劉丹陽(yáng)，王志有，夏國(guó)江，孫雪峰，宮長(zhǎng)輝，王 洋

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所 北京 100076）

引 言

隨著航天飛行試驗(yàn)復(fù)雜度不斷提高，未來(lái)遙測(cè)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸速率及可靠性的要求會(huì)越來(lái)越高。目前遙測(cè)系統(tǒng)采用的PCM/FM體制屬于恒包絡(luò)調(diào)制方式，對(duì)于未進(jìn)行預(yù)調(diào)濾波的NRZ PCM/FM，當(dāng)其頻偏為0.25倍碼速率時(shí)，其99%能量帶寬約為碼速率的1.18倍，頻帶利用率較低[1]。在新一代的遙測(cè)體制中，SOQPSK-TG體制具有連續(xù)相位特性及恒包絡(luò)特性，使其具有較高的頻帶利用率及功率利用率[2]，更適合未來(lái)高碼速率的遙測(cè)系統(tǒng)。

在飛行試驗(yàn)中，若飛行器采用單發(fā)射天線(xiàn)，當(dāng)其姿態(tài)改變，則地面站會(huì)出現(xiàn)接收信號(hào)中斷的情況，通常采用雙發(fā)射天線(xiàn)即可實(shí)現(xiàn)全面覆蓋接收。然而實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)接收端同時(shí)接收到兩個(gè)發(fā)射信號(hào)則可能會(huì)出現(xiàn)“雙天線(xiàn)問(wèn)題”[3]。具有滿(mǎn)分集增益的空時(shí)編碼對(duì)于空間獨(dú)立衰落的各個(gè)信道，只要各個(gè)信道不同時(shí)陷入深度衰落即可在接收端處檢測(cè)出原始信號(hào)[4]，能有效避免因信號(hào)相位相反疊加造成信號(hào)丟失?；谶b測(cè)系統(tǒng)雙發(fā)射天線(xiàn)的特性，可采用具有滿(mǎn)分集增益的空時(shí)分組碼STBC進(jìn)行編碼調(diào)制[5]。本文對(duì)空時(shí)編碼與SOQPSK-TG結(jié)合的應(yīng)用展開(kāi)研究，基于FPGA設(shè)計(jì)了ALAMOUTI空時(shí)碼與SOQPSK-TG編碼調(diào)制器的實(shí)現(xiàn)方案。

1 編碼調(diào)制系統(tǒng)模型

SOQPSK-TG信號(hào)可以看作一種特殊的連續(xù)相位調(diào)制CPM信號(hào)，且具有OQPSK的特性[6]，其基帶信號(hào)模型通常表示為

式中Eb是比特能量，bT是比特周期，0φ是初始相位，φ(t,)α是相位函數(shù)。

式中A為常數(shù)，調(diào)制參數(shù)選取ρ=0.7，B=1.25，T1=1.5，T2=0.5。對(duì)頻率脈沖成形函數(shù)積分得到相位脈沖成形函數(shù)q(t)，如式（5）所示，其中SOQPSK-TG調(diào)制的記憶長(zhǎng)度L=8。將g(t)代入（2）式中，可以將nTb≤t≤(n+1)Tb時(shí)刻內(nèi)SOQPSK-TG信號(hào)的相位函數(shù)寫(xiě)為（6）式。

上式中等號(hào)右邊第一項(xiàng)為由當(dāng)前時(shí)刻8位記憶關(guān)聯(lián)比特決定的當(dāng)前相位狀態(tài)，第二項(xiàng)為累積相位狀態(tài)。nα是經(jīng)預(yù)編碼得到的三進(jìn)制符號(hào)，與二進(jìn)制碼元dn的關(guān)系為

根據(jù)預(yù)編碼規(guī)則，可以得到預(yù)編碼狀態(tài)變量Cn與累積相位狀態(tài)的映射關(guān)系如表1所示，兩個(gè)奇偶時(shí)刻的信息比特決定預(yù)編碼狀態(tài)變量，可視為同相比特與正交比特，則對(duì)于4個(gè)連續(xù)的信息比特b4k,b4k+1,b4k+2,b4k+3，等同于兩個(gè)連續(xù)待發(fā)送的符號(hào)。

空時(shí)編碼在空時(shí)域引入信號(hào)間的相關(guān)性來(lái)提高系統(tǒng)性能，其中空時(shí)分組碼是將一定數(shù)目的符號(hào)按時(shí)間先后編碼成多個(gè)空時(shí)碼字矩陣[8]。圖1展示了雙天線(xiàn)ALAMOUTI空時(shí)分組碼的編碼過(guò)程，符號(hào)1S和S2在第一個(gè)時(shí)刻分別從兩個(gè)天線(xiàn)發(fā)出，其共軛符號(hào)在第二個(gè)相鄰時(shí)刻分別從兩個(gè)天線(xiàn)發(fā)出。

表1 預(yù)編碼狀態(tài)變量與相位狀態(tài)映射表Table 1 The mapping of state variables and phase states

圖1 ALAMOUTI碼編碼過(guò)程Fig.1 The coding structure of ALAMOUTI space-time code

則碼字生成矩陣G為

由于SOQPSK-TG技術(shù)的預(yù)編碼特性，使得其編碼調(diào)制更易實(shí)現(xiàn)。在SOQPSK-TG調(diào)制之前對(duì)碼元進(jìn)行空時(shí)編碼，根據(jù)表1預(yù)編碼狀態(tài)變量Cn由兩個(gè)連續(xù)的比特決定，則將兩個(gè)連續(xù)發(fā)送的符號(hào)視為S1=(b4k,b4k+1)和S2=(b4k+2,b4k+3)，每一個(gè)符號(hào)通過(guò)控制同相分量與正交分量的極性可以得到該符號(hào)的共軛值，故可將其進(jìn)行聯(lián)合編碼調(diào)制。

2 編碼調(diào)制器FPGA設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

采用XILINX公司的V4LX100芯片搭建開(kāi)發(fā)板平臺(tái)，對(duì)基于空時(shí)編碼的SOQPSK-TG基帶調(diào)制系統(tǒng)進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)，其FPGA結(jié)構(gòu)如圖2所示，信源經(jīng)空時(shí)編碼生成兩路編碼信號(hào)，由于SOQPSK調(diào)制可以看作預(yù)編碼與連續(xù)相位調(diào)制級(jí)聯(lián)，故將兩路編碼信號(hào)分別進(jìn)行預(yù)編碼、相位脈沖成形以及連續(xù)相位調(diào)制生成兩路輸出信號(hào)。

圖2 編碼調(diào)制FPGA設(shè)計(jì)Fig.2 The FPGA design diagram of coded modulation

2.1 空時(shí)編碼模塊

基于ALAMOUTI碼字結(jié)構(gòu)，空時(shí)編碼模塊主要采用觸發(fā)器、數(shù)據(jù)緩存器以及延時(shí)計(jì)算的方式進(jìn)行編碼，其實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。輸入二進(jìn)制序列需以碼塊形式進(jìn)行編碼處理，則使用移位寄存器存儲(chǔ)一個(gè)空時(shí)碼塊所需的4個(gè)比特符號(hào)，采用兩位的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器作為觸發(fā)器，在4個(gè)比特周期后觸發(fā)延時(shí)計(jì)算單元對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行數(shù)據(jù)映射。同時(shí)觸發(fā)器控制每路輸出信號(hào)的先后次序，再輸出兩路正交信號(hào)。

圖3 空時(shí)編碼模塊實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)Fig.3 Space-time coding module implementation diagram

2.2 非遞歸預(yù)編碼模塊

單極性歸零碼含有直流分量，通過(guò)預(yù)編碼能進(jìn)一步將其去除，更適合信道傳輸[9]。并且預(yù)編碼模塊為防止信號(hào)相位突變將空時(shí)編碼輸出的二進(jìn)制序列編碼成具有約束性的三進(jìn)制序列[10]。由于預(yù)編碼特性，同相分量與正交分量不會(huì)同時(shí)改變，其計(jì)算結(jié)果隨奇偶時(shí)刻變化而有所不同，故將I/Q兩路分開(kāi)考慮，可以得到其奇偶時(shí)刻的映射表，利用查找表的方式進(jìn)行預(yù)編碼能夠以更少的資源消耗完成二進(jìn)制到三進(jìn)制比特的轉(zhuǎn)換，其映射規(guī)則見(jiàn)表2。

表2 預(yù)編碼映射Table 2 The map of precoder

2.3 相位脈沖成形及連續(xù)相位調(diào)制模塊

最后可利用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)DDS生成正余弦載波信號(hào)，通過(guò)正交調(diào)制實(shí)現(xiàn)連續(xù)相位調(diào)制?；谏鲜鼋Y(jié)論單路空時(shí)編碼符號(hào)連續(xù)相位調(diào)制模塊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 連續(xù)相位調(diào)制模塊實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The module of continuous phase modulation implementation diagram

3 仿真與測(cè)試

利用FPGA開(kāi)發(fā)板搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，整個(gè)平臺(tái)由電源轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字中頻調(diào)制器及DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。電源模塊可以將+5V工作電壓轉(zhuǎn)換為+3.3V供FPGA芯片與DAC轉(zhuǎn)換器使用。開(kāi)發(fā)板采用RAKON公司的溫補(bǔ)晶振CFPT-9006-FX。D/A轉(zhuǎn)換單元采用Analog Devices公司的數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD9744，其最高采樣頻率為160MHz，且D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器要求中頻調(diào)制器輸出位寬為14位的調(diào)制信號(hào)。

考慮高碼速率的遙測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，將STBC-SOQPSK-TG調(diào)制信號(hào)信息傳輸速率Rb設(shè)為10Mbps[12]，F(xiàn)PGA的輸入時(shí)鐘為20MHz。受限于D/A轉(zhuǎn)換單元的采樣頻率，中頻調(diào)制的中心頻率為40MHz，在比特周期內(nèi)對(duì)相位脈沖波形采樣8個(gè)點(diǎn)，通過(guò)使用查表法獲得正余弦波形可減少資源消耗。使用Modelsim對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行仿真，空時(shí)編碼與預(yù)編碼結(jié)果如圖5。rst1是復(fù)位信號(hào)，當(dāng)其變?yōu)楦唠娖郊撮_(kāi)始對(duì)輸入二進(jìn)制信號(hào)x進(jìn)行空時(shí)編碼，其結(jié)果延時(shí)5個(gè)符號(hào)周期后輸出stc1和stc2，其值將4個(gè)比特符號(hào)劃分為一個(gè)空時(shí)碼塊。圖6中sin_phase1、cos_phase1、sin_phase2及cos_phase2是兩路空時(shí)編碼經(jīng)預(yù)編碼及相位脈沖成形之后的I(t)/Q(t)路信號(hào)，其波形平滑，相位連續(xù)，符合連續(xù)相位調(diào)制要求。圖7為FPGA在線(xiàn)調(diào)試工具Chipscope采集到的STBC-SOQPSK-TG信號(hào)的相位軌跡，可以看到在相位值接近溢出值時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，理論上相當(dāng)于加減2π，防止溢出。

圖5 空時(shí)編碼及預(yù)編碼仿真波形Fig.5 The simulation waveforms of space-time coding and precoding

圖6 基于空時(shí)編碼的SOQPSK-TG調(diào)制信號(hào)I/Q路波形Fig.6 The I/Q waveforms of SOQPSK-TG signals based on space-time coding

利用FPGA對(duì)兩路信號(hào)的I(t)/Q(t)信號(hào)進(jìn)行正交調(diào)制得到40MHz中頻輸出信號(hào)，其采樣頻率為160MHz，再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器后輸出。利用矢量信號(hào)分析儀采集單路STBC-SOQPSK-TG調(diào)制信號(hào)，得到其頻譜如圖8。STBC-SOQPSK-TG調(diào)制信號(hào)頻譜具有能量集中，旁瓣滾降快的特點(diǎn)，其99%能量帶寬約為0.78Rb,相比傳統(tǒng)的PCM/FM調(diào)制體制在高碼速率遙測(cè)系統(tǒng)中更具有優(yōu)勢(shì)。同時(shí)空時(shí)編碼通過(guò)引入空間資源的冗余提高系統(tǒng)可靠性，不會(huì)損失信號(hào)的頻帶利用率，只是在硬件設(shè)計(jì)上需要對(duì)兩路信號(hào)分別進(jìn)行預(yù)編碼及連續(xù)相位調(diào)制輸出兩路信號(hào)分別到兩個(gè)天線(xiàn)發(fā)射，對(duì)當(dāng)前兩發(fā)射天線(xiàn)的遙測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)具有實(shí)現(xiàn)可能性。

圖7 STBC-SOQPSK-TG信號(hào)相位軌跡Fig.7 The phase path of STBC-SOQPSK-TG signals

圖8 單路STBC-SOQPSK-TG信號(hào)功率譜Fig.8 The spectrum of the single STBC-SOQPSK-TG signal

4 結(jié)束語(yǔ)

本文論述了一種空時(shí)分組碼與SOQPSK-TG技術(shù)結(jié)合的編碼調(diào)制器的FPGA設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，利用正余弦查表法以及直接數(shù)字頻率合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)連續(xù)相位調(diào)制，并利用預(yù)編碼的約束性設(shè)計(jì)了相位函數(shù)模塊，在不損失精度的前提下減小其實(shí)現(xiàn)難度。通過(guò)FPGA測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了空時(shí)編碼模塊的正確性，同時(shí)表明空時(shí)編碼與SOQPSK-TG聯(lián)合調(diào)制的頻譜依舊具有高頻譜率且旁瓣滾降快，并且空時(shí)編碼具有抵抗信道衰落的能力，有效避免雙天線(xiàn)干涉導(dǎo)致信號(hào)中斷，在新一代航天遙測(cè)系統(tǒng)中具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>