【摘 要】隨著傳輸業(yè)務數(shù)據(jù)量的增大，對傳輸設備傳輸速率提出了更高的要求，本文從實際需求出發(fā)，介紹了一種超短波高速數(shù)據(jù)傳輸設備的系統(tǒng)原理、高速數(shù)字平臺和高速波形設計。該設備采用恒包絡的CPM調(diào)制方式，提高了頻譜利用率，降低了對功放要求，具有兆級的傳輸速率。

【關(guān)鍵詞】超短波；高速數(shù)據(jù)；CPM

1.引言

隨著系統(tǒng)圖像、視頻、高速數(shù)據(jù)等業(yè)務的需求增加，傳統(tǒng)的超短波數(shù)據(jù)傳輸設備也無法滿足系統(tǒng)需求，提高數(shù)據(jù)傳輸速率成為數(shù)據(jù)傳輸設備設計的關(guān)鍵所在。目前可支持高速傳輸?shù)腃PM、OFDM、16QAM等波形在近距離無線傳輸系統(tǒng)中應用較為廣泛。針對遠距離通信的通信系統(tǒng)，為了減小設備設計的復雜度和設備的功耗，一般可采用恒包絡的調(diào)制波形。

2.系統(tǒng)設計

為了達到簡化電路和增強系統(tǒng)擴展性的目的，超短波高速數(shù)據(jù)傳輸設備設計時可借鑒軟件無線電的設計思想。軟件無線電的關(guān)鍵思想是以一個通用、標準、模塊化的硬件平臺為依托，通過軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。軟件無線電強調(diào)體系結(jié)構(gòu)的開放性和全面可編程器，通過軟件的更新改變系統(tǒng)的配置結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)新的功能，軟件無線電采用標準、開放的高性能總線結(jié)構(gòu)，以便硬件模塊的不斷升級擴展 。

超短波高速數(shù)據(jù)傳輸設備可以分為射頻處理和信號處理兩大部分，原理框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)傳輸設備原理圖

信號處理模塊是設備的核心部件，完成高速波形調(diào)制信號處理、高速波形解調(diào)信號處理、數(shù)據(jù)校驗、數(shù)據(jù)組幀等數(shù)據(jù)處理功能，以及協(xié)議處理和設備的控制管理。射頻處理模塊一般可以分為頻率合成、變頻放大、功率放大和控制單元等幾部分組成，實現(xiàn)接收信號低噪聲放大，接收變頻處理，放大濾波，激勵信號變頻處理、放大濾波、功率放大功能，在設計時應選用集成度高，功耗低的器件，以減小設備體積、重量和功耗。

3.高速數(shù)字化硬件平臺

高速硬件平臺是實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)調(diào)制、解調(diào)、傳輸及協(xié)議處理的關(guān)鍵硬件平臺，為了使平臺具有更好的通用性和擴展性，可采用通用的FPGA+PowerPC的架構(gòu)形式，采用具有通用性的數(shù)字平臺方案，提供實現(xiàn)功能所需的硬件資源，以保證設備工作的可靠性并有擴展新功能和升級處理技術(shù)的能力，平臺具有動態(tài)加載能力，采用標準化的接口技術(shù)、選用優(yōu)選的主流元器件產(chǎn)品和開發(fā)工具。

硬件功能框圖如圖2所示，從硬件結(jié)構(gòu)上大致可以分為協(xié)議及控制管理、信號處理部分、BIT功能電路部分。

圖2 數(shù)字化硬件平臺框圖

在FPGA+PowerPC的架構(gòu)中， FPGA主要完成信號處理調(diào)制/解調(diào)、信噪比估計、TDMA時隙控制、控制總線處理等功能，PowerPC主要完成以太網(wǎng)總線數(shù)據(jù)協(xié)議解析、設備狀態(tài)控制、TDMA協(xié)議組網(wǎng)、數(shù)據(jù)加解密等功能。

4.高速波形設計

在移動通信領(lǐng)域中，隨著通信信息量的不斷增大，通信系統(tǒng)需要的帶寬越來越寬，頻率較低的頻段已經(jīng)趨于飽和。為了解決帶寬有限的矛盾，解決的途徑是一方面將通信頻段不斷向更高頻率延伸，另一方面也不斷努力提高頻譜的利用率。而在載波頻率較高時發(fā)送信號功率放大器通常采用高功率非線性放大器，只有采用具有恒定包絡或準恒定包絡結(jié)構(gòu)的調(diào)制方式，才能有效利用功放的發(fā)射功率。在空地通信和空空通信領(lǐng)域，通信的收發(fā)平臺間存在較大的不確定相對運動，多普勒頻移導致的頻偏和相位變化對相干解調(diào)影響顯著，尤其在信噪比較低時，需要發(fā)送較多的導頻信號來實現(xiàn)多普勒頻率和初始相位估計，這種方式在突發(fā)通信中會較大降低有效通信速率。

連續(xù)相位調(diào)制技術(shù)（CPM）在保證包絡恒定的基礎(chǔ)上，通過設計信號相位的連續(xù)變化，改善信號的頻譜特性，可以滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?。?shù)據(jù)傳輸設備采用改進后的CPM波形，這種波形的優(yōu)點在于：一是符號間相位為連續(xù)變化，使信號有良好的功率譜；二是使發(fā)射信號為準恒包絡，可以采用高功率非線性放大器；三是避免了初相、多普勒頻移等引起的符號間相位變化對信號解調(diào)的影響，適合應用于高速運動平臺間的突發(fā)高速通信。

4.1數(shù)學模型

CPM信號的調(diào)制過程如圖3所示，輸入數(shù)據(jù)為轉(zhuǎn)換后的并行兩比特數(shù)據(jù)流，開關(guān)控制邏輯單元根據(jù)輸入的發(fā)送比特信息和狀態(tài)存儲器中的狀態(tài)信息，在基帶信號集合中選擇對應的基帶信號作為輸出信號并更新存儲器中的狀態(tài)值。

圖3 CPM編碼調(diào)制框圖

圖中輸入比特數(shù)據(jù)、基帶信號和狀態(tài)轉(zhuǎn)移的關(guān)系如下表所示，表中項目為“輸出基帶信號/輸入比特”。

4.2仿真結(jié)果

在對CPM調(diào)制信號的仿真分析中，調(diào)制信號的每個符號設置為分別攜帶兩比特和一比特信息，分別記為ISCP-D4PSK和ISCP-D2PSK，和傳統(tǒng)的QPSK、BPSK信號進行了仿真對比。圖4比較了ISCP-D4PSK和QPSK調(diào)制信號的功率譜密度。由圖可見， ISCP-D4PSK已調(diào)信號的功率譜密度性能比較優(yōu)越，它的主瓣較窄，與QPSK基本一致，但副瓣滾降很快。當以信號99%的能量來定義信號的有效帶寬時，ISCP-D4PSK調(diào)制信號的歸一化帶寬約為0.9，而QPSK約為5.6。因此在相同的帶寬上，ISCP-DPSK調(diào)制有較高的頻譜利用率。而在時域上，ISCP-DPSK已調(diào)制信號的幅度波動約為0.04dB，因此射頻功放可以工作在非線性飽和區(qū)域，和工作在線性區(qū)域的功放相比約有3dB的優(yōu)勢。

圖4 ISCP-D4PSK和QPSK的功率譜密度比較

圖5比較了ISCP-D2PSK、ISCP-D4PSK和BPSK、DBPSK、QPSK、DQPSK調(diào)制信號的誤比特性能。由圖中的仿真結(jié)果可以看出，ISCP-D2PSK、ISCP-D4PSK的性能略好于對應的DBPSK和DQPSK調(diào)制，而比對應的BPSK和QPSK分別相差1.5dB和2.8dB。但考慮到通信平臺中存在較大相對運動時，BPSK和QPSK的相關(guān)解碼需要額外的導頻信號來進行載波同步和相位估計。而在突發(fā)通信中，導頻信號較短，載波同步和相位估計的精度較差，實際上要求信道有更高的信噪比。

圖5 ISCP-DPSK和各種PSK調(diào)制的BER性能比較

5.結(jié)束語

本文從圖像、視頻以及高速數(shù)據(jù)的需求出發(fā)，對超短波頻段的高速數(shù)據(jù)傳輸設備整機、高速硬件平臺和高速波形等方面的內(nèi)容進行了介紹。由于該設備采用通用化的數(shù)字平臺和軟件無線電技術(shù)，增強了設備的系統(tǒng)兼容性和擴展能力，同時使得設備具有體積小、重量輕的特點，可用于多種通信系統(tǒng)。

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作者簡介：

郭昭楊（1976—），男，重慶人，2000年畢業(yè)于華中科技大學電子與信息工程系獲學士學位，主要研究方向為航空通信。