金慧琴，王正磊，宋斌斌

（海軍航空工程學院電子信息工程系，山東煙臺264001）

調(diào)制解調(diào)器是實現(xiàn)短波數(shù)據(jù)通信的關(guān)鍵，對接收信號進行數(shù)據(jù)處理的相關(guān)算法均在短波調(diào)制解調(diào)器中實現(xiàn)，調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計直接影響短波數(shù)據(jù)通信的性能。在詳細介紹該調(diào)制解調(diào)器的軟硬件設(shè)計之前，首先簡單介紹窄帶短波數(shù)據(jù)通信協(xié)議中的數(shù)據(jù)發(fā)送格式和性能要求，為后續(xù)短波調(diào)制解調(diào)器的實現(xiàn)和性能測試打下基礎(chǔ)。

1 窄帶短波數(shù)據(jù)通信協(xié)議

參照美軍標MIL-STD-188-110B，在語音頻段范圍內(nèi)工作的短波調(diào)制解調(diào)器的用戶數(shù)據(jù)率主要有75、150、300、600、1 200、2 400和4 800 bps[1]。任何用戶數(shù)據(jù)率情況下，碼符號速率均為2 400 Baud。短波基帶數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖1所示。

圖1 發(fā)送信號流程

在窄帶短波數(shù)據(jù)通信中，發(fā)送的數(shù)據(jù)包括同步序列、用戶數(shù)據(jù)和訓練序列，根據(jù)不同的時隙分配，選擇性的發(fā)送相應數(shù)據(jù)[2]。當用戶啟動數(shù)據(jù)發(fā)送時，先發(fā)送同步序列，然后用戶數(shù)據(jù)和訓練序列交替發(fā)送。

1.1 數(shù)據(jù)發(fā)送格式

1）同步序列

每次啟動數(shù)據(jù)發(fā)送時，先發(fā)送同步序列。對于所有的用戶數(shù)據(jù)率，同步序列都是相同的。同步數(shù)據(jù)段包括 15個八進制數(shù)據(jù)0、1、3、0、1、3、1、2、0、Dl、D2、C1、C2、C3、0。D1和D2組合表示選擇的用戶數(shù)據(jù)率和交織長度，C1、C2和C3組合代表同步數(shù)據(jù)段的發(fā)送次數(shù)計數(shù)[3]。獲得 D1、D2和 C1、C2、C3的具體數(shù)值后，每個八進制的同步碼符號映射為32個八進制的信道碼符號。

2）訓練序列

訓練序列與用戶數(shù)據(jù)的長度比例與用戶數(shù)據(jù)率有關(guān)：用戶數(shù)據(jù)率為4 800、2 400 bps時，訓練序列和用戶數(shù)據(jù)分別為16、32個碼符號；用戶數(shù)據(jù)率為1 200、600、300、150 bps時，訓練序列和用戶數(shù)據(jù)都為20個碼符號；當用戶數(shù)據(jù)率為75 bps時，不發(fā)送訓練序列，采取其它方式確保通信的可靠性[4]。這里指的訓練序列和用戶數(shù)據(jù)都是八進制數(shù)據(jù)。

3）用戶數(shù)據(jù)

信源輸出二進制數(shù)據(jù)到編碼器，編碼器對輸入的二進制數(shù)據(jù)進行前向糾錯編碼。糾錯編碼采用約束長度為7、編碼效率為1/2的卷積編碼方式，對于不同的用戶數(shù)據(jù)率，編碼效率是隨之變化的，糾錯編碼的編碼效率為1/2，通過重復編碼比特可以獲得更低的編碼效率。

經(jīng)過編碼后的編碼比特送到塊交織器進行交織處理，有長交織、短交織和無交織3種方式[5]，交織矩陣的大小取決于交織器的長度和用戶數(shù)據(jù)率。為減小相鄰碼符號誤判時對相應的數(shù)據(jù)比特的影響，數(shù)據(jù)交織完成后將比特流轉(zhuǎn)換成八進制數(shù)據(jù)，進行修正格雷編碼[6]。用戶數(shù)據(jù)經(jīng)過修正格雷編碼后，還要經(jīng)過符號映射，形成發(fā)送符號。通過不同的符號映射方式，可確保插入訓練序列后，碼符號速率恒為2 400 Baud。符號映射的作用就是將修正格雷編碼后的用戶數(shù)據(jù)的1、2或者3個編碼比特轉(zhuǎn)化成3個比特構(gòu)成的組合，以便于后續(xù)進行八進制調(diào)制[7]。

為了防止發(fā)送數(shù)據(jù)形成特定的頻譜結(jié)構(gòu)對其它頻段的通信造成干擾，需要對同步序列、訓練序列和用戶數(shù)據(jù)加擾[8]。采用固定的擾碼序列對同步序列進行加擾處理。對訓練序列和用戶數(shù)據(jù)加擾時采用的八進制擾碼序列由12位的移位寄存器生成。擾碼序列與發(fā)送數(shù)據(jù)進行模8運算，生成加擾數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)加擾后，對加擾的數(shù)據(jù)進行8PSK調(diào)制，生成復基帶數(shù)據(jù)。對8PSK調(diào)制后的復基帶數(shù)據(jù)進行上采樣，然后進行脈沖成型濾波，在復數(shù)域與1 800 Hz子載波相乘并取其實部，即實現(xiàn)了載波調(diào)制，生成頻率在300～3 300 Hz范圍內(nèi)的音頻信息，完成數(shù)據(jù)信息的音頻調(diào)制。

1.2 性能要求

將數(shù)據(jù)發(fā)送前各階段數(shù)據(jù)的處理參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

表1 短波調(diào)制解調(diào)器參數(shù)設(shè)置匯總

不同信道條件、不同用戶數(shù)據(jù)率情況下，系統(tǒng)的最低性能如表2所示。

表2 短波調(diào)制解調(diào)器要求達到的性能指標

2 窄帶短波調(diào)制解調(diào)器設(shè)計

調(diào)制解調(diào)器是實現(xiàn)短波數(shù)據(jù)通信的關(guān)鍵，它完成信息的調(diào)制與解調(diào)功能。對信號進行調(diào)制時，對輸入的數(shù)據(jù)信息進行信號處理后，輸出音頻信號范圍內(nèi)的模擬信號，經(jīng)短波電臺音頻通道加載到電臺進行二次調(diào)制、功率放大和發(fā)射[9]；對信號進行解調(diào)時，將從短波電臺接收的音頻信號，進行數(shù)據(jù)處理后輸出數(shù)據(jù)信息。

2.1 窄帶短波調(diào)制解調(diào)器的硬件設(shè)計

短波通信時進行數(shù)據(jù)處理的大量算法，如編譯碼、信道估計與跟蹤、均衡、頻偏校正、載波跟蹤與恢復、子載波調(diào)制與解調(diào)等算法，均在短波調(diào)制解調(diào)器中實現(xiàn)，由DSP芯片完成。機載短波通信系統(tǒng)選用的是TMS320C6727 DSP芯片，由于本文還要實現(xiàn)DDE-Turbo均衡，計算量較大，所以用TMS320C6727 DSP芯片替換原來選用的TMS320-VC33芯片完成信號處理的相關(guān)算法[10]。TMS320C6727是一款專門用于音頻信號處理的高速浮點DSP，其高達300MHz的頻率再加上32位的浮點處理能力，使得它可以輕松運行各種復雜的高頻處理算法，滿足系統(tǒng)實時性的要求[11]。

2.2 窄帶短波調(diào)制解調(diào)器的軟件設(shè)計

短波調(diào)制解調(diào)器接收數(shù)據(jù)終端送來的數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)發(fā)送格式，對用戶數(shù)據(jù)依次完成編碼、交織、修正格雷編碼、同步與訓練序列加入、加擾、8PSK符號映射、上采樣、脈沖成型濾波、1 800 Hz子載波調(diào)制后，取信號的實部，送到D/A電路，并經(jīng)放大和隔離后輸出到短波電臺音頻通道，發(fā)送流程如圖1所示。

短波調(diào)制解調(diào)器的接收通道接收來自短波電臺的音頻信號，調(diào)制解調(diào)器對接收信號進行隔離、模擬信號增益控制后，由A/D電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進行處理。DSP處理器首先對接收信號進行AGC控制，根據(jù)在采樣時間段內(nèi)的功率變化特性，調(diào)整A/D前端放大電路的增益，實現(xiàn)對接收信號的AGC處理；然后對接收信號進行Hilbert變換，將接收信號變換到復數(shù)域，對子載波進行相干解調(diào)，從而將接收的實信號變換到復基帶域[12]。在復基帶域，首先完成系統(tǒng)同步（包括初始同步、頻偏估計與校正、速率檢測、信道初始估值和定時同步幾個部分），同步完成后，對接收數(shù)據(jù)進行均衡和譯碼處理，估計用戶數(shù)據(jù)。采用VCC-DDE均衡算法的接收數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示，采用DDE-Turbo均衡算法的接收數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示[13]。

圖2 采用VCC-DDE均衡算法的接收數(shù)據(jù)處理流程

圖3 采用DDE-Turbo均衡算法的接收數(shù)據(jù)處理流程

3 窄帶短波調(diào)制解調(diào)器性能測試

采用VCC-DDE均衡算法的機載短波數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)已經(jīng)在機載短波通信系統(tǒng)中實現(xiàn)，由于條件所限，并沒有對采用DDE-Turbo均衡算法的短波調(diào)制解調(diào)器進行系統(tǒng)試驗，只對其進行實驗室性能測試，測試時只考慮了用戶數(shù)據(jù)率為2 400 bps時的短波數(shù)據(jù)通信情況，測試流程如圖4所示。

圖4 實驗室測試流程

根據(jù)前面給出的窄帶短波數(shù)據(jù)通信時的數(shù)據(jù)發(fā)送格式，在軟件環(huán)境中生成發(fā)送數(shù)據(jù)，然后模擬短波信道參數(shù)，通過多次迭代算法生成服從Watterson模型的信道衰落系數(shù)[14，15]，對發(fā)送數(shù)據(jù)分別加入多普勒擴展、多普勒頻移、多徑延遲和高斯白噪聲，獲得受干擾的接收數(shù)據(jù)，按照8 kHz采樣速率，存儲為wav音頻文件；利用計算機聲卡播放音頻信息，并通過音頻線接入到短波調(diào)制解調(diào)器，短波調(diào)制解調(diào)器對接收的音頻信息進行數(shù)據(jù)解調(diào)；解調(diào)后的數(shù)據(jù)通過調(diào)制解調(diào)器反饋到計算機，然后將發(fā)送數(shù)據(jù)與解調(diào)數(shù)據(jù)進行對比，測試其誤碼率[16]。在實驗室環(huán)境下分別測試VCC-DDE和DDE-Turbo均衡算法在短波信道下的性能。測試性能如表3所示。

表3 測試性能

通過表3可以看出，采用VCC-DDE算法的調(diào)制基于DDE-Turbo均衡算法的短波調(diào)制解調(diào)器，相對采用VCC-DDE算法的調(diào)制解調(diào)器，性能又有進一步的改進。調(diào)制解調(diào)模塊采用的是VCC-DDE算法，受時間和條件所限，并沒有對采用DDE-Turbo均衡算法的短波調(diào)制解調(diào)器進行系統(tǒng)試驗。但是由于VCC-DDE算法已經(jīng)在機載短波通信系統(tǒng)中實現(xiàn)，性能良好，通過實驗室測試又證明了DDE-Turbo均衡算法相對于VCC-DDE算法的優(yōu)越性，證明了DDETurbo均衡算法的有效性。

4 結(jié)束語

文中對窄帶短波調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計進行了研究，調(diào)制解調(diào)模塊采用VCC-DDE算法和載波同步和DDE-Turbo均衡算法，由于條件所限，搭建了短波通信測試系統(tǒng)對其進行了實驗室測試。從測試結(jié)果可以看出，DDE-Turbo均衡算法相比VCC-DDE均衡算法性能有很大改進。雖然沒有對采用DDE-Turbo均衡算法的短波調(diào)制解調(diào)器進行系統(tǒng)試驗，通過實驗室測試結(jié)果即驗證了DDE-Turbo均衡算法的有效性。