無人機寬帶數據鏈中的高階調制技術研究

梁保衛，王利平，涂海洋，鄭軼文

(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.空裝駐石家莊地區軍事代表室，河北 石家莊 050081；3.南京林業大學 理學院，江蘇 南京 210037)

0 引言

隨著航空技術以及軍事裝備的發展，無人機(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)作為一種遠程可操控的航空器，具有質量輕、體積小和使用便捷等特性，在各個方面都發揮著非常重要的作用[1]。

無人機數據鏈是實現地面控制系統與機載平臺實時、可靠與穩定通信的重要手段，能夠傳遞地面遙控指令，遙測接收無人機飛行狀態和傳感器獲取的情報數據，同時實現無人機機群內部間的高效戰術協同[2-3]。

隨著無人機偵察信息技術的飛速發展[4]，無人機平臺搭載的傳感器種類和數量不斷增多，所獲取的圖像視頻等信息數據龐大，同時偵察信息需要及時傳回地面進行處理。因此，無人機數據鏈系統需要不斷提高寬帶傳輸能力，以滿足日益增長的數據傳輸需求。

由于功率資源、頻譜資源的限制，傳統的無人機數據鏈系統都采用BPSK，QPSK等恒包絡調制信號[5]，但隨著無人機數據鏈系統容量的不斷提高，帶寬資源趨于緊張，為了進一步提高頻帶效率，在信號傳輸中需采用高階調制技術。

本文首先針對無人機數據鏈系統特點，分析了適用于無人機寬帶數據鏈系統的高階調制體制，然后研究了該高階調制體制接收機關鍵技術，提出了一種適用于無人機寬帶數據鏈高階調制體制的定時、載波同步方案。最后，基于Matlab平臺對定時、載波同步方案進行了性能仿真，驗證了所提方案的有效性。

1 高階調制技術體制選擇

無人機數據鏈系統具有典型的功率受限性，要求所用調制方式的包絡恒定或起伏很小，因此無人機數據鏈系統常采用相移鍵控(PSK)調制[6]。隨著無人機數據鏈信息傳輸速率的不斷提高，頻譜資源趨于緊張，使用代價也越來越昂貴。為了提高頻帶效率，在信號傳輸中可以采用幅度與相位結合的高階調制技術。

傳統的矩形QAM調制，其調制信號包絡起伏大，峰均比較高，所以其功率效率不高，且存在對非線性失真敏感的問題，而星座形狀呈圓形的APSK調制，其幅值數量較QAM調制少，抗飽和非線性失真的能力更強[7]，具有更小的峰均比，如當滾降因子為0.5時，16APSK的峰均比約為3.99 dB，16QAM的峰均比約為5.30 dB；64APSK的峰均比約為4.78 dB，64QAM的峰均比約為6.07 dB。若從此角度考慮，MAPSK無疑是無人機寬帶數據鏈高階調制體制方案的首選。

16APSK，32APSK和64APSK的DVB-S2建議星座圖[8]如圖1所示。

(a)16APSK

2 高階調制接收機關鍵技術

2.1 定時同步技術

在數字通信系統中，為了恢復發送信息，需要在接收端用與發送端相同的時鐘對匹配濾波器的輸出進行周期采樣。在接收機中，發送機到接收機的傳播延時一般是未知的，因此參考時鐘的差別或漂移將產生嚴重的誤碼。為了對解調器輸出同步抽樣，必須從接收信號中導出符號定時，稱為符號同步或定時同步[9]。

傳統閉環定時同步信號處理流程如圖2所示。其中，定時誤差檢測算法采用的是Gardner算法[10-11]，該算法是Gardner針對BPSK/QPSK解調于1986年提出的一種定時誤差估計方法，其定時誤差估計如下：

圖2 傳統閉環定時同步信號處理流程

(1)

該估計方法并不能直接用于APSK這種幅相聯合調制信號，需稍加修改：

[xI(k)-xI(k-1)]+

[xQ(k)-xQ(k-1)]。

(2)

根據式(2)進行APSK的多電平信號定時誤差檢測，并不能準確地提取瞬時定時誤差，這些錯誤的定時誤差平均值為0，會引起NCO時鐘抖動[12]，導致閉環性能不穩定，甚至無法收斂。

此外，圖2所示的閉環定時同步結構存在收斂速度慢、不利于高速并行實現等問題。

針對以上問題，提出了一種4路并行開環定時同步方案，其信號處理流程如圖3所示。

圖3 4路并行開環定時同步信號處理流程

處理步驟如下：

(1)數據緩沖器

數據緩沖器用于補償定時誤差估計的計算時延，利用移位寄存器實現。

(2)定時誤差估計

定時誤差估計采用O&M算法[13-14]，其是由Oerder.M和Myer.H提出的一種數字濾波平方算法，大致可以描述為：

設接收到的基帶信號為rk，按實部虛部表示為：

rk=Ik+jQk，

(3)

包絡平方序列xk可以表示為：

(4)

將xk按每L個符號周期分為一段，則通過DFT變換可得到第m段數據頻譜上的符號速率譜線的譜分量為：

(5)

則此譜分量的歸一化相角就是定時誤差的無偏估計，即：

(6)

根據定時誤差估計結果可以計算出插值輸出位置mk以及插值相對位置μk：

(7)

(8)

本文中N=4，滿足采樣不混疊的要求，L=1 024，滿足估計精度10-5的要求。在此參數條件下，4路并行定時誤差估計實現結構如圖4所示。

圖4 4路并行開環定時同步實現框圖

(3)并行內插

內插濾波器主要實現定時誤差校正功能。常用的內插函數有簡單的線性內插函數、拉格朗日高階多項式內插函數等。線性內插只需2個樣值點參加運算，而拉格朗日高階多項式內插，則需要多個樣值點參加運算。當誤碼率為10-6時，拉格朗日內插器性能要優于線性內插器0.05 dB[15]，該指標對系統性能的影響很小，所以本文選擇線性內插器，同時，可以進一步降低算法工程實現復雜度。

線性內插計算式為：

r=(1-μk)r0+μkr1。

(9)

在并行插值輸出時，有2種特殊情況需要考慮：

① 當解調器采樣周期大于碼元周期時，在mk由0向3過渡時會有2個插值輸出；

② 當解調器采樣周期小于碼元周期時，在mk由3向0過渡時沒有插值輸出。

針對這2種特殊情況，本模塊輸出包含2路數據使能和2路數據。

(4)使能數據合并

本模塊主要通過FIFO實現2路數據使能，2路數據向1路數據使能、1路數據的合并，以便于后續的信號處理。

本文所述定時同步方案，適用高階MAPSK調制體制，此外，相比傳統方案，采用并行、開環數據處理，收斂速度快，系統時延小，適合于高速數據傳輸。

2.2 載波同步技術

數字通信系統中，MAPSK信號一般采用相干解調以獲得更好的誤碼性能。相干解調要求在接收端恢復與發送端同頻同相的相干載波，否則會使系統性能下降，惡化誤碼性能，甚至無法通信[16]。使收發端載波完全同頻同相的過程稱為載波同步[17]。

文獻[18]提出了一種基于精簡星座鑒相的大頻偏APSK信號載波同步方法，該方法的本質是對接收到的信號進行N次方運算(16APSK：N=3；32APSK：N=4；64APSK：N=7；)，將其變成QPSK信號，再利用經典的COSTAS環完成載波同步。該方法存在2點不足：

①N次方運算：放大了接收噪聲，使鑒相結果的有效性變差；

②N次方運算：硬件實現復雜、運算延時大，同時需要大量的乘法器資源，不利于工程應用。

文獻[19]提出了一種鑒頻鑒相算法(PFD)，該算法在低階APSK信號上效果非常好，但是隨著APSK調制階數的提高，矩形窗口越來越小，鑒頻作用變弱，性能有所下降。

為了增大頻偏捕獲范圍，提高載波相位跟蹤精度，本文提出一種載波同步方案，其信號處理流程如圖5所示。

圖5 載波同步信號處理流程

載波同步方案包含載波頻率同步與載波相位同步2部分。載波頻率同步主要完成載波頻偏的捕獲與補償；載波相位同步主要完成載波相位的捕獲、補償和跟蹤。

(1)載波頻率估計

本文的信道幀結構中包含2段相鄰的PN序列，將其進行自相關運算，可以得到相鄰2段PN序列之間的相位差，而相位差為載波頻偏的時間累積量，通過運算可以得到載波頻偏估計：

(10)

式中，x為接收到的PN序列；N為PN序列周期。

由于反正切函數的范圍為(-π，π)，所以頻偏的估計范圍為(-1/(2TsN)，1/(2TsN))，其中Ts是符號速率。本文中N=32，Ts=200 Ms/s，所以可捕獲最大頻偏為3.125 MHz。

(2)載波相位估計與跟蹤

由于APSK星座由多個圓構成，可以看作多個MPSK調制星座的組合，其鑒相值為[20]：

(11)

式中，yk為載波相位補償模塊輸出；M為各圓星座點數的最小公倍數。

式(11)中的M次方非線性運算不僅增強了噪聲的影響，同時計算法復雜度高，不適用于工程實現。為了方便工程實現，本文鑒相值為：

(12)

環路濾波采用經典的2階數字環路濾波，其中環路帶寬為50 kHz，系統時鐘為200 MHz。

本文提出的載波同步方案既可以滿足大頻偏捕獲范圍，又可保證載波相位的跟蹤精度。

2.3 仿真分析

為了驗證所提方案的可行性，本文在AWGN信道下對關鍵技術實施方案進行了仿真，其中定時偏差為2%的符號速率，載波偏差為2.4 MHz，解調星座圖如圖6～圖8所示。其中，對于16APSK，Eb/N0=15，BER≈1×10-6；對于32APSK，Eb/N0=18，BER≈1×10-6；對于64APSK，Eb/N0=19，BER≈1×10-6。

(a)定時同步前

(a)定時同步前

(a)定時同步前

由仿真結果可見，即使系統存在定時偏差、載波偏差時，采用前文所述的定時同步方案和載波同步方案，系統解調性能與理論值基本接近，驗證了所提方案的可行性和有效性。

3 結束語

信息技術的快速發展對無人機數據鏈的傳輸能力要求越來越高，綜合考慮無人機平臺功率受限、體積受限和帶寬受限等特點，本文進行了高階調制技術在無人機寬帶數據鏈中的應用研究，從功率利用角度出發，MAPSK調制體制具有明顯優勢，是一種適用于無人機寬帶數據鏈的高階調制體制。針對MAPSK調制體制特點，提出了一種適用于該體制的高速并行定時、載波同步方案，并對方案進行了Matlab仿真驗證。隨著未來無人機寬帶數據鏈的快速發展，研究成果具有一定的參考、借鑒意義。