(shù)

0　引言

流星余跡通信作為一種特殊的通信方式，其技術(shù)體制也是與其他通信方式有區(qū)別的，目前流星余跡通信調(diào)制方式應(yīng)用在商業(yè)領(lǐng)域的類型有BFSK、BPSK和DBPSK[1]。美國聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)把DBPSK作為流星余跡通信的調(diào)制方式。為了達(dá)到提高數(shù)據(jù)通過量的目的，一些研究機(jī)構(gòu)正在研究MPSK、QAM、TCM和OFDM等調(diào)制方式在流星余跡信道下的性能以及實(shí)現(xiàn)的可能性。美國國家通信系統(tǒng)管理機(jī)構(gòu)推薦新一代流星余跡通信系統(tǒng)調(diào)制方式為QPSK和卷積碼相結(jié)合的TCM調(diào)制[2]。

本文對提高系統(tǒng)性能進(jìn)行研究。主要從自適應(yīng)變速技術(shù)、自適應(yīng)編碼技術(shù)方面進(jìn)行研究，最大限度地和流星余跡信道傳輸特性匹配。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

調(diào)制解調(diào)方式是體現(xiàn)通信系統(tǒng)先進(jìn)性的一個(gè)重要特征，在很大程度上決定了一個(gè)通信系統(tǒng)的性能[3-4]。流星余跡通信系統(tǒng)可以采用的調(diào)制方式有FSK調(diào)制、PSK調(diào)制和QAM調(diào)制。對FSK信號，一般采用非相干解調(diào)方式；而對于PSK信號，有差分相干解調(diào)和相干解調(diào)這2種解調(diào)方式可供選擇；QAM調(diào)制常采用相干解調(diào)。在流星余跡信道上，這3種調(diào)制方式在相同誤碼率條件下的解調(diào)門限電平是不同的，QAM調(diào)制要求最高，F(xiàn)SK其次，差分相干解調(diào)PSK居中，相干解調(diào)PSK最低。QAM信號有最高的頻譜利用率，但是其信號幅度要求較高穩(wěn)定度，不適合在流星余跡信道中應(yīng)用。因此，PSK信號的相干解調(diào)是流星余跡通信中理論上性能最好的調(diào)制解調(diào)方式。因此，本系統(tǒng)將對信號進(jìn)行BPSK與相干解調(diào)[5]。

流星余跡通信中可用的調(diào)相制調(diào)制方式為BPSK或QPSK方式。相對BPSK方式，QPSK方式頻譜利用率較高，頻帶利用率提高一倍，并且在信息速率相同的情況下，QPSK方式相比BPSK方式符號長度要長，從而有利于克服多徑引起的碼間干擾，較適合于高傳輸速率的通信[6]。在流星余跡通信系統(tǒng)中，采用自適應(yīng)變速傳輸技術(shù)，受BPSK和QPSK調(diào)制的特點(diǎn)及變速數(shù)目的制約，系統(tǒng)在低傳信率時(shí)使用BPSK調(diào)制，高傳信率時(shí)采用QPSK調(diào)制，不僅提高了頻譜利用率而且可以減小多徑的影響。

1.1調(diào)制器設(shè)計(jì)

調(diào)制器包括工作高鐘發(fā)生器、調(diào)制信號產(chǎn)生器、D/A變換器、低通濾波器、帶通濾波器和放大器等模塊。為了限制調(diào)制信號的雜散和諧波對收信號的干擾，D/A輸出10.7MHz低中頻信號經(jīng)過低通濾波器濾波、放大器放大后再經(jīng)過中心頻率為10.7MHz的帶通濾波器進(jìn)一步限帶濾波，然后再送往發(fā)信機(jī)。

調(diào)制器設(shè)計(jì)主要應(yīng)用FPGA數(shù)字器件實(shí)現(xiàn)，基帶信號首先經(jīng)過數(shù)字帶通濾波器對方波信號進(jìn)行限帶，然后使用NCO對其進(jìn)行數(shù)字上變頻后，由D/A變換器形成模擬信號后，再送入發(fā)信機(jī)、功放和天線把調(diào)制信號發(fā)送出去，其原理組成如圖1所示。

圖1　調(diào)制器原理組成

1.2解調(diào)器設(shè)計(jì)

在接收端采用失真自適應(yīng)相干檢測體制完成對信號的解調(diào)。失真自適應(yīng)接收機(jī)(Distortion Adaptivable Receiver，DAR)接收原理如圖2所示。

圖2　DAR接收原理

流星余跡通信信道中存在重疊余跡和風(fēng)剪作用，使之成為一種多徑擴(kuò)散信道，信號在多徑信道上傳輸，時(shí)域波形會發(fā)生擴(kuò)散，使得信號形狀產(chǎn)生了失真；另外，由于流星余跡信道的時(shí)變特性，失真波形的形狀會隨時(shí)間不斷變化。這樣，在接收端要達(dá)到最佳接收的效果，必須根據(jù)失真的波形自適應(yīng)地隨著它的變化產(chǎn)生本地相干載波。DAR恰好能夠完成這一任務(wù)。由于信道信號的包絡(luò)每一瞬間都在發(fā)生變化，因此接收機(jī)接收信號的包絡(luò)與DAR載波提取系統(tǒng)所提出的相干載波的包絡(luò)也在隨時(shí)間發(fā)生著變化，然而二者的失真是同步的，即提取的相干載波的包絡(luò)形狀總是隨著濾波器輸出信號包絡(luò)的變化而進(jìn)行變化，這樣一來，相干載波的包絡(luò)總是能夠自動(dòng)適應(yīng)信道的失真變化，從而構(gòu)成了最佳匹配接收，即在有頻率選擇性衰落的情況下，提取的相干載波的包絡(luò)形狀總是隨著濾波器輸出信號包絡(luò)的變化而進(jìn)行變化，達(dá)到了最佳接收的效果。

1.3比特定時(shí)恢復(fù)設(shè)計(jì)

在最佳接收機(jī)構(gòu)中，需要對積分器或匹配濾波器的輸出進(jìn)行抽樣判決。抽樣判決時(shí)刻應(yīng)位于每個(gè)碼元終止時(shí)刻，故接收端必須產(chǎn)生一個(gè)用于作抽樣判決的定時(shí)脈沖序列，它和接收碼元的終止時(shí)刻應(yīng)對齊。所以需要比特同步提取單元。

符號定時(shí)提取有開環(huán)和閉環(huán)2種方法，開環(huán)同步提取要比閉環(huán)快速且電路簡單[7]。對于突發(fā)通信，需在更短時(shí)間里提取定時(shí)信號，因此使用開環(huán)同步提取方法。

在開環(huán)算法中，采用譜線產(chǎn)生定時(shí)恢復(fù)法，其方法是通過對接收到的基帶信號濾波和非線性處理，按碼元速率產(chǎn)生一個(gè)頻率分量。通過一個(gè)帶通濾波器提取這個(gè)頻率分量，再使數(shù)據(jù)時(shí)鐘轉(zhuǎn)換為方波形式。

BPSK/QPSK調(diào)制信號屬于抑制載波調(diào)制，其調(diào)制信號本身不含有任何載波成分和定時(shí)成分，但是如果把信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆蔷€性處理后，就會有周期譜分量出現(xiàn)，其相位和歸一化位定誤差ε有關(guān)。從頻域上看，經(jīng)過非線性變換后的信號的頻譜，在符號速率1/T和其倍數(shù)處的頻率上有離散譜線出現(xiàn)，因此可以采用梳齒帶通濾波器來慮出該單譜分量，后經(jīng)過移相網(wǎng)絡(luò)和脈沖產(chǎn)生器恢復(fù)定時(shí)信號[8]。

PSK信號經(jīng)過數(shù)字下變頻后輸出的I、Q兩支路信號由于調(diào)制的原因，以符號周期T的n倍處存在相位的180°跳變。因此，將該2路信號經(jīng)過微分器后，就可以得到含有定時(shí)信息的非線性信號，采用FIR形式的數(shù)字微分器級數(shù)較多，為節(jié)省硬件資源，這里以T/2延遲代替微分器。則位定時(shí)非線性變換表達(dá)式為：

a(n)=(I(n)+I(n-1/2))2+(Q(n)+Q(n-1/2))2。

(1)

式中，平方和不含有相位信息，但是卻包含了豐富的位同步信息，將非線性變換以后的信號通過信噪比達(dá)30dB的梳齒濾波器提純，并且過濾掉零頻分量后，最后再內(nèi)插到系統(tǒng)最高時(shí)鐘，提高采樣頻率，將有效抑制信道變化引起的時(shí)鐘的相位抖動(dòng)，得到積分判決、I、Q通道碼流合成用的定時(shí)脈沖信號[9]。

比特時(shí)鐘恢復(fù)電路原理如圖3所示。

圖3　比特時(shí)鐘恢復(fù)電路原理

2　性能測試

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)是否接近于理論上的最佳接收機(jī)，本論文最末一個(gè)階段的任務(wù)，就是測試基于流余通信的調(diào)制解調(diào)器的抗白噪聲性能。系統(tǒng)測試框圖如圖4所示。由于通信為突發(fā)通信，并且具有特定協(xié)議，無法使用通用誤碼儀進(jìn)行誤碼測試，只能通過監(jiān)控軟件進(jìn)行誤碼測試以實(shí)現(xiàn)自測自檢功能。解調(diào)性能測試主要是在機(jī)箱里進(jìn)行，誤碼儀實(shí)為機(jī)箱監(jiān)控誤碼統(tǒng)計(jì)功能模塊。

圖4　系統(tǒng)測試框圖

調(diào)制器輸出信號的速率為4～64kbps、中心頻率為10.7MHz。監(jiān)控產(chǎn)生測試碼并送給調(diào)制器，調(diào)制器產(chǎn)生的調(diào)制信號經(jīng)過可調(diào)衰減器之后和噪聲相加，經(jīng)過中心頻率10.7MHz、等效噪聲帶寬為150kHz的帶通濾波器，然后信號經(jīng)AGC送給解調(diào)器完成信號的解調(diào)，解調(diào)器最后將解調(diào)碼輸出給監(jiān)控軟件進(jìn)行誤碼統(tǒng)計(jì)。

在不同速率下，調(diào)節(jié)衰減器改變信噪比，記錄不同信噪比下的誤碼率，并將測試數(shù)據(jù)用Matlab繪圖[10]。

3　性能測試結(jié)果分析

誤碼性能曲線如圖5所示。

圖5　誤碼性能曲線

圖5所示的解調(diào)性能測試數(shù)據(jù)表明，調(diào)制解調(diào)器整體的誤碼性能曲線與理論曲線比較小于2dB，且加編碼的速率誤碼曲線體現(xiàn)了相應(yīng)的編碼增益效果，相同編碼的速率的誤碼性能差別較小，整個(gè)調(diào)制解調(diào)器性能指標(biāo)完全滿足系統(tǒng)的要求。

8kbps和16kbps速率采用RS編解碼，32kbps和64kbps速率采用tpc編解碼，在信噪比大于4dB以后誤碼性能曲線突然變得陡峭乘，乘積碼在功率和頻帶受限的通信系統(tǒng)中有著優(yōu)秀的適用性。

4　結(jié)束語

本文通過發(fā)端采用全占空方波BPSK/QPSK調(diào)制方式，收端采用失真自適應(yīng)相干檢測體制完成對信號的解調(diào)；以及相應(yīng)的高糾錯(cuò)能力糾錯(cuò)編碼，并且糾錯(cuò)編碼的編碼速率根據(jù)信道狀況可變，譯碼器設(shè)計(jì)采用軟判決方式，最大限度地利用了解調(diào)信息，適應(yīng)了流余突發(fā)通信的信道特性。另外，采用自適應(yīng)變速率傳輸技術(shù)后，一方面低速傳輸降低了系統(tǒng)平均等待時(shí)間；另一方面，高速數(shù)據(jù)傳輸和高糾錯(cuò)能力的差錯(cuò)編碼可以有效對抗信道衰落，獲得系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提高。

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李經(jīng)安男，(1983—)，工程師。主要研究方向：無線通信。

周凌宇男，(1978—)，高級工程師。主要研究方向：通信指揮。

Design and Implementation of Modem Based on Meteor Burst Communication

LI Jing-an1,ZHOU Ling-yu2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;2.Unit96275,PLA,LuoyangHe’nan471003,China)

As the modulation methods adopted for meteor burst communication channel are more and more studied,the modulation schemes based on meteor burst communication become more and more complex.In order to improve the communication performance of meteor burst communication systems,a modem design applied in meteor burst communication is introduced.First,the design of modulation and demodulation schemes applicable to meteor burst communication is analyzed;then,the specific design and implementation of the modem are discussed.Finally,the test data and analysis results are provided.The test data indicates that the designed modem satisfies the system specifications completely and is adapted to the characteristics of meteor burst communication channel.

meteor burst communication;modulation and demodulation mode;fast demodulation;forward error correction technology

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.09.21

2016-05-09

TN926.5

A

1003-3106(2016)09-0080-03

引用格式：李經(jīng)安,周凌宇.基于流星余跡通信的調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無線電工程,2016,46(9):80-82.