多符号检测和Turbo乘积码技术在高码率PCM-FM遥测系统中的应用研究

胡磊

摘要：随着被测量飞行物的飞行速度越来越快，对遥测跟踪测量装备的要求也越来越高，所传输的数据量越来越大，遥测数据率由也由2Mbps提高到10Mbps甚至更高。当遥测测量装备要求具有10Mbps码率遥测数据的接收解调能力，传输码率提高到10Mbps后，在弹载遥测发射机发射功率不变的条件下会产生近7dB的增益差问题，应用多符号检测技术（MSD）和Turbo乘积码（TPC）译码技术可以有效解决这一问题并大幅提高PCM-FM遥测系统性能。

关键词：高码率;PCM-FM;MSD;TPC

中图分类号：TN602 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）05-0104-02

0 引言

随着遥测测量中被测量飞行物的飞行速度越来越快，对遥测跟踪测量装备的要求也越来越高，所传输的数据量越来越大，遥测数据率由也2Mbps提高到10Mbps甚至更高。相应地对系统的链路增益、系统带宽、解调门限、接收解调等功能指标都提出了严格的要求，对硬件设计的抗干扰能力和可靠性等方面也提出了更高的要求。10Mbps高码率传输在调频体制中是一项全新的技术，主要解决在弹载发射机发射功率不变的条件下，如何补偿码率提高到10Mbps后带来的近7dB的增益差问题。而目前联合应用MSD、TPC译码技术是解决这个问题的较好手段，新型的遥测测量装备在总体设计阶段就充分考虑融入了MSD、TPC技术，并在测量试验中进行了测试，验证了该技术的有效性。

1 多符号检测技术（MSD）

理论分析和工程实现表明，PCM-FM信号传统方法的解调门限大致在10dB左右，低于这个门限，信噪比急剧下降。门限效应的存在极大限制了编译码方法的应用，是系统性能提高的瓶颈所在。多符号检测技术（MSD）最初是为CPM（连续相位频移键控体制）信号而提出的，特别适合MSK体制和PCM-FM体制，与TPC编码联合使用时可以在10-4条件下获得6dB处理增益。MSD技术一般采用最大似然检测算法，检测过程是通过相位网格图搜索最小欧氏距离对应的路径，达到最佳检测。它充分利用信号间记忆的关联信息，接收端收到一个码元信号时，并不立即进行判决，而是要持续观察后继3到5个码元后，再对这一码元判决，从而减少码元判决的错误，提高接收解调性能。

MSD的工作原理如图1所示。

2 TPC译码技术

TPC（Turbo乘积码）是把一组信息码元排成k1×k2的矩阵，编码时先按行进行编码，每行编成（n2，k2）的系统线性分组码（一般为扩展Hamming码）。然后再按列进行编码，每列编成（n1，k1）的系统线性分组码，从而构成如图2所示的（n，k）=（（n1×n2），（k1×k2））的乘积码。在接收端先按列到再按行进行译码。

一般来说，前向纠错码的译码算法有两种，硬判决译码和软判决译码。在同样的条件下，硬判决译码器相比软判决译码有3dB的性能损失，对二进制通信系统而言，硬判决译码器严格地按照二进制符号0和1两个值来判决运行;软判决译码使用软信息。

TPC通常采用基于Chase的软入软出（SISO）迭代譯码算法。接收到信号矩阵[R]后，先实行对乘积码P的行译码，采用Chase算法进行译码，计算软输出。从软输出中减去软输入，得到外部信息[W（2）]。对接收到的信息进行逐行译码后，实现了第一次半迭代。而后进行列译码，实现第二次半迭代，其软输入信息为：[R（2）]=[R]+α（2）[W（2）]。其中α（2）为缩放因子，初始阶段误码率相对来说是很高的，在第一次半迭代之后得到的外部信息的标准偏差很大，但是随着迭代的进行，逐渐降低。因此，可以利用α减弱初始阶段外部信息对软译码的影响。图3为串行迭代译码一次完整迭代的结构图，其中m代表半迭代次数。

3 应用MSD+TPC技术的遥测系统特点

在PCM-FM遥测系统中，应用TPC译码技术的前提是使用MSD解调支路。在使用MSD或TPC时，遥测基带设备的宽带接收处理平台的处理路径将发生变化：不再直接进行数据解调，而是首先进行MSD解调，然后根据需要决定是否进行TPC解码，最后再进行数据解调。应用多符号检测技术（MSD），从根本上克服体制固有的门限效应，使PCM-FM体制获得与相干PSK体制相当的解调性能，并且保留PCM-FM体制抗火焰、抗极化和多径衰落、抗相位干扰的优点。应用MSD+TPC技术，相比传统FM解调技术，在误码率为10-4～10-7条件下，可获得6dB以上的信道增益。TPC编码器对来自中心程序器/遥测采编器/加密机的串行PCM数据流进行编码，对编码前数据的帧格式和字长没有任何要求。在传输能力和作用距离不变的条件下，能够大幅度地降低发射功率或者接收天线增益。在相同误码率以及发射功率和接收天线增益均不变的条件下，能够大幅度地提高传输能力或者增加作用距离。

4 应用举例

在某型遥测测量装备设计研制阶段先后进行了中频闭环试验，射频闭环试验、无线对塔试验和挂飞试验，试验结果表明：在发射端仅增加TPC编码，相比采用非相干鉴频进行PCM-FM信号解调的传统技术，仅占用125%的系统信道带宽，在误码率为1×10-4～1×10-7条件下，获取6dB以上的信道增益。

系统应用MSD与TPC技术的测试结果如图4所示。

其中：码率1～10Mbps;

TPC编译码增益：6dB（在误码率为10-7条件下）;

多符号检测增益：3dB（在误码率为10-7条件下）;

捕获门限：Eb/N0<5dB。

图5是遥测图像接收试验中在Eb/N0=5dB时，应用MSD+TPC技术的原理机与传统FM接收机的接收解调图像效果对比图。左侧为传统FM接收机的接收解调图像，右侧为应用MSD+TPC技术的原理机接收解调图像。

5 结语

本文简要介绍了MSD算法和TPC编译码原理及其在新型遥测测量装备中的应用研究，并以试验结果佐证了MSD+TPC联合应用于PCM-FM遥测系统的可行性。目前该技术已成功应用于多种遥测飞行测量任务中，因此应用MSD+TPC技术的遥测装备必将在测控领域特别是高码率PCM-FM遥测系统中发挥更大的作用。

参考文献

[1] 王晓波，吴岭，徐松艳.MSD与TPC技术在PCM/FM遥测系统中的应用研究[J].遥测遥控，2015，28（S）：49-53.

[2] 章兰英.基于DSTFT的PCM/FM信号软件化解调方法研究[J].装备指挥技术学院学报，2008，19（1）：94-98.

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