一種基于協議的短波多音信號的解調方法

焦玉龍，陳 麗

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)

0 引 言

短波通信是最早出現且廣泛應用的無線通信方法，是遠距離通信的重要手段[1]。但是，短波信道復雜,不穩定，且存在多徑、衰落、多普勒頻移等諸多不利因素[2-3]。短波通信技術經歷了幾代的發展，多載波并行調制是降低多徑干擾的一種重要信號波形[4]。

CLOVER是多載波并行調制中一組調制波形的總稱，它專門用于高頻(HF)無線電通信系統中，其中CLOVER-2000是HAL公司開發的一款高速率、寬帶寬的CLOVER版本[5]，其設計旨在最大限度地提高信號的吞吐率。

1 數據傳輸格式分析

1.1 信號波形

CLOVER-2000信號波形采用8個單音脈沖，單音脈沖頻率間隔為250 Hz，每2 ms發送一次單音脈沖，8個單音脈沖每16 ms重復一次[5]。CLOVER-2000系統脈沖發送不按頻率大小順序進行，8個單音脈沖頻率參數見表1。

表1 波形參數

脈沖波形時序如圖1所示。

圖1 CLOVER-2000波形時序

1.2 數據調制

CLOVER-2000使用8個單音脈沖，每個單音脈沖的相位、幅度被調制或解調為離散窄帶數據信道。單音脈沖幀的時間間隔固定持續16 ms，因此CLOVER-2000信號的基本調制速度為62.5碼元/s。

CLOVER-2000不僅使用多單音來提高數據率，而且在每個單音上還可使用多電平差分相位調制，如在每個單音上使用4電平相位調制(QPSM)和8電平相位調制(8PSM)等，使網絡數據率最高可達1 500 bps。此外，還使用2種幅度調制方式：2電平幅度調制(2ASM)和4電平幅度調制(4ASM)。其中，4ASM和16電平相位調制(16PSM)一起使用能產生最快的調制速率，達到3 000 bps；2ASM和8PSM一起使用有效數據速率達到2 000 bps。CLOVER-2000調制方式如表2所示。

表2 CLOVER-2000調制方式

1.3 CLOVER-2000協議

CLOVER-2000信號數據采用前向糾錯(FEC)方式或自動重傳請求(ARQ)方式進行傳送。每種方式都有最佳波形參數集以供使用。

下面以ARQ方式為例進行說明。ARQ方式使用2層規約，基本層僅包含控制塊的傳送，所有鏈路維護操作在控制塊中實現。另一層是數據分塊層，采用較長的數據分塊和高速調制波形，以便加快數據傳送速率。ARQ方式的數據分塊層時間分配如圖2所示。

圖2 ARQ數據分塊層時間分配

在ARQ方式中，控制塊(CCB)塊使用波形格式為調制BPSM，分塊大小為17 byte，效率60%；CCB包含信息包括發送數據塊的波形參數、連接拆連請求等。CCB塊前包含參考周期，用于為CCB和數據塊提供頻率和相位參數；CCB塊后包含保護間隔和延遲補償，用于補償傳播和收發等延遲。

數據塊的數量可變，該參數可在CCB中解析。數據塊所用的調制波形不限，均為255 byte長的數據分塊，編碼效率根據ARQ方式可選60%、75%或90%。

2 CLOVER-2000信號解調原理

CLOVER-2000為多音調制信號，時間差分相移鍵控調制的多音調制原理如下，當有M個副載波時，信號的復數表示為：

(1)

時間差分相移調制是根據前后幀之間某一單音載波的相位變化承載信息，因此，第i幀中單音載波的相位θi=θi-1+Δθ，其中Δθ根據承載信息的不同而不同。

(2)

(3)

式中：Z(k)=Akejθk，Z(k)是z(n)的離散傅立葉變換。

根據抽樣定理可知，對z(t)進行采樣處理，采樣速率為fs，得到z(n)，對z(n)進行快速傅里葉變換(FFT)處理得到Z(k)，再進行處理即可得到所傳輸的信號數據。

3 基于協議的解調方法設計

CLOVER-2000協議信號由8個通道的單音脈沖組成，在采樣數據讀取后，先對各通道進行數字信道化、變頻和濾波，分別提取8路獨立的窄帶采樣信號，再進行后續的處理。后續處理過程主要分為CCB幀檢測、定時跟蹤、解調與bit拼接等處理、解調參數解析等，信號處理流程如圖3所示。

圖3 解調處理流程

3.1 CCB幀檢測

3.1.1 幀起始檢測

在短波偵察時，作為非合作方無法提前獲知信號起始時間等信息，因此要進行幀起始的檢測，一般采用時域或頻域檢測的方式獲得信號的精確起始位置。

CLOVER-2000信號為多音分時傳輸，由于信號在多個副載波上按照規約發送調制信號，因此選擇能量檢測法進行信號起始檢測。檢測時，分別于8個中心頻率處配置多組帶通濾波器，濾波器輸出為信號能量，通過檢測信號出現前后能量差實現對信號起始時刻的精確獲取[6-7]。

另外，根據單個符號持續時長為16 ms的特點，設定窗長進行碼元最佳采樣點的評估與細微調整，以保證在后續處理中保持對符號的精確定時。

3.1.2 時長估計

ARQ模式中，CCB模塊采用BPSM調制方式，其比特速率為500 bps，CCB塊大小為17 byte，因此持續時長為:

類似地，ARQ模式下數據塊持續時長約為5 s，FEC模式下CCB塊持續時長為0.544 s，數據塊持續時長約8 s。因此，根據統計的信號持續時長來判斷該塊數據的模式和類別，從而識別該數據段是否屬于CCB塊。

3.2 CCB幀解調

在同步完成即碼元起始位置確定后，對1幀的時域信號Y(n)做FFT，可以求出各個單音脈沖的幅值和相位。

由FFT 計算出信號所有單音脈沖的相位，取各音的相位值，該信號采用相位差分調制，根據前后符號相位變化來攜帶信息，則：

ΔΦ(k)=Φi(k)-Φi-1(k)

(4)

式中：Φi(k)為第k音第i個符號上的相位；Φi-1(k)為第k音第i-1個符號上的相位。

判斷ΔΦ(k)所在象限，即可解調出相位信息，并恢復為比特[8-9]。

按照時間發送順序，將八音信號中的比特信息進行串行提取，可以得到原發送數據，之后再對數據進行解碼、還原信息等工作。由于同步一直不斷在做調整,碼元的起點變動會引起各個數據音的不同相位變化，解調時應對不同的數據音隨同步變化做不同的相位調整[10]。

3.3 DATA幀處理

當獲取某種模式下CCB塊的起始時間后，可依據規約得到后續數據塊起始時間，對后續的DATA幀的處理不必重新進行盲檢測，僅需要進行定時跟蹤即可。以ARQ模式中DATA幀為例，其起始時刻與檢測到第1幀CCB時間差為TCCB+TG+Tdelay+TR+TCCB+TG+Tdelay+TR=1.088 s。

此外，根據在CCB中提取后續數據塊的幀長、調制方式、編碼率等參數對DATA塊進行解調等處理。

4 仿真結果分析

對實際采集的信號數據進行解調處理，圖4與圖5為ARQ模式下，數據塊分別采用QPSM、8PSM調制的解調結果，對CCB塊與DATA塊起始檢測較為精確，依據協議信息對后續數據塊進行定時跟蹤并解調，其星座圖效果較好。

圖4 QPSM調制模式解調結果

圖5 8PSM調制模式解調結果

5 結束語

多載波并行調制是短波通信中一種重要的通信方式，它通過延長碼元寬度來降低多徑對數據傳輸的影響，并在有效帶寬內實現高速數據傳輸[11-12]。作為非合作方對CLOVER進行信號接收時，一方面使用時域能量檢測、頻域相位差分的方式進行信號解調；另一方面借助規約中信息(如CCB塊及DATA塊時長、各信號參數等)輔助檢測、解調的起始位置，大幅提高了信號處理的效率，也有助于提升處理性能。