连续相位调制（CPM）在战术无线通信中的应用研究

王健

【摘要】    战术无线通信环境通常具有复杂多变及非视距的特征。连续相位调制由于其恒包络和带外能能量衰减快的特征，极大的提升了功放效率及频带利用率，在战术无线通信中获得了广泛的应用。本文分析了连续相位调制的技术特点，给出了在战术通信的典型应用，并展望了未来的应用前景。

【关键词】    连续相位调制    战术通信    恒包络

引言：

战术无线通信是战场指挥末端的一种通信方式，其所处的环境复杂多变，用于无线通信的设备形态多种多样，因此带宽效率和功率利用率是保证无线通信质量的重要指标[1][2]。

连续相位调制作为一种非线性调制体制，具有包络恒定、相位连续的的特点。与同属于非线性的的PSK调制不同，连续相位调制信号在调制符号跳变时刻信号相位是连续的，其频谱更加紧凑，频谱旁瓣衰减更快，从而频谱利用率获得了提高。连续相位调制的频谱旁瓣幅度较小，主瓣集中了调制信号的绝大部分功率，所以相比PSK调制其功率利用率也得到了提高。

连续相位调制信号为恒包络调制，对功率放大器的非线性特性不敏感，因此可以使用C类放大器获得更高的功率输出效率。连续相位调制的这些优良特征正是战术无线通信迫切需要的，因此连续相位调制技术在战术无线通信中得到广泛应用[3]。

一、连续相位调制技术原理

连续相位调制是典型的恒包络调制技术，是一类调制技术的总称。CPM调制信号的波形通常表示为以下形式：

其中，fc表示调制信号的载波频率，表示调制信号的初始相位，表示以为自变量的调制信号的随机相位，定义如下式所示：

其中，{Ik}表示进制为M的调制符号序列，取值范围为Ik∈{±1，±3，...，±（M-1）}，{hk}表示调制指数，T表示调制符号周期，q（t）是脉冲成型函数为g（t）的积分响应波形，q（t）的表达式如下所示：

q（t）为连续函数，因此调制信号的相位也是连续的。g（t）函数常用的脉冲形状定义如下：

连续相位调制具有较高的频谱利用率，其功率谱密度表达式[4]如下所示：

由上式可以看出，连续相位调制的功率谱密度与调制指数h，记忆长度L相关，不同调制指数和记忆长度的连续调制信号功率谱密度如下图1所示。

二、战术通信中的应用现状

2.1战术数据链

战术数据链是指按照预先约定的消息格式和通信协议进行信息传输的链路。数据链作为一种典型的战术无线通信系统，采用先进的数据调制解调技术、信道前向纠错编解码码技术、网络通信技术和信息融合技术，并且采用比特通信的方式应用于地空、空空及地地之间的武器平台进行实时格式化信息的传输[5]。

战术数据链诞生于20世纪50年代，20世纪80年代为战术数据链发展的早期阶段，此阶段的战术数据链功能单一，主要进行点对点传输;传输速率慢，速率只有几kb/s，具有代表性为美军的Link4和Link11。本世纪前后10年为战术数据链的快速发展期，战术数据链从单一的点对点传输发展到组网阶段，其数据传输速率也有了较大提升，达到了几十上百kb/s，该时期具备代表性的战术数据链为Link16和Link22。近几年为战术数据链系统发展的第三阶段，目标定位于协助武器平台实现实时高效的打击，本阶段的典型代表为战术目标瞄准网络技术（TTNT），TTNT的数据传输速率为数Mb/s，同时采用了具有更强纠错能力的Turbo编码及更为灵活的IP协议。

战术数据链调制技术的发展如图2所示，早期的Link4中采用FSK调制，Link11采用数字QPSK及模拟FM/SSB;战术数据链发展中期的Link16采用MSK 调制，Link22的主要调制方式为QPSK和8PSK调制;新一代数据链TTNT的主要调制方式为GMSK调制，美军最新的靶场遥测系统（IRIG）106标准采用的调制方式主要包括SOQPSK、FQPSK、ARTM CPM以及PCM/FM，即使是PSK调制也做了连续相位的处理。从上述各个时期的数据链调制信号的发展历程看出，物理层调制方式越来越倾向于具有高频谱效率和功放效率的连续相位调制。

2.2北约窄带波形

NATO于2007年发布了一组“Narrowband Waveform（NBWF）”技术需求。需求中调制和编码信号处理技术的进步提升了战术波形的吞吐量和覆盖范围，这些能力的增加催生了新一代战术无线通信网络。传统上VHF战术无线通信使用25kHz信道和16kbps未编码的FSK调制[5]，全向通信，无动态组网。新的技术草案提供20kbps-96kbps的数据吞吐量的全永久封装波形，设计目标为工作在VHF、UHF频段的战术通信设备提供低SNR、长距离网络通信。

窄带波形（NBWF）工作在VHF，每个连接的用户组占用25kHz带宽。由于VHF频段呈现出良好的传播物理特性和窄带宽，窄带波形提供最高达50公里的覆盖。

NBWF物理层是一个CPM调制的突发波形，在25kHz信道上提供带编码的20kbps、31.5kbps、64kbps及96kbps吞吐率，该数据速率是净荷，不包括导频影响。其调制方式为连续相位调制，接收机采用迭代解调和解码来提高性能。NBWF采用连续相位调制技术的接收性能比传统波形SNR高出5dB。

三、结束语

本文分析了连续相位调制的技术特点，阐明了其频谱效率高及功率利用率高的主要技术原因，并给出了在战术通信中的典型应用和发展历程，由于战术通信在整个军事行动的重要性和基础性，连续相位调制必将在未来的各种战术通信波形中得到更加广泛的应用。

参  考  文  献

[1] 趙静，李瑛，贺玉寅.2006.美军通信与指控装备体系结构的发展及对我们的启示[C]，2006，军事电子信息学术会议论文集.武汉：中国电子学会军事电子信息专业委员会，2006：813-817.

[2] 金红军.超短波远距离山区通信关键技术研究[J].通信技术，2012， 46（ 06） ： 22-25.

[3] 刘翠海，温东，姜波，李诠娜.无线电通信系统仿真及军事应用[M].北京：国防工业出版社. 2013：136-160.

[4] 邹胜福，陶建军，胡飞.连续相位调制（CPM）系统的参数选择研究[J]. 通信技术，2017，50（2）：224-231.

[5] 阎谨.美军战术互联网体系架构研究[J]. 通信技术，2011，44（09）：105-107.