CPM技术在超短波高速数传电台中的应用

张胜

摘 要 提出一种采用CPM技术实现在25kHz VHF信道上传输64kbps数据的高速数传方案。在系统设计上给出不同数据速率条件下的信号调制参数以及简单的非相干检测算法，并进行仿真。最后结合软件无线电思想进行了中频数字化硬件实现。

关键词 超短波 连续相位调制 中频数字化

中图分类号：TP393.04 文献标识码：A

信息技术的日新月异，近海船舶电台的语音业务已无法满足用户要求，还要支持不断增长的数据业务，因此高速数传电台的研究发展是必要和急需的。近几年来，国外先进的电台生产厂家在传统电台的基础上相继推出了高速数传电台。相比之下，国内所装备的VHF电台大多只具有话音通信和低速的数据传输能力，而且误码率性能较差，远远不能满足用户要求，因此，对超短波电台高速调制解调器的研究已迫在眉睫。在研究国外相关体制的过程中，我们发现，法国的PR4G电台采用多进制的连续相位调制（CPM）技术，在25kHz信道内提供了64kbps的数据传输能力；美国的MIL-STD-188-181B标准中确定采用CPM技术实现高速数据传输。在这种背景下，本文通过理论分析及仿真验证，提出了一种基于软件无线电思想的窄带VHF高速数传电台中频数字化实现方案，数据速率可以达到64kbps。

1方案设计

1.1调制方式的选择

调制方式对于系统的实现是至关重要的。要在25kHz的信道上实现64kbps的数据速率，必须选择频谱效率高的调制方式。此外，背负式、手持式的窄带高速数传系统通常是通过电池供电的，因此具有良好功率效率的方案将大幅度延长系统工作时间。

首先考虑OFDM调制方式。OFDM技术的主要优势就在于对抗信道中多径引起的衰落，25kHz的VHF信道是一个平坦慢衰落信道，多径的影响不大，码间串扰不是很严重。所以从提高传输性能的角度考虑，使用OFDM技术比使用均衡的单载波技术优势不是很明显，而且会带来系统对同步的要求较高以及信号的峰均值控制等问题。

在单路传输方式中，数据速率的提高主要是通过运用高效的调制技术来实现的，如MPSK、MQAM、MCPM等。PSK对信噪比的要求最大，QAM调制引入了幅度信息，不属于恒包络调制，在系统实现的过程中，将对射频功放的线性工作范围提出很高的要求，而且幅度信息容易受到干扰的影响。CPM调制是真正严格意义上的恒包络调制，在具体的实现过程中，射频功放可以工作在饱和态，具有很高的功率效率。另外，CPM的频谱更集中，衰减速率更快，容易满足通信系统对带外辐射的严格要求。

所以可以认为采用CPM技术是实现窄带高速数据传输系统的最佳选择。

1.2 CPM方案设计

CPM调制涉及的参数包括：进制数M，调制指数h，脉冲波形g（t），这些参数决定了CPM信号的频谱、误码率以及检测复杂度。本文的目标是在容许的误码率条件下，在25kHz的超短波信道上实现最高数传输速率64kbps，并且能够根据传输信道质量，在几个可选速率上自适应调整（如16kbps，24kbps，32kbps，48kbps，64kbps）。在参考国外相关电台资料以及大量文献的基础上，根据实现复杂性的要求以及仿真验证，表1给出了一定数据速率条件下可选的CPM信号参数集。表中“REC”表示矩形脉冲，“RC”表示升余弦脉冲，“G”表示高斯脉冲。

CPM信号解调算法较多，我们选用算法的目标是在兼顾误码性能的条件下降低系统复杂度。相干检测性能较好，但是需要精确的载波同步，系统实现复杂，而且在衰落信道中其鲁棒性不高。非相干检测比相干检测性能差，但是它不需要载波同步，计算量比相干检测小，而且在衰落信道中，其鲁棒性能较相干检测高。因此本方案采用一种简单的非相干检测算法，来提高系统的鲁棒性以及可实现性。

1.3无线高速调制解调器中频数字化方案

图1为中频数字化系统框图，从图中我们可以看出系统包括前向纠错编译码（RS码）、调制解调（CPM）、自适应均衡、定时同步（本方案采用非相干解调方式，所以只需进行定时同步）、A/D、D/A等关键技术。

2 CPM性能仿真

25kHz的VHF信道是一个平坦慢衰落信道，在仿真中考虑多径时延以及衰落效应的影响，信道近似为双径Rayleigh衰落模型，两径功率比10dB，时延5，多普勒频移5Hz。信号参数从表1中选取，符号速率为21.333ksps，实现比特速率64kbps。其中，M=8，h=1/8，g（t）=1RC/1REC的CPM信号功率谱带内衰减近20dB， M=8，h=1/6，g（t）=3G的CPM信号功率谱带内衰减可达到40dB。在不加带限滤波器，没有均衡和信道估计的情况下仿真10000个比特得到图2所示的性能曲线。

另外给出AWGN信道条件下CPM系统性能曲线，如图3。

从图2和图3可以看出CPM信号本身就有很好的抗衰落能力，若采用均衡、信道估计等技术则系统性能将得到进一步提高。

3硬件实现

硬件设计应该顺应技术的发展潮流，采用模块化结构将软件无线电技术真正地融入其中，做到调制方式可编程，数据速率可编程。基于以上考虑，我们设计了图4所示的窄带高速调制解调器中频数字化硬件实现方案，下面就其工作过程作简单说明。

数字中频解调部分如图中细线所示，中频调制部分如粗线所示。在解调过程中，中频输入的模拟信号首先经过一个简单的模拟带通滤波器（BPF），然后经放大器（AMP）放大后进行模数（AD）转换，得到的数字信号送于FPGA和DSP进行处理，包括下变频、抽取、同步、解调和译码，译码输出数据送于DARAM（双访问RAM），用于数据存储与交换。在调制过程中，从DARAM得到的数据送入DSP和FPGA进行编码、调制、内插和上变频，然后数模（DA）转换送入BPF，再经过AMP后就得到中频调制信号。

4结语

由于CPM调制体系具有较好的功率效率、带宽效率以及抗幅度衰落能力，因此本文采用CPM调制技术实现25kHz VHF信道上64kbps数传速率。在中频数字化方案设计上，给出不同数据速率条件下的信号调制参数，利用简单的非相干检测算法，提高了本方案在衰落信道中的性能鲁棒性以及可实现性。在硬件实现方面，采用软件无线电的思想，设计了硬件流程图，真正实现了软件可升级，模块多功能。

参考文献

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