基于曼彻斯特码的抗大多普勒调制解调方法

唐秋菊，王肇赢，刘 莹

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081； 2.中国人民解放军96819部队，北京 100015)

基于曼彻斯特码的抗大多普勒调制解调方法

唐秋菊1，王肇赢2，刘 莹1

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081； 2.中国人民解放军96819部队，北京 100015)

针对硬件平台资源和频带受限的超视距低速通信系统在大多普勒信道条件下难以实现信号的有效解调问题，提出了一种基于曼彻斯特软译码的抗大多普勒频移的调制解调方法，该方法通过将曼彻斯特编码与差分解调联合设计，有效地降低了大多普勒频移对解调性能的影响，且工程实现较为简单。仿真及测试结果表明，在大多普勒信道条件下采用该方法时解调性能可得到明显改善。

曼彻斯特编码；软译码；差分解调；多普勒频移；超视距

0 引言

在超视距通信系统中，接收信号电平由于多径传输会呈现出较大的衰落现象[1]，当通信的一方或双方快速运动时，接收信号亦存在着较大的多普勒频移[2]，其多普勒频移的大小与运动速度成正比[3]。在通信的传输速率较低时，由于大多普勒频移的存在，接收端载波的提取和位同步的提取会受到较大的影响，进而解调性能将会下降[4]。

为了解决这一问题，可对多普勒频移进行估算并采取补偿措施[5-6]，也可采用扩频通信[7]或者复杂的纠错编码[8]来降低大多普勒频移对通信性能的影响。但当硬件平台资源和频带受限时，上述方法由于计算复杂硬件资源有限或者所需频带过宽将不再适用。在本文中，以实现通信速率为600 bps、信道存在300 Hz多普勒频移的超视距传输的工程需要为例，提出了一种基于曼彻斯特软译码的抗大多普勒调制解调方法，该方法计算简单，通过将曼彻斯特编码、差分解调和分集合并等措施有机结合，在有效地平滑电平衰落的同时，可达到在硬件平台资源和频带受限的超视距低速传输系统中具有抗大多普勒频移的能力。

1 抗大多普勒调制解调方法

由于信道上存在较大的多普勒频移，无法从接收信号中提取相干载波的频率和相位信息，从而无法通过逆调的方式实现信号的相干解调；即使采用具有较大抗频偏能力的差分解调方式，也无法在通信速率为600 bps、信道存在300 Hz的多普勒频移时实现接收信号的有效解调[9]。在硬件平台资源和频带受限的条件下，提出了一种曼彻斯特编码与差分解调联合设计方法，采用曼彻斯特编码提高码片速率，可增强差分解调的抗频偏能力，进而有效地降低大多普勒对解调器性能的影响。但提高码片速率会使得解调器工作在低信噪比下时产生性能损失，采用曼彻斯特软译码方式，可将曼彻斯特编码带来的信噪比分散进行有效的合并，因此解调性能损失不会因曼彻斯特编码倍数提高而线性加大，通过有效的数字处理方式，可将性能损失控制在可接受的范围内。由于通信系统工作在超视距信道条件下，接收信号的电平亦会存在较大的衰落现象，必须采取分集措施来有效地平滑衰落[10]，提高信号的平稳接收能力[11]，从而实现低速通信系统在超视距、大多普勒信道条件下的有效通信。

1.1 调制方式

调制方式采用BPSK调制，信号形式为方波。综合考虑不同分集重数对硬件资源需求和性能仿真结果[12]，抗衰落方式采用带内4重频率分集。调制器原理框图如图1所示。

图1 调制器原理

图1中，扩展型曼彻斯特编码是一种采用N个电平跳变表示要传输的二进制码的信道编码方法[13]，其中N为≥2的自然数，在本文中，考虑到工程需要，N取4，码元“0”和“1”分别用2个相位相反的4倍编码码型表示，前导序列用于接收信号的时钟同步检测及编码码型位置捕获，编码过程[14]如下：① 产生一个与传输码元同步的4倍时钟；② 利用该时钟产生一个与传输码元对齐的4倍编码码型；③ 判断编码输出，传输码元为“0”，则输出编码码型，传输码元为“1”，则编码码型取反后输出，得到扩展型曼彻斯特编码后的码流。

1.2 解调方式

解调框图如图2所示。首先对AD采样数据在4个频率上进行下变频，4路下变频信号通过低通滤波后，进行差分解调，最后对解调后软信息进行曼彻斯特软译码，对译码后信息进行软信息合并后判决输出解调码字。

图2 解调器原理

曼彻斯特译码是从编码的数据流中准确地提取出正相或反相的编码码型，并将其转换为“0”或“1”[15]，而曼彻斯特软译码则是利用差分解调后的软信息，在准确地捕获编码开始位置后，将其按照编码码型的相位合并后，经过硬判决得到译码后的码元，对于采用4重分集的方式还需在分集支路合并后，再经过硬判决得到输出码元。编码开始位置捕获采用大数判决的方法。曼彻斯特软译码的原理框图如图3所示。

图3 曼彻斯特软译码原理

2 仿真结果

通过Matlab对曼彻斯特编码[16]与差分解调联合设计方法在具有大多普勒频移的瑞利信道[17]条件下进行仿真，并与差分解调和4倍直接序列扩频方法[18]进行比较，传输速率为600 bps，分集重数为4重，在不同的多普勒频移的条件下仿真结果如图4所示，其中fd为多普勒频移数值。

图4 性能仿真曲线对比

由图4可以看出，仅采用差分解调或采用4倍直接序列扩频的方式在多普勒频移为100 Hz的条件下均出现了比较高的误码平台，而采用曼彻斯特编码与差分解调联合设计方法虽然码片速率提高会带来性能损失，但在多普勒频移达到500 Hz的条件下仍可以实现较好的解调性能，比未采用曼彻斯特编码时的性能有明显改善。

3 信道模拟器测试

在搭建的硬件平台上对曼彻斯特编码与差分解调联合设计的方法进行系统实现，并采用信道模拟器模拟超视距信道状态，在不同多普勒频移的条件下进行误码测试，测试性能曲线如图5所示。

图5 不同多普勒频移条件下性能测试曲线

由图5可以看出，采用该方法消除大多普勒频移信道条件下的解调性能下降是可行的，但与Matlab仿真曲线相比，性能损失较大，可达6 dB，原因如下：

① 仿真中仅在具有大多普勒频移的瑞利信道条件下进行仿真，未考虑收发之间的固定载波频偏，而实测硬件平台收发设备之间存在200 Hz的载波频偏，相对于600 bps的传输速率来说，其造成的解调性能损失经过仿真可达到2 dB；

② 仿真中采用全精度计算，而硬件平台资源较少，数字信号的采样频率及位宽均受到限制，由此可导致解调性能下降；

③ 受到硬件平台接收通道的噪声系数及AGC动态范围的影响，接收信号的信噪比和幅度会下降，进而影响解调性能。

4 结束语

本文对基于曼彻斯特软译码的抗大多普勒调制解调方法的原理及实现方案进行了介绍，并在Matlab环境下进行了仿真。仿真结果表明，在多普勒频移较大的信道条件下，采用该方法可有效地克服由于多普勒频移带来的误码平台问题，从而得到较好的解调性能。通过搭建硬件平台，在信道模拟器模拟的超视距大多普勒信道条件下对该方法进行了室内测试，虽然受硬件平台收发设备之间的固定载波频偏以及采样精度的限制，测试结果与理论仿真结果存在6 dB的性能损失，但仍可证明采用该方法消除大多普勒频移带来的解调性能下降是可行的，且该方法计算简单，工程应用较易实现，所需资源较少，特别适用于硬件平台资源、带宽受限的通信系统中。

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唐秋菊 女，(1984—)，工程师。主要研究方向：散射通信。

王肇赢 男，(1980—)，工程师。主要研究方向：指挥通信。

The Method of Anti-Doppler Modulation and Demodulation Based on Manchester Code

TANG Qiu-ju1,WANG Zhao-ying2,LIU Ying1

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China; 2.Unit96819,PLA,Beijing100015,China)

Aiming at the problems of anti-Doppler demodulation suitable for the BLOS channel under the hardware resource and bandwidth constrained environment in the low bit rate communication systems,a method of anti-Doppler demodulation based on Manchester code is proposed.This paper takes Manchester code and differential demodulation into consideration to design the scheme jointly,so that it can reduce the impact of large Doppler shift upon demodulation performance effectively.Also this method is relatively simple.The results of simulation and the experiment validate that the demodulation performance can be improved greatly compared with the method without Manchester code.

Manchester code;soft decoding;differential demodulation;Doppler shift;BLOS

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.05.09

唐秋菊,王肇赢,刘 莹.基于曼彻斯特码的抗大多普勒调制解调方法[J].无线电工程,2017,47(5):37-39,105.[TANG Qiuju,WANG Zhaoying,LIU Ying.The Method of Anti-Doppler Modulation and Demodulation Based on Manchester Code[J].Radio Engineering,2017,47(5):37-39,105.]

2017-02-03

通信网信息传输与分发技术重点实验室基金资助项目(EX156410046)。

TN924

A

1003-3106(2017)05-0037-03