MSD与TPC技术调频遥测方法研究

闫　冬，孙晓锋，孙大元

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081)



MSD与TPC技术调频遥测方法研究

闫冬，孙晓锋，孙大元

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081)

摘要调频信号具有很好的抗航天器飞行尾焰干扰能力。在同信噪比下，调频信号解调误码率高于调相信号，所以调频信号解调需要提高增益。多符号检测(MSD)和Turbo乘积(TPC)编码的联合算法可以提高调频信号的增益。介绍了MSD和TPC编码的联合算法和设计结构，根据仿真结果对比了差分解调、MSD解调、MSD与TPC编码的联合算法在各种信噪比下的性能指标，证明了该联合算法提高了近7 dB的增益。

关键词调频遥测；MSD；TPC;高增益

Research on PCM-FM Technology Based on MSD and TPC

YAN Dong,SUN Xiao-feng,SUN Da-yuan

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractThe PCM-FM signal has better anti-interference capability for aerospace-craft jetting out the flame.In the same signal-noise ratio,the BER of PCM-FM signal demodulation is higher than that of phase modulated signal,so it is required to improve the gain of PCM-FM signal demodulation.The joint algorithm of multi-signal detection (MSD) and Turbo product coding (TPC) can improve the gain of PCM-FM signal.This paper introduces the joint algorithm of MSD and TPC coding and design structure.The performance index of differential demodulation,MSD demodulation,as well as MSD and TPC coding joint algoritm are compared in various signal-noise ratios,and the results show this joint algorithm can increase the gain of 7 dB.

Key wordsFM telemetry;MSD;TPC;high-gain

0引言

飞行器尾焰对信号影响很大，调频遥测信号具有很强的抗干扰能力。但调频遥测信号相对传统抑制载波调相信号的解调能力差。尤其是在低信噪比的情况下，调频信号解调性能随着信噪比降低而恶化。因此需要采用提高增益的方法来提升调频信号解调性能[1]。目前PCM-FM遥测系统中提高增益的方法主要为多符号检测(MSD) 技术与Turbo 乘积码(TPC) 技术相结合的方式。单独利用MSD 技术可以提高近3 dB增益。在信噪比符合要求的情况下,TPC可以获得近4 dB的增益。这2项技术联合起来，可以使得调频遥测信号获得很好的解调性能[2]。本文首先介绍了调频遥测的解调结构并且对多符号检测和TPC解码算法进行了详细说明。通过仿真实验验证了MSD技术与TPC联合算法可以提高解调增益的结论。

1调频遥测

调频遥测系统中主要包括：中频极化合成、AGC自动控制、位同步解调、MSD技术、TPC译码、遥测和DMA上报模块组成。其中中频主要是完成调频信号的解调，将下变频后的信号经过MSD运算，通过预估码元间相位提高增益。求得解调出的软信息的帧头，找到数据块起始位置，经过纠错位将错误码元纠正回来，完成TPC译码。译码出的真实流数据再经过组帧上报至上位机，通过上位机网络最终将遥测信息传输到终端用户。下面分别介绍MSD技术和TPC算法。

1.1MSD

MSD最早是由Osborne和Luntz于1974年提出[3]，在研究了CPFSK相干和非相干解调的基础上提出了相干和非相干的多符号检测技术，并验证了误码率特性曲线。MSD能够获得约3 dB的增益，使PCM-FM遥测系统MSD的性能明显提升，但是由于算法复杂，难以实现，MSD的发展一度停滞[4]。直到21世纪初，随着大规模集成电路的迅速发展，MSD技术逐渐在实际遥测系统中得到应用[5]。

下面以7 bit多符号检测为例进行介绍。MSD实际上是一种无先验信息匹配滤波，利用数据之间的相关性，判断了数据ak前面3个数据ak-3、ak-2、ak-1和后面3个数据ak+1、ak+2、ak+3对数据ak的影响。这7 bit数据的情况是完全随机的，为了能够准确地将7 bit数据的情况都遍历，将7 bit数据的情况展开，一共有27的频谱形状，将这些情况都一一罗列出来。这些基带频谱图形和解调出来的基带频谱图形进行相关，相关所得到能量最高的情况可以认为是数据解调结果。这就是MSD的主要算法流程。

假设接收的中频信号可以简化表示为：

s(t)=cos[ωct+f(t)+θ]，

对s(t)进行数字下变频处理。采用正交本振混频，得到正交基带信号为：

I=cos(f(t)+θ1),

Q=sin(f(t)+θ1)。

写成复信号的形式为：

R=I+Q·j=cos(f(t)+θ1)-jsin(f(t)+θ1)。

进行多符号检测时，由于传送码元序列的不同，本地码元存在多种情况。假设每个符号均估计正确，与发送信号相同的那一本地复信号在观测时段内可以表示为：

L=cos(f(t)+θ2)-jsin(f(t)+θ2)。

本地信号和接收得到的信号相乘得到：

RL=cos(θ2-θ1)+jsin(θ2-θ1)=IB+jQB。

用于观测时段内传送的码元完全相同的那个本地信号与接收到的正交基带信号相乘之后得到的复信号保持不变。而其他情况下，由于所传送的那组基带码元不同，进行乘法运算后的复信号时刻发生着变化。假设观测时段内采样点数为Nc，则积分得：

M=Nc·IB+jNc·QB，

是当观测时段内与传送码元完全相同的本地信号对接收到的基带正交复信号进行相关平方等运算后的取值。由于其他情况下本地信号与接收到的正交信号相乘之后得到的复信号都是时变的，相关平方之后得到的值也都小于S的取值，因此，便可以通过上述过程判决所传送基带符号的极性。多符号检测接收机原理框图如图1所示。

图1　多符号检测接收机原理

多符号检测的步骤如下[6]：

① 相关运算即将经过下变频之后的I、Q两路信号分别和本地信号进行相关处理。针对复信号相关运算需要将I、Q两路信号分别和本地的正弦、余弦信号分别相关，然后选择相应的信号进行相加，输出的也是复信号。

② 相位旋转是在相关信号完成之后，对相关操作输出的8组复信号分别进行大约7次相位旋转操作。

③ 加法网络：由于所传送的信号总共有128(27)种可能的情况，因此需要将选为旋转输出的56个复信号分别经过4级D触发器之后，按照预先设定的网络进行相加运算，共需要128个5输入的加法器。

④ 平方求和是将这128组相加之后得到的复信号的实部和虚部分别求平方然后求和，得到128组判决值。

⑤ 比较输出：最后需要对这128组判决值进行比较，最大的那组中间的那个码元的取值作为输出。需要注意的是，对这128组判决值进行比较时，采用流水线结构。

1.2TPC编码技术

TPC编码是一种应用于乘积码的Turbo码的软输入软输出迭代译码算法[7]。乘积码是一种多维阵列编码技术，常用的乘积码为二维码或三维码，根据构成的子码种类不同，乘积码又可分为RS乘积码、扩展汉明乘积码、BCH乘积码和奇偶校验乘积码等[8-9]。根据子码的不同，乘积码在复杂度、编码效率和性能等方面也存在很大不同。卫星通信中常用扩展汉明码作为子码，现以二维乘积码为例说明TPC的编码原理。假设子码是2个扩展汉明码，分别为：

C1(n1+1,k1,d1+1)，

C2(n2+1,k2,d2+1)。

式中，ni(i=1,2)为码长；ki为信息位数目；di为最小汉明距离。

编码过程如下：

将(k1*k2)个信息位排列成k1行k2列的矩阵。用C2码对k1行信息位进行编码。用C1码对n2+1列信息位进行编码，最终构成(n1+1)*(n2+1)的矩阵码字。构成的TPC码码长为：

n=(n1+1)*(n2+1)。

信息位数k=k1*k2，最小汉明距离d=(d1+1)*(d2+1)。

TPC编码方式如图2所示。

图2　TPC编码方式

2调频遥测系统应用结构

调频遥测系统中主要分成以下几个部分：中频解调、AGC自动控制、位同步解调、MSD算法、TPC译码、遥测和DMA上报。下面给出各个模块的功能及其设计方案。

中频解调主要完成中频信号下变频、低通滤波、鉴频和环路滤波等功能。AGC自动控制是在中频锁定的情况下估计能量大小，从而将输入信号的能量控制在适合于解调范围。位同步主要是在鉴频包络中提取出位流时钟，并且按照位流时钟判断出差分信息数据流。同时下变频信息可以输入到MSD模块，通过MSD解调出软信息。解调出的软信息数据流通过块同步模块，找到块头,组成一个完整的块信息，送给TPC译码模块。TPC模块主要完成了TPC译码功能。遥测模块通过监控下达的帧头、帧长、副帧类型和副帧长度等信息，将解码后的信息组成信息帧。信息帧帧前需要加入开始信息、状态信息和结尾位等信息位，这些信息打包组成上位机所需的遥测信息，通过DMA模块完成与上位机的通信。

3仿真结果

仿真实验主要完成：① 选择一种适用于调频遥测的TPC编码；② 分析这2种提高增益方法的性能。

为了研究TPC编码结构，给出了3种编码结构：(63,51,5)、(63,57,3)和(127,113,5)，性能指标如图3所示。

图3　性能指标

从图3中可以看出，虽然第3种编码对编码性能有所提升，但其占用的逻辑资源要远远高于其他2种，但是对编码性能提升并不大。所以从资源和性能2个方面衡量，第2种编码最适用于调频遥测应用。

本仿真采用一路PCM-FM信号进行分析，调制数据为随机信号，调制数据模型利用随机方式产生。首先生成-0.5～0.5均匀分布的随机数据，然后利用四舍五入的round函数将数据变成随机分布的0、1序列。

调制信号加调到70 MHz中频信号，载波频偏fd为50 kHz。接收利用AD采用，采样速率Fs为56 MHz，码速率Rb为2 MHz，采用FIR矩阵窗进行滤波，滤波器阶数为36，滤波器参数为1.2×Rb/Fs，对该条件下的信号进行仿真处理，比较各种解调的性能。

实验1：对MSD和非相关解调结果进行比较，误码率信噪比曲线如图4所示。

图4　误码率信噪比曲线

从图4可得如下结论：非相干鉴频的误码率与理论值接近，而MSD在各个误码率处的信噪比比非相干鉴频低了3 dB。

实验2：分别将MSD、TPC与MSD联合解调性能仿真结果如表1所示。

表1　仿真结果

从表1可得如下结论：标准算法实现接近理论值，MSD的增益接近2.5 dB,TPC的增益接近4 dB。

实验3：计算MSD与TPC联合算法信道的增益，如表2所示。

表2　信道增益

从表2可得如下结论：随着信噪比的增高，MSD与TPC联合算法的增益提高，在Eb/N0=6.5时达到最优，并且联合算法的增益并不是稳定不变的。

4结束语

航天领域中，调频遥测体制在对抗多径、火箭尾焰等干扰方面有其他体制所不具有的优势。但是调频信号的信噪衰减比调相信号性能要差很多。因此需要引入这种联合算法提高性能，使得调频遥测可以适用于大部分情况。本文介绍了一种提高调频遥测性能的方法，采用MSD和TPC编码相结合，该算法在特定条件下可以提高将近7 dB的增益。LDPC编码的编码容量和信息容量更大，并且编码性能高，所以将LDPC编码用到调频遥测中是下一步研究的方向。随着硬件大规模集成电路的迅速发展，MSD硬件需求量已不再是限制MSD运算的主要问题，但是随着MSD码元个数增加，MSD运算量呈指数增加，简单地增加逻辑器件资源已经无法适用于MSD运算的发展，所以设计一种高效节省资源的MSD算法是目前发展亟待解决的问题。

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，2007,28(S11):49-53.

[2]郝建民.两项技术是PCM-FM 遥测系统信噪比增益提高9 dB[J].遥测遥控,2004,25(6):6-8.

[3]GEOGHEGAN M.Improving the DetectionEfficiency of Conventional PCM/FM Telemetry by Using a Multi-symbol Demodulator[C]∥Procof International Telemetering Conference，2000:675-682.

[4]OSBORNE W P,LUNTZ M B.Coherent and Non-coherent Detection of CPFSK[J].IEEE Transactions on Communications,1974,22(8):1 023-1 036.

[5]王莉，袁福，郑林华，等.遥测PCM-FM 信号的低复杂度多符号检测算法[J].计算机应用研究,2013(10):58-59.

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[7]PROKIS J G.数字通信(第4 版)[M].张立军，张宗橙，郑宝玉，等，译．北京:电子工业出版社，2010:135-140.

[8]徐兴源，吴有杏．基于MSD 技术船载测控设备火箭遥测解调方法研究[J]．遥测遥控，2009，30(5):64-67.

[9]BERROU A，GLAVIEUX P.Thitimajshima.Near Shannon Limit Error Correcting Coding and Decoding:Turbo-codes[J].IEEE Int.Conf Communications,1993(2):1 064-1 071.

闫冬女,(1984—)，工程师。主要研究方向：航天测控、信号处理。

孙晓锋男,(1984—)，工程师。主要研究方向：航天测控、信号处理。

作者简介

中图分类号TP391.4

文献标志码A

文章编号1003-3106(2016)04-0079-04

收稿日期：2016-01-12

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.04.20

引用格式：闫冬，孙晓锋，孙大元.MSD与TPC技术调频遥测方法研究[J].无线电工程,2016,46(4):79-82.