遥测应用MSD+TPC 技术时中频带宽的选取方法

2020-09-17曾铖璐尹利博

遥测遥控 2020年3期

曾铖璐，王威，尹利博

（中国酒泉卫星发射中心酒泉 736200）

引言

导弹飞行试验任务对遥测系统的需求越来越高，为了获得更加详细的试验数据，数据传输速率也越来越高。近年来，一般任务的最大遥测码速率已经由2Mbps 增加到10Mbps。为了提高信道增益且不增加地面天线口径和发射功率，设计人员使用了一种性能增强技术，即将多符号检测MSD（Multi Symbol Detection）与Turbo 乘积码TPC（Turbo Product Code）技术相结合用于脉冲编码调制-调频（PCM-FM）遥测体制，从而大规模地节约成本，提升系统性能。但是，使用MSD+TPC 技术会引起遥测信号占用的中频带宽增加，容易被其他信号干扰。因此，在保证传输质量的前提下，合理选择遥测系统的中频带宽参数是十分关键的。

1 多符号检测与Turbo 乘积码技术

1.1 简介

MSD 技术最初是为检测连续相位频移键控体制（CPM）信号提出的，特别适合MSK 体制和PCM-FM 体制，一般采用最大似然序列检测算法。检测过程是通过相位网格图搜索最小欧氏距离所对应的路径，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，而是要持续观察后续3～5 个码元后，再对这一码元判决，从而减少码元判决错误，提高接收机解调性能。

TPC 的编码方法是把信息码元排成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C2；然后再按列编码，每列编成n1×k1 的系统线性分组码C1，从而构成(n,k)=(n1,k1)×(n2,k2)的乘积码。为了便于实现，常采用相同的C1、C2 的扩展汉明码[1]。

1.2 在PCM-FM 遥测系统中应用MSD+TPC 技术

MSD 技术采用非相干最大似然序列检测算法，使PCM-FM 体制获得了与相干PSK 体制相当的解调性能的同时保留了PCM-FM 体制的优点，从根本上克服了门限效应，为高效信道编译码方式提供了前提条件和技术保障。TPC 技术是一种新型的编译码方法，不仅能获取显著的信道增益，且译码延时相对较小。在PCM-FM 体制中采用这两项技术，理论上比原系统可获得约9dB 的信道增益，其中采用MSD 技术可以获得约3dB 的增益，采用TPC 编译码技术可获得约6dB 的增益[2]。MSD+TPC 技术在遥测接收设备PCM-FM 体制中的应用如图1 所示。

图1 MSD+TPC 技术的应用Fig.1 application of MSD and TPC technology

2 理论分析

2.1 PCM-FM 遥测信号的中频带宽选取方法

PCM-FM 遥测信号的调制指数一般为0.7，根据遥测码速率设置基带接收机中频带宽，经验公式为

对于PCM-FM 体制，经过0.7Rb带宽滤波后，信号能量大多会集中在Rb～1.2Rb的带宽内[3]。实际应用中，由于会出现目标高速运动引起的多普勒频移、发射机和接收设备的零漂以及滤波器的非线性滤波等情况，因此，实际选取的中频带宽要大于理想值。

根据Carson 法则中频带宽有以下表达方式：

其中，Δf为调制频偏。一般情况下，当Δf为0.35Rb，预调滤波器截止fm为0.5Rb，则Bd为1.7Rb。这种方法计算的结果与经验公式一致。

2.2 应用MSD+TPC 技术时的带宽计算

目前，PCM-FM 遥测体制普遍采用调制指数h为0.7 的二进制连续相位频移键控（CPFSK）的调制技术，其信号波形表示为

式中，E为符号能量；T为码元周期；fe为载波频率；ak为二进制码元序列，akϵ{±1}；q(t)为矩形脉冲响应函数，可表示为[4]

当CPFSK 信号采用MSD 解调时，通过对若干周期内接收信号的路径进行联合计算来实现检测，假设发射信号为s(t)，接收信道存在加性高斯噪声信道，n(t)为加性高斯噪声，则接收机输入端的接收信号可表示为

根据最大似然准则，收到信号r(t)的似然概率为

式中，F为一个与s(t)独立的常量；N0为噪声功率，N为观测符号数，间隔内信号r(t)与s(t)的欧氏距离度量。因此，最大化似然率p(r(t)|s(t))即为最小化r(t)与s(t)的欧氏距离。MSD 解调就是寻找与r(t)具有最小欧氏距离路径的s(t)，将其对应的码元序列作为解调结果输出。

TPC 对具有一定帧格式的遥测数据进行编码，形成相互独立的编码块，经过TPC 译码，剥离校验数据后恢复原始的遥测数据，对遥测数据的帧格式、字长和码型都没有特殊的要求。由于每个译码块是相互独立的，比卷积码具有更好的防止误码扩散能力，这对于数据的保护有重要意义。同其它所有的编译码方式一样，TPC 编译码也会引入额外的带宽。

PCM-FM 体制10Mbps 码速率下两种方式的实测中频信号频谱如图2 所示，可以看出，未应用MSD+TPC 技术时占用带宽约为14MHz，而应用MSD+TPC 技术时占用带宽约为17.5MHz，带宽增加约25%。另外，在2Mbps 码速率下也进行了测试，未应用MSD+TPC 技术时带宽约为3.3MHz，而应用MSD+TPC 技术时占用带宽约为4.1MHz，带宽增加约25%。通过多个码速率下的带宽测试，可得出两种方式的实测带宽比有以下表达方式：

图2 PCM-FM 体制10Mbps 码速率的实测信号频谱Fig.2 The spectrum characteristic of PCM-FM 10Mbps code rate telemetry signal

3 测试结果和比较

对PCM-FM 信号用传统鉴频解调，中频带宽决定的带内信号的信噪比是影响解调误码率性能的重要因素。由于接收到的信号中含有噪声，信号首先通过带通滤波器滤除信号带宽外的噪声信号，然后对调频波进行微分处理，所以，需要根据码速率合理设置中频带宽。根据遥测设备接收中频带宽设置的情况总结得出，目前2Mbps～10Mbps 码速率一般常用以下几档：3.3MHz、4MHz、6MHz、10MHz、15MHz、20MHz、24MHz。用遥测设备的射频有线闭环链路，在调频遥测基带分别应用和未应用MSD+TPC 技术，通过3种不同的码速率在各自门限附近的载噪比(S/Φ)下，设置不同的中频带宽，解调误码率测试结果示于图3。

通过测试可以得出：

①未应用MSD+TPC 的传统非相干鉴频解调方式的解调性能对中频带宽的设置相当敏感。当中频带宽设置太宽时，引入的噪声较大，使鉴频器输入信噪比恶化，引起解调误码性能下降；当中频带宽设置太窄时，信号能量损失较大，也会导致系统解调性能的急剧损失。

②应用MSD+TPC 技术时，解调误码率仅与带内信号能量有关，当中频带宽取到大于一定值后，解调误码性能很接近，略有增大但保持在相同数量级上；中频带宽小于一定值时，信号能量急剧减小，导致误码率明显恶化。理论上，在无中频带宽限制时，应用MSD+TPC 技术的接收机具有最好的解调误码性能，但在实际应用中，由于有对带外干扰信号的抑制要求，也要设置一定的中频带宽。

③通过两图对比可以看出，误码率相当时，相对于传统频解调方式，应用MSD+TPC 技术后载噪比需求降低6dB，说明MSD+TPC 技术可以在实际应用过程中获得约6dB 的信道增益。

图3 3 种码速率在各中频带宽下的实测误码率Fig.3 The bit error rate of 3 code rates in different intermediate frequency bandwidth

通过测试结果比较，应用MSD+TPC 技术时，可以获取6dB 的信道增益，但所需要的中频带宽会变大。通过理论计算，中频带宽为1.7Rb×125%≈2 倍，而实际滤波器带宽可选只有固定的几档，实测中，中频带宽约为2 倍码速率时基带具有最佳的解调性能，与理论推论一致。所以，在实际应用MSD+TPC 技术时，推荐中频带宽为2 倍码速率。