多符號檢測和Turbo乘積碼技術在高碼率PCM-FM遙測系統(tǒng)中的應用研究

胡磊

摘要：隨著被測量飛行物的飛行速度越來越快，對遙測跟蹤測量裝備的要求也越來越高，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越來越大，遙測數(shù)據(jù)率由也由2Mbps提高到10Mbps甚至更高。當遙測測量裝備要求具有10Mbps碼率遙測數(shù)據(jù)的接收解調能力，傳輸碼率提高到10Mbps后，在彈載遙測發(fā)射機發(fā)射功率不變的條件下會產生近7dB的增益差問題，應用多符號檢測技術（MSD）和Turbo乘積碼（TPC）譯碼技術可以有效解決這一問題并大幅提高PCM-FM遙測系統(tǒng)性能。

關鍵詞：高碼率;PCM-FM;MSD;TPC

中圖分類號：TN602 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）05-0104-02

0 引言

隨著遙測測量中被測量飛行物的飛行速度越來越快，對遙測跟蹤測量裝備的要求也越來越高，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越來越大，遙測數(shù)據(jù)率由也2Mbps提高到10Mbps甚至更高。相應地對系統(tǒng)的鏈路增益、系統(tǒng)帶寬、解調門限、接收解調等功能指標都提出了嚴格的要求，對硬件設計的抗干擾能力和可靠性等方面也提出了更高的要求。10Mbps高碼率傳輸在調頻體制中是一項全新的技術，主要解決在彈載發(fā)射機發(fā)射功率不變的條件下，如何補償碼率提高到10Mbps后帶來的近7dB的增益差問題。而目前聯(lián)合應用MSD、TPC譯碼技術是解決這個問題的較好手段，新型的遙測測量裝備在總體設計階段就充分考慮融入了MSD、TPC技術，并在測量試驗中進行了測試，驗證了該技術的有效性。

1 多符號檢測技術（MSD）

理論分析和工程實現(xiàn)表明，PCM-FM信號傳統(tǒng)方法的解調門限大致在10dB左右，低于這個門限，信噪比急劇下降。門限效應的存在極大限制了編譯碼方法的應用，是系統(tǒng)性能提高的瓶頸所在。多符號檢測技術（MSD）最初是為CPM（連續(xù)相位頻移鍵控體制）信號而提出的，特別適合MSK體制和PCM-FM體制，與TPC編碼聯(lián)合使用時可以在10-4條件下獲得6dB處理增益。MSD技術一般采用最大似然檢測算法，檢測過程是通過相位網格圖搜索最小歐氏距離對應的路徑，達到最佳檢測。它充分利用信號間記憶的關聯(lián)信息，接收端收到一個碼元信號時，并不立即進行判決，而是要持續(xù)觀察后繼3到5個碼元后，再對這一碼元判決，從而減少碼元判決的錯誤，提高接收解調性能。

MSD的工作原理如圖1所示。

2 TPC譯碼技術

TPC（Turbo乘積碼）是把一組信息碼元排成k1×k2的矩陣，編碼時先按行進行編碼，每行編成（n2，k2）的系統(tǒng)線性分組碼（一般為擴展Hamming碼）。然后再按列進行編碼，每列編成（n1，k1）的系統(tǒng)線性分組碼，從而構成如圖2所示的（n，k）=（（n1×n2），（k1×k2））的乘積碼。在接收端先按列到再按行進行譯碼。

一般來說，前向糾錯碼的譯碼算法有兩種，硬判決譯碼和軟判決譯碼。在同樣的條件下，硬判決譯碼器相比軟判決譯碼有3dB的性能損失，對二進制通信系統(tǒng)而言，硬判決譯碼器嚴格地按照二進制符號0和1兩個值來判決運行;軟判決譯碼使用軟信息。

TPC通常采用基于Chase的軟入軟出（SISO）迭代譯碼算法。接收到信號矩陣[R]后，先實行對乘積碼P的行譯碼，采用Chase算法進行譯碼，計算軟輸出。從軟輸出中減去軟輸入，得到外部信息[W（2）]。對接收到的信息進行逐行譯碼后，實現(xiàn)了第一次半迭代。而后進行列譯碼，實現(xiàn)第二次半迭代，其軟輸入信息為：[R（2）]=[R]+α（2）[W（2）]。其中α（2）為縮放因子，初始階段誤碼率相對來說是很高的，在第一次半迭代之后得到的外部信息的標準偏差很大，但是隨著迭代的進行，逐漸降低。因此，可以利用α減弱初始階段外部信息對軟譯碼的影響。圖3為串行迭代譯碼一次完整迭代的結構圖，其中m代表半迭代次數(shù)。

3 應用MSD+TPC技術的遙測系統(tǒng)特點

在PCM-FM遙測系統(tǒng)中，應用TPC譯碼技術的前提是使用MSD解調支路。在使用MSD或TPC時，遙測基帶設備的寬帶接收處理平臺的處理路徑將發(fā)生變化：不再直接進行數(shù)據(jù)解調，而是首先進行MSD解調，然后根據(jù)需要決定是否進行TPC解碼，最后再進行數(shù)據(jù)解調。應用多符號檢測技術（MSD），從根本上克服體制固有的門限效應，使PCM-FM體制獲得與相干PSK體制相當?shù)慕庹{性能，并且保留PCM-FM體制抗火焰、抗極化和多徑衰落、抗相位干擾的優(yōu)點。應用MSD+TPC技術，相比傳統(tǒng)FM解調技術，在誤碼率為10-4～10-7條件下，可獲得6dB以上的信道增益。TPC編碼器對來自中心程序器/遙測采編器/加密機的串行PCM數(shù)據(jù)流進行編碼，對編碼前數(shù)據(jù)的幀格式和字長沒有任何要求。在傳輸能力和作用距離不變的條件下，能夠大幅度地降低發(fā)射功率或者接收天線增益。在相同誤碼率以及發(fā)射功率和接收天線增益均不變的條件下，能夠大幅度地提高傳輸能力或者增加作用距離。

4 應用舉例

在某型遙測測量裝備設計研制階段先后進行了中頻閉環(huán)試驗，射頻閉環(huán)試驗、無線對塔試驗和掛飛試驗，試驗結果表明：在發(fā)射端僅增加TPC編碼，相比采用非相干鑒頻進行PCM-FM信號解調的傳統(tǒng)技術，僅占用125%的系統(tǒng)信道帶寬，在誤碼率為1×10-4～1×10-7條件下，獲取6dB以上的信道增益。

系統(tǒng)應用MSD與TPC技術的測試結果如圖4所示。

其中：碼率1～10Mbps;

TPC編譯碼增益：6dB（在誤碼率為10-7條件下）;

多符號檢測增益：3dB（在誤碼率為10-7條件下）;

捕獲門限：Eb/N0<5dB。

圖5是遙測圖像接收試驗中在Eb/N0=5dB時，應用MSD+TPC技術的原理機與傳統(tǒng)FM接收機的接收解調圖像效果對比圖。左側為傳統(tǒng)FM接收機的接收解調圖像，右側為應用MSD+TPC技術的原理機接收解調圖像。

5 結語

本文簡要介紹了MSD算法和TPC編譯碼原理及其在新型遙測測量裝備中的應用研究，并以試驗結果佐證了MSD+TPC聯(lián)合應用于PCM-FM遙測系統(tǒng)的可行性。目前該技術已成功應用于多種遙測飛行測量任務中，因此應用MSD+TPC技術的遙測裝備必將在測控領域特別是高碼率PCM-FM遙測系統(tǒng)中發(fā)揮更大的作用。

參考文獻

[1] 王曉波，吳嶺，徐松艷.MSD與TPC技術在PCM/FM遙測系統(tǒng)中的應用研究[J].遙測遙控，2015，28（S）：49-53.

[2] 章蘭英.基于DSTFT的PCM/FM信號軟件化解調方法研究[J].裝備指揮技術學院學報，2008，19（1）：94-98.

[3] 曹志剛，錢亞生.現(xiàn)代通信原理[M].北京：清華大學出版社，2002.