李经安，周凌宇

(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96275部队，河南 洛阳 471003)



基于流星余迹通信的调制解调器设计与实现

李经安1，周凌宇2

(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96275部队，河南 洛阳 471003)

随着对适用于流星余迹信道的各种调制体制的日渐深入研究，基于流星余迹通信的调制方案也变得越来越复杂。为了达到流余系统通信性能进一步提高的目的，主要介绍一种基于流星余迹通信的调制解调器。介绍了流星余迹通信系统调制解调体制设计，探讨了调制解调器的具体设计及实现。给出了试验数据及测试分析，试验数据结果表明，该调制解调器完全满足系统指标，适应流星余迹信道的信道特性。

流星余迹通信；调制解调方式；快速解调；前向纠错技术

0　引言

流星余迹通信作为一种特殊的通信方式，其技术体制也是与其他通信方式有区别的，目前流星余迹通信调制方式应用在商业领域的类型有BFSK、BPSK和DBPSK[1]。美国联邦标准把DBPSK作为流星余迹通信的调制方式。为了达到提高数据通过量的目的，一些研究机构正在研究MPSK、QAM、TCM和OFDM等调制方式在流星余迹信道下的性能以及实现的可能性。美国国家通信系统管理机构推荐新一代流星余迹通信系统调制方式为QPSK和卷积码相结合的TCM调制[2]。

本文对提高系统性能进行研究。主要从自适应变速技术、自适应编码技术方面进行研究，最大限度地和流星余迹信道传输特性匹配。

1　系统设计

调制解调方式是体现通信系统先进性的一个重要特征，在很大程度上决定了一个通信系统的性能[3-4]。流星余迹通信系统可以采用的调制方式有FSK调制、PSK调制和QAM调制。对FSK信号，一般采用非相干解调方式；而对于PSK信号，有差分相干解调和相干解调这2种解调方式可供选择；QAM调制常采用相干解调。在流星余迹信道上，这3种调制方式在相同误码率条件下的解调门限电平是不同的，QAM调制要求最高，FSK其次，差分相干解调PSK居中，相干解调PSK最低。QAM信号有最高的频谱利用率，但是其信号幅度要求较高稳定度，不适合在流星余迹信道中应用。因此，PSK信号的相干解调是流星余迹通信中理论上性能最好的调制解调方式。因此，本系统将对信号进行BPSK与相干解调[5]。

流星余迹通信中可用的调相制调制方式为BPSK或QPSK方式。相对BPSK方式，QPSK方式频谱利用率较高，频带利用率提高一倍，并且在信息速率相同的情况下，QPSK方式相比BPSK方式符号长度要长，从而有利于克服多径引起的码间干扰，较适合于高传输速率的通信[6]。在流星余迹通信系统中，采用自适应变速传输技术，受BPSK和QPSK调制的特点及变速数目的制约，系统在低传信率时使用BPSK调制，高传信率时采用QPSK调制，不仅提高了频谱利用率而且可以减小多径的影响。

1.1调制器设计

调制器包括工作高钟发生器、调制信号产生器、D/A变换器、低通滤波器、带通滤波器和放大器等模块。为了限制调制信号的杂散和谐波对收信号的干扰，D/A输出10.7MHz低中频信号经过低通滤波器滤波、放大器放大后再经过中心频率为10.7MHz的带通滤波器进一步限带滤波，然后再送往发信机。

调制器设计主要应用FPGA数字器件实现，基带信号首先经过数字带通滤波器对方波信号进行限带，然后使用NCO对其进行数字上变频后，由D/A变换器形成模拟信号后，再送入发信机、功放和天线把调制信号发送出去，其原理组成如图1所示。

图1　调制器原理组成

1.2解调器设计

在接收端采用失真自适应相干检测体制完成对信号的解调。失真自适应接收机(Distortion Adaptivable Receiver，DAR)接收原理如图2所示。

图2　DAR接收原理

流星余迹通信信道中存在重叠余迹和风剪作用，使之成为一种多径扩散信道，信号在多径信道上传输，时域波形会发生扩散，使得信号形状产生了失真；另外，由于流星余迹信道的时变特性，失真波形的形状会随时间不断变化。这样，在接收端要达到最佳接收的效果，必须根据失真的波形自适应地随着它的变化产生本地相干载波。DAR恰好能够完成这一任务。由于信道信号的包络每一瞬间都在发生变化，因此接收机接收信号的包络与DAR载波提取系统所提出的相干载波的包络也在随时间发生着变化，然而二者的失真是同步的，即提取的相干载波的包络形状总是随着滤波器输出信号包络的变化而进行变化，这样一来，相干载波的包络总是能够自动适应信道的失真变化，从而构成了最佳匹配接收，即在有频率选择性衰落的情况下，提取的相干载波的包络形状总是随着滤波器输出信号包络的变化而进行变化，达到了最佳接收的效果。

1.3比特定时恢复设计

在最佳接收机构中，需要对积分器或匹配滤波器的输出进行抽样判决。抽样判决时刻应位于每个码元终止时刻，故接收端必须产生一个用于作抽样判决的定时脉冲序列，它和接收码元的终止时刻应对齐。所以需要比特同步提取单元。

符号定时提取有开环和闭环2种方法，开环同步提取要比闭环快速且电路简单[7]。对于突发通信，需在更短时间里提取定时信号，因此使用开环同步提取方法。

在开环算法中，采用谱线产生定时恢复法，其方法是通过对接收到的基带信号滤波和非线性处理，按码元速率产生一个频率分量。通过一个带通滤波器提取这个频率分量，再使数据时钟转换为方波形式。

BPSK/QPSK调制信号属于抑制载波调制，其调制信号本身不含有任何载波成分和定时成分，但是如果把信号进行适当的非线性处理后，就会有周期谱分量出现，其相位和归一化位定误差ε有关。从频域上看，经过非线性变换后的信号的频谱，在符号速率1/T和其倍数处的频率上有离散谱线出现，因此可以采用梳齿带通滤波器来虑出该单谱分量，后经过移相网络和脉冲产生器恢复定时信号[8]。

PSK信号经过数字下变频后输出的I、Q两支路信号由于调制的原因，以符号周期T的n倍处存在相位的180°跳变。因此，将该2路信号经过微分器后，就可以得到含有定时信息的非线性信号，采用FIR形式的数字微分器级数较多，为节省硬件资源，这里以T/2延迟代替微分器。则位定时非线性变换表达式为：

a(n)=(I(n)+I(n-1/2))2+(Q(n)+Q(n-1/2))2。

(1)

式中，平方和不含有相位信息，但是却包含了丰富的位同步信息，将非线性变换以后的信号通过信噪比达30dB的梳齿滤波器提纯，并且过滤掉零频分量后，最后再内插到系统最高时钟，提高采样频率，将有效抑制信道变化引起的时钟的相位抖动，得到积分判决、I、Q通道码流合成用的定时脉冲信号[9]。

比特时钟恢复电路原理如图3所示。

图3　比特时钟恢复电路原理

2　性能测试

为了检验系统是否接近于理论上的最佳接收机，本论文最末一个阶段的任务，就是测试基于流余通信的调制解调器的抗白噪声性能。系统测试框图如图4所示。由于通信为突发通信，并且具有特定协议，无法使用通用误码仪进行误码测试，只能通过监控软件进行误码测试以实现自测自检功能。解调性能测试主要是在机箱里进行，误码仪实为机箱监控误码统计功能模块。

图4　系统测试框图

调制器输出信号的速率为4～64kbps、中心频率为10.7MHz。监控产生测试码并送给调制器，调制器产生的调制信号经过可调衰减器之后和噪声相加，经过中心频率10.7MHz、等效噪声带宽为150kHz的带通滤波器，然后信号经AGC送给解调器完成信号的解调，解调器最后将解调码输出给监控软件进行误码统计。

在不同速率下，调节衰减器改变信噪比，记录不同信噪比下的误码率，并将测试数据用Matlab绘图[10]。

3　性能测试结果分析

误码性能曲线如图5所示。

图5　误码性能曲线

图5所示的解调性能测试数据表明，调制解调器整体的误码性能曲线与理论曲线比较小于2dB，且加编码的速率误码曲线体现了相应的编码增益效果，相同编码的速率的误码性能差别较小，整个调制解调器性能指标完全满足系统的要求。

8kbps和16kbps速率采用RS编解码，32kbps和64kbps速率采用tpc编解码，在信噪比大于4dB以后误码性能曲线突然变得陡峭乘，乘积码在功率和频带受限的通信系统中有着优秀的适用性。

4　结束语

本文通过发端采用全占空方波BPSK/QPSK调制方式，收端采用失真自适应相干检测体制完成对信号的解调；以及相应的高纠错能力纠错编码，并且纠错编码的编码速率根据信道状况可变，译码器设计采用软判决方式，最大限度地利用了解调信息，适应了流余突发通信的信道特性。另外，采用自适应变速率传输技术后，一方面低速传输降低了系统平均等待时间；另一方面，高速数据传输和高纠错能力的差错编码可以有效对抗信道衰落，获得系统性能的进一步提高。

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李经安男，(1983—)，工程师。主要研究方向：无线通信。

周凌宇男，(1978—)，高级工程师。主要研究方向：通信指挥。

Design and Implementation of Modem Based on Meteor Burst Communication

LI Jing-an1,ZHOU Ling-yu2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;2.Unit96275,PLA,LuoyangHe’nan471003,China)

As the modulation methods adopted for meteor burst communication channel are more and more studied,the modulation schemes based on meteor burst communication become more and more complex.In order to improve the communication performance of meteor burst communication systems,a modem design applied in meteor burst communication is introduced.First,the design of modulation and demodulation schemes applicable to meteor burst communication is analyzed;then,the specific design and implementation of the modem are discussed.Finally,the test data and analysis results are provided.The test data indicates that the designed modem satisfies the system specifications completely and is adapted to the characteristics of meteor burst communication channel.

meteor burst communication;modulation and demodulation mode;fast demodulation;forward error correction technology

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.09.21

2016-05-09

TN926.5

A

1003-3106(2016)09-0080-03

引用格式：李经安,周凌宇.基于流星余迹通信的调制解调器设计与实现[J].无线电工程,2016,46(9):80-82.