中频带宽对调频遥测非相干解调性能影响分析

庞岳峰，牛攀峰，吴小东

(酒泉卫星发射中心 指挥控制站，甘肃 酒泉732750)



中频带宽对调频遥测非相干解调性能影响分析

庞岳峰，牛攀峰，吴小东

(酒泉卫星发射中心 指挥控制站，甘肃 酒泉732750)

遥测地面站设备多采用非相干鉴频解调，设备接收机需要根据码速率来设置中频带宽，中频带宽设置不合理会导致遥测解调误码率增高。为在国军标规定的档数中选出不同码速率的相应最佳中频带宽，文中根据FM信号的解调原理，对非相干鉴频解调方式下，中频带宽对解调误码率性能的影响进行了仿真分析，依据仿真结果提出了最优误码性能下中频带宽参数的推荐值为1.7倍码速率，最后通过硬件实验对仿真分析结果进行了验证。

PCM/FM；调频；中频带宽；非相干解调；误码率

PANG Yuefeng, NIU Panfeng, WU Xiaodong

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

PCM/FM是一种技术成熟的调制体制，其具有较强的抗极化、抗多径干扰、抗多径衰落以及抗相位干扰能力，广泛应用于国内外战略武器和运载火箭靶场遥测领域[1-3]。传统的FM遥测设备主要采用非相干鉴频解调技术，非相干解调时中频带宽参数对FM遥测解调性能的影响较大。文献[4]针对空空导弹，提出了中频带宽的工程选择方法，有一定借鉴意义。国军标《遥测标准：无线电信道》[5]中规定了遥测接收机中频带宽划分档数，但并未给出具体的设置方法。因此，接收不同码速率的数据时，如何合理地设置中频带宽是一个值得研究的问题。

1 FM 遥测信号的解调原理

调制就是用被传输的信号去改变另一个信号参数的过程。被传输的信号称为调制信号，被改变参数的信号称为被调制信号，当被调制信号是一个连续正弦波时(常称为载波)，这样的调制称为连续波调制。在连续波调制中，设载波是一个正弦波

s(t)=Acosφ(t)=Acos(ω0t+φ0)

(1)

其中，A为幅度；ω0为角频率；φ(t)为相位；φ0是初相角。

当载波信号的频率受调制信号g(t)的控制而变化时，调制称为频率调制，简称调频(FM)。频率调制在遥测中应用广泛。其最大优点是可以采用大频偏调频，增大带宽，换取高的信噪比增益。

频率调制将使载波信号s(t)的频率 随调制信号g(t)线性变化，即

(2)

式中，k为比例常数。对上式进行积分得

(3)

在解调时，需要将信号离散化采样，设采样后信号为S(n)，则

S(n)=Acos(ω0n)+k∑m(n)+φ0

(4)

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

(5)

2 调频信号带宽对解调性能影响

2.1 仿真原理及仿真环境

调制过程是将低频信号的频谱搬移到载频位置，解调是将位于载频的信号频谱再搬移回来，并且不失真地恢复出原始基带信号。根据FM信号的解调原理，采用Matlab程序对不同中频带宽下的FM信号解调误码性能进行仿真分析[7-10]，利用Matlab集成环境下的M文件，编写程序来实现FM调制与解调过程，可分别绘制出基带信号、载波信号、已调信号的时域波形；然后分别绘制出对已调信号叠加噪声后的信号、相干解调后的信号和解调基带信号的时域波形；最后绘出FM基带信号通过上述信道和调制解调系统后的误码率与带宽的关系，并通过与理论结果波形对比来分析该仿真调制与解调系统的正确性及噪声对信号解调的影响，仿真原理框图如图1所示。

图1 调频遥测信号解调性能仿真原理

仿真平台为Windows XP，使用工具软件为Matlab 7.0，在该平台运行程序完成了对FM调制和解调以及对叠加噪声后解调结果的观察。用Matlab进行算法仿真流程为：参数初始化、PCM信号产生、预调滤波、基带调制、内插滤波、正交调制上变频。仿真设置的码型为NRZ-L，PCM/FM信号码速率可变，载波频率fc=10 MHz，系统时钟fclk=40 MHz，中频带通滤波器采用巴特沃斯滤波器，中频带宽为其3 dB带宽。

2.2 相同频偏下中频带宽对解调性能影响

PCM/FM 调制系统有两个重要参数，在仿真中需要注意。一是最佳调制频偏，NRZ-L码型 PCM/FM的最佳峰值频偏约为比特率的0.35 倍，例如：2 Mbit·s-1码速率的峰值频偏应为700 kHz，峰-峰频偏为1.4 MHz；另一个是预调滤波器带宽，PCM 信号对载波进行调制之前先经过一个限带低通滤波器，利用预调滤波器可减小PCM 信号的基带和射频带宽，最佳预调滤波器是能满足频谱占用要求的最宽线性相位滤波器。

对随机数序列采用FM调制后得到调制信号s(t),s(t)经过AWGN信道后得到接收信号r(t)再经过具有一定中频带宽的中频滤波器后成为带限信号，对该信号进行解调后输出解调数据序列，将该序列与原随机数序列比较，得到解调误码率。分别对码率为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的遥测信号在不同带宽下非相干解调性能仿真分析。按照国军标中对中频带宽的分档规定，对不同码速率的信号从略小于或等于码速率的一档起，分别向上取4档带宽值进行解调误码率比较，以信息速率10 Mbit·s-1为例，中频带宽分别取24 MHz、20 MHz、15 MHz和10 MHz，对于FM信号的非相干鉴频解调，仿真分析得到不同码率时中频带宽和解调误码率仿真关系数据如图2～图5所示，从图中可以直观地观察出每种码率对应的最优带宽。

图2 10 Mbit·s-1和4.915 2 Mbit·s-1码率不同中频带宽下解调性能仿真分析

如图2～图5所示，中频带宽的设置会影响带内的信噪比和带内的能量，从而引起FM信号解调误码性能的变化，码率分别为10 Mbit·s-1、4.915 2 Mbit·s-1、

图3 2.56 Mbit·s-1和2 Mbit·s-1码率不同中频带宽下解调性能仿真分析

图4 1.28 Mbit·s-1和640 kbit·s-1码率不同中频带宽下解调性能仿真分析

图5 320 kbit·s-1和80 kbit·s-1码率不同中频带宽下解调性能仿真分析

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的遥测信号在中频带宽取20 MHz、10 MHz、4 MHz、3.3 MHz、2.4 MHz、1.5 MHz、750 kHz和300 kHz时，接收机具有最好的解调误码性能。这是因为，当中频带宽设置太宽时，引入的带外噪声较大，使鉴频器的输入信噪比恶化，引起解调误码性能下降；当中频带宽设置太窄时，信号能量损失较大，也会导致系统解调性能急剧下降。

2.3 不同频偏下中频带宽对解调性能影响

由于FM信号的频谱带宽与信息码率成正比，所以对于FM信号的非相干鉴频解调方式，调制度=2×频偏/码率，或者频偏=调制度×码率/2，在目标遥测信号调制时，频偏有可能会产生比预计频偏更大的偏移，频偏也会对中频带选择产生影响，图2～图5仅是按照fd=0.35Rb进行的仿真，为进一步分析调制频偏的影响，选取信噪比为13 dB的情形，对不同频偏下解调性能仿真分析，结果表明相同条件下频偏对解调误码率也会造成影响，结果如表1所示。

表1 不同码率遥测信号不同带宽和频偏下解调性能仿真分析(SNR=13 dB)

续表1

码率/Mbit·s-1设置值误码率fd=0.35Rbfd=0.45Rbfd=0.5Rb码率/Mbit·s-1设置值误码率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

从表1可观察出码率分别为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的遥测信号在中频带宽取20 MHz、10 MHz、4 MHz、3.3 MHz、2.4 MHz、1.5 MHz、750 kHz和300 kHz时，具有最好的解调误码性能，这一点与相同频偏下的最优带宽完全一致。

3 仿真结果的硬件测试验证

理论分析和仿真结果均表明实际调制频偏对中频带宽选择影响较小，而解调性能与中频带宽选择密切相关。为验证Maltab仿真分析结果，在FM遥测基带上对不同中频带宽的FM信号进行了解调性能测试。FM遥测数据码率取2 Mbit·s-1，采用检前记录器回放的方式保证测试信号每次输入的信噪比不改变，得到FM信号在不同中频带宽下的解调误码率曲线如图6所示，2 Mbit·s-1码率下中频带宽为3.3 MHz时具有最优解调误码性能，中频带宽偏大或者偏小都会引起误码性能明显的恶化。因此，硬件测试结果与Matlab仿真结果一致。

图6 不同中频带宽下解调性能硬件测试

4 结束语

遥测接收机中频带宽的设置对FM信号的非相干解调性能具有重要影响。仿真分析结果和硬件测试结果表明，对于非相干鉴频解调方式，中频带宽设置为1.7倍码速率时具有最佳的解调误码性能，实际应用中，推荐中频带宽为1.7倍码速率。

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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

庞岳峰(1980-)，男，工程师。研究方向：测控地面站信号处理。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.10.007

TN914.1;TP391.9

A

1007-7820(2016)10-022-04