遙測應(yīng)用MSD+TPC 技術(shù)時中頻帶寬的選取方法

曾鋮璐，王 威，尹利博

（中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心 酒泉 736200）

引 言

導(dǎo)彈飛行試驗任務(wù)對遙測系統(tǒng)的需求越來越高，為了獲得更加詳細(xì)的試驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸速率也越來越高。近年來，一般任務(wù)的最大遙測碼速率已經(jīng)由2Mbps 增加到10Mbps。為了提高信道增益且不增加地面天線口徑和發(fā)射功率，設(shè)計人員使用了一種性能增強技術(shù)，即將多符號檢測MSD（Multi Symbol Detection）與Turbo 乘積碼TPC（Turbo Product Code）技術(shù)相結(jié)合用于脈沖編碼調(diào)制-調(diào)頻（PCM-FM）遙測體制，從而大規(guī)模地節(jié)約成本，提升系統(tǒng)性能。但是，使用MSD+TPC 技術(shù)會引起遙測信號占用的中頻帶寬增加，容易被其他信號干擾。因此，在保證傳輸質(zhì)量的前提下，合理選擇遙測系統(tǒng)的中頻帶寬參數(shù)是十分關(guān)鍵的。

1 多符號檢測與Turbo 乘積碼技術(shù)

1.1 簡介

MSD 技術(shù)最初是為檢測連續(xù)相位頻移鍵控體制（CPM）信號提出的，特別適合MSK 體制和PCM-FM 體制，一般采用最大似然序列檢測算法。檢測過程是通過相位網(wǎng)格圖搜索最小歐氏距離所對應(yīng)的路徑，達到最佳檢測。它充分利用信號間記憶的關(guān)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)觀察后續(xù)3～5 個碼元后，再對這一碼元判決，從而減少碼元判決錯誤，提高接收機解調(diào)性能。

TPC 的編碼方法是把信息碼元排成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C2；然后再按列編碼，每列編成n1×k1 的系統(tǒng)線性分組碼C1，從而構(gòu)成(n,k)=(n1,k1)×(n2,k2)的乘積碼。為了便于實現(xiàn)，常采用相同的C1、C2 的擴展?jié)h明碼[1]。

1.2 在PCM-FM 遙測系統(tǒng)中應(yīng)用MSD+TPC 技術(shù)

MSD 技術(shù)采用非相干最大似然序列檢測算法，使PCM-FM 體制獲得了與相干PSK 體制相當(dāng)?shù)慕庹{(diào)性能的同時保留了PCM-FM 體制的優(yōu)點，從根本上克服了門限效應(yīng)，為高效信道編譯碼方式提供了前提條件和技術(shù)保障。TPC 技術(shù)是一種新型的編譯碼方法，不僅能獲取顯著的信道增益，且譯碼延時相對較小。在PCM-FM 體制中采用這兩項技術(shù)，理論上比原系統(tǒng)可獲得約9dB 的信道增益，其中采用MSD 技術(shù)可以獲得約3dB 的增益，采用TPC 編譯碼技術(shù)可獲得約6dB 的增益[2]。MSD+TPC 技術(shù)在遙測接收設(shè)備PCM-FM 體制中的應(yīng)用如圖1 所示。

圖1 MSD+TPC 技術(shù)的應(yīng)用Fig.1 application of MSD and TPC technology

2 理論分析

2.1 PCM-FM 遙測信號的中頻帶寬選取方法

PCM-FM 遙測信號的調(diào)制指數(shù)一般為0.7，根據(jù)遙測碼速率設(shè)置基帶接收機中頻帶寬，經(jīng)驗公式為

對于PCM-FM 體制，經(jīng)過0.7Rb帶寬濾波后，信號能量大多會集中在Rb～1.2Rb的帶寬內(nèi)[3]。實際應(yīng)用中，由于會出現(xiàn)目標(biāo)高速運動引起的多普勒頻移、發(fā)射機和接收設(shè)備的零漂以及濾波器的非線性濾波等情況，因此，實際選取的中頻帶寬要大于理想值。

根據(jù)Carson 法則中頻帶寬有以下表達方式：

其中，Δf為調(diào)制頻偏。一般情況下，當(dāng)Δf為0.35Rb，預(yù)調(diào)濾波器截止fm為0.5Rb，則Bd為1.7Rb。這種方法計算的結(jié)果與經(jīng)驗公式一致。

2.2 應(yīng)用MSD+TPC 技術(shù)時的帶寬計算

目前，PCM-FM 遙測體制普遍采用調(diào)制指數(shù)h為0.7 的二進制連續(xù)相位頻移鍵控（CPFSK）的調(diào)制技術(shù)，其信號波形表示為

式中，E為符號能量；T為碼元周期；fe為載波頻率；ak為二進制碼元序列，ak?{±1}；q(t)為矩形脈沖響應(yīng)函數(shù)，可表示為[4]

當(dāng)CPFSK 信號采用MSD 解調(diào)時，通過對若干周期內(nèi)接收信號的路徑進行聯(lián)合計算來實現(xiàn)檢測，假設(shè)發(fā)射信號為s(t)，接收信道存在加性高斯噪聲信道，n(t)為加性高斯噪聲，則接收機輸入端的接收信號可表示為

根據(jù)最大似然準(zhǔn)則，收到信號r(t)的似然概率為

式中，F(xiàn)為一個與s(t)獨立的常量；N0為噪聲功率，N為觀測符號數(shù)，間隔內(nèi)信號r(t)與s(t)的歐氏距離度量。因此，最大化似然率p(r(t)|s(t))即為最小化r(t)與s(t)的歐氏距離。MSD 解調(diào)就是尋找與r(t)具有最小歐氏距離路徑的s(t)，將其對應(yīng)的碼元序列作為解調(diào)結(jié)果輸出。

TPC 對具有一定幀格式的遙測數(shù)據(jù)進行編碼，形成相互獨立的編碼塊，經(jīng)過TPC 譯碼，剝離校驗數(shù)據(jù)后恢復(fù)原始的遙測數(shù)據(jù)，對遙測數(shù)據(jù)的幀格式、字長和碼型都沒有特殊的要求。由于每個譯碼塊是相互獨立的，比卷積碼具有更好的防止誤碼擴散能力，這對于數(shù)據(jù)的保護有重要意義。同其它所有的編譯碼方式一樣，TPC 編譯碼也會引入額外的帶寬。

PCM-FM 體制10Mbps 碼速率下兩種方式的實測中頻信號頻譜如圖2 所示，可以看出，未應(yīng)用MSD+TPC 技術(shù)時占用帶寬約為14MHz，而應(yīng)用MSD+TPC 技術(shù)時占用帶寬約為17.5MHz，帶寬增加約25%。另外，在2Mbps 碼速率下也進行了測試，未應(yīng)用MSD+TPC 技術(shù)時帶寬約為3.3MHz，而應(yīng)用MSD+TPC 技術(shù)時占用帶寬約為4.1MHz，帶寬增加約25%。通過多個碼速率下的帶寬測試，可得出兩種方式的實測帶寬比有以下表達方式：

圖2 PCM-FM 體制10Mbps 碼速率的實測信號頻譜Fig.2 The spectrum characteristic of PCM-FM 10Mbps code rate telemetry signal

3 測試結(jié)果和比較

對PCM-FM 信號用傳統(tǒng)鑒頻解調(diào)，中頻帶寬決定的帶內(nèi)信號的信噪比是影響解調(diào)誤碼率性能的重要因素。由于接收到的信號中含有噪聲，信號首先通過帶通濾波器濾除信號帶寬外的噪聲信號，然后對調(diào)頻波進行微分處理，所以，需要根據(jù)碼速率合理設(shè)置中頻帶寬。根據(jù)遙測設(shè)備接收中頻帶寬設(shè)置的情況總結(jié)得出，目前2Mbps～10Mbps 碼速率一般常用以下幾檔：3.3MHz、4MHz、6MHz、10MHz、15MHz、20MHz、24MHz。用遙測設(shè)備的射頻有線閉環(huán)鏈路，在調(diào)頻遙測基帶分別應(yīng)用和未應(yīng)用MSD+TPC 技術(shù)，通過3種不同的碼速率在各自門限附近的載噪比(S/Φ)下，設(shè)置不同的中頻帶寬，解調(diào)誤碼率測試結(jié)果示于圖3。

通過測試可以得出：

①未應(yīng)用MSD+TPC 的傳統(tǒng)非相干鑒頻解調(diào)方式的解調(diào)性能對中頻帶寬的設(shè)置相當(dāng)敏感。當(dāng)中頻帶寬設(shè)置太寬時，引入的噪聲較大，使鑒頻器輸入信噪比惡化，引起解調(diào)誤碼性能下降；當(dāng)中頻帶寬設(shè)置太窄時，信號能量損失較大，也會導(dǎo)致系統(tǒng)解調(diào)性能的急劇損失。

②應(yīng)用MSD+TPC 技術(shù)時，解調(diào)誤碼率僅與帶內(nèi)信號能量有關(guān)，當(dāng)中頻帶寬取到大于一定值后，解調(diào)誤碼性能很接近，略有增大但保持在相同數(shù)量級上；中頻帶寬小于一定值時，信號能量急劇減小，導(dǎo)致誤碼率明顯惡化。理論上，在無中頻帶寬限制時，應(yīng)用MSD+TPC 技術(shù)的接收機具有最好的解調(diào)誤碼性能，但在實際應(yīng)用中，由于有對帶外干擾信號的抑制要求，也要設(shè)置一定的中頻帶寬。

③通過兩圖對比可以看出，誤碼率相當(dāng)時，相對于傳統(tǒng)頻解調(diào)方式，應(yīng)用MSD+TPC 技術(shù)后載噪比需求降低6dB，說明MSD+TPC 技術(shù)可以在實際應(yīng)用過程中獲得約6dB 的信道增益。

圖3 3 種碼速率在各中頻帶寬下的實測誤碼率Fig.3 The bit error rate of 3 code rates in different intermediate frequency bandwidth

通過測試結(jié)果比較，應(yīng)用MSD+TPC 技術(shù)時，可以獲取6dB 的信道增益，但所需要的中頻帶寬會變大。通過理論計算，中頻帶寬為1.7Rb×125%≈2 倍，而實際濾波器帶寬可選只有固定的幾檔，實測中，中頻帶寬約為2 倍碼速率時基帶具有最佳的解調(diào)性能，與理論推論一致。所以，在實際應(yīng)用MSD+TPC 技術(shù)時，推薦中頻帶寬為2 倍碼速率。

表1 應(yīng)用MSD+TPC 技術(shù)時的最佳中頻帶寬Table 1 The optimum intermediate frequency bandwidth when applying MSD+TPC technology

4 結(jié)束語

綜上所述，中頻帶寬參數(shù)的設(shè)置對PCM-FM 遙測信號的解調(diào)性能具有重要影響。測試結(jié)果表明，應(yīng)用MSD+TPC 技術(shù)時，中頻帶寬為2 倍碼速率時基帶具有最佳的解調(diào)誤碼性能。實際應(yīng)用中，推薦中頻帶寬為2 倍碼速率。