窄帶短波數據通信調制解調器性能測試

金慧琴，王正磊，宋斌斌

（海軍航空工程學院電子信息工程系，山東煙臺264001）

調制解調器是實現短波數據通信的關鍵，對接收信號進行數據處理的相關算法均在短波調制解調器中實現，調制解調器的設計直接影響短波數據通信的性能。在詳細介紹該調制解調器的軟硬件設計之前，首先簡單介紹窄帶短波數據通信協議中的數據發送格式和性能要求，為后續短波調制解調器的實現和性能測試打下基礎。

1 窄帶短波數據通信協議

參照美軍標MIL-STD-188-110B，在語音頻段范圍內工作的短波調制解調器的用戶數據率主要有75、150、300、600、1 200、2 400和4 800 bps[1]。任何用戶數據率情況下，碼符號速率均為2 400 Baud。短波基帶數據發送流程如圖1所示。

圖1 發送信號流程

在窄帶短波數據通信中，發送的數據包括同步序列、用戶數據和訓練序列，根據不同的時隙分配，選擇性的發送相應數據[2]。當用戶啟動數據發送時，先發送同步序列，然后用戶數據和訓練序列交替發送。

1.1 數據發送格式

1）同步序列

每次啟動數據發送時，先發送同步序列。對于所有的用戶數據率，同步序列都是相同的。同步數據段包括 15個八進制數據0、1、3、0、1、3、1、2、0、Dl、D2、C1、C2、C3、0。D1和D2組合表示選擇的用戶數據率和交織長度，C1、C2和C3組合代表同步數據段的發送次數計數[3]。獲得 D1、D2和 C1、C2、C3的具體數值后，每個八進制的同步碼符號映射為32個八進制的信道碼符號。

2）訓練序列

訓練序列與用戶數據的長度比例與用戶數據率有關：用戶數據率為4 800、2 400 bps時，訓練序列和用戶數據分別為16、32個碼符號；用戶數據率為1 200、600、300、150 bps時，訓練序列和用戶數據都為20個碼符號；當用戶數據率為75 bps時，不發送訓練序列，采取其它方式確保通信的可靠性[4]。這里指的訓練序列和用戶數據都是八進制數據。

3）用戶數據

信源輸出二進制數據到編碼器，編碼器對輸入的二進制數據進行前向糾錯編碼。糾錯編碼采用約束長度為7、編碼效率為1/2的卷積編碼方式，對于不同的用戶數據率，編碼效率是隨之變化的，糾錯編碼的編碼效率為1/2，通過重復編碼比特可以獲得更低的編碼效率。

經過編碼后的編碼比特送到塊交織器進行交織處理，有長交織、短交織和無交織3種方式[5]，交織矩陣的大小取決于交織器的長度和用戶數據率。為減小相鄰碼符號誤判時對相應的數據比特的影響，數據交織完成后將比特流轉換成八進制數據，進行修正格雷編碼[6]。用戶數據經過修正格雷編碼后，還要經過符號映射，形成發送符號。通過不同的符號映射方式，可確保插入訓練序列后，碼符號速率恒為2 400 Baud。符號映射的作用就是將修正格雷編碼后的用戶數據的1、2或者3個編碼比特轉化成3個比特構成的組合，以便于后續進行八進制調制[7]。

為了防止發送數據形成特定的頻譜結構對其它頻段的通信造成干擾，需要對同步序列、訓練序列和用戶數據加擾[8]。采用固定的擾碼序列對同步序列進行加擾處理。對訓練序列和用戶數據加擾時采用的八進制擾碼序列由12位的移位寄存器生成。擾碼序列與發送數據進行模8運算，生成加擾數據。數據加擾后，對加擾的數據進行8PSK調制，生成復基帶數據。對8PSK調制后的復基帶數據進行上采樣，然后進行脈沖成型濾波，在復數域與1 800 Hz子載波相乘并取其實部，即實現了載波調制，生成頻率在300～3 300 Hz范圍內的音頻信息，完成數據信息的音頻調制。

1.2 性能要求

將數據發送前各階段數據的處理參數匯總如表1所示。

表1 短波調制解調器參數設置匯總

不同信道條件、不同用戶數據率情況下，系統的最低性能如表2所示。

表2 短波調制解調器要求達到的性能指標

2 窄帶短波調制解調器設計

調制解調器是實現短波數據通信的關鍵，它完成信息的調制與解調功能。對信號進行調制時，對輸入的數據信息進行信號處理后，輸出音頻信號范圍內的模擬信號，經短波電臺音頻通道加載到電臺進行二次調制、功率放大和發射[9]；對信號進行解調時，將從短波電臺接收的音頻信號，進行數據處理后輸出數據信息。

2.1 窄帶短波調制解調器的硬件設計

短波通信時進行數據處理的大量算法，如編譯碼、信道估計與跟蹤、均衡、頻偏校正、載波跟蹤與恢復、子載波調制與解調等算法，均在短波調制解調器中實現，由DSP芯片完成。機載短波通信系統選用的是TMS320C6727 DSP芯片，由于本文還要實現DDE-Turbo均衡，計算量較大，所以用TMS320C6727 DSP芯片替換原來選用的TMS320-VC33芯片完成信號處理的相關算法[10]。TMS320C6727是一款專門用于音頻信號處理的高速浮點DSP，其高達300MHz的頻率再加上32位的浮點處理能力，使得它可以輕松運行各種復雜的高頻處理算法，滿足系統實時性的要求[11]。

2.2 窄帶短波調制解調器的軟件設計

短波調制解調器接收數據終端送來的數據，按照數據發送格式，對用戶數據依次完成編碼、交織、修正格雷編碼、同步與訓練序列加入、加擾、8PSK符號映射、上采樣、脈沖成型濾波、1 800 Hz子載波調制后，取信號的實部，送到D/A電路，并經放大和隔離后輸出到短波電臺音頻通道，發送流程如圖1所示。

短波調制解調器的接收通道接收來自短波電臺的音頻信號，調制解調器對接收信號進行隔離、模擬信號增益控制后，由A/D電路轉換成數字信號進行處理。DSP處理器首先對接收信號進行AGC控制，根據在采樣時間段內的功率變化特性，調整A/D前端放大電路的增益，實現對接收信號的AGC處理；然后對接收信號進行Hilbert變換，將接收信號變換到復數域，對子載波進行相干解調，從而將接收的實信號變換到復基帶域[12]。在復基帶域，首先完成系統同步（包括初始同步、頻偏估計與校正、速率檢測、信道初始估值和定時同步幾個部分），同步完成后，對接收數據進行均衡和譯碼處理，估計用戶數據。采用VCC-DDE均衡算法的接收數據處理流程如圖2所示，采用DDE-Turbo均衡算法的接收數據處理流程如圖3所示[13]。

圖2 采用VCC-DDE均衡算法的接收數據處理流程

圖3 采用DDE-Turbo均衡算法的接收數據處理流程

3 窄帶短波調制解調器性能測試

采用VCC-DDE均衡算法的機載短波數據通信系統已經在機載短波通信系統中實現，由于條件所限，并沒有對采用DDE-Turbo均衡算法的短波調制解調器進行系統試驗，只對其進行實驗室性能測試，測試時只考慮了用戶數據率為2 400 bps時的短波數據通信情況，測試流程如圖4所示。

圖4 實驗室測試流程

根據前面給出的窄帶短波數據通信時的數據發送格式，在軟件環境中生成發送數據，然后模擬短波信道參數，通過多次迭代算法生成服從Watterson模型的信道衰落系數[14，15]，對發送數據分別加入多普勒擴展、多普勒頻移、多徑延遲和高斯白噪聲，獲得受干擾的接收數據，按照8 kHz采樣速率，存儲為wav音頻文件；利用計算機聲卡播放音頻信息，并通過音頻線接入到短波調制解調器，短波調制解調器對接收的音頻信息進行數據解調；解調后的數據通過調制解調器反饋到計算機，然后將發送數據與解調數據進行對比，測試其誤碼率[16]。在實驗室環境下分別測試VCC-DDE和DDE-Turbo均衡算法在短波信道下的性能。測試性能如表3所示。

表3 測試性能

通過表3可以看出，采用VCC-DDE算法的調制基于DDE-Turbo均衡算法的短波調制解調器，相對采用VCC-DDE算法的調制解調器，性能又有進一步的改進。調制解調模塊采用的是VCC-DDE算法，受時間和條件所限，并沒有對采用DDE-Turbo均衡算法的短波調制解調器進行系統試驗。但是由于VCC-DDE算法已經在機載短波通信系統中實現，性能良好，通過實驗室測試又證明了DDE-Turbo均衡算法相對于VCC-DDE算法的優越性，證明了DDETurbo均衡算法的有效性。

4 結束語

文中對窄帶短波調制解調器的設計進行了研究，調制解調模塊采用VCC-DDE算法和載波同步和DDE-Turbo均衡算法，由于條件所限，搭建了短波通信測試系統對其進行了實驗室測試。從測試結果可以看出，DDE-Turbo均衡算法相比VCC-DDE均衡算法性能有很大改進。雖然沒有對采用DDE-Turbo均衡算法的短波調制解調器進行系統試驗，通過實驗室測試結果即驗證了DDE-Turbo均衡算法的有效性。