龐岳峰，牛攀峰，吳小東

(酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心 指揮控制站，甘肅 酒泉732750)

?

中頻帶寬對(duì)調(diào)頻遙測(cè)非相干解調(diào)性能影響分析

龐岳峰，牛攀峰，吳小東

(酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心 指揮控制站，甘肅 酒泉732750)

遙測(cè)地面站設(shè)備多采用非相干鑒頻解調(diào)，設(shè)備接收機(jī)需要根據(jù)碼速率來(lái)設(shè)置中頻帶寬，中頻帶寬設(shè)置不合理會(huì)導(dǎo)致遙測(cè)解調(diào)誤碼率增高。為在國(guó)軍標(biāo)規(guī)定的檔數(shù)中選出不同碼速率的相應(yīng)最佳中頻帶寬，文中根據(jù)FM信號(hào)的解調(diào)原理，對(duì)非相干鑒頻解調(diào)方式下，中頻帶寬對(duì)解調(diào)誤碼率性能的影響進(jìn)行了仿真分析，依據(jù)仿真結(jié)果提出了最優(yōu)誤碼性能下中頻帶寬參數(shù)的推薦值為1.7倍碼速率，最后通過硬件實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

PCM/FM；調(diào)頻；中頻帶寬；非相干解調(diào)；誤碼率

PANG Yuefeng, NIU Panfeng, WU Xiaodong

(Department of Command and Control Station, Jiuquan Satellite Launch Center, Jiuquan 732750, China)

PCM/FM是一種技術(shù)成熟的調(diào)制體制，其具有較強(qiáng)的抗極化、抗多徑干擾、抗多徑衰落以及抗相位干擾能力，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外戰(zhàn)略武器和運(yùn)載火箭靶場(chǎng)遙測(cè)領(lǐng)域[1-3]。傳統(tǒng)的FM遙測(cè)設(shè)備主要采用非相干鑒頻解調(diào)技術(shù)，非相干解調(diào)時(shí)中頻帶寬參數(shù)對(duì)FM遙測(cè)解調(diào)性能的影響較大。文獻(xiàn)[4]針對(duì)空空導(dǎo)彈，提出了中頻帶寬的工程選擇方法，有一定借鑒意義。國(guó)軍標(biāo)《遙測(cè)標(biāo)準(zhǔn)：無(wú)線電信道》[5]中規(guī)定了遙測(cè)接收機(jī)中頻帶寬劃分檔數(shù)，但并未給出具體的設(shè)置方法。因此，接收不同碼速率的數(shù)據(jù)時(shí)，如何合理地設(shè)置中頻帶寬是一個(gè)值得研究的問題。

1 FM 遙測(cè)信號(hào)的解調(diào)原理

調(diào)制就是用被傳輸?shù)男盘?hào)去改變另一個(gè)信號(hào)參數(shù)的過程。被傳輸?shù)男盘?hào)稱為調(diào)制信號(hào)，被改變參數(shù)的信號(hào)稱為被調(diào)制信號(hào)，當(dāng)被調(diào)制信號(hào)是一個(gè)連續(xù)正弦波時(shí)(常稱為載波)，這樣的調(diào)制稱為連續(xù)波調(diào)制。在連續(xù)波調(diào)制中，設(shè)載波是一個(gè)正弦波

s(t)=Acosφ(t)=Acos(ω0t+φ0)

(1)

其中，A為幅度；ω0為角頻率；φ(t)為相位；φ0是初相角。

當(dāng)載波信號(hào)的頻率受調(diào)制信號(hào)g(t)的控制而變化時(shí)，調(diào)制稱為頻率調(diào)制，簡(jiǎn)稱調(diào)頻(FM)。頻率調(diào)制在遙測(cè)中應(yīng)用廣泛。其最大優(yōu)點(diǎn)是可以采用大頻偏調(diào)頻，增大帶寬，換取高的信噪比增益。

頻率調(diào)制將使載波信號(hào)s(t)的頻率 隨調(diào)制信號(hào)g(t)線性變化，即

(2)

式中，k為比例常數(shù)。對(duì)上式進(jìn)行積分得

(3)

在解調(diào)時(shí)，需要將信號(hào)離散化采樣，設(shè)采樣后信號(hào)為S(n)，則

S(n)=Acos(ω0n)+k∑m(n)+φ0

(4)

XI(n-1)XQ(n)-XI(n)XQ(n-1)

(5)

2 調(diào)頻信號(hào)帶寬對(duì)解調(diào)性能影響

2.1 仿真原理及仿真環(huán)境

調(diào)制過程是將低頻信號(hào)的頻譜搬移到載頻位置，解調(diào)是將位于載頻的信號(hào)頻譜再搬移回來(lái)，并且不失真地恢復(fù)出原始基帶信號(hào)。根據(jù)FM信號(hào)的解調(diào)原理，采用Matlab程序?qū)Σ煌蓄l帶寬下的FM信號(hào)解調(diào)誤碼性能進(jìn)行仿真分析[7-10]，利用Matlab集成環(huán)境下的M文件，編寫程序來(lái)實(shí)現(xiàn)FM調(diào)制與解調(diào)過程，可分別繪制出基帶信號(hào)、載波信號(hào)、已調(diào)信號(hào)的時(shí)域波形；然后分別繪制出對(duì)已調(diào)信號(hào)疊加噪聲后的信號(hào)、相干解調(diào)后的信號(hào)和解調(diào)基帶信號(hào)的時(shí)域波形；最后繪出FM基帶信號(hào)通過上述信道和調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)后的誤碼率與帶寬的關(guān)系，并通過與理論結(jié)果波形對(duì)比來(lái)分析該仿真調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)的正確性及噪聲對(duì)信號(hào)解調(diào)的影響，仿真原理框圖如圖1所示。

圖1 調(diào)頻遙測(cè)信號(hào)解調(diào)性能仿真原理

仿真平臺(tái)為Windows XP，使用工具軟件為Matlab 7.0，在該平臺(tái)運(yùn)行程序完成了對(duì)FM調(diào)制和解調(diào)以及對(duì)疊加噪聲后解調(diào)結(jié)果的觀察。用Matlab進(jìn)行算法仿真流程為：參數(shù)初始化、PCM信號(hào)產(chǎn)生、預(yù)調(diào)濾波、基帶調(diào)制、內(nèi)插濾波、正交調(diào)制上變頻。仿真設(shè)置的碼型為NRZ-L，PCM/FM信號(hào)碼速率可變，載波頻率fc=10 MHz，系統(tǒng)時(shí)鐘fclk=40 MHz，中頻帶通濾波器采用巴特沃斯濾波器，中頻帶寬為其3 dB帶寬。

2.2 相同頻偏下中頻帶寬對(duì)解調(diào)性能影響

PCM/FM 調(diào)制系統(tǒng)有兩個(gè)重要參數(shù)，在仿真中需要注意。一是最佳調(diào)制頻偏，NRZ-L碼型 PCM/FM的最佳峰值頻偏約為比特率的0.35 倍，例如：2 Mbit·s-1碼速率的峰值頻偏應(yīng)為700 kHz，峰-峰頻偏為1.4 MHz；另一個(gè)是預(yù)調(diào)濾波器帶寬，PCM 信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制之前先經(jīng)過一個(gè)限帶低通濾波器，利用預(yù)調(diào)濾波器可減小PCM 信號(hào)的基帶和射頻帶寬，最佳預(yù)調(diào)濾波器是能滿足頻譜占用要求的最寬線性相位濾波器。

對(duì)隨機(jī)數(shù)序列采用FM調(diào)制后得到調(diào)制信號(hào)s(t),s(t)經(jīng)過AWGN信道后得到接收信號(hào)r(t)再經(jīng)過具有一定中頻帶寬的中頻濾波器后成為帶限信號(hào)，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行解調(diào)后輸出解調(diào)數(shù)據(jù)序列，將該序列與原隨機(jī)數(shù)序列比較，得到解調(diào)誤碼率。分別對(duì)碼率為10 Mbit·s-1、4.915 2 Mbit·s-1、2.56 Mbit·s-1、2 Mbit·s-1、1.28 Mbit·s-1、640 kbit·s-1、320 kbit·s-1和80 kbit·s-1的遙測(cè)信號(hào)在不同帶寬下非相干解調(diào)性能仿真分析。按照國(guó)軍標(biāo)中對(duì)中頻帶寬的分檔規(guī)定，對(duì)不同碼速率的信號(hào)從略小于或等于碼速率的一檔起，分別向上取4檔帶寬值進(jìn)行解調(diào)誤碼率比較，以信息速率10 Mbit·s-1為例，中頻帶寬分別取24 MHz、20 MHz、15 MHz和10 MHz，對(duì)于FM信號(hào)的非相干鑒頻解調(diào)，仿真分析得到不同碼率時(shí)中頻帶寬和解調(diào)誤碼率仿真關(guān)系數(shù)據(jù)如圖2～圖5所示，從圖中可以直觀地觀察出每種碼率對(duì)應(yīng)的最優(yōu)帶寬。

圖2 10 Mbit·s-1和4.915 2 Mbit·s-1碼率不同中頻帶寬下解調(diào)性能仿真分析

如圖2～圖5所示，中頻帶寬的設(shè)置會(huì)影響帶內(nèi)的信噪比和帶內(nèi)的能量，從而引起FM信號(hào)解調(diào)誤碼性能的變化，碼率分別為10 Mbit·s-1、4.915 2 Mbit·s-1、

圖3 2.56 Mbit·s-1和2 Mbit·s-1碼率不同中頻帶寬下解調(diào)性能仿真分析

圖4 1.28 Mbit·s-1和640 kbit·s-1碼率不同中頻帶寬下解調(diào)性能仿真分析

圖5 320 kbit·s-1和80 kbit·s-1碼率不同中頻帶寬下解調(diào)性能仿真分析

2.56 Mbit·s-1、2 Mbit·s-1、1.28 Mbit·s-1、640 kbit·s-1、320 kbit·s-1和80 kbit·s-1的遙測(cè)信號(hào)在中頻帶寬取20 MHz、10 MHz、4 MHz、3.3 MHz、2.4 MHz、1.5 MHz、750 kHz和300 kHz時(shí)，接收機(jī)具有最好的解調(diào)誤碼性能。這是因?yàn)?，?dāng)中頻帶寬設(shè)置太寬時(shí)，引入的帶外噪聲較大，使鑒頻器的輸入信噪比惡化，引起解調(diào)誤碼性能下降；當(dāng)中頻帶寬設(shè)置太窄時(shí)，信號(hào)能量損失較大，也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)解調(diào)性能急劇下降。

2.3 不同頻偏下中頻帶寬對(duì)解調(diào)性能影響

由于FM信號(hào)的頻譜帶寬與信息碼率成正比，所以對(duì)于FM信號(hào)的非相干鑒頻解調(diào)方式，調(diào)制度=2×頻偏/碼率，或者頻偏=調(diào)制度×碼率/2，在目標(biāo)遙測(cè)信號(hào)調(diào)制時(shí)，頻偏有可能會(huì)產(chǎn)生比預(yù)計(jì)頻偏更大的偏移，頻偏也會(huì)對(duì)中頻帶選擇產(chǎn)生影響，圖2～圖5僅是按照fd=0.35Rb進(jìn)行的仿真，為進(jìn)一步分析調(diào)制頻偏的影響，選取信噪比為13 dB的情形，對(duì)不同頻偏下解調(diào)性能仿真分析，結(jié)果表明相同條件下頻偏對(duì)解調(diào)誤碼率也會(huì)造成影響，結(jié)果如表1所示。

表1 不同碼率遙測(cè)信號(hào)不同帶寬和頻偏下解調(diào)性能仿真分析(SNR=13 dB)

續(xù)表1

碼率/Mbit·s-1設(shè)置值誤碼率fd=0.35Rbfd=0.45Rbfd=0.5Rb碼率/Mbit·s-1設(shè)置值誤碼率fd=0.7Rbfd=0.2Rbfd=0.6Rb10MHz1.32e-31.33e-31.35e-31MHz1.76e-31.72e-31.71e-315MHz3.73e-53.69e-53.66e-51.5MHz3.04e-54.16e-56.15e-54.915210MHz2.69e-52.54e-52.85e-50.641MHz6.02e-56.06e-56.05e-56MHz5.95e-55.82e-55.76e-5750kHz9.6e-59.62e-59.62e-54MHz1.79e-31.95e-31.83e-3500kHz1.78e-31.79e-31.81e-36MHz3.56e-53.67e-53.71e-51MHz6.07e-56.13e-55.15e-52.564MHz2.17e-52.56e-52.51e-50.32750kHz3.01e-54.56e-56.23e-53.3MHz5.71e-55.59e-55.67e-5500kHz9.52e-59.58e-59.55e-52.4MHz5.28e-45.23e-45.25e-4300kHz5.12e-45.13e-45.17e-44MHz3.81e-53.85e-53.85e-5500kHz3.39e-52.83e-52.56e-523.3MHz2.21e-52.25e-52.24e-50.08300kHz2.12e-52.92e-53.65e-52.4MHz7.61e-57.75e-57.82e-5100kHz5.78e-55.87e-55.82e-51.5MHz1.03e-31.02e-31.05e-350kHz4.26e-44.21e-44.22e-4

從表1可觀察出碼率分別為10 Mbit·s-1、4.915 2 Mbit·s-1、2.56 Mbit·s-1、2 Mbit·s-1、1.28 Mbit·s-1、640 kbit·s-1、320 kbit·s-1和80 kbit·s-1的遙測(cè)信號(hào)在中頻帶寬取20 MHz、10 MHz、4 MHz、3.3 MHz、2.4 MHz、1.5 MHz、750 kHz和300 kHz時(shí)，具有最好的解調(diào)誤碼性能，這一點(diǎn)與相同頻偏下的最優(yōu)帶寬完全一致。

3 仿真結(jié)果的硬件測(cè)試驗(yàn)證

理論分析和仿真結(jié)果均表明實(shí)際調(diào)制頻偏對(duì)中頻帶寬選擇影響較小，而解調(diào)性能與中頻帶寬選擇密切相關(guān)。為驗(yàn)證Maltab仿真分析結(jié)果，在FM遙測(cè)基帶上對(duì)不同中頻帶寬的FM信號(hào)進(jìn)行了解調(diào)性能測(cè)試。FM遙測(cè)數(shù)據(jù)碼率取2 Mbit·s-1，采用檢前記錄器回放的方式保證測(cè)試信號(hào)每次輸入的信噪比不改變，得到FM信號(hào)在不同中頻帶寬下的解調(diào)誤碼率曲線如圖6所示，2 Mbit·s-1碼率下中頻帶寬為3.3 MHz時(shí)具有最優(yōu)解調(diào)誤碼性能，中頻帶寬偏大或者偏小都會(huì)引起誤碼性能明顯的惡化。因此，硬件測(cè)試結(jié)果與Matlab仿真結(jié)果一致。

圖6 不同中頻帶寬下解調(diào)性能硬件測(cè)試

4 結(jié)束語(yǔ)

遙測(cè)接收機(jī)中頻帶寬的設(shè)置對(duì)FM信號(hào)的非相干解調(diào)性能具有重要影響。仿真分析結(jié)果和硬件測(cè)試結(jié)果表明，對(duì)于非相干鑒頻解調(diào)方式，中頻帶寬設(shè)置為1.7倍碼速率時(shí)具有最佳的解調(diào)誤碼性能，實(shí)際應(yīng)用中，推薦中頻帶寬為1.7倍碼速率。

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Influence of Intermediate Frequency Bandwidth Setting on Non-coherent Demodulation Performance of FM Telemetry System

Non-coherent demodulation is often adopted in Telemetry station equipment, which requires the receiver to set the intermediate frequency (IF) bandwidth based on the code rate. Unreasonable IF bandwidth will lead to increased telemetry demodulation error rate. The military standard defines the choice of different number of stalls IF bandwidth. The influence of intermediate frequency bandwidth of BER performance is simulated and analyzed in order to select the appropriate optimal intermediate frequency bandwidth for different code rates according to the principle of FM signal demodulation for non coherent frequency discrimination demodulation method. The simulation results show that the optimal bit error rate (BER) performance is obtained with a recommended value of 1.7 times the code rate for the intermediate frequency bandwidth parameters. The simulation analysis results are verified by hardware experiments.

PCM/FM; frequency modulation; intermediate frequency bandwidth; non-coherent demodulation; bit error rate

2015- 12- 29

龐岳峰(1980-)，男，工程師。研究方向：測(cè)控地面站信號(hào)處理。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.10.007

TN914.1;TP391.9

A

1007-7820(2016)10-022-04