一種基于協(xié)議的短波多音信號(hào)的解調(diào)方法

焦玉龍，陳 麗

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)

0 引 言

短波通信是最早出現(xiàn)且廣泛應(yīng)用的無(wú)線通信方法，是遠(yuǎn)距離通信的重要手段[1]。但是，短波信道復(fù)雜,不穩(wěn)定，且存在多徑、衰落、多普勒頻移等諸多不利因素[2-3]。短波通信技術(shù)經(jīng)歷了幾代的發(fā)展，多載波并行調(diào)制是降低多徑干擾的一種重要信號(hào)波形[4]。

CLOVER是多載波并行調(diào)制中一組調(diào)制波形的總稱，它專門用于高頻(HF)無(wú)線電通信系統(tǒng)中，其中CLOVER-2000是HAL公司開(kāi)發(fā)的一款高速率、寬帶寬的CLOVER版本[5]，其設(shè)計(jì)旨在最大限度地提高信號(hào)的吞吐率。

1 數(shù)據(jù)傳輸格式分析

1.1 信號(hào)波形

CLOVER-2000信號(hào)波形采用8個(gè)單音脈沖，單音脈沖頻率間隔為250 Hz，每2 ms發(fā)送一次單音脈沖，8個(gè)單音脈沖每16 ms重復(fù)一次[5]。CLOVER-2000系統(tǒng)脈沖發(fā)送不按頻率大小順序進(jìn)行，8個(gè)單音脈沖頻率參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 波形參數(shù)

脈沖波形時(shí)序如圖1所示。

圖1 CLOVER-2000波形時(shí)序

1.2 數(shù)據(jù)調(diào)制

CLOVER-2000使用8個(gè)單音脈沖，每個(gè)單音脈沖的相位、幅度被調(diào)制或解調(diào)為離散窄帶數(shù)據(jù)信道。單音脈沖幀的時(shí)間間隔固定持續(xù)16 ms，因此CLOVER-2000信號(hào)的基本調(diào)制速度為62.5碼元/s。

CLOVER-2000不僅使用多單音來(lái)提高數(shù)據(jù)率，而且在每個(gè)單音上還可使用多電平差分相位調(diào)制，如在每個(gè)單音上使用4電平相位調(diào)制(QPSM)和8電平相位調(diào)制(8PSM)等，使網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)率最高可達(dá)1 500 bps。此外，還使用2種幅度調(diào)制方式：2電平幅度調(diào)制(2ASM)和4電平幅度調(diào)制(4ASM)。其中，4ASM和16電平相位調(diào)制(16PSM)一起使用能產(chǎn)生最快的調(diào)制速率，達(dá)到3 000 bps；2ASM和8PSM一起使用有效數(shù)據(jù)速率達(dá)到2 000 bps。CLOVER-2000調(diào)制方式如表2所示。

表2 CLOVER-2000調(diào)制方式

1.3 CLOVER-2000協(xié)議

CLOVER-2000信號(hào)數(shù)據(jù)采用前向糾錯(cuò)(FEC)方式或自動(dòng)重傳請(qǐng)求(ARQ)方式進(jìn)行傳送。每種方式都有最佳波形參數(shù)集以供使用。

下面以ARQ方式為例進(jìn)行說(shuō)明。ARQ方式使用2層規(guī)約，基本層僅包含控制塊的傳送，所有鏈路維護(hù)操作在控制塊中實(shí)現(xiàn)。另一層是數(shù)據(jù)分塊層，采用較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)分塊和高速調(diào)制波形，以便加快數(shù)據(jù)傳送速率。ARQ方式的數(shù)據(jù)分塊層時(shí)間分配如圖2所示。

圖2 ARQ數(shù)據(jù)分塊層時(shí)間分配

在ARQ方式中，控制塊(CCB)塊使用波形格式為調(diào)制BPSM，分塊大小為17 byte，效率60%；CCB包含信息包括發(fā)送數(shù)據(jù)塊的波形參數(shù)、連接拆連請(qǐng)求等。CCB塊前包含參考周期，用于為CCB和數(shù)據(jù)塊提供頻率和相位參數(shù)；CCB塊后包含保護(hù)間隔和延遲補(bǔ)償，用于補(bǔ)償傳播和收發(fā)等延遲。

數(shù)據(jù)塊的數(shù)量可變，該參數(shù)可在CCB中解析。數(shù)據(jù)塊所用的調(diào)制波形不限，均為255 byte長(zhǎng)的數(shù)據(jù)分塊，編碼效率根據(jù)ARQ方式可選60%、75%或90%。

2 CLOVER-2000信號(hào)解調(diào)原理

CLOVER-2000為多音調(diào)制信號(hào)，時(shí)間差分相移鍵控調(diào)制的多音調(diào)制原理如下，當(dāng)有M個(gè)副載波時(shí)，信號(hào)的復(fù)數(shù)表示為：

(1)

時(shí)間差分相移調(diào)制是根據(jù)前后幀之間某一單音載波的相位變化承載信息，因此，第i幀中單音載波的相位θi=θi-1+Δθ，其中Δθ根據(jù)承載信息的不同而不同。

(2)

(3)

式中：Z(k)=Akejθk，Z(k)是z(n)的離散傅立葉變換。

根據(jù)抽樣定理可知，對(duì)z(t)進(jìn)行采樣處理，采樣速率為fs，得到z(n)，對(duì)z(n)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)處理得到Z(k)，再進(jìn)行處理即可得到所傳輸?shù)男盘?hào)數(shù)據(jù)。

3 基于協(xié)議的解調(diào)方法設(shè)計(jì)

CLOVER-2000協(xié)議信號(hào)由8個(gè)通道的單音脈沖組成，在采樣數(shù)據(jù)讀取后，先對(duì)各通道進(jìn)行數(shù)字信道化、變頻和濾波，分別提取8路獨(dú)立的窄帶采樣信號(hào)，再進(jìn)行后續(xù)的處理。后續(xù)處理過(guò)程主要分為CCB幀檢測(cè)、定時(shí)跟蹤、解調(diào)與bit拼接等處理、解調(diào)參數(shù)解析等，信號(hào)處理流程如圖3所示。

圖3 解調(diào)處理流程

3.1 CCB幀檢測(cè)

3.1.1 幀起始檢測(cè)

在短波偵察時(shí)，作為非合作方無(wú)法提前獲知信號(hào)起始時(shí)間等信息，因此要進(jìn)行幀起始的檢測(cè)，一般采用時(shí)域或頻域檢測(cè)的方式獲得信號(hào)的精確起始位置。

CLOVER-2000信號(hào)為多音分時(shí)傳輸，由于信號(hào)在多個(gè)副載波上按照規(guī)約發(fā)送調(diào)制信號(hào)，因此選擇能量檢測(cè)法進(jìn)行信號(hào)起始檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)，分別于8個(gè)中心頻率處配置多組帶通濾波器，濾波器輸出為信號(hào)能量，通過(guò)檢測(cè)信號(hào)出現(xiàn)前后能量差實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)起始時(shí)刻的精確獲取[6-7]。

另外，根據(jù)單個(gè)符號(hào)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為16 ms的特點(diǎn)，設(shè)定窗長(zhǎng)進(jìn)行碼元最佳采樣點(diǎn)的評(píng)估與細(xì)微調(diào)整，以保證在后續(xù)處理中保持對(duì)符號(hào)的精確定時(shí)。

3.1.2 時(shí)長(zhǎng)估計(jì)

ARQ模式中，CCB模塊采用BPSM調(diào)制方式，其比特速率為500 bps，CCB塊大小為17 byte，因此持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為:

類似地，ARQ模式下數(shù)據(jù)塊持續(xù)時(shí)長(zhǎng)約為5 s，F(xiàn)EC模式下CCB塊持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為0.544 s，數(shù)據(jù)塊持續(xù)時(shí)長(zhǎng)約8 s。因此，根據(jù)統(tǒng)計(jì)的信號(hào)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)來(lái)判斷該塊數(shù)據(jù)的模式和類別，從而識(shí)別該數(shù)據(jù)段是否屬于CCB塊。

3.2 CCB幀解調(diào)

在同步完成即碼元起始位置確定后，對(duì)1幀的時(shí)域信號(hào)Y(n)做FFT，可以求出各個(gè)單音脈沖的幅值和相位。

由FFT 計(jì)算出信號(hào)所有單音脈沖的相位，取各音的相位值，該信號(hào)采用相位差分調(diào)制，根據(jù)前后符號(hào)相位變化來(lái)攜帶信息，則：

ΔΦ(k)=Φi(k)-Φi-1(k)

(4)

式中：Φi(k)為第k音第i個(gè)符號(hào)上的相位；Φi-1(k)為第k音第i-1個(gè)符號(hào)上的相位。

判斷ΔΦ(k)所在象限，即可解調(diào)出相位信息，并恢復(fù)為比特[8-9]。

按照時(shí)間發(fā)送順序，將八音信號(hào)中的比特信息進(jìn)行串行提取，可以得到原發(fā)送數(shù)據(jù)，之后再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、還原信息等工作。由于同步一直不斷在做調(diào)整,碼元的起點(diǎn)變動(dòng)會(huì)引起各個(gè)數(shù)據(jù)音的不同相位變化，解調(diào)時(shí)應(yīng)對(duì)不同的數(shù)據(jù)音隨同步變化做不同的相位調(diào)整[10]。

3.3 DATA幀處理

當(dāng)獲取某種模式下CCB塊的起始時(shí)間后，可依據(jù)規(guī)約得到后續(xù)數(shù)據(jù)塊起始時(shí)間，對(duì)后續(xù)的DATA幀的處理不必重新進(jìn)行盲檢測(cè)，僅需要進(jìn)行定時(shí)跟蹤即可。以ARQ模式中DATA幀為例，其起始時(shí)刻與檢測(cè)到第1幀CCB時(shí)間差為TCCB+TG+Tdelay+TR+TCCB+TG+Tdelay+TR=1.088 s。

此外，根據(jù)在CCB中提取后續(xù)數(shù)據(jù)塊的幀長(zhǎng)、調(diào)制方式、編碼率等參數(shù)對(duì)DATA塊進(jìn)行解調(diào)等處理。

4 仿真結(jié)果分析

對(duì)實(shí)際采集的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)處理，圖4與圖5為ARQ模式下，數(shù)據(jù)塊分別采用QPSM、8PSM調(diào)制的解調(diào)結(jié)果，對(duì)CCB塊與DATA塊起始檢測(cè)較為精確，依據(jù)協(xié)議信息對(duì)后續(xù)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行定時(shí)跟蹤并解調(diào)，其星座圖效果較好。

圖4 QPSM調(diào)制模式解調(diào)結(jié)果

圖5 8PSM調(diào)制模式解調(diào)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

多載波并行調(diào)制是短波通信中一種重要的通信方式，它通過(guò)延長(zhǎng)碼元寬度來(lái)降低多徑對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懀⒃谟行拑?nèi)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸[11-12]。作為非合作方對(duì)CLOVER進(jìn)行信號(hào)接收時(shí)，一方面使用時(shí)域能量檢測(cè)、頻域相位差分的方式進(jìn)行信號(hào)解調(diào)；另一方面借助規(guī)約中信息(如CCB塊及DATA塊時(shí)長(zhǎng)、各信號(hào)參數(shù)等)輔助檢測(cè)、解調(diào)的起始位置，大幅提高了信號(hào)處理的效率，也有助于提升處理性能。