張勝

摘 要 提出一種采用CPM技術實現在25kHz VHF信道上傳輸64kbps數據的高速數傳方案。在系統設計上給出不同數據速率條件下的信號調制參數以及簡單的非相干檢測算法，并進行仿真。最后結合軟件無線電思想進行了中頻數字化硬件實現。

關鍵詞 超短波 連續(xù)相位調制 中頻數字化

中圖分類號：TP393.04 文獻標識碼：A

信息技術的日新月異，近海船舶電臺的語音業(yè)務已無法滿足用戶要求，還要支持不斷增長的數據業(yè)務，因此高速數傳電臺的研究發(fā)展是必要和急需的。近幾年來，國外先進的電臺生產廠家在傳統電臺的基礎上相繼推出了高速數傳電臺。相比之下，國內所裝備的VHF電臺大多只具有話音通信和低速的數據傳輸能力，而且誤碼率性能較差，遠遠不能滿足用戶要求，因此，對超短波電臺高速調制解調器的研究已迫在眉睫。在研究國外相關體制的過程中，我們發(fā)現，法國的PR4G電臺采用多進制的連續(xù)相位調制（CPM）技術，在25kHz信道內提供了64kbps的數據傳輸能力；美國的MIL-STD-188-181B標準中確定采用CPM技術實現高速數據傳輸。在這種背景下，本文通過理論分析及仿真驗證，提出了一種基于軟件無線電思想的窄帶VHF高速數傳電臺中頻數字化實現方案，數據速率可以達到64kbps。

1方案設計

1.1調制方式的選擇

調制方式對于系統的實現是至關重要的。要在25kHz的信道上實現64kbps的數據速率，必須選擇頻譜效率高的調制方式。此外，背負式、手持式的窄帶高速數傳系統通常是通過電池供電的，因此具有良好功率效率的方案將大幅度延長系統工作時間。

首先考慮OFDM調制方式。OFDM技術的主要優(yōu)勢就在于對抗信道中多徑引起的衰落，25kHz的VHF信道是一個平坦慢衰落信道，多徑的影響不大，碼間串擾不是很嚴重。所以從提高傳輸性能的角度考慮，使用OFDM技術比使用均衡的單載波技術優(yōu)勢不是很明顯，而且會帶來系統對同步的要求較高以及信號的峰均值控制等問題。

在單路傳輸方式中，數據速率的提高主要是通過運用高效的調制技術來實現的，如MPSK、MQAM、MCPM等。PSK對信噪比的要求最大，QAM調制引入了幅度信息，不屬于恒包絡調制，在系統實現的過程中，將對射頻功放的線性工作范圍提出很高的要求，而且幅度信息容易受到干擾的影響。CPM調制是真正嚴格意義上的恒包絡調制，在具體的實現過程中，射頻功放可以工作在飽和態(tài)，具有很高的功率效率。另外，CPM的頻譜更集中，衰減速率更快，容易滿足通信系統對帶外輻射的嚴格要求。

所以可以認為采用CPM技術是實現窄帶高速數據傳輸系統的最佳選擇。

1.2 CPM方案設計

CPM調制涉及的參數包括：進制數M，調制指數h，脈沖波形g（t），這些參數決定了CPM信號的頻譜、誤碼率以及檢測復雜度。本文的目標是在容許的誤碼率條件下，在25kHz的超短波信道上實現最高數傳輸速率64kbps，并且能夠根據傳輸信道質量，在幾個可選速率上自適應調整（如16kbps，24kbps，32kbps，48kbps，64kbps）。在參考國外相關電臺資料以及大量文獻的基礎上，根據實現復雜性的要求以及仿真驗證，表1給出了一定數據速率條件下可選的CPM信號參數集。表中“REC”表示矩形脈沖，“RC”表示升余弦脈沖，“G”表示高斯脈沖。

CPM信號解調算法較多，我們選用算法的目標是在兼顧誤碼性能的條件下降低系統復雜度。相干檢測性能較好，但是需要精確的載波同步，系統實現復雜，而且在衰落信道中其魯棒性不高。非相干檢測比相干檢測性能差，但是它不需要載波同步，計算量比相干檢測小，而且在衰落信道中，其魯棒性能較相干檢測高。因此本方案采用一種簡單的非相干檢測算法，來提高系統的魯棒性以及可實現性。

1.3無線高速調制解調器中頻數字化方案

圖1為中頻數字化系統框圖，從圖中我們可以看出系統包括前向糾錯編譯碼（RS碼）、調制解調（CPM）、自適應均衡、定時同步（本方案采用非相干解調方式，所以只需進行定時同步）、A/D、D/A等關鍵技術。

2 CPM性能仿真

25kHz的VHF信道是一個平坦慢衰落信道，在仿真中考慮多徑時延以及衰落效應的影響，信道近似為雙徑Rayleigh衰落模型，兩徑功率比10dB，時延5，多普勒頻移5Hz。信號參數從表1中選取，符號速率為21.333ksps，實現比特速率64kbps。其中，M=8，h=1/8，g（t）=1RC/1REC的CPM信號功率譜帶內衰減近20dB， M=8，h=1/6，g（t）=3G的CPM信號功率譜帶內衰減可達到40dB。在不加帶限濾波器，沒有均衡和信道估計的情況下仿真10000個比特得到圖2所示的性能曲線。

另外給出AWGN信道條件下CPM系統性能曲線，如圖3。

從圖2和圖3可以看出CPM信號本身就有很好的抗衰落能力，若采用均衡、信道估計等技術則系統性能將得到進一步提高。

3硬件實現

硬件設計應該順應技術的發(fā)展潮流，采用模塊化結構將軟件無線電技術真正地融入其中，做到調制方式可編程，數據速率可編程。基于以上考慮，我們設計了圖4所示的窄帶高速調制解調器中頻數字化硬件實現方案，下面就其工作過程作簡單說明。

數字中頻解調部分如圖中細線所示，中頻調制部分如粗線所示。在解調過程中，中頻輸入的模擬信號首先經過一個簡單的模擬帶通濾波器（BPF），然后經放大器（AMP）放大后進行模數（AD）轉換，得到的數字信號送于FPGA和DSP進行處理，包括下變頻、抽取、同步、解調和譯碼，譯碼輸出數據送于DARAM（雙訪問RAM），用于數據存儲與交換。在調制過程中，從DARAM得到的數據送入DSP和FPGA進行編碼、調制、內插和上變頻，然后數模（DA）轉換送入BPF，再經過AMP后就得到中頻調制信號。

4結語

由于CPM調制體系具有較好的功率效率、帶寬效率以及抗幅度衰落能力，因此本文采用CPM調制技術實現25kHz VHF信道上64kbps數傳速率。在中頻數字化方案設計上，給出不同數據速率條件下的信號調制參數，利用簡單的非相干檢測算法，提高了本方案在衰落信道中的性能魯棒性以及可實現性。在硬件實現方面，采用軟件無線電的思想，設計了硬件流程圖，真正實現了軟件可升級，模塊多功能。

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