窄帶短波數(shù)據(jù)通信調(diào)制解調(diào)器性能測(cè)試

金慧琴，王正磊，宋斌斌

（海軍航空工程學(xué)院電子信息工程系，山東煙臺(tái)264001）

調(diào)制解調(diào)器是實(shí)現(xiàn)短波數(shù)據(jù)通信的關(guān)鍵，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的相關(guān)算法均在短波調(diào)制解調(diào)器中實(shí)現(xiàn)，調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)直接影響短波數(shù)據(jù)通信的性能。在詳細(xì)介紹該調(diào)制解調(diào)器的軟硬件設(shè)計(jì)之前，首先簡(jiǎn)單介紹窄帶短波數(shù)據(jù)通信協(xié)議中的數(shù)據(jù)發(fā)送格式和性能要求，為后續(xù)短波調(diào)制解調(diào)器的實(shí)現(xiàn)和性能測(cè)試打下基礎(chǔ)。

1 窄帶短波數(shù)據(jù)通信協(xié)議

參照美軍標(biāo)MIL-STD-188-110B，在語(yǔ)音頻段范圍內(nèi)工作的短波調(diào)制解調(diào)器的用戶數(shù)據(jù)率主要有75、150、300、600、1 200、2 400和4 800 bps[1]。任何用戶數(shù)據(jù)率情況下，碼符號(hào)速率均為2 400 Baud。短波基帶數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖1所示。

圖1 發(fā)送信號(hào)流程

在窄帶短波數(shù)據(jù)通信中，發(fā)送的數(shù)據(jù)包括同步序列、用戶數(shù)據(jù)和訓(xùn)練序列，根據(jù)不同的時(shí)隙分配，選擇性的發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)[2]。當(dāng)用戶啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，先發(fā)送同步序列，然后用戶數(shù)據(jù)和訓(xùn)練序列交替發(fā)送。

1.1 數(shù)據(jù)發(fā)送格式

1）同步序列

每次啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，先發(fā)送同步序列。對(duì)于所有的用戶數(shù)據(jù)率，同步序列都是相同的。同步數(shù)據(jù)段包括 15個(gè)八進(jìn)制數(shù)據(jù)0、1、3、0、1、3、1、2、0、Dl、D2、C1、C2、C3、0。D1和D2組合表示選擇的用戶數(shù)據(jù)率和交織長(zhǎng)度，C1、C2和C3組合代表同步數(shù)據(jù)段的發(fā)送次數(shù)計(jì)數(shù)[3]。獲得 D1、D2和 C1、C2、C3的具體數(shù)值后，每個(gè)八進(jìn)制的同步碼符號(hào)映射為32個(gè)八進(jìn)制的信道碼符號(hào)。

2）訓(xùn)練序列

訓(xùn)練序列與用戶數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度比例與用戶數(shù)據(jù)率有關(guān)：用戶數(shù)據(jù)率為4 800、2 400 bps時(shí)，訓(xùn)練序列和用戶數(shù)據(jù)分別為16、32個(gè)碼符號(hào)；用戶數(shù)據(jù)率為1 200、600、300、150 bps時(shí)，訓(xùn)練序列和用戶數(shù)據(jù)都為20個(gè)碼符號(hào)；當(dāng)用戶數(shù)據(jù)率為75 bps時(shí)，不發(fā)送訓(xùn)練序列，采取其它方式確保通信的可靠性[4]。這里指的訓(xùn)練序列和用戶數(shù)據(jù)都是八進(jìn)制數(shù)據(jù)。

3）用戶數(shù)據(jù)

信源輸出二進(jìn)制數(shù)據(jù)到編碼器，編碼器對(duì)輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行前向糾錯(cuò)編碼。糾錯(cuò)編碼采用約束長(zhǎng)度為7、編碼效率為1/2的卷積編碼方式，對(duì)于不同的用戶數(shù)據(jù)率，編碼效率是隨之變化的，糾錯(cuò)編碼的編碼效率為1/2，通過重復(fù)編碼比特可以獲得更低的編碼效率。

經(jīng)過編碼后的編碼比特送到塊交織器進(jìn)行交織處理，有長(zhǎng)交織、短交織和無交織3種方式[5]，交織矩陣的大小取決于交織器的長(zhǎng)度和用戶數(shù)據(jù)率。為減小相鄰碼符號(hào)誤判時(shí)對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)比特的影響，數(shù)據(jù)交織完成后將比特流轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)據(jù)，進(jìn)行修正格雷編碼[6]。用戶數(shù)據(jù)經(jīng)過修正格雷編碼后，還要經(jīng)過符號(hào)映射，形成發(fā)送符號(hào)。通過不同的符號(hào)映射方式，可確保插入訓(xùn)練序列后，碼符號(hào)速率恒為2 400 Baud。符號(hào)映射的作用就是將修正格雷編碼后的用戶數(shù)據(jù)的1、2或者3個(gè)編碼比特轉(zhuǎn)化成3個(gè)比特構(gòu)成的組合，以便于后續(xù)進(jìn)行八進(jìn)制調(diào)制[7]。

為了防止發(fā)送數(shù)據(jù)形成特定的頻譜結(jié)構(gòu)對(duì)其它頻段的通信造成干擾，需要對(duì)同步序列、訓(xùn)練序列和用戶數(shù)據(jù)加擾[8]。采用固定的擾碼序列對(duì)同步序列進(jìn)行加擾處理。對(duì)訓(xùn)練序列和用戶數(shù)據(jù)加擾時(shí)采用的八進(jìn)制擾碼序列由12位的移位寄存器生成。擾碼序列與發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行模8運(yùn)算，生成加擾數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)加擾后，對(duì)加擾的數(shù)據(jù)進(jìn)行8PSK調(diào)制，生成復(fù)基帶數(shù)據(jù)。對(duì)8PSK調(diào)制后的復(fù)基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行上采樣，然后進(jìn)行脈沖成型濾波，在復(fù)數(shù)域與1 800 Hz子載波相乘并取其實(shí)部，即實(shí)現(xiàn)了載波調(diào)制，生成頻率在300～3 300 Hz范圍內(nèi)的音頻信息，完成數(shù)據(jù)信息的音頻調(diào)制。

1.2 性能要求

將數(shù)據(jù)發(fā)送前各階段數(shù)據(jù)的處理參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

表1 短波調(diào)制解調(diào)器參數(shù)設(shè)置匯總

不同信道條件、不同用戶數(shù)據(jù)率情況下，系統(tǒng)的最低性能如表2所示。

表2 短波調(diào)制解調(diào)器要求達(dá)到的性能指標(biāo)

2 窄帶短波調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)

調(diào)制解調(diào)器是實(shí)現(xiàn)短波數(shù)據(jù)通信的關(guān)鍵，它完成信息的調(diào)制與解調(diào)功能。對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制時(shí)，對(duì)輸入的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行信號(hào)處理后，輸出音頻信號(hào)范圍內(nèi)的模擬信號(hào)，經(jīng)短波電臺(tái)音頻通道加載到電臺(tái)進(jìn)行二次調(diào)制、功率放大和發(fā)射[9]；對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)時(shí)，將從短波電臺(tái)接收的音頻信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后輸出數(shù)據(jù)信息。

2.1 窄帶短波調(diào)制解調(diào)器的硬件設(shè)計(jì)

短波通信時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的大量算法，如編譯碼、信道估計(jì)與跟蹤、均衡、頻偏校正、載波跟蹤與恢復(fù)、子載波調(diào)制與解調(diào)等算法，均在短波調(diào)制解調(diào)器中實(shí)現(xiàn)，由DSP芯片完成。機(jī)載短波通信系統(tǒng)選用的是TMS320C6727 DSP芯片，由于本文還要實(shí)現(xiàn)DDE-Turbo均衡，計(jì)算量較大，所以用TMS320C6727 DSP芯片替換原來選用的TMS320-VC33芯片完成信號(hào)處理的相關(guān)算法[10]。TMS320C6727是一款專門用于音頻信號(hào)處理的高速浮點(diǎn)DSP，其高達(dá)300MHz的頻率再加上32位的浮點(diǎn)處理能力，使得它可以輕松運(yùn)行各種復(fù)雜的高頻處理算法，滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求[11]。

2.2 窄帶短波調(diào)制解調(diào)器的軟件設(shè)計(jì)

短波調(diào)制解調(diào)器接收數(shù)據(jù)終端送來的數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)發(fā)送格式，對(duì)用戶數(shù)據(jù)依次完成編碼、交織、修正格雷編碼、同步與訓(xùn)練序列加入、加擾、8PSK符號(hào)映射、上采樣、脈沖成型濾波、1 800 Hz子載波調(diào)制后，取信號(hào)的實(shí)部，送到D/A電路，并經(jīng)放大和隔離后輸出到短波電臺(tái)音頻通道，發(fā)送流程如圖1所示。

短波調(diào)制解調(diào)器的接收通道接收來自短波電臺(tái)的音頻信號(hào)，調(diào)制解調(diào)器對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行隔離、模擬信號(hào)增益控制后，由A/D電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。DSP處理器首先對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行AGC控制，根據(jù)在采樣時(shí)間段內(nèi)的功率變化特性，調(diào)整A/D前端放大電路的增益，實(shí)現(xiàn)對(duì)接收信號(hào)的AGC處理；然后對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行Hilbert變換，將接收信號(hào)變換到復(fù)數(shù)域，對(duì)子載波進(jìn)行相干解調(diào)，從而將接收的實(shí)信號(hào)變換到復(fù)基帶域[12]。在復(fù)基帶域，首先完成系統(tǒng)同步（包括初始同步、頻偏估計(jì)與校正、速率檢測(cè)、信道初始估值和定時(shí)同步幾個(gè)部分），同步完成后，對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行均衡和譯碼處理，估計(jì)用戶數(shù)據(jù)。采用VCC-DDE均衡算法的接收數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示，采用DDE-Turbo均衡算法的接收數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示[13]。

圖2 采用VCC-DDE均衡算法的接收數(shù)據(jù)處理流程

圖3 采用DDE-Turbo均衡算法的接收數(shù)據(jù)處理流程

3 窄帶短波調(diào)制解調(diào)器性能測(cè)試

采用VCC-DDE均衡算法的機(jī)載短波數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)已經(jīng)在機(jī)載短波通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，由于條件所限，并沒有對(duì)采用DDE-Turbo均衡算法的短波調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)，只對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室性能測(cè)試，測(cè)試時(shí)只考慮了用戶數(shù)據(jù)率為2 400 bps時(shí)的短波數(shù)據(jù)通信情況，測(cè)試流程如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試流程

根據(jù)前面給出的窄帶短波數(shù)據(jù)通信時(shí)的數(shù)據(jù)發(fā)送格式，在軟件環(huán)境中生成發(fā)送數(shù)據(jù)，然后模擬短波信道參數(shù)，通過多次迭代算法生成服從Watterson模型的信道衰落系數(shù)[14，15]，對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)分別加入多普勒擴(kuò)展、多普勒頻移、多徑延遲和高斯白噪聲，獲得受干擾的接收數(shù)據(jù)，按照8 kHz采樣速率，存儲(chǔ)為wav音頻文件；利用計(jì)算機(jī)聲卡播放音頻信息，并通過音頻線接入到短波調(diào)制解調(diào)器，短波調(diào)制解調(diào)器對(duì)接收的音頻信息進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)；解調(diào)后的數(shù)據(jù)通過調(diào)制解調(diào)器反饋到計(jì)算機(jī)，然后將發(fā)送數(shù)據(jù)與解調(diào)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試其誤碼率[16]。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下分別測(cè)試VCC-DDE和DDE-Turbo均衡算法在短波信道下的性能。測(cè)試性能如表3所示。

表3 測(cè)試性能

通過表3可以看出，采用VCC-DDE算法的調(diào)制基于DDE-Turbo均衡算法的短波調(diào)制解調(diào)器，相對(duì)采用VCC-DDE算法的調(diào)制解調(diào)器，性能又有進(jìn)一步的改進(jìn)。調(diào)制解調(diào)模塊采用的是VCC-DDE算法，受時(shí)間和條件所限，并沒有對(duì)采用DDE-Turbo均衡算法的短波調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)。但是由于VCC-DDE算法已經(jīng)在機(jī)載短波通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，性能良好，通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試又證明了DDE-Turbo均衡算法相對(duì)于VCC-DDE算法的優(yōu)越性，證明了DDETurbo均衡算法的有效性。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中對(duì)窄帶短波調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，調(diào)制解調(diào)模塊采用VCC-DDE算法和載波同步和DDE-Turbo均衡算法，由于條件所限，搭建了短波通信測(cè)試系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。從測(cè)試結(jié)果可以看出，DDE-Turbo均衡算法相比VCC-DDE均衡算法性能有很大改進(jìn)。雖然沒有對(duì)采用DDE-Turbo均衡算法的短波調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果即驗(yàn)證了DDE-Turbo均衡算法的有效性。