無人機(jī)寬帶數(shù)據(jù)鏈中的高階調(diào)制技術(shù)研究

梁保衛(wèi)，王利平，涂海洋，鄭軼文

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.空裝駐石家莊地區(qū)軍事代表室，河北 石家莊 050081；3.南京林業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南京 210037)

0 引言

隨著航空技術(shù)以及軍事裝備的發(fā)展，無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)作為一種遠(yuǎn)程可操控的航空器，具有質(zhì)量輕、體積小和使用便捷等特性，在各個(gè)方面都發(fā)揮著非常重要的作用[1]。

無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)菍?shí)現(xiàn)地面控制系統(tǒng)與機(jī)載平臺(tái)實(shí)時(shí)、可靠與穩(wěn)定通信的重要手段，能夠傳遞地面遙控指令，遙測(cè)接收無人機(jī)飛行狀態(tài)和傳感器獲取的情報(bào)數(shù)據(jù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)機(jī)群內(nèi)部間的高效戰(zhàn)術(shù)協(xié)同[2-3]。

隨著無人機(jī)偵察信息技術(shù)的飛速發(fā)展[4]，無人機(jī)平臺(tái)搭載的傳感器種類和數(shù)量不斷增多，所獲取的圖像視頻等信息數(shù)據(jù)龐大，同時(shí)偵察信息需要及時(shí)傳回地面進(jìn)行處理。因此，無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)需要不斷提高寬帶傳輸能力，以滿足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸需求。

由于功率資源、頻譜資源的限制，傳統(tǒng)的無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)都采用BPSK，QPSK等恒包絡(luò)調(diào)制信號(hào)[5]，但隨著無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)容量的不斷提高，帶寬資源趨于緊張，為了進(jìn)一步提高頻帶效率，在信號(hào)傳輸中需采用高階調(diào)制技術(shù)。

本文首先針對(duì)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)特點(diǎn)，分析了適用于無人機(jī)寬帶數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的高階調(diào)制體制，然后研究了該高階調(diào)制體制接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，提出了一種適用于無人機(jī)寬帶數(shù)據(jù)鏈高階調(diào)制體制的定時(shí)、載波同步方案。最后，基于Matlab平臺(tái)對(duì)定時(shí)、載波同步方案進(jìn)行了性能仿真，驗(yàn)證了所提方案的有效性。

1 高階調(diào)制技術(shù)體制選擇

無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)具有典型的功率受限性，要求所用調(diào)制方式的包絡(luò)恒定或起伏很小，因此無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)常采用相移鍵控(PSK)調(diào)制[6]。隨著無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈信息傳輸速率的不斷提高，頻譜資源趨于緊張，使用代價(jià)也越來越昂貴。為了提高頻帶效率，在信號(hào)傳輸中可以采用幅度與相位結(jié)合的高階調(diào)制技術(shù)。

傳統(tǒng)的矩形QAM調(diào)制，其調(diào)制信號(hào)包絡(luò)起伏大，峰均比較高，所以其功率效率不高，且存在對(duì)非線性失真敏感的問題，而星座形狀呈圓形的APSK調(diào)制，其幅值數(shù)量較QAM調(diào)制少，抗飽和非線性失真的能力更強(qiáng)[7]，具有更小的峰均比，如當(dāng)滾降因子為0.5時(shí)，16APSK的峰均比約為3.99 dB，16QAM的峰均比約為5.30 dB；64APSK的峰均比約為4.78 dB，64QAM的峰均比約為6.07 dB。若從此角度考慮，MAPSK無疑是無人機(jī)寬帶數(shù)據(jù)鏈高階調(diào)制體制方案的首選。

16APSK，32APSK和64APSK的DVB-S2建議星座圖[8]如圖1所示。

(a)16APSK

2 高階調(diào)制接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 定時(shí)同步技術(shù)

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，為了恢復(fù)發(fā)送信息，需要在接收端用與發(fā)送端相同的時(shí)鐘對(duì)匹配濾波器的輸出進(jìn)行周期采樣。在接收機(jī)中，發(fā)送機(jī)到接收機(jī)的傳播延時(shí)一般是未知的，因此參考時(shí)鐘的差別或漂移將產(chǎn)生嚴(yán)重的誤碼。為了對(duì)解調(diào)器輸出同步抽樣，必須從接收信號(hào)中導(dǎo)出符號(hào)定時(shí)，稱為符號(hào)同步或定時(shí)同步[9]。

傳統(tǒng)閉環(huán)定時(shí)同步信號(hào)處理流程如圖2所示。其中，定時(shí)誤差檢測(cè)算法采用的是Gardner算法[10-11]，該算法是Gardner針對(duì)BPSK/QPSK解調(diào)于1986年提出的一種定時(shí)誤差估計(jì)方法，其定時(shí)誤差估計(jì)如下：

圖2 傳統(tǒng)閉環(huán)定時(shí)同步信號(hào)處理流程

(1)

該估計(jì)方法并不能直接用于APSK這種幅相聯(lián)合調(diào)制信號(hào)，需稍加修改：

[xI(k)-xI(k-1)]+

[xQ(k)-xQ(k-1)]。

(2)

根據(jù)式(2)進(jìn)行APSK的多電平信號(hào)定時(shí)誤差檢測(cè)，并不能準(zhǔn)確地提取瞬時(shí)定時(shí)誤差，這些錯(cuò)誤的定時(shí)誤差平均值為0，會(huì)引起NCO時(shí)鐘抖動(dòng)[12]，導(dǎo)致閉環(huán)性能不穩(wěn)定，甚至無法收斂。

此外，圖2所示的閉環(huán)定時(shí)同步結(jié)構(gòu)存在收斂速度慢、不利于高速并行實(shí)現(xiàn)等問題。

針對(duì)以上問題，提出了一種4路并行開環(huán)定時(shí)同步方案，其信號(hào)處理流程如圖3所示。

圖3 4路并行開環(huán)定時(shí)同步信號(hào)處理流程

處理步驟如下：

(1)數(shù)據(jù)緩沖器

數(shù)據(jù)緩沖器用于補(bǔ)償定時(shí)誤差估計(jì)的計(jì)算時(shí)延，利用移位寄存器實(shí)現(xiàn)。

(2)定時(shí)誤差估計(jì)

定時(shí)誤差估計(jì)采用O&M算法[13-14]，其是由Oerder.M和Myer.H提出的一種數(shù)字濾波平方算法，大致可以描述為：

設(shè)接收到的基帶信號(hào)為rk，按實(shí)部虛部表示為：

rk=Ik+jQk，

(3)

包絡(luò)平方序列xk可以表示為：

(4)

將xk按每L個(gè)符號(hào)周期分為一段，則通過DFT變換可得到第m段數(shù)據(jù)頻譜上的符號(hào)速率譜線的譜分量為：

(5)

則此譜分量的歸一化相角就是定時(shí)誤差的無偏估計(jì)，即：

(6)

根據(jù)定時(shí)誤差估計(jì)結(jié)果可以計(jì)算出插值輸出位置mk以及插值相對(duì)位置μk：

(7)

(8)

本文中N=4，滿足采樣不混疊的要求，L=1 024，滿足估計(jì)精度10-5的要求。在此參數(shù)條件下，4路并行定時(shí)誤差估計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 4路并行開環(huán)定時(shí)同步實(shí)現(xiàn)框圖

(3)并行內(nèi)插

內(nèi)插濾波器主要實(shí)現(xiàn)定時(shí)誤差校正功能。常用的內(nèi)插函數(shù)有簡(jiǎn)單的線性內(nèi)插函數(shù)、拉格朗日高階多項(xiàng)式內(nèi)插函數(shù)等。線性內(nèi)插只需2個(gè)樣值點(diǎn)參加運(yùn)算，而拉格朗日高階多項(xiàng)式內(nèi)插，則需要多個(gè)樣值點(diǎn)參加運(yùn)算。當(dāng)誤碼率為10-6時(shí)，拉格朗日內(nèi)插器性能要優(yōu)于線性內(nèi)插器0.05 dB[15]，該指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)性能的影響很小，所以本文選擇線性內(nèi)插器，同時(shí)，可以進(jìn)一步降低算法工程實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。

線性內(nèi)插計(jì)算式為：

r=(1-μk)r0+μkr1。

(9)

在并行插值輸出時(shí)，有2種特殊情況需要考慮：

① 當(dāng)解調(diào)器采樣周期大于碼元周期時(shí)，在mk由0向3過渡時(shí)會(huì)有2個(gè)插值輸出；

② 當(dāng)解調(diào)器采樣周期小于碼元周期時(shí)，在mk由3向0過渡時(shí)沒有插值輸出。

針對(duì)這2種特殊情況，本模塊輸出包含2路數(shù)據(jù)使能和2路數(shù)據(jù)。

(4)使能數(shù)據(jù)合并

本模塊主要通過FIFO實(shí)現(xiàn)2路數(shù)據(jù)使能，2路數(shù)據(jù)向1路數(shù)據(jù)使能、1路數(shù)據(jù)的合并，以便于后續(xù)的信號(hào)處理。

本文所述定時(shí)同步方案，適用高階MAPSK調(diào)制體制，此外，相比傳統(tǒng)方案，采用并行、開環(huán)數(shù)據(jù)處理，收斂速度快，系統(tǒng)時(shí)延小，適合于高速數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 載波同步技術(shù)

數(shù)字通信系統(tǒng)中，MAPSK信號(hào)一般采用相干解調(diào)以獲得更好的誤碼性能。相干解調(diào)要求在接收端恢復(fù)與發(fā)送端同頻同相的相干載波，否則會(huì)使系統(tǒng)性能下降，惡化誤碼性能，甚至無法通信[16]。使收發(fā)端載波完全同頻同相的過程稱為載波同步[17]。

文獻(xiàn)[18]提出了一種基于精簡(jiǎn)星座鑒相的大頻偏APSK信號(hào)載波同步方法，該方法的本質(zhì)是對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行N次方運(yùn)算(16APSK：N=3；32APSK：N=4；64APSK：N=7；)，將其變成QPSK信號(hào)，再利用經(jīng)典的COSTAS環(huán)完成載波同步。該方法存在2點(diǎn)不足：

①N次方運(yùn)算：放大了接收噪聲，使鑒相結(jié)果的有效性變差；

②N次方運(yùn)算：硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、運(yùn)算延時(shí)大，同時(shí)需要大量的乘法器資源，不利于工程應(yīng)用。

文獻(xiàn)[19]提出了一種鑒頻鑒相算法(PFD)，該算法在低階APSK信號(hào)上效果非常好，但是隨著APSK調(diào)制階數(shù)的提高，矩形窗口越來越小，鑒頻作用變?nèi)酰阅苡兴陆怠?/p>

為了增大頻偏捕獲范圍，提高載波相位跟蹤精度，本文提出一種載波同步方案，其信號(hào)處理流程如圖5所示。

圖5 載波同步信號(hào)處理流程

載波同步方案包含載波頻率同步與載波相位同步2部分。載波頻率同步主要完成載波頻偏的捕獲與補(bǔ)償；載波相位同步主要完成載波相位的捕獲、補(bǔ)償和跟蹤。

(1)載波頻率估計(jì)

本文的信道幀結(jié)構(gòu)中包含2段相鄰的PN序列，將其進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算，可以得到相鄰2段PN序列之間的相位差，而相位差為載波頻偏的時(shí)間累積量，通過運(yùn)算可以得到載波頻偏估計(jì)：

(10)

式中，x為接收到的PN序列；N為PN序列周期。

由于反正切函數(shù)的范圍為(-π，π)，所以頻偏的估計(jì)范圍為(-1/(2TsN)，1/(2TsN))，其中Ts是符號(hào)速率。本文中N=32，Ts=200 Ms/s，所以可捕獲最大頻偏為3.125 MHz。

(2)載波相位估計(jì)與跟蹤

由于APSK星座由多個(gè)圓構(gòu)成，可以看作多個(gè)MPSK調(diào)制星座的組合，其鑒相值為[20]：

(11)

式中，yk為載波相位補(bǔ)償模塊輸出；M為各圓星座點(diǎn)數(shù)的最小公倍數(shù)。

式(11)中的M次方非線性運(yùn)算不僅增強(qiáng)了噪聲的影響，同時(shí)計(jì)算法復(fù)雜度高，不適用于工程實(shí)現(xiàn)。為了方便工程實(shí)現(xiàn)，本文鑒相值為：

(12)

環(huán)路濾波采用經(jīng)典的2階數(shù)字環(huán)路濾波，其中環(huán)路帶寬為50 kHz，系統(tǒng)時(shí)鐘為200 MHz。

本文提出的載波同步方案既可以滿足大頻偏捕獲范圍，又可保證載波相位的跟蹤精度。

2.3 仿真分析

為了驗(yàn)證所提方案的可行性，本文在AWGN信道下對(duì)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)施方案進(jìn)行了仿真，其中定時(shí)偏差為2%的符號(hào)速率，載波偏差為2.4 MHz，解調(diào)星座圖如圖6～圖8所示。其中，對(duì)于16APSK，Eb/N0=15，BER≈1×10-6；對(duì)于32APSK，Eb/N0=18，BER≈1×10-6；對(duì)于64APSK，Eb/N0=19，BER≈1×10-6。

(a)定時(shí)同步前

(a)定時(shí)同步前

(a)定時(shí)同步前

由仿真結(jié)果可見，即使系統(tǒng)存在定時(shí)偏差、載波偏差時(shí)，采用前文所述的定時(shí)同步方案和載波同步方案，系統(tǒng)解調(diào)性能與理論值基本接近，驗(yàn)證了所提方案的可行性和有效性。

3 結(jié)束語(yǔ)

信息技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的傳輸能力要求越來越高，綜合考慮無人機(jī)平臺(tái)功率受限、體積受限和帶寬受限等特點(diǎn)，本文進(jìn)行了高階調(diào)制技術(shù)在無人機(jī)寬帶數(shù)據(jù)鏈中的應(yīng)用研究，從功率利用角度出發(fā)，MAPSK調(diào)制體制具有明顯優(yōu)勢(shì)，是一種適用于無人機(jī)寬帶數(shù)據(jù)鏈的高階調(diào)制體制。針對(duì)MAPSK調(diào)制體制特點(diǎn)，提出了一種適用于該體制的高速并行定時(shí)、載波同步方案，并對(duì)方案進(jìn)行了Matlab仿真驗(yàn)證。隨著未來無人機(jī)寬帶數(shù)據(jù)鏈的快速發(fā)展，研究成果具有一定的參考、借鑒意義。