連續(xù)相位調制（CPM）在戰(zhàn)術無線通信中的應用研究

王健

【摘要】? ? 戰(zhàn)術無線通信環(huán)境通常具有復雜多變及非視距的特征。連續(xù)相位調制由于其恒包絡和帶外能能量衰減快的特征，極大的提升了功放效率及頻帶利用率，在戰(zhàn)術無線通信中獲得了廣泛的應用。本文分析了連續(xù)相位調制的技術特點，給出了在戰(zhàn)術通信的典型應用，并展望了未來的應用前景。

【關鍵詞】? ? 連續(xù)相位調制? ? 戰(zhàn)術通信? ? 恒包絡

引言：

戰(zhàn)術無線通信是戰(zhàn)場指揮末端的一種通信方式，其所處的環(huán)境復雜多變，用于無線通信的設備形態(tài)多種多樣，因此帶寬效率和功率利用率是保證無線通信質量的重要指標[1][2]。

連續(xù)相位調制作為一種非線性調制體制，具有包絡恒定、相位連續(xù)的的特點。與同屬于非線性的的PSK調制不同，連續(xù)相位調制信號在調制符號跳變時刻信號相位是連續(xù)的，其頻譜更加緊湊，頻譜旁瓣衰減更快，從而頻譜利用率獲得了提高。連續(xù)相位調制的頻譜旁瓣幅度較小，主瓣集中了調制信號的絕大部分功率，所以相比PSK調制其功率利用率也得到了提高。

連續(xù)相位調制信號為恒包絡調制，對功率放大器的非線性特性不敏感，因此可以使用C類放大器獲得更高的功率輸出效率。連續(xù)相位調制的這些優(yōu)良特征正是戰(zhàn)術無線通信迫切需要的，因此連續(xù)相位調制技術在戰(zhàn)術無線通信中得到廣泛應用[3]。

一、連續(xù)相位調制技術原理

連續(xù)相位調制是典型的恒包絡調制技術，是一類調制技術的總稱。CPM調制信號的波形通常表示為以下形式：

其中，fc表示調制信號的載波頻率，表示調制信號的初始相位，表示以為自變量的調制信號的隨機相位，定義如下式所示：

其中，{Ik}表示進制為M的調制符號序列，取值范圍為Ik∈{±1，±3，...，±（M-1）}，{hk}表示調制指數(shù)，T表示調制符號周期，q（t）是脈沖成型函數(shù)為g（t）的積分響應波形，q（t）的表達式如下所示：

q（t）為連續(xù)函數(shù)，因此調制信號的相位也是連續(xù)的。g（t）函數(shù)常用的脈沖形狀定義如下：

連續(xù)相位調制具有較高的頻譜利用率，其功率譜密度表達式[4]如下所示：

由上式可以看出，連續(xù)相位調制的功率譜密度與調制指數(shù)h，記憶長度L相關，不同調制指數(shù)和記憶長度的連續(xù)調制信號功率譜密度如下圖1所示。

二、戰(zhàn)術通信中的應用現(xiàn)狀

2.1戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈

戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈是指按照預先約定的消息格式和通信協(xié)議進行信息傳輸?shù)逆溌?。?shù)據(jù)鏈作為一種典型的戰(zhàn)術無線通信系統(tǒng)，采用先進的數(shù)據(jù)調制解調技術、信道前向糾錯編解碼碼技術、網(wǎng)絡通信技術和信息融合技術，并且采用比特通信的方式應用于地空、空空及地地之間的武器平臺進行實時格式化信息的傳輸[5]。

戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈誕生于20世紀50年代，20世紀80年代為戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈發(fā)展的早期階段，此階段的戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈功能單一，主要進行點對點傳輸;傳輸速率慢，速率只有幾kb/s，具有代表性為美軍的Link4和Link11。本世紀前后10年為戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈的快速發(fā)展期，戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈從單一的點對點傳輸發(fā)展到組網(wǎng)階段，其數(shù)據(jù)傳輸速率也有了較大提升，達到了幾十上百kb/s，該時期具備代表性的戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈為Link16和Link22。近幾年為戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)發(fā)展的第三階段，目標定位于協(xié)助武器平臺實現(xiàn)實時高效的打擊，本階段的典型代表為戰(zhàn)術目標瞄準網(wǎng)絡技術（TTNT），TTNT的數(shù)據(jù)傳輸速率為數(shù)Mb/s，同時采用了具有更強糾錯能力的Turbo編碼及更為靈活的IP協(xié)議。

戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈調制技術的發(fā)展如圖2所示，早期的Link4中采用FSK調制，Link11采用數(shù)字QPSK及模擬FM/SSB;戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈發(fā)展中期的Link16采用MSK 調制，Link22的主要調制方式為QPSK和8PSK調制;新一代數(shù)據(jù)鏈TTNT的主要調制方式為GMSK調制，美軍最新的靶場遙測系統(tǒng)（IRIG）106標準采用的調制方式主要包括SOQPSK、FQPSK、ARTM CPM以及PCM/FM，即使是PSK調制也做了連續(xù)相位的處理。從上述各個時期的數(shù)據(jù)鏈調制信號的發(fā)展歷程看出，物理層調制方式越來越傾向于具有高頻譜效率和功放效率的連續(xù)相位調制。

2.2北約窄帶波形

NATO于2007年發(fā)布了一組“Narrowband Waveform（NBWF）”技術需求。需求中調制和編碼信號處理技術的進步提升了戰(zhàn)術波形的吞吐量和覆蓋范圍，這些能力的增加催生了新一代戰(zhàn)術無線通信網(wǎng)絡。傳統(tǒng)上VHF戰(zhàn)術無線通信使用25kHz信道和16kbps未編碼的FSK調制[5]，全向通信，無動態(tài)組網(wǎng)。新的技術草案提供20kbps-96kbps的數(shù)據(jù)吞吐量的全永久封裝波形，設計目標為工作在VHF、UHF頻段的戰(zhàn)術通信設備提供低SNR、長距離網(wǎng)絡通信。

窄帶波形（NBWF）工作在VHF，每個連接的用戶組占用25kHz帶寬。由于VHF頻段呈現(xiàn)出良好的傳播物理特性和窄帶寬，窄帶波形提供最高達50公里的覆蓋。

NBWF物理層是一個CPM調制的突發(fā)波形，在25kHz信道上提供帶編碼的20kbps、31.5kbps、64kbps及96kbps吞吐率，該數(shù)據(jù)速率是凈荷，不包括導頻影響。其調制方式為連續(xù)相位調制，接收機采用迭代解調和解碼來提高性能。NBWF采用連續(xù)相位調制技術的接收性能比傳統(tǒng)波形SNR高出5dB。

三、結束語

本文分析了連續(xù)相位調制的技術特點，闡明了其頻譜效率高及功率利用率高的主要技術原因，并給出了在戰(zhàn)術通信中的典型應用和發(fā)展歷程，由于戰(zhàn)術通信在整個軍事行動的重要性和基礎性，連續(xù)相位調制必將在未來的各種戰(zhàn)術通信波形中得到更加廣泛的應用。

參? 考? 文? 獻

[1] 趙靜，李瑛，賀玉寅.2006.美軍通信與指控裝備體系結構的發(fā)展及對我們的啟示[C]，2006，軍事電子信息學術會議論文集.武漢：中國電子學會軍事電子信息專業(yè)委員會，2006：813-817.

[2] 金紅軍.超短波遠距離山區(qū)通信關鍵技術研究[J].通信技術，2012， 46（ 06） ： 22-25.

[3] 劉翠海，溫東，姜波，李詮娜.無線電通信系統(tǒng)仿真及軍事應用[M].北京：國防工業(yè)出版社. 2013：136-160.

[4] 鄒勝福，陶建軍，胡飛.連續(xù)相位調制（CPM）系統(tǒng)的參數(shù)選擇研究[J]. 通信技術，2017，50（2）：224-231.

[5] 閻謹.美軍戰(zhàn)術互聯(lián)網(wǎng)體系架構研究[J]. 通信技術，2011，44（09）：105-107.