短波多音并行信號全數字解調算法設計

王俊蕊，李艷斌

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

?

短波多音并行信號全數字解調算法設計

王俊蕊，李艷斌

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要針對短波多音并行信號解調算法的通用性和性能的不足，根據短波多音并行信號傳輸的特點，以16單音信號為例，設計了一種全數字解調算法。算法對采樣速率無特殊要求，保證無失真采樣即可。算法主要包括信號檢測、多普勒頻移測量、同步提取和FFT相位解調幾部分。仿真結果表明，在S/N>12 dB的情況下，算法的丟幀率和誤碼率滿足實用要求。算法實現簡單，適合在商用PC機用VC編程和全數字接收機中實現。

關鍵詞短波通信；多音并行信號；全數字解調；信號檢測；頻移校正；同步

0引言

短波通信[1，2]是唯一不受網絡樞鈕和有源中繼制約的遠程通信手段。短波信道是一個時變色散信道，路徑衰耗、時間延遲、多徑效應和電離層衰落等因素嚴重阻礙了短波信道中進行數字信息的傳輸。在短波通信中存在著信道衰落和碼間干擾。

短波信道使用的調制體制分為單音串行體制和多音并行體制。單音串行體制是將輸入數據用單一載波的不同分量(如頻率、相位等)進行調制。數據傳輸速率限制在100 bit/s以下；多音并行體制是用多個副載波在短波信道的有效帶寬內并行傳輸數據信息，數據傳輸速率可達到2 400 bit/s。

多音并行體制在克服多徑傳播、信道衰落、多普勒頻移和提高數據傳輸速率等方面具有突出的優勢。

本文以短波多音并行體制中常見的16音信號為例，對多音并行信號接收中的關鍵技術：信號檢測、多普勒頻移測量、同步提取和FFT相位解調進行深入研究，設計出一種不依賴于特定采樣速率的高性能全數字解調算法。

1短波多音并行信號傳輸

在短波通信中，當多徑時延與碼元周期處于同一量級時，碼間干擾變得嚴重起來[3]。因此，延長碼元周期，使碼間干擾只發生在碼元的前后沿，用一段保護時間確保解調器只工作在碼元無串擾的部分，可以有效改善數據傳輸質量。由于碼元周期的加長，導致傳輸數據速率下降，所以采用足夠數量的副載波來實現所需的數據傳輸速率。

短波多音并行信號常見的有16音、39音和51音。

16音信號規格如下[4]：

① 一個多普勒單音，605 Hz，單頻未調制，用于校正頻率偏差；

② 一個同步單音，2 915 Hz，在報頭幀用于信號同步；

③ 15個調相單音，從935～2 365 Hz，頻率間隔110 Hz，以及2 915 Hz，用于數據傳輸；

④ 每個數據音為時間差分四相移相鍵控(TDQPSK)調制；

⑤ 各個數據音初始相位不同；

⑥ 碼元長度為22.22 ms(速度45 Bd)和13.33 ms(速度75 Bd)2種；

⑦ 采用漢明編碼和加密等技術。

16音信號信息傳輸的幀格式[5]如圖1所示。其中信息幀中，根據工作方式的不同，包含或同時包含地址碼、終止碼和報文數據。

圖1　信息傳輸幀格式

2解調算法設計

依據軟件無線電理論和全數字接收機原理[6，7]，所謂全數字解調，是指解調器首先對接收的模擬信號采樣并數字化，其采樣時鐘振蕩于固定頻率，后續的解調處理全部用數字信號處理的方法且不再提供振蕩控制信號去反饋控制采樣器。

對于短波多音并行信號，一般應用于飛機、陸基和艦艇戰術數據系統之間實時交換戰術數據。由于目標的相對運動，所以在接收的信號中都會產生多普勒頻移。由于戰術數據信號都為分時傳輸，且傳輸時間很短。所以在相對運動速度較低且短時間內多普勒頻移近似認為固定不變，并且近似認為各數據音與多普勒單音的多普勒頻移相同。解調時，利用多普勒單音精確測量出多普勒頻移，以此測量值為基準糾正其他數據音的多普勒偏移。并對糾正后的數據音做頻譜分析，實現FFT相位解調。

FFT相位解調主要包括下面幾個部分：信號檢測、多普勒頻移校正、信號同步和FFT相位解調。解調原理框圖如圖2所示。

圖2　解調原理

2.1信號檢測

如前所述，多音并行信號為分時傳輸，解調時需要提取信號部分的數據。也就是說信號檢測是判斷接收信號是噪聲還是攜帶數據信息的信號的過程。所以信號的檢測應該包含對信號開始時刻的檢測和信號終止時刻的檢測。由于發報時多普勒音為單頻未調制，且幅度為其他數據音的2倍，因此適合用檢測能量的方法來檢測信號。

信號檢測方法1：在接收端用2個帶通濾波器，其中1個帶通濾波器中心頻率置于多普勒音，濾波器的輸出為多普勒音的信號能量；另外1個帶通濾波器置于多普勒音和同步音之間，其輸出能量僅為噪聲能量。利用信號濾波器和噪聲濾波器輸出能量的差異，進行信號檢測。為了減少噪聲起伏帶來的干擾，減少虛警和漏警，取N個樣點做平均。為提高檢測精度，以固定窗長進行小步進的滑動，用連續多次步進的測量結果進行綜合判斷。

信號檢測方法2：可采用頻譜分析的方法。通過對一段數據進行FFT運算，分別取多普勒頻率和噪聲頻率對應譜線的能量值，進行比較，從而進行信號檢測。

頻譜分析本身就是對信號進行窄帶濾波，所以這2種方法的本質是相同的，效果也大致相同。需要注意的是，不管采用哪種方法，都必須進行小步進滑動進行多次判斷，才能保證檢測的精度和準確度。

2.2多普勒頻移測量

多音并行體制中，各個副載波間的頻率間隔很窄，只有100 Hz左右，因此對由信道或由載機運動引起的多普勒頻移相當敏感。因此，這種體制的調制解調器在同步建立和數據解調前必須進行多普勒頻移校正，否則，將無法建立正確的同步和獲得比較好的解調性能。

傳統的FFT方法[8]，要提高頻率測量精度，需要增加數據長度。而實際系統中，尤其是數據帶有幀格式的系統中，其用于頻率測量的數據長度(通常指導頻)一般都較短，因此數據長度不能滿足要求。這里采用的相位差法，是傳統FFT方法的改進，它可以利用較短的數據而達到高精度頻率測量的目的。

相位差法測頻的基本思想如下：連續取一時域信號的2段采樣數據，用此2段數據做FFT，當所取數據的長度與所做FFT的點數相等且被測信號的頻率是整倍數的頻率分辨率時，前后2次FFT相同譜線位置的相位差應該為零。當被測信號的頻率不是整倍數的頻率分辨率時，利用前后2次FFT相同譜線位置的相位差對測量的頻率值進行修正。利用上述原理，可以達到高精度頻率測量的目的。

所謂的連續取數據包含2層含義：① 2次取數之間沒有間斷；② 2次取數之間有間斷，間斷的點數已知。

第①種情況時，所測得的頻率為：

式中，f為頻率測量值；Δf為頻率分辨率；Nmax為最大譜線位置；A為前后2段數據在最大譜線位置的相位差。

第②種情況時，所測得的頻率為：

式中，f為頻率測量值；Δf為頻率分辨率；Nmax為最大譜線位置；A為前后2段數據在最大譜線位置的相位差；K為2次取數間隔；N為所做FFT的點數；Fs為采樣率。

利用相位差測頻的前提是先粗略地知道頻率的大致范圍，以確定所取譜線的位置。這一條件的實現可利用FFT找最大譜線位置的方法。經仿真實驗，這種方法在所取FFT點數很少的情況下，即可達到很高的測頻精度。

2.3信號同步

數據通信中要實現正確解調的先決條件是在接收端建立正確的幀同步[9]。在對多普勒頻移進行估計后，對輸入信號進行多普勒頻移校正，對校正后的信號，首先將進行同步提取。同步提取包括前導碼期間同步的建立和數據段的同步跟蹤。針對不同格式的多音并行信號，有時只需要在前導碼期間建立同步即可，如16音信號，一次傳輸的時間很短，所以在前導碼期間建立了同步后在傳送信息時不會發生失步現象。

文獻[10]中，采用逐點滑動進行頻譜分析的方法來獲得前導碼期間的同步，采用縫隙值同步技術[11]實現數據段的同步跟蹤。

除上述方法外。利用同步音相鄰2幀之間有180°的相差，及發送端對碼元進行了成型濾波的特點，首先設計一窄帶濾波器，將同步音濾出，然后計算得到同步音的包絡，包絡曲線應該包含5個波峰和至少4個波底，波峰的位置即為碼元的中心點，波底的位置即為碼元同步點。利用這一原理，經過較少的運算量，即可獲得幀同步。

2.4FFT相位解調

在同步建立后,即碼元起始位置確定后，對一幀的時域信號Y(n)做快速付氏變換(FFT)，求出各個數據音的幅值和相位。

采用FFT，可以大大減少運算量，節省處理時間。由FFT計算出信號所有音的相位，取15個數據音的相位值，該信號采用TDQPSK調制，是以前后碼元相位變化來攜帶信息的。

ΔΦ(k)=Φi(k)-Φi-1(k)-2*pi*freal*n/Fs。

式中，k=int(freal/(Fs/N)+0.5)為各音真實頻率對應的譜線位置；freal為各音真實頻率，等于各音標稱頻率與測量得到的多普勒頻移之和，即freal=fbiaozhun+fduo；Φi(k)為第i幀第k音上的相位；Φi-1(k)為第i-1幀第k音上的相位。

判斷ΔΦ(k)所在像限，即可解調出相位信息。

ΔΦ(k)在第1像限，輸出10；ΔΦ(k)在第2像限，輸出00；ΔΦ(k)在第3像限，輸出01；ΔΦ(k)在第4像限，輸出11。

將每一幀的15個音的30 bit串起來,就得到原發送數據，完成相位解調。之后可以對數據進行解碼、還原信息等工作。

3算法實現及仿真結果分析

3.1算法實現

短波接收機對射頻信號進行邊帶解調后，實時輸出音頻數據。

如前所述，本文所述解調算法為全數字解調算法，且對采樣頻率無特殊要求，只要保證能對音頻信號進行無失真采樣即可。這里介紹一種最簡單的實時解調實現方案：利用計算機中的聲卡作為采樣器，用C語言對采樣數據進行實時處理。

選擇聲卡的采樣頻率為16 kHz，一次讀取采樣數據的點數為2 028點，這樣每幀中包含采樣點數為213點或352點，一包采樣數據中包含9.6幀數據或5.8幀數據。

信號檢測和信號同步時滑動窗長為128，步進為20。多普勒頻移測量時FFT的點數為256點。FFT相位解調時FFT點數為512點。

算法實現流程圖如圖3所示。實現流程同樣適合在全數字接收機[12]DSP中實現。

圖3　算法實現流程

3.2仿真結果分析

按照16音信號格式，以16 kHz的采樣速率產生16音調制信號，選擇資料[13]中規定的地址碼為基帶碼流，并加入多普勒頻移和高斯白噪聲。設置多普勒頻移為6 Hz，信噪比S/N為12 dB(3 kHz帶寬)。仿真結果如下：信號檢測誤差為8個采樣點，頻率測量精度為0.01 Hz，同步誤差為12個采樣點。在上述條件和估計精度下，連續觀察10 min，無丟幀和誤碼現象，能100%正確解調。

對估計精度的分析如下：

由于碼元長度為22.22 ms 或13.33 ms，相應的總間隔為18.18 ms或9.09 ms，所以允許信號處理誤差分別為1.91 ms或2.12 ms，對應的采樣點數為30個或34個采樣點。也就是說，信號檢測誤差和同步誤差之和只要小于30或34，就能正確建立同步。

對于測頻精度的衡量，可以這樣估算：假設一個時隙傳輸的最大幀數為100幀，按照22.22 ms幀長計算，當頻率誤差為0.1 Hz時，引起的相位誤差僅為2°，而QPSK允許的相位誤差為45°，所以不會影響相位判決。

如上所述，對誤差的理論分析結果與仿真結果一致。

4結束語

本文以16音信號的解調為例，介紹多音并行信號的解調過程，此方法適用于39音和51音等其他多音并行信號。

對于多音并行信號，采用FFT相位解調的方法。傳統的FFT相位解調對采樣頻率有著嚴格的要求。或要求一個碼元周期內為整數個采樣點(即采樣頻率是幀速率的整倍數)，或要求做FFT后，各單音的標稱頻率必須落在整數根譜線位置上。這樣，設計好的一種采樣速率只能適應一種多音格式中的一種速率的信號的解調。即只要標稱頻率集不同，調制速率不同，就必須要設計不同速率的采樣時鐘。此外，由于各部分算法處理精度高，使得在較低信噪比下，可獲得很好的解調性能。

本文設計的FFT相位解調方法，其最大特點是對采樣頻率沒有特殊要求，同一個固定速率的采樣便可實現不同頻率集和不同幀速率的多音信號的解調，是一種真正的全數字解調算法。

參考文獻

[1]王坦.短波通信系統[M].北京：電子工業出版社，2012.

[2]王金龍.短波數字通信研究與實踐[M].北京：科學出版社，2013.

[3]楊輝，李建民，閆向東.短波多音并行調制解調技術的研究[J].無線電通信技術，2000，26(1)：34-37.

[4]MIL-STD-188-110.DEPARTMENT OF DEFENSE INTERFACE STANDARD [S],1999.

[5]戴剛，董石磊，黃靜華，等.Link11基帶信號解調關鍵技術研究[C]//中國電子學會電子對抗分會，第十三屆通信對抗學術年會論文集，2010：160-165.

[6]楊小牛.軟件無線電技術與實現[M].北京：電子工業出版社，2004.

[7]張公禮.全數字接收機理論與技術[M].北京：科學出版社，2005.

[8]丁玉美，高西全.數字信號處理[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008.

[9]樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].北京：國防工業出版社，2008.

[10]袁杰.用頻譜分析方法實現多音并行HF MODEM[J].電訊技術，1998，38(3)：37-42.

[11]時國良，劉玉君.用DSP實現短波多音并行信號解調[J].信息工程大學學報，2000，1(3)：27-29.

[12]齊青茂，王巖建，張華沖.中頻采樣全數字接收機的設計與實現[J].無線電通信技術，2012，38(4)：77-80.

[13]陳國和.11號數據鏈路使用手冊[M].北京：中國船舶信息中心，2002.

王俊蕊女，(1974—)，高級工程師。主要研究方向：信號分析和數字解調、通信導航領域的檢測認證。

李艷斌男，(1966—)，研究員。主要研究方向：通信對抗、信號分析。

引用格式：王俊蕊,李艷斌.短波多音并行信號全數字解調算法設計[J].無線電工程,2016,46(1):76-79.

Design on All-digital Demodulation Algorithm for

HF Multitone Parallel Signal

WANG Jun-rui,LI Yan-bin

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractIn view of the universality and the performance of demodulation algorithm for HF multitone parallel signal,this paper designs an all-digital demodulation algorithm taking 16 tones as an example based on the characteristics of HF multitone parallel signal.The algorithm has no special requirements except for A/D conversion with no distortion.The algorithm consists of the following parts:signal detection,Doppler shift measurement,synchronous extraction and FFT phase demodulation.The simulation results show that the algorithm can meet the requirement of frame loss rate and bit error rate when S/N is greater than 12 dB.As the algorithm implementation is simple,the algorithm can be applied in commercial PC with VC language and all-digital receiver in real time.

Key wordsHF communication;multitone parallel signal;all-digital demodulation;signal detection;frequency shift correction;synchronization

作者簡介

收稿日期：2015-10-21

中圖分類號TN763

文獻標識碼A

文章編號1003-3106(2016)01-0076-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.01.19