董 三 軍

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471099)

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多?？芍貥?gòu)遙測(cè)調(diào)制技術(shù)研究

董 三 軍

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471099)

對(duì)基于數(shù)字實(shí)現(xiàn)的PCM/FM遙測(cè)調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了研究. 針對(duì)遙測(cè)應(yīng)用的現(xiàn)狀，提出了一種能夠兼容SOQPSK 、ARTM CPM調(diào)制方式的全數(shù)字實(shí)現(xiàn)方式，不同的調(diào)制方式可以通過外部的輸入接口(USB、UART)進(jìn)行配置；并給出了實(shí)現(xiàn)原理及方法.為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，采用VHDL編程，在FPGA平臺(tái)上對(duì)本算法進(jìn)行了仿真和驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明，本算法能夠滿足遙測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的要求.

PCM/FM；多模；可配置；遙測(cè)

PCM/FM遙測(cè)技術(shù)從提出以來，由于其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，得到了廣泛的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外對(duì)該體制遙測(cè)技術(shù)的研究、應(yīng)用已經(jīng)比較充分[1].但是該技術(shù)存在其帶寬利用率低的缺點(diǎn)，使其已無法適應(yīng)未來遙測(cè)技術(shù)的發(fā)展需要；而且模擬調(diào)頻體制的PCM/FM產(chǎn)品一致性差，調(diào)試?yán)щy，無法為未來遙測(cè)提供有力的支撐[2].在2000年左右，隨著SOQPSK技術(shù)的提出[3]，為未來遙測(cè)的發(fā)展提供了新的可能，它以2倍于PCM/FM的帶寬利用率吸引了大量的研究著的關(guān)注[4-5].美國(guó)靶場(chǎng)司令官委員會(huì)在IRIG106將SOQPSK、FQPSK及后來出現(xiàn)的ARTM CPM列為遙測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)[6].其中ARTM CPM能夠提供更高的帶寬利用率.這些新的遙測(cè)技術(shù)，無一例外的充分利用了數(shù)字調(diào)制的優(yōu)勢(shì)，具有現(xiàn)有的模擬調(diào)制無法比擬的諸多優(yōu)點(diǎn).

另一方面，雖然連續(xù)相位調(diào)制信號(hào)的相干檢測(cè)理論比較成熟，但是其實(shí)現(xiàn)過程復(fù)雜[7-9].檢測(cè)算法隨著脈沖響應(yīng)長(zhǎng)度的增加，其復(fù)雜度呈指數(shù)增加.因此，相干檢測(cè)的高效解調(diào)算法仍然是遙測(cè)領(lǐng)域研究的一個(gè)基本問題.同時(shí)，為了保證技術(shù)的連續(xù)性和兼容性，在開展高帶寬利用率的數(shù)字化調(diào)制技術(shù)應(yīng)用研究的同時(shí)，也要兼容現(xiàn)有的PCM/FM遙測(cè)體制.當(dāng)接收機(jī)具備接收SOQPSK、ARTM CPM等部分響應(yīng)連續(xù)相位信號(hào)能力時(shí)，在發(fā)送端可以采用SOQPSK或者ARTM CPM等高效的數(shù)字調(diào)制方式，當(dāng)不具備這種能力時(shí)，發(fā)送端可以采用PCM/FM的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方式.

因此，在同一硬件平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)多種遙測(cè)調(diào)制方式，通過適當(dāng)?shù)膮?shù)配置，實(shí)現(xiàn)調(diào)制方式的選擇，即具備重構(gòu)功能的遙測(cè)調(diào)制技術(shù)成為遙測(cè)技術(shù)研究的一項(xiàng)基本內(nèi)容[10].特別是隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，多模遙測(cè)成為研究的熱點(diǎn)[11-12].

1 設(shè)計(jì)分析

遙測(cè)中采用的PCM/FM調(diào)制是一種模擬調(diào)制體制，其將輸入的PCM信號(hào)作為模擬信號(hào)，采用傳統(tǒng)的FM調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的上變頻可以表示為：

(1)

其中：

(2)

(3)

ω0為載波頻率，kf=0.7以保證帶寬和誤碼率取得最好的平衡[13].基于壓控振蕩器(VCO)的實(shí)現(xiàn)方式以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，得到了廣泛應(yīng)用[1].

與模擬FM調(diào)制相對(duì)應(yīng)的數(shù)字調(diào)制方式是連續(xù)相位FSK.它與普通的2FSK調(diào)制一樣，實(shí)現(xiàn)基帶調(diào)頻，但是由于相位連續(xù)，因此其帶寬利用率更高，帶外衰減更快[14].在實(shí)際中廣泛應(yīng)用的MSK便是一種CPFSK調(diào)制.

CPFSK調(diào)制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)使得其成為遙測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中射頻調(diào)制的基本方法.不管是SOQPSK-TG/MIL還是ARPMCPM都采用了CPFSK調(diào)制.其差別在于脈沖成型函數(shù)和調(diào)制指數(shù)的不同.

CPFSK調(diào)制與FM統(tǒng)稱為連續(xù)相位調(diào)制(CPM)，其一般表達(dá)式為：

(4)

其中:hn為調(diào)制指數(shù)，對(duì)于單指數(shù)調(diào)制，hn為固定值，對(duì)于多指數(shù)調(diào)制，可以選取不同的值[9].本文主要針對(duì)單調(diào)制指數(shù)的情況，對(duì)于多調(diào)制指數(shù)，可以采用類似的方法.因此，規(guī)定hn=h.

(5)

其中:NT≤t≤(N+1)T，an∈{±1,±3…}.q(t)為脈沖響應(yīng)函數(shù)，g(t)為脈沖成型函 數(shù).其定義為

(6)

(7)

其中:L為脈沖響應(yīng)長(zhǎng)度.

對(duì)于數(shù)字實(shí)現(xiàn)，上式離散化表示為

(8)

其中:m,n∈Z，Ts為采樣間隔，α=Int(T/Ts)，Int(·)表示取整.

不失一般性，若任一時(shí)刻m0，其相位為

(9)

則m0+1時(shí)刻相位可以表示為：

(10)

1)初始化m0=0，N=0；φ(m0)=0；a(-1)=a(-2)=…a_(L-1)=1; α=Int(T/Ts)；

2)計(jì)算PN(m0+1)，P(N-1)(m0+1)，P(N-2)(m0+1),…，PN-(L-1)(m0+1)；

4)更新m0=m0+1，重復(fù)步驟3、4，計(jì)算φ(m0) 直至φ((N+1)·α);

5)更新N=N+1

6)重復(fù)步驟2)，3)，4)，5).

2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

基于數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)的PCM/FM，其脈沖成型函數(shù)可以表示為

(11)

調(diào)制指數(shù)h=0.7，L=2，an∈{+1,-1}.SOQPSK及ARTMCPM有相似的表示式[15].采用第2節(jié)的調(diào)制算法，令α=16，則P0(m)的十六進(jìn)制補(bǔ)碼表示可為

P0(m)=…0,0,0,0x000E,0x0037,0x0079,0x00D2,0x013F,0x01BB,0x0241,0x02CD,0x0359,0x03DF,0x045B,0x04C8,0x0521,0x0563,0x058C,0x059A,0x058C,0x0563,0x0521,0x04C8,0x045B,0x03DF,0x0359,0x02CD,0x0241,0x01BB, 0x013F,0x00D2,0x0079,0x0037,0x000E,0,0,….

任一時(shí)刻，瞬時(shí)相位可表示為

φ(m)=φ(m-1)+an·Pn(m)+an-1·Pn-1(m-16(n-1))

(12)

上述的疊加過程及基帶調(diào)制后的信號(hào)可以采用DDS來實(shí)現(xiàn).本文采用FPGA實(shí)現(xiàn)上述過程，DDS用FPGA的邏輯電路實(shí)現(xiàn)，正余弦值的計(jì)算采用COORDIC算法來實(shí)現(xiàn)，為了提高計(jì)算精度，采用16級(jí)流水線，其仿真結(jié)果如圖1所示.

圖1 基于FPGA的仿真時(shí)序圖

在圖1中分別示出了原始PCM信號(hào)(ser)，瞬時(shí)相位增量(an·Pn(m)+an-1·Pn-1(m-16(n-1)))函數(shù)(d)及瞬時(shí)相位的正(sin)余弦(cos).

從圖1中可以看出，瞬時(shí)相位增量可以看作是原始PCM信號(hào)的平滑，這使得總相位變化變得平緩，使得調(diào)制后信號(hào)的帶寬更窄，帶寬利用率更高[14].

3 結(jié) 語

本文基于FPGA實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，提出了一種通用的基于FPGA實(shí)現(xiàn)的CPFSK通用調(diào)制算法，能夠適應(yīng)用數(shù)字化的PCM/FM、SOQPSK及ARTM CPM，滿足現(xiàn)階段及未來遙測(cè)調(diào)制需求，具有較強(qiáng)的理論價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景.

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Research on telemetry modulator of multi-mode and configurable scheme

DONG San-jun

(Luoyang Photoelectric Technology Development Center, Luoyang 471099, China)

A novel scheme for telemetry transmitter was proposed in this paper. This scheme was applied for PCM/FM (or CPFSK), SOQPSK and ARTM CPM, and all of which could be achieved in resort to the configurations from a kind of interface like UART or USB or others. The scheme was also detailed in this paper. In the end, this scheme was verified by programming on the FPGA (field programmable gate array). The results showed that the scheme was justifiable and compatible to the telemetry standard.

PCM/FM; multi-mode; configurable; telemetry

2016-08-27.

董三軍(1983-)，男，博士，工程師，研究方向：遙測(cè)通信技術(shù).

V243.5

A

1672-0946(2017)03-0304-03