閆　冬，孫曉鋒，孫大元

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)

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MSD與TPC技術(shù)調(diào)頻遙測方法研究

閆冬，孫曉鋒，孫大元

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)

摘要調(diào)頻信號具有很好的抗航天器飛行尾焰干擾能力。在同信噪比下，調(diào)頻信號解調(diào)誤碼率高于調(diào)相信號，所以調(diào)頻信號解調(diào)需要提高增益。多符號檢測(MSD)和Turbo乘積(TPC)編碼的聯(lián)合算法可以提高調(diào)頻信號的增益。介紹了MSD和TPC編碼的聯(lián)合算法和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，根據(jù)仿真結(jié)果對比了差分解調(diào)、MSD解調(diào)、MSD與TPC編碼的聯(lián)合算法在各種信噪比下的性能指標(biāo)，證明了該聯(lián)合算法提高了近7 dB的增益。

關(guān)鍵詞調(diào)頻遙測；MSD；TPC;高增益

Research on PCM-FM Technology Based on MSD and TPC

YAN Dong,SUN Xiao-feng,SUN Da-yuan

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractThe PCM-FM signal has better anti-interference capability for aerospace-craft jetting out the flame.In the same signal-noise ratio,the BER of PCM-FM signal demodulation is higher than that of phase modulated signal,so it is required to improve the gain of PCM-FM signal demodulation.The joint algorithm of multi-signal detection (MSD) and Turbo product coding (TPC) can improve the gain of PCM-FM signal.This paper introduces the joint algorithm of MSD and TPC coding and design structure.The performance index of differential demodulation,MSD demodulation,as well as MSD and TPC coding joint algoritm are compared in various signal-noise ratios,and the results show this joint algorithm can increase the gain of 7 dB.

Key wordsFM telemetry;MSD;TPC;high-gain

0引言

飛行器尾焰對信號影響很大，調(diào)頻遙測信號具有很強(qiáng)的抗干擾能力。但調(diào)頻遙測信號相對傳統(tǒng)抑制載波調(diào)相信號的解調(diào)能力差。尤其是在低信噪比的情況下，調(diào)頻信號解調(diào)性能隨著信噪比降低而惡化。因此需要采用提高增益的方法來提升調(diào)頻信號解調(diào)性能[1]。目前PCM-FM遙測系統(tǒng)中提高增益的方法主要為多符號檢測(MSD) 技術(shù)與Turbo 乘積碼(TPC) 技術(shù)相結(jié)合的方式。單獨(dú)利用MSD 技術(shù)可以提高近3 dB增益。在信噪比符合要求的情況下,TPC可以獲得近4 dB的增益。這2項(xiàng)技術(shù)聯(lián)合起來，可以使得調(diào)頻遙測信號獲得很好的解調(diào)性能[2]。本文首先介紹了調(diào)頻遙測的解調(diào)結(jié)構(gòu)并且對多符號檢測和TPC解碼算法進(jìn)行了詳細(xì)說明。通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了MSD技術(shù)與TPC聯(lián)合算法可以提高解調(diào)增益的結(jié)論。

1調(diào)頻遙測

調(diào)頻遙測系統(tǒng)中主要包括：中頻極化合成、AGC自動(dòng)控制、位同步解調(diào)、MSD技術(shù)、TPC譯碼、遙測和DMA上報(bào)模塊組成。其中中頻主要是完成調(diào)頻信號的解調(diào)，將下變頻后的信號經(jīng)過MSD運(yùn)算，通過預(yù)估碼元間相位提高增益。求得解調(diào)出的軟信息的幀頭，找到數(shù)據(jù)塊起始位置，經(jīng)過糾錯(cuò)位將錯(cuò)誤碼元糾正回來，完成TPC譯碼。譯碼出的真實(shí)流數(shù)據(jù)再經(jīng)過組幀上報(bào)至上位機(jī)，通過上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)最終將遙測信息傳輸?shù)浇K端用戶。下面分別介紹MSD技術(shù)和TPC算法。

1.1MSD

MSD最早是由Osborne和Luntz于1974年提出[3]，在研究了CPFSK相干和非相干解調(diào)的基礎(chǔ)上提出了相干和非相干的多符號檢測技術(shù)，并驗(yàn)證了誤碼率特性曲線。MSD能夠獲得約3 dB的增益，使PCM-FM遙測系統(tǒng)MSD的性能明顯提升，但是由于算法復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)，MSD的發(fā)展一度停滯[4]。直到21世紀(jì)初，隨著大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，MSD技術(shù)逐漸在實(shí)際遙測系統(tǒng)中得到應(yīng)用[5]。

下面以7 bit多符號檢測為例進(jìn)行介紹。MSD實(shí)際上是一種無先驗(yàn)信息匹配濾波，利用數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，判斷了數(shù)據(jù)ak前面3個(gè)數(shù)據(jù)ak-3、ak-2、ak-1和后面3個(gè)數(shù)據(jù)ak+1、ak+2、ak+3對數(shù)據(jù)ak的影響。這7 bit數(shù)據(jù)的情況是完全隨機(jī)的，為了能夠準(zhǔn)確地將7 bit數(shù)據(jù)的情況都遍歷，將7 bit數(shù)據(jù)的情況展開，一共有27的頻譜形狀，將這些情況都一一羅列出來。這些基帶頻譜圖形和解調(diào)出來的基帶頻譜圖形進(jìn)行相關(guān)，相關(guān)所得到能量最高的情況可以認(rèn)為是數(shù)據(jù)解調(diào)結(jié)果。這就是MSD的主要算法流程。

假設(shè)接收的中頻信號可以簡化表示為：

s(t)=cos[ωct+f(t)+θ]，

對s(t)進(jìn)行數(shù)字下變頻處理。采用正交本振混頻，得到正交基帶信號為：

I=cos(f(t)+θ1),

Q=sin(f(t)+θ1)。

寫成復(fù)信號的形式為：

R=I+Q·j=cos(f(t)+θ1)-jsin(f(t)+θ1)。

進(jìn)行多符號檢測時(shí)，由于傳送碼元序列的不同，本地碼元存在多種情況。假設(shè)每個(gè)符號均估計(jì)正確，與發(fā)送信號相同的那一本地復(fù)信號在觀測時(shí)段內(nèi)可以表示為：

L=cos(f(t)+θ2)-jsin(f(t)+θ2)。

本地信號和接收得到的信號相乘得到：

RL=cos(θ2-θ1)+jsin(θ2-θ1)=IB+jQB。

用于觀測時(shí)段內(nèi)傳送的碼元完全相同的那個(gè)本地信號與接收到的正交基帶信號相乘之后得到的復(fù)信號保持不變。而其他情況下，由于所傳送的那組基帶碼元不同，進(jìn)行乘法運(yùn)算后的復(fù)信號時(shí)刻發(fā)生著變化。假設(shè)觀測時(shí)段內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)為Nc，則積分得：

M=Nc·IB+jNc·QB，

是當(dāng)觀測時(shí)段內(nèi)與傳送碼元完全相同的本地信號對接收到的基帶正交復(fù)信號進(jìn)行相關(guān)平方等運(yùn)算后的取值。由于其他情況下本地信號與接收到的正交信號相乘之后得到的復(fù)信號都是時(shí)變的，相關(guān)平方之后得到的值也都小于S的取值，因此，便可以通過上述過程判決所傳送基帶符號的極性。多符號檢測接收機(jī)原理框圖如圖1所示。

圖1　多符號檢測接收機(jī)原理

多符號檢測的步驟如下[6]：

① 相關(guān)運(yùn)算即將經(jīng)過下變頻之后的I、Q兩路信號分別和本地信號進(jìn)行相關(guān)處理。針對復(fù)信號相關(guān)運(yùn)算需要將I、Q兩路信號分別和本地的正弦、余弦信號分別相關(guān)，然后選擇相應(yīng)的信號進(jìn)行相加，輸出的也是復(fù)信號。

② 相位旋轉(zhuǎn)是在相關(guān)信號完成之后，對相關(guān)操作輸出的8組復(fù)信號分別進(jìn)行大約7次相位旋轉(zhuǎn)操作。

③ 加法網(wǎng)絡(luò)：由于所傳送的信號總共有128(27)種可能的情況，因此需要將選為旋轉(zhuǎn)輸出的56個(gè)復(fù)信號分別經(jīng)過4級D觸發(fā)器之后，按照預(yù)先設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相加運(yùn)算，共需要128個(gè)5輸入的加法器。

④ 平方求和是將這128組相加之后得到的復(fù)信號的實(shí)部和虛部分別求平方然后求和，得到128組判決值。

⑤ 比較輸出：最后需要對這128組判決值進(jìn)行比較，最大的那組中間的那個(gè)碼元的取值作為輸出。需要注意的是，對這128組判決值進(jìn)行比較時(shí)，采用流水線結(jié)構(gòu)。

1.2TPC編碼技術(shù)

TPC編碼是一種應(yīng)用于乘積碼的Turbo碼的軟輸入軟輸出迭代譯碼算法[7]。乘積碼是一種多維陣列編碼技術(shù)，常用的乘積碼為二維碼或三維碼，根據(jù)構(gòu)成的子碼種類不同，乘積碼又可分為RS乘積碼、擴(kuò)展?jié)h明乘積碼、BCH乘積碼和奇偶校驗(yàn)乘積碼等[8-9]。根據(jù)子碼的不同，乘積碼在復(fù)雜度、編碼效率和性能等方面也存在很大不同。衛(wèi)星通信中常用擴(kuò)展?jié)h明碼作為子碼，現(xiàn)以二維乘積碼為例說明TPC的編碼原理。假設(shè)子碼是2個(gè)擴(kuò)展?jié)h明碼，分別為：

C1(n1+1,k1,d1+1)，

C2(n2+1,k2,d2+1)。

式中，ni(i=1,2)為碼長；ki為信息位數(shù)目；di為最小漢明距離。

編碼過程如下：

將(k1*k2)個(gè)信息位排列成k1行k2列的矩陣。用C2碼對k1行信息位進(jìn)行編碼。用C1碼對n2+1列信息位進(jìn)行編碼，最終構(gòu)成(n1+1)*(n2+1)的矩陣碼字。構(gòu)成的TPC碼碼長為：

n=(n1+1)*(n2+1)。

信息位數(shù)k=k1*k2，最小漢明距離d=(d1+1)*(d2+1)。

TPC編碼方式如圖2所示。

圖2　TPC編碼方式

2調(diào)頻遙測系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)

調(diào)頻遙測系統(tǒng)中主要分成以下幾個(gè)部分：中頻解調(diào)、AGC自動(dòng)控制、位同步解調(diào)、MSD算法、TPC譯碼、遙測和DMA上報(bào)。下面給出各個(gè)模塊的功能及其設(shè)計(jì)方案。

中頻解調(diào)主要完成中頻信號下變頻、低通濾波、鑒頻和環(huán)路濾波等功能。AGC自動(dòng)控制是在中頻鎖定的情況下估計(jì)能量大小，從而將輸入信號的能量控制在適合于解調(diào)范圍。位同步主要是在鑒頻包絡(luò)中提取出位流時(shí)鐘，并且按照位流時(shí)鐘判斷出差分信息數(shù)據(jù)流。同時(shí)下變頻信息可以輸入到MSD模塊，通過MSD解調(diào)出軟信息。解調(diào)出的軟信息數(shù)據(jù)流通過塊同步模塊，找到塊頭,組成一個(gè)完整的塊信息，送給TPC譯碼模塊。TPC模塊主要完成了TPC譯碼功能。遙測模塊通過監(jiān)控下達(dá)的幀頭、幀長、副幀類型和副幀長度等信息，將解碼后的信息組成信息幀。信息幀幀前需要加入開始信息、狀態(tài)信息和結(jié)尾位等信息位，這些信息打包組成上位機(jī)所需的遙測信息，通過DMA模塊完成與上位機(jī)的通信。

3仿真結(jié)果

仿真實(shí)驗(yàn)主要完成：① 選擇一種適用于調(diào)頻遙測的TPC編碼；② 分析這2種提高增益方法的性能。

為了研究TPC編碼結(jié)構(gòu)，給出了3種編碼結(jié)構(gòu)：(63,51,5)、(63,57,3)和(127,113,5)，性能指標(biāo)如圖3所示。

圖3　性能指標(biāo)

從圖3中可以看出，雖然第3種編碼對編碼性能有所提升，但其占用的邏輯資源要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他2種，但是對編碼性能提升并不大。所以從資源和性能2個(gè)方面衡量，第2種編碼最適用于調(diào)頻遙測應(yīng)用。

本仿真采用一路PCM-FM信號進(jìn)行分析，調(diào)制數(shù)據(jù)為隨機(jī)信號，調(diào)制數(shù)據(jù)模型利用隨機(jī)方式產(chǎn)生。首先生成-0.5～0.5均勻分布的隨機(jī)數(shù)據(jù)，然后利用四舍五入的round函數(shù)將數(shù)據(jù)變成隨機(jī)分布的0、1序列。

調(diào)制信號加調(diào)到70 MHz中頻信號，載波頻偏fd為50 kHz。接收利用AD采用，采樣速率Fs為56 MHz，碼速率Rb為2 MHz，采用FIR矩陣窗進(jìn)行濾波，濾波器階數(shù)為36，濾波器參數(shù)為1.2×Rb/Fs，對該條件下的信號進(jìn)行仿真處理，比較各種解調(diào)的性能。

實(shí)驗(yàn)1：對MSD和非相關(guān)解調(diào)結(jié)果進(jìn)行比較，誤碼率信噪比曲線如圖4所示。

圖4　誤碼率信噪比曲線

從圖4可得如下結(jié)論：非相干鑒頻的誤碼率與理論值接近，而MSD在各個(gè)誤碼率處的信噪比比非相干鑒頻低了3 dB。

實(shí)驗(yàn)2：分別將MSD、TPC與MSD聯(lián)合解調(diào)性能仿真結(jié)果如表1所示。

表1　仿真結(jié)果

從表1可得如下結(jié)論：標(biāo)準(zhǔn)算法實(shí)現(xiàn)接近理論值，MSD的增益接近2.5 dB,TPC的增益接近4 dB。

實(shí)驗(yàn)3：計(jì)算MSD與TPC聯(lián)合算法信道的增益，如表2所示。

表2　信道增益

從表2可得如下結(jié)論：隨著信噪比的增高，MSD與TPC聯(lián)合算法的增益提高，在Eb/N0=6.5時(shí)達(dá)到最優(yōu)，并且聯(lián)合算法的增益并不是穩(wěn)定不變的。

4結(jié)束語

航天領(lǐng)域中，調(diào)頻遙測體制在對抗多徑、火箭尾焰等干擾方面有其他體制所不具有的優(yōu)勢。但是調(diào)頻信號的信噪衰減比調(diào)相信號性能要差很多。因此需要引入這種聯(lián)合算法提高性能，使得調(diào)頻遙測可以適用于大部分情況。本文介紹了一種提高調(diào)頻遙測性能的方法，采用MSD和TPC編碼相結(jié)合，該算法在特定條件下可以提高將近7 dB的增益。LDPC編碼的編碼容量和信息容量更大，并且編碼性能高，所以將LDPC編碼用到調(diào)頻遙測中是下一步研究的方向。隨著硬件大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，MSD硬件需求量已不再是限制MSD運(yùn)算的主要問題，但是隨著MSD碼元個(gè)數(shù)增加，MSD運(yùn)算量呈指數(shù)增加，簡單地增加邏輯器件資源已經(jīng)無法適用于MSD運(yùn)算的發(fā)展，所以設(shè)計(jì)一種高效節(jié)省資源的MSD算法是目前發(fā)展亟待解決的問題。

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閆冬女,(1984—)，工程師。主要研究方向：航天測控、信號處理。

孫曉鋒男,(1984—)，工程師。主要研究方向：航天測控、信號處理。

作者簡介

中圖分類號TP391.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號1003-3106(2016)04-0079-04

收稿日期：2016-01-12

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.04.20

引用格式：閆冬，孫曉鋒，孫大元.MSD與TPC技術(shù)調(diào)頻遙測方法研究[J].無線電工程,2016,46(4):79-82.