魯宏捷

(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所，河南 洛陽(yáng) 471000)

0 引言

航空聲吶浮標(biāo)又稱為無(wú)線電浮標(biāo)，是廣泛應(yīng)用于海戰(zhàn)場(chǎng)探測(cè)潛艇或水下目標(biāo)的一種消耗性遙感聲吶裝備，多由航空反潛機(jī)進(jìn)行布放，也可以采用艦船布放。浮標(biāo)布放后，其水下聲吶自動(dòng)下放到一定深度開始收集水下聲信號(hào)，通過(guò)電纜將聲吶信號(hào)傳輸?shù)剿娓◇w上的無(wú)線電發(fā)射機(jī)調(diào)制發(fā)射，隨后由布放平臺(tái)采用無(wú)線電接收機(jī)進(jìn)行解調(diào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理完成探測(cè)功能。

海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境和通信需求都較為復(fù)雜，頻譜資源緊張，尤其是航空聲吶浮標(biāo)占用的VHF頻段大量裝備都在使用。國(guó)外浮標(biāo)的無(wú)線電頻率范圍一般為136～173.5 MHz，劃分為100個(gè)通道，通道中心頻率間隔375 kHz，同一時(shí)間段布放使用的浮標(biāo)各自占用其中1個(gè)無(wú)線電通道，布放平臺(tái)需要采用多通道接收機(jī)進(jìn)行接收解調(diào)[1]。

隨著航空聲吶浮標(biāo)從被動(dòng)到主動(dòng)、從高頻到低頻、從全向到定向、從單陣元到多陣元、從單基地到多基地、從模擬到數(shù)字的發(fā)展歷程[2]，對(duì)浮標(biāo)無(wú)線電調(diào)制的要求越來(lái)越高：頻帶利用率要高，能支持更快的傳輸速率和信息速率；主瓣頻譜能量要集中，旁瓣能量水平要低，盡量減小對(duì)鄰道或者其他系統(tǒng)的干擾；同時(shí)由于浮標(biāo)屬于通用于多種反潛戰(zhàn)術(shù)平臺(tái)的一次性消耗裝備，既要易于工程實(shí)現(xiàn)和低成本控制，又要易于擴(kuò)展功能，具有強(qiáng)大的靈活性和兼容性。

浮標(biāo)最初采用的是模擬FM[1]，但隨著其衍生型號(hào)越來(lái)越多，越來(lái)越復(fù)雜，開始采用CPFSK，GFSK等數(shù)字調(diào)頻[3]。為了在不同反潛平臺(tái)上通用，或者保持新老型號(hào)通用，更多的浮標(biāo)開始采用多模式設(shè)計(jì)[2，4]。例如北約的AN/SSQ-573浮標(biāo)，這是一種可供大量使用的被動(dòng)定向浮標(biāo)，具有DIFAR，LFA和HIDAR三種工作模式，其中DIFAR和LFA模式下浮標(biāo)無(wú)線電采用FM，傳輸?shù)氖菍拵?fù)合調(diào)制的模擬信號(hào)，包含1路聲壓、2路振速和羅盤方位信號(hào)以及衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)等；HIDAR模式則采用GMSK調(diào)制，傳輸?shù)氖巧鲜鲂盘?hào)的數(shù)字信息。AN/SSQ-955浮標(biāo)也有類似的設(shè)計(jì)，具有DIFAR和HIDAR兩種工作模式，無(wú)線電分別采用FM和GFSK調(diào)制。這種多模式浮標(biāo)在使用前，可以根據(jù)平臺(tái)或者戰(zhàn)術(shù)需求，人為設(shè)置其中一種工作模式，因此具有良好的兼容性和靈活性。雖然文獻(xiàn)[2-4]對(duì)各類浮標(biāo)的調(diào)制類型進(jìn)行了介紹，但未對(duì)其實(shí)現(xiàn)進(jìn)行深入探討。

隨著數(shù)字技術(shù)的廣泛應(yīng)用，浮標(biāo)聲學(xué)部件大多在水下已經(jīng)完成A/D采樣，甚至完成初步的信號(hào)處理，進(jìn)入無(wú)線電發(fā)射機(jī)前已經(jīng)數(shù)字化。因此，浮標(biāo)的無(wú)線電設(shè)計(jì)可以充分借鑒軟件無(wú)線電的設(shè)計(jì)思想[5]。

文獻(xiàn)[6-8]運(yùn)用FPGA和DSP等數(shù)字芯片設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)，用軟件完成MSK信號(hào)的調(diào)制、解調(diào)和同步算法，實(shí)用性很強(qiáng)。文獻(xiàn)[9]論述了GMSK在MSK調(diào)制器之前插入高斯低通預(yù)調(diào)制濾波器的調(diào)制方式。然而，文獻(xiàn)[6-8]所提及的MSK調(diào)制器并不能在輸入之前直接插入高斯低通預(yù)調(diào)制濾波器。文獻(xiàn)[10]提出了如何在前述MSK調(diào)制器后端插入高斯低通預(yù)調(diào)制濾波器實(shí)現(xiàn)GMSK調(diào)制的設(shè)想，但使用了2路高斯濾波器，代價(jià)較高。文獻(xiàn)[11-13]分別從理論算法、硬件設(shè)計(jì)和仿真分析等角度論述了GMSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)GMSK調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)極具參考價(jià)值，但沒(méi)有論述如何兼容其他調(diào)制類型。文獻(xiàn)[14]研究了一種頻譜緊湊的高斯脈沖調(diào)頻(Gaussian Frequency Modulation，GFM)體制,即基于高斯波形采用非正交窄帶數(shù)字調(diào)制和非相干檢測(cè)的解調(diào)方式,便于將現(xiàn)有的模擬調(diào)頻電臺(tái)改造成數(shù)字電臺(tái)，提供了一種兼容模擬和數(shù)字通信體制的思路。文獻(xiàn)[15]認(rèn)為多模式調(diào)制解調(diào)技術(shù)建立在信號(hào)的正交分解理論基礎(chǔ)上，因?yàn)楦鶕?jù)正交分解理論，帶通信號(hào)可用其低通等效復(fù)包絡(luò)等效表示，然后將原來(lái)的帶通調(diào)制解調(diào)轉(zhuǎn)變成“基帶調(diào)制解調(diào)”和“正交變頻”2部分，基本確定了多模式調(diào)制解調(diào)技術(shù)的方向，但只對(duì)多模式解調(diào)進(jìn)行了闡述，并未深入闡述多模式調(diào)制。文獻(xiàn)[16-18]介紹了如何利用DDS芯片實(shí)現(xiàn)正交上變頻，解決了基帶調(diào)制以后的問(wèn)題，這些DDS芯片都在軟件無(wú)線電的實(shí)際應(yīng)用中廣泛采用。在此基礎(chǔ)上，只要解決多體制融合的基帶調(diào)制，就可以實(shí)現(xiàn)多模式調(diào)制。

航空聲吶浮標(biāo)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展時(shí)間并不長(zhǎng)，仍有較大的發(fā)展空間。為適應(yīng)一代平臺(tái)多代裝備的軍事裝備發(fā)展特點(diǎn)，需要研究一種通用的、多制式的、拓展性強(qiáng)的無(wú)線電調(diào)制器，以滿足多模式浮標(biāo)的需求。

1 數(shù)字調(diào)頻基帶信號(hào)的預(yù)調(diào)制

為了頻譜緊湊，降低對(duì)鄰道的干擾，數(shù)字調(diào)頻一般都采用連續(xù)相位調(diào)頻(CPM)，采用高斯預(yù)調(diào)制技術(shù)的通用平滑調(diào)頻(GTFM)運(yùn)用最為廣泛[10]，效果更好。

高斯函數(shù)的一般表達(dá)式為：

(1)

其傅里葉變換為：

(2)

令F2(B)=1/2，BTb=α,可以求出時(shí)域方差和頻域帶寬、碼元周期之間的關(guān)系：

(3)

將式(3)帶入高斯函數(shù)，可得：

(4)

式中，Tb為待調(diào)制碼元周期；B為高斯濾波器的3 dB帶寬。二者積反映了高斯濾波器對(duì)調(diào)制信號(hào)的影響：BTb值越大，調(diào)制信號(hào)符號(hào)轉(zhuǎn)換越陡峭，主瓣滾降越緩慢，旁瓣越高，符號(hào)間串?dāng)_減輕；BTb值越小，調(diào)制信號(hào)符號(hào)轉(zhuǎn)換越平緩，主瓣滾降越迅速，旁瓣越低，符號(hào)間串?dāng)_加重。作為一個(gè)特例，MSK的BTb=∞。

以下假設(shè)碼元速率為256 kb/s，以1/Tb的8倍率對(duì)式(4)的高斯函數(shù)進(jìn)行采樣，取±2Tb的采樣點(diǎn)做歸一化，可以得到高斯濾波器的卷積樣值。圖1分別給出了BTb為0.3，0.5的高斯濾波器樣值。

圖1 不同BTb高斯函數(shù)歸一化樣值Fig.1 Normalized sample values of Gaussian functions with different BTb

對(duì)于雙極性碼元序列樣例(-1，-1，-1,1,1,1，-1,1，-1，-1,1,1)采用高斯濾波并歸一化，可以得到如圖2和圖3所示的結(jié)果。

(a) NRZ碼元經(jīng)高斯濾波(BTb=0.5)前后對(duì)比信號(hào)

(b) 高斯濾波(BTb=0.5)信號(hào)眼圖圖2 BTb=0.5高斯預(yù)調(diào)制結(jié)果及信號(hào)眼圖Fig.2 Gaussian pre-modulation results and signal eye diagram with BTb=0.5

(a) NRZ碼元經(jīng)高斯濾波(BTb=0.3)前后對(duì)比信號(hào)

(b) 高斯濾波(BTb=0.3)信號(hào)眼圖圖3 BTb=0.3高斯預(yù)調(diào)制結(jié)果及信號(hào)眼圖Fig.3 Gaussian pre-modulation results and signal eye diagram with BTb=0.3

對(duì)比可知，BTb值越小，符號(hào)間過(guò)渡越平緩，表明頻譜越緊湊；但眼圖開度減小，表明符號(hào)間串?dāng)_加大。

由于總體深度參與項(xiàng)目策劃、設(shè)計(jì)論證、文件編制、生產(chǎn)組織等工作，其自身素質(zhì)和工作質(zhì)量深刻地影響著項(xiàng)目的方案穩(wěn)定程度、投資控制效果、專業(yè)接口控制質(zhì)量，其所擁有的生產(chǎn)管理和技術(shù)協(xié)調(diào)能力已構(gòu)成鐵路勘察設(shè)計(jì)院重要的核心競(jìng)爭(zhēng)力。設(shè)計(jì)院應(yīng)關(guān)心設(shè)計(jì)成本和設(shè)計(jì)質(zhì)量，高度關(guān)注總體人才隊(duì)伍建設(shè)。

數(shù)字碼元經(jīng)高斯濾波器調(diào)制后，成為一個(gè)雙極性的歸一化序列信號(hào)gk(n),k表示對(duì)應(yīng)的碼元序號(hào)，n表示m倍碼元速率的第n個(gè)采樣點(diǎn)?？梢钥闯?，這個(gè)序列信號(hào)具有模擬信號(hào)的特點(diǎn)。如果采用直接調(diào)頻，需將此信號(hào)轉(zhuǎn)換為一定幅值的模擬電壓信號(hào)。仍以碼元速率為256 kb/s(1/Tb)為例，按照GMSK信號(hào)的調(diào)制指數(shù)h=0.5，其最大頻偏是碼元速率的1/2，所以雙極性信號(hào)的最大頻偏為±64 kHz(h/(2Tb)=1/(4Tb))。按照調(diào)制靈敏度為KfkHz/V,歸一化雙極性信號(hào)對(duì)應(yīng)的最大模擬電壓信號(hào)幅值為±64/KfV。

所以，可以將雙極性的歸一化序列信號(hào)gk(n)乘以64/Kf，轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)，經(jīng)采樣周期Tb/m的D/A輸出及低通平滑后，接入VCO即可實(shí)現(xiàn)直接調(diào)頻,但是這樣得到的GMSK信號(hào)的相位不夠準(zhǔn)確[13]。

2 高斯預(yù)調(diào)制信號(hào)GMSK間接調(diào)頻調(diào)制器

以GMSK調(diào)制為例，采用正交調(diào)制間接調(diào)頻，高斯預(yù)調(diào)制信號(hào)需要先轉(zhuǎn)換為上節(jié)中得到的電壓信號(hào)，再進(jìn)行V/F變換并轉(zhuǎn)換為弧度，進(jìn)行時(shí)間積分，然后用其控制載波的瞬時(shí)相位，從而間接地控制載波的瞬時(shí)頻率變化，其原理如圖4所示。

圖4 高斯預(yù)調(diào)制信號(hào)間接調(diào)頻原理Fig.4 Principle of indirect frequency modulation of Gaussian pre-modulation signal

以高斯預(yù)調(diào)制信號(hào)m倍碼元速率采樣時(shí)，第k個(gè)碼元第n個(gè)采樣點(diǎn)的積分相位可以表示為：

(5)

式中，gk(n)為高斯預(yù)調(diào)制信號(hào)第k個(gè)碼元第n個(gè)采樣點(diǎn)值；φk-1為前一個(gè)碼元的積分相位。

式(5)簡(jiǎn)化可得：

(6)

按照式(6)可以把圖4簡(jiǎn)化為圖5所示的實(shí)現(xiàn)方式。

圖5 簡(jiǎn)化后的高斯預(yù)調(diào)制信號(hào)間接調(diào)頻實(shí)現(xiàn)方式Fig.5 Implementation of indirect frequency modulation of simplified Gaussian pre-modulation signal

圖5所示虛框內(nèi)可以理解為1個(gè)h=0.5的MSK調(diào)制器〔9，11〕。

進(jìn)一步對(duì)比高斯預(yù)調(diào)制信號(hào)的眼圖，可以發(fā)現(xiàn)，φk(n)可以通過(guò)求截止到對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)眼圖曲線下方的積分面積，乘以π/2m，再加上前一個(gè)碼元相位積分值得到。因此可以把圖2或圖3眼圖中的每條曲線，按照仿真計(jì)算結(jié)果求得精確的Δφk(n)序列值，并將其對(duì)應(yīng)建立起1個(gè)表格，通過(guò)碼元的前后關(guān)系以及碼元采樣點(diǎn)來(lái)進(jìn)行查表，然后計(jì)算積分相位，通過(guò)DDS獲得正交調(diào)制分量I=cosφ和Q=sinφ，可以節(jié)省大部分運(yùn)算〔12-13〕。

仍以碼元序列(-1，-1，-1,1,1,1，-1,1，-1，-1,1,1)為樣例，按照?qǐng)D5進(jìn)行仿真，并與MSK調(diào)制結(jié)果對(duì)比，可得MSK和GMSK(BTb=0.5)的相位路徑對(duì)比如圖6所示。

圖6 MSK和GMSK相位路徑比較Fig.6 Phase path comparison between MSK and GMSK

MSK的相位路徑雖然連續(xù)，沒(méi)有斷點(diǎn)或突跳，但是在符號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)仍然存在尖角，帶來(lái)了一定的帶外輻射。而GMSK改善了這一點(diǎn)，其在符號(hào)轉(zhuǎn)換之間的相位變化平滑，沒(méi)有尖角，1個(gè)碼元周期的相位變化≤±π/2。

3 模擬/數(shù)字兼容調(diào)制器

根據(jù)上節(jié)內(nèi)容，可以利用間接調(diào)頻構(gòu)成一種通用的架構(gòu)，同時(shí)兼容模擬和數(shù)字調(diào)頻，并且兼容多種數(shù)字調(diào)頻體制，如圖7所示。

輸入vk是模擬信號(hào)A/D采樣后的數(shù)字序列，采樣率為1/Ts。一般浮標(biāo)的寬帶聲學(xué)信號(hào)或者復(fù)合信號(hào)頻率在40 kHz以內(nèi)，采樣率大于100 kHz即可。輸入ak是周期為Tb的數(shù)字碼元信號(hào)的m倍頻雙極性不歸零碼序列。一般浮標(biāo)的數(shù)字傳輸速率不大于500 kb/s。輸入h是調(diào)制指數(shù)，決定數(shù)字通道采用何種CPM體制。輸入BTb決定數(shù)字預(yù)調(diào)制濾波器的特性。因此，通過(guò)輸入控制和信號(hào)處理，上述架構(gòu)可以兼容FM，CPFSK，MSK，GFSK，GMSK等調(diào)制體制。

多模式調(diào)制的核心在于基帶處理，歸結(jié)為完成積分相位φk(n)的計(jì)算，可以采用DSP，F(xiàn)PGA或者二者結(jié)合實(shí)現(xiàn)。模擬調(diào)頻信號(hào)的處理較為簡(jiǎn)單，數(shù)字調(diào)頻信號(hào)的處理，一般采用波形存儲(chǔ)查表的方式實(shí)現(xiàn)。基帶信號(hào)處理完成后，正交上變頻可以由專用的DDS芯片或者內(nèi)部帶有NCO的高速DAC芯片實(shí)現(xiàn)。

仍以上文的碼元序列為例，對(duì)上述調(diào)制器進(jìn)行仿真，當(dāng)采用h=0.5，BTb=0.5的GMSK調(diào)制時(shí)，正交調(diào)制分量I=cosφ和Q=sinφ信號(hào)及眼圖如圖8所示。

(a) 正交調(diào)制分量信號(hào)圖

(b) 正交調(diào)制分量信號(hào)眼圖圖8 I=cos φ和Q=sin φ信號(hào)及眼圖Fig.8 I=cos φ and Q=sin φ signal and eye diagram

4 結(jié)束語(yǔ)

在分析航空聲吶浮標(biāo)無(wú)線電調(diào)頻需求的基礎(chǔ)上探討了一種適于浮標(biāo)使用的兼容模擬FM和多種數(shù)字調(diào)頻體制的多模式調(diào)制器架構(gòu)。根據(jù)間接調(diào)頻的基本原理進(jìn)行推導(dǎo)，正交調(diào)制的關(guān)鍵是數(shù)字化基帶信號(hào)轉(zhuǎn)化的相位積分，而浮標(biāo)無(wú)論采用模擬調(diào)頻還是數(shù)字調(diào)頻，其待傳輸?shù)乃侣晠刃盘?hào)均可以轉(zhuǎn)化為數(shù)字序列，可作為正交調(diào)制分量的相位積分輸入。采用對(duì)模擬采樣信號(hào)和數(shù)字碼元信號(hào)2種不同基帶輸入控制的管理方式，結(jié)合V/F變換、預(yù)調(diào)制等信號(hào)處理，可實(shí)現(xiàn)多模式切換。計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證了此架構(gòu)下基帶預(yù)調(diào)制信號(hào)和正交調(diào)制分量信號(hào)的有效性。多模式浮標(biāo)的使用，不但能夠使航空聲吶裝備的性能得到改進(jìn)和提升，而且可以節(jié)約裝備研制成本，延長(zhǎng)老平臺(tái)舊裝備使用壽命，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。