多模可重构遥测调制技术研究

董 三 军

(中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471099)



多模可重构遥测调制技术研究

董 三 军

(中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471099)

对基于数字实现的PCM/FM遥测调制技术进行了研究. 针对遥测应用的现状，提出了一种能够兼容SOQPSK 、ARTM CPM调制方式的全数字实现方式，不同的调制方式可以通过外部的输入接口(USB、UART)进行配置；并给出了实现原理及方法.为了验证设计的正确性，采用VHDL编程，在FPGA平台上对本算法进行了仿真和验证，仿真结果表明，本算法能够满足遥测标准的要求.

PCM/FM；多模；可配置；遥测

PCM/FM遥测技术从提出以来，由于其实现简单，得到了广泛的应用，国内外对该体制遥测技术的研究、应用已经比较充分[1].但是该技术存在其带宽利用率低的缺点，使其已无法适应未来遥测技术的发展需要；而且模拟调频体制的PCM/FM产品一致性差，调试困难，无法为未来遥测提供有力的支撑[2].在2000年左右，随着SOQPSK技术的提出[3]，为未来遥测的发展提供了新的可能，它以2倍于PCM/FM的带宽利用率吸引了大量的研究着的关注[4-5].美国靶场司令官委员会在IRIG106将SOQPSK、FQPSK及后来出现的ARTM CPM列为遥测的标准[6].其中ARTM CPM能够提供更高的带宽利用率.这些新的遥测技术，无一例外的充分利用了数字调制的优势，具有现有的模拟调制无法比拟的诸多优点.

另一方面，虽然连续相位调制信号的相干检测理论比较成熟，但是其实现过程复杂[7-9].检测算法随着脉冲响应长度的增加，其复杂度呈指数增加.因此，相干检测的高效解调算法仍然是遥测领域研究的一个基本问题.同时，为了保证技术的连续性和兼容性，在开展高带宽利用率的数字化调制技术应用研究的同时，也要兼容现有的PCM/FM遥测体制.当接收机具备接收SOQPSK、ARTM CPM等部分响应连续相位信号能力时，在发送端可以采用SOQPSK或者ARTM CPM等高效的数字调制方式，当不具备这种能力时，发送端可以采用PCM/FM的数字化实现方式.

因此，在同一硬件平台上，实现多种遥测调制方式，通过适当的参数配置，实现调制方式的选择，即具备重构功能的遥测调制技术成为遥测技术研究的一项基本内容[10].特别是随着硬件技术的发展，多模遥测成为研究的热点[11-12].

1 设计分析

遥测中采用的PCM/FM调制是一种模拟调制体制，其将输入的PCM信号作为模拟信号，采用传统的FM调制方式，实现信号的上变频可以表示为：

(1)

其中：

(2)

(3)

ω0为载波频率，kf=0.7以保证带宽和误码率取得最好的平衡[13].基于压控振荡器(VCO)的实现方式以其结构简单，得到了广泛应用[1].

与模拟FM调制相对应的数字调制方式是连续相位FSK.它与普通的2FSK调制一样，实现基带调频，但是由于相位连续，因此其带宽利用率更高，带外衰减更快[14].在实际中广泛应用的MSK便是一种CPFSK调制.

CPFSK调制技术的优点使得其成为遥测标准中射频调制的基本方法.不管是SOQPSK-TG/MIL还是ARPMCPM都采用了CPFSK调制.其差别在于脉冲成型函数和调制指数的不同.

CPFSK调制与FM统称为连续相位调制(CPM)，其一般表达式为：

(4)

其中:hn为调制指数，对于单指数调制，hn为固定值，对于多指数调制，可以选取不同的值[9].本文主要针对单调制指数的情况，对于多调制指数，可以采用类似的方法.因此，规定hn=h.

(5)

其中:NT≤t≤(N+1)T，an∈{±1,±3…}.q(t)为脉冲响应函数，g(t)为脉冲成型函 数.其定义为

(6)

(7)

其中:L为脉冲响应长度.

对于数字实现，上式离散化表示为

(8)

其中:m,n∈Z，Ts为采样间隔，α=Int(T/Ts)，Int(·)表示取整.

不失一般性，若任一时刻m0，其相位为

(9)

则m0+1时刻相位可以表示为：

(10)

1)初始化m0=0，N=0；φ(m0)=0；a(-1)=a(-2)=…a_(L-1)=1; α=Int(T/Ts)；

2)计算PN(m0+1)，P(N-1)(m0+1)，P(N-2)(m0+1),…，PN-(L-1)(m0+1)；

4)更新m0=m0+1，重复步骤3、4，计算φ(m0) 直至φ((N+1)·α);

5)更新N=N+1

6)重复步骤2)，3)，4)，5).

2 设计实现

基于数字方式实现的PCM/FM，其脉冲成型函数可以表示为

(11)

调制指数h=0.7，L=2，an∈{+1,-1}.SOQPSK及ARTMCPM有相似的表示式[15].采用第2节的调制算法，令α=16，则P0(m)的十六进制补码表示可为

P0(m)=…0,0,0,0x000E,0x0037,0x0079,0x00D2,0x013F,0x01BB,0x0241,0x02CD,0x0359,0x03DF,0x045B,0x04C8,0x0521,0x0563,0x058C,0x059A,0x058C,0x0563,0x0521,0x04C8,0x045B,0x03DF,0x0359,0x02CD,0x0241,0x01BB, 0x013F,0x00D2,0x0079,0x0037,0x000E,0,0,….

任一时刻，瞬时相位可表示为

φ(m)=φ(m-1)+an·Pn(m)+an-1·Pn-1(m-16(n-1))

(12)

上述的叠加过程及基带调制后的信号可以采用DDS来实现.本文采用FPGA实现上述过程，DDS用FPGA的逻辑电路实现，正余弦值的计算采用COORDIC算法来实现，为了提高计算精度，采用16级流水线，其仿真结果如图1所示.

图1 基于FPGA的仿真时序图

在图1中分别示出了原始PCM信号(ser)，瞬时相位增量(an·Pn(m)+an-1·Pn-1(m-16(n-1)))函数(d)及瞬时相位的正(sin)余弦(cos).

从图1中可以看出，瞬时相位增量可以看作是原始PCM信号的平滑，这使得总相位变化变得平缓，使得调制后信号的带宽更窄，带宽利用率更高[14].

3 结 语

本文基于FPGA实现的特点，提出了一种通用的基于FPGA实现的CPFSK通用调制算法，能够适应用数字化的PCM/FM、SOQPSK及ARTM CPM，满足现阶段及未来遥测调制需求，具有较强的理论价值和广阔的应用前景.

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Research on telemetry modulator of multi-mode and configurable scheme

DONG San-jun

(Luoyang Photoelectric Technology Development Center, Luoyang 471099, China)

A novel scheme for telemetry transmitter was proposed in this paper. This scheme was applied for PCM/FM (or CPFSK), SOQPSK and ARTM CPM, and all of which could be achieved in resort to the configurations from a kind of interface like UART or USB or others. The scheme was also detailed in this paper. In the end, this scheme was verified by programming on the FPGA (field programmable gate array). The results showed that the scheme was justifiable and compatible to the telemetry standard.

PCM/FM; multi-mode; configurable; telemetry

2016-08-27.

董三军(1983-)，男，博士，工程师，研究方向：遥测通信技术.

V243.5

A

1672-0946(2017)03-0304-03