基于流星余跡通信的調制解調器設計與實現

李經安，周凌宇

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國人民解放軍96275部隊，河南 洛陽 471003)

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基于流星余跡通信的調制解調器設計與實現

李經安1，周凌宇2

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國人民解放軍96275部隊，河南 洛陽 471003)

隨著對適用于流星余跡信道的各種調制體制的日漸深入研究，基于流星余跡通信的調制方案也變得越來越復雜。為了達到流余系統通信性能進一步提高的目的，主要介紹一種基于流星余跡通信的調制解調器。介紹了流星余跡通信系統調制解調體制設計，探討了調制解調器的具體設計及實現。給出了試驗數據及測試分析，試驗數據結果表明，該調制解調器完全滿足系統指標，適應流星余跡信道的信道特性。

流星余跡通信；調制解調方式；快速解調；前向糾錯技術

0　引言

流星余跡通信作為一種特殊的通信方式，其技術體制也是與其他通信方式有區別的，目前流星余跡通信調制方式應用在商業領域的類型有BFSK、BPSK和DBPSK[1]。美國聯邦標準把DBPSK作為流星余跡通信的調制方式。為了達到提高數據通過量的目的，一些研究機構正在研究MPSK、QAM、TCM和OFDM等調制方式在流星余跡信道下的性能以及實現的可能性。美國國家通信系統管理機構推薦新一代流星余跡通信系統調制方式為QPSK和卷積碼相結合的TCM調制[2]。

本文對提高系統性能進行研究。主要從自適應變速技術、自適應編碼技術方面進行研究，最大限度地和流星余跡信道傳輸特性匹配。

1　系統設計

調制解調方式是體現通信系統先進性的一個重要特征，在很大程度上決定了一個通信系統的性能[3-4]。流星余跡通信系統可以采用的調制方式有FSK調制、PSK調制和QAM調制。對FSK信號，一般采用非相干解調方式；而對于PSK信號，有差分相干解調和相干解調這2種解調方式可供選擇；QAM調制常采用相干解調。在流星余跡信道上，這3種調制方式在相同誤碼率條件下的解調門限電平是不同的，QAM調制要求最高，FSK其次，差分相干解調PSK居中，相干解調PSK最低。QAM信號有最高的頻譜利用率，但是其信號幅度要求較高穩定度，不適合在流星余跡信道中應用。因此，PSK信號的相干解調是流星余跡通信中理論上性能最好的調制解調方式。因此，本系統將對信號進行BPSK與相干解調[5]。

流星余跡通信中可用的調相制調制方式為BPSK或QPSK方式。相對BPSK方式，QPSK方式頻譜利用率較高，頻帶利用率提高一倍，并且在信息速率相同的情況下，QPSK方式相比BPSK方式符號長度要長，從而有利于克服多徑引起的碼間干擾，較適合于高傳輸速率的通信[6]。在流星余跡通信系統中，采用自適應變速傳輸技術，受BPSK和QPSK調制的特點及變速數目的制約，系統在低傳信率時使用BPSK調制，高傳信率時采用QPSK調制，不僅提高了頻譜利用率而且可以減小多徑的影響。

1.1調制器設計

調制器包括工作高鐘發生器、調制信號產生器、D/A變換器、低通濾波器、帶通濾波器和放大器等模塊。為了限制調制信號的雜散和諧波對收信號的干擾，D/A輸出10.7MHz低中頻信號經過低通濾波器濾波、放大器放大后再經過中心頻率為10.7MHz的帶通濾波器進一步限帶濾波，然后再送往發信機。

調制器設計主要應用FPGA數字器件實現，基帶信號首先經過數字帶通濾波器對方波信號進行限帶，然后使用NCO對其進行數字上變頻后，由D/A變換器形成模擬信號后，再送入發信機、功放和天線把調制信號發送出去，其原理組成如圖1所示。

圖1　調制器原理組成

1.2解調器設計

在接收端采用失真自適應相干檢測體制完成對信號的解調。失真自適應接收機(Distortion Adaptivable Receiver，DAR)接收原理如圖2所示。

圖2　DAR接收原理

流星余跡通信信道中存在重疊余跡和風剪作用，使之成為一種多徑擴散信道，信號在多徑信道上傳輸，時域波形會發生擴散，使得信號形狀產生了失真；另外，由于流星余跡信道的時變特性，失真波形的形狀會隨時間不斷變化。這樣，在接收端要達到最佳接收的效果，必須根據失真的波形自適應地隨著它的變化產生本地相干載波。DAR恰好能夠完成這一任務。由于信道信號的包絡每一瞬間都在發生變化，因此接收機接收信號的包絡與DAR載波提取系統所提出的相干載波的包絡也在隨時間發生著變化，然而二者的失真是同步的，即提取的相干載波的包絡形狀總是隨著濾波器輸出信號包絡的變化而進行變化，這樣一來，相干載波的包絡總是能夠自動適應信道的失真變化，從而構成了最佳匹配接收，即在有頻率選擇性衰落的情況下，提取的相干載波的包絡形狀總是隨著濾波器輸出信號包絡的變化而進行變化，達到了最佳接收的效果。

1.3比特定時恢復設計

在最佳接收機構中，需要對積分器或匹配濾波器的輸出進行抽樣判決。抽樣判決時刻應位于每個碼元終止時刻，故接收端必須產生一個用于作抽樣判決的定時脈沖序列，它和接收碼元的終止時刻應對齊。所以需要比特同步提取單元。

符號定時提取有開環和閉環2種方法，開環同步提取要比閉環快速且電路簡單[7]。對于突發通信，需在更短時間里提取定時信號，因此使用開環同步提取方法。

在開環算法中，采用譜線產生定時恢復法，其方法是通過對接收到的基帶信號濾波和非線性處理，按碼元速率產生一個頻率分量。通過一個帶通濾波器提取這個頻率分量，再使數據時鐘轉換為方波形式。

BPSK/QPSK調制信號屬于抑制載波調制，其調制信號本身不含有任何載波成分和定時成分，但是如果把信號進行適當的非線性處理后，就會有周期譜分量出現，其相位和歸一化位定誤差ε有關。從頻域上看，經過非線性變換后的信號的頻譜，在符號速率1/T和其倍數處的頻率上有離散譜線出現，因此可以采用梳齒帶通濾波器來慮出該單譜分量，后經過移相網絡和脈沖產生器恢復定時信號[8]。

PSK信號經過數字下變頻后輸出的I、Q兩支路信號由于調制的原因，以符號周期T的n倍處存在相位的180°跳變。因此，將該2路信號經過微分器后，就可以得到含有定時信息的非線性信號，采用FIR形式的數字微分器級數較多，為節省硬件資源，這里以T/2延遲代替微分器。則位定時非線性變換表達式為：

a(n)=(I(n)+I(n-1/2))2+(Q(n)+Q(n-1/2))2。

(1)

式中，平方和不含有相位信息，但是卻包含了豐富的位同步信息，將非線性變換以后的信號通過信噪比達30dB的梳齒濾波器提純，并且過濾掉零頻分量后，最后再內插到系統最高時鐘，提高采樣頻率，將有效抑制信道變化引起的時鐘的相位抖動，得到積分判決、I、Q通道碼流合成用的定時脈沖信號[9]。

比特時鐘恢復電路原理如圖3所示。

圖3　比特時鐘恢復電路原理

2　性能測試

為了檢驗系統是否接近于理論上的最佳接收機，本論文最末一個階段的任務，就是測試基于流余通信的調制解調器的抗白噪聲性能。系統測試框圖如圖4所示。由于通信為突發通信，并且具有特定協議，無法使用通用誤碼儀進行誤碼測試，只能通過監控軟件進行誤碼測試以實現自測自檢功能。解調性能測試主要是在機箱里進行，誤碼儀實為機箱監控誤碼統計功能模塊。

圖4　系統測試框圖

調制器輸出信號的速率為4～64kbps、中心頻率為10.7MHz。監控產生測試碼并送給調制器，調制器產生的調制信號經過可調衰減器之后和噪聲相加，經過中心頻率10.7MHz、等效噪聲帶寬為150kHz的帶通濾波器，然后信號經AGC送給解調器完成信號的解調，解調器最后將解調碼輸出給監控軟件進行誤碼統計。

在不同速率下，調節衰減器改變信噪比，記錄不同信噪比下的誤碼率，并將測試數據用Matlab繪圖[10]。

3　性能測試結果分析

誤碼性能曲線如圖5所示。

圖5　誤碼性能曲線

圖5所示的解調性能測試數據表明，調制解調器整體的誤碼性能曲線與理論曲線比較小于2dB，且加編碼的速率誤碼曲線體現了相應的編碼增益效果，相同編碼的速率的誤碼性能差別較小，整個調制解調器性能指標完全滿足系統的要求。

8kbps和16kbps速率采用RS編解碼，32kbps和64kbps速率采用tpc編解碼，在信噪比大于4dB以后誤碼性能曲線突然變得陡峭乘，乘積碼在功率和頻帶受限的通信系統中有著優秀的適用性。

4　結束語

本文通過發端采用全占空方波BPSK/QPSK調制方式，收端采用失真自適應相干檢測體制完成對信號的解調；以及相應的高糾錯能力糾錯編碼，并且糾錯編碼的編碼速率根據信道狀況可變，譯碼器設計采用軟判決方式，最大限度地利用了解調信息，適應了流余突發通信的信道特性。另外，采用自適應變速率傳輸技術后，一方面低速傳輸降低了系統平均等待時間；另一方面，高速數據傳輸和高糾錯能力的差錯編碼可以有效對抗信道衰落，獲得系統性能的進一步提高。

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李經安男，(1983—)，工程師。主要研究方向：無線通信。

周凌宇男，(1978—)，高級工程師。主要研究方向：通信指揮。

Design and Implementation of Modem Based on Meteor Burst Communication

LI Jing-an1,ZHOU Ling-yu2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;2.Unit96275,PLA,LuoyangHe’nan471003,China)

As the modulation methods adopted for meteor burst communication channel are more and more studied,the modulation schemes based on meteor burst communication become more and more complex.In order to improve the communication performance of meteor burst communication systems,a modem design applied in meteor burst communication is introduced.First,the design of modulation and demodulation schemes applicable to meteor burst communication is analyzed;then,the specific design and implementation of the modem are discussed.Finally,the test data and analysis results are provided.The test data indicates that the designed modem satisfies the system specifications completely and is adapted to the characteristics of meteor burst communication channel.

meteor burst communication;modulation and demodulation mode;fast demodulation;forward error correction technology

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.09.21

2016-05-09

TN926.5

A

1003-3106(2016)09-0080-03

引用格式：李經安,周凌宇.基于流星余跡通信的調制解調器設計與實現[J].無線電工程,2016,46(9):80-82.