数据链中MSK信号频率相干解调方法仿真

周 帆, 冯 川, 赵方昕

(沈阳理工大学信息科学与工程学院, 沈阳 110159)

0 引言

数据链是作战指挥系统的重要组成部分,是“传感器到射手”的重要信息传递手段,是实现联合作战的有力保障,对提高体系对抗作战力至为关键。数据链又称为战术数字信息链路,是被美国海军、联合部队和北约部队广泛采用的一种新型战术数据链路,能提供保密、抗干扰和实时的数字通信。数据链采用了信道编码、MSK调制、扩频、跳时和跳频等多种抗干扰措施,确保了信息传输的可靠性。MSK调制技术作为数据链中的核心技术,具有能量集中、包络恒定、频谱利用率高等特点,因此针对数据链中的MSK信号解调技术的研究工作刻不容缓[1]。

通常采用非相干解调法或相干解调法实现对MSK信号的解调。文献[3]指出,非相干解调法无需产生本地相干载波,电路比较简单且容易实现,但抗噪声性能较差,主要包括过零检测法和包络检波法;相干解调法可以获得比非相干解调法更好的抗噪声性能,但必须从接收信号中提取相干载波,因此结构相对比较复杂[2]。

1 MSK信号频率相干解调机理及分析

1.1 MSK信号频率相干解调机理

MSK信号既是一种FSK信号又是相位连续的FSK信号,属于CPFSK信号的一种特殊形式。其第k个码元对应的时域信号可用式(1)来表示。

(1)

式中:ωc=2πfc表示载波角频率;A为载波振幅;ak=±1表示第k位信息码;Ts表示码元宽度;φk为第k个符号的相位常数,它在(k-1)Ts≤t≤kTs中保持不变。θ(t)为附加相位函数,它等于MSK信号的总相位减去随时间线性增长的载波相位。

若令Ik=cosφk,Qk=akcosφk则由式(1)可得MSK信号的正交表达式如下:

(2)

MSK信号频率相干解调的原理框图如图1所示。

(3)

(4)

进一步,对式(3)、式(4)分别进行低通滤波处理,设定滤波器的截止频率小于1/Ts,则I支路对应的输出为AIk/4,Q支路对应的输出为-AQk/4。参考MSK信号正交调制机理,在对Q支路依次进行反相、超前平移操作的基础上,再对I、Q两个支路依次进行抽样判决、并串转换和差分译码,进而实现对MSK信号的解调[3-5]。

1.2 MSK信号频率相干解调机理可行性分析

设差分码序列bk={+1,+1,-1,-1,+1,+1},参考码b0=1,则由ak=bk-1×bk(式中“×”作用等同于同或操作),可得信息码序列ak={+1,+1,-1,+1,-1,+1},进一步考虑到频率相干解调过程中超前Ts操作引起的矩阵对齐补零问题,因此实际输出的信息码序列需要将补偿的零码片去掉,即需要去掉序列的头和尾共2Ts个码片长度,因此真实的信息码序列为ak={+1,-1,+1,-1}。

2 仿真结果及分析

2.1 仿真参数

由数据链信号的产生机理可知,一跳单脉冲信号的持续时间为13 μs,且在6.4 μs的驻留时间内搭载一个符号,该符号对应5个比特,调制前需要先对5个比特进行软扩频,即用5级M序列生成的32个比特来表示该符号[6]。仿真过程中,以一跳单脉冲数据链信号的有效驻留时间为仿真对象,采用5级移位寄存器生成32 bit M序列,即每个比特对应200 ns。主要仿真参数如表1所示。

表1 主要仿真参数

2.2 仿真流程

仿真流程见图3。

2.3 仿真结果及抗噪声性能分析

以上述MSK信号频率相干解调机理的可行性为依据,实现过程中选用一跳单脉冲Link16数据链信号的有效驻留时间为仿真对象。信息码采用5级M序列生成的32 bit码序列,对应于ak={+1,+1,+1,+1,-1,-1,+1,+1,-1,+1,-1,-1,+1,-1,-1,-1,-1,-1,+1,-1,+1,-1,+1,+1,+1,-1,+1,+1,-1,-1,-1,+1};设参考码为+1,对32 bit码序列进行差分编码后得到33 bit码序列,对应于bk={+1,+1,+1,+1,+1,-1,+1,+1,+1,-1,-1,+1,-1,-1,+1,-1,+1,-1,+1,+1,-1,-1,+1,+1,+1,+1,-1,-1,-1,+1,-1,+1,+1};进一步,采用正交调制方法生成MSK信号[6]。

加噪的MSK信号与频率相干解调中两个支路的本地相干载波相乘后对应的时域波形如图4、图5所示;两个支路中低通滤波器的输出如图6、图7所示;两个支路依次完成抽样判决、并/串转换后输出差分码bk,对应的时域波形如图8所示;最后经过差分译码后得到信息码ak,对应的时域波形如图9所示。

为了进一步验证MSK信号频率相干解调方法的时效性,分别在不同信噪比条件下对频率相干解调方法进了仿真测试,测试结果如图10所示。测试结果表明,当信噪比大于-15 dB时,误码率为零;当信噪比小于-15 dB时,误码率和信噪比之间存在线性关系,即信噪比越大误码率越小。

3 结论

文中对数据链中MSK信号的频率相干解调方法做了深入研究,并对其实现过程进行了可行性分析,最后采用频率相干解调方法在中频对一跳驻留时间的MSK信号解调过程和抗噪声性能进行了仿真分析。仿真结果表明,频率相干解调方法可实现对MSK信号的成功解调,且当信噪比大于-15 dB时解调效果最佳。

参考文献:

[1] 吕娜. 数据链理论与系统 [M]. 北京: 电子工业出版社, 2011: 40-55.

[2] 孙继银, 付光远, 车晓春, 等. 战术数据链技术与系统 [M]. 北京: 国防工业出版社, 2007: 52-62.

[3] 胡敏. MSK数字化调制解调技术研究 [D]. 长沙: 中南大学, 2007: 13-18.

[4] 张幼明, 贾建祥. MSK信号的差分数字解调方法 [J]. 船舰电子工程, 2008, 28(11): 82-84.

[5] 黄嵩, 姚远程, 蔡晓丽. 中频数字接收机的MSK调制解调仿真 [J]. 通信技术, 2011, 44(1): 1-2.

[6] 周帆, 费顺超, 冯永新. 数据链中MSK信号正交调制方法研究 [J]. 火力与指挥控制, 2015, 40(7): 20-23.