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大動態高碼率Multi-h CPM接收機設計與實現

文章來源:科技信息中心編輯室   時間:2019-6-10 10:25:00 訪問數:

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隨著天基測控、深空測控等遠距離測控的發展,信息傳輸碼率不斷增加,具有高效帶寬利用率的調制體制不斷受到關注。多調制指數連續相位調制(Multi-h CPM)是一種高頻譜效率、高能效的恒包絡調制,尤其適合于天基測控等帶寬受限、功率受限的非線性信道中傳輸。但在大動態高碼率測控通信中,信號存在大的定時偏差和一階、二階多普勒頻率,這給Multi-h CPM在測控通信中的應用帶來了嚴峻挑戰,主要表現為Multi-h CPM的高解調復雜度、低解調靈敏度以及較高的同步門限等接收問題。文中針對大動態高碼率ARTM Tier2信號參數的Multi-h CPM接收機關鍵模塊設計實現,完成了大動態條件下10Mbps碼率的Multi-h CPM接收機同步和解調性能測試,性能達到大動態高碼率遙測應用需求。

1  Multi-h CPM中頻接收機設計

Multi-h CPM的中頻收發系統平臺如圖1所示,系統主要包括了Multi-h CPM的中頻發射機以及中頻接收機,發射機和接收機都與上位機的Chipscope通過調試電纜連接。上位機一方面用于控制發射機的載波頻率偏移量,模擬實際大動態應用中的多普勒頻偏;另一方面用于顯示接收機的同步性能、誤碼率統計結果等,同時還可控制接收機幾個同步環路的環路參數。接收機硬件平臺如圖2所示,其中FMC子卡完成中頻模擬信號的采樣,中頻數字下變頻以及基帶數字信號處理的FPGA芯片主要為圖中的兩片XC7VX690T,其中第一片(V71)完成中頻Multi-h CPM的下變頻、載波頻率同步、定時同步以及調制指數同步等,第二片(V72)則主要承擔了Viterbi序列檢測器以及基于面向判決的載波相位同步工作。

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大動態條件下的Multi-h CPM的接收機基帶信號處理總體方案如圖3所示,主要包括了3個同步環路——鎖頻環、鎖相環和定時環,以及基于維特比算法的序列檢測模塊。圖中的虛線框V71V72表示用于信號處理的兩片FPGA。定時同步(TED)基于圖4中序列檢測的早遲環定時算法。載波同步包括鎖頻環和鎖相兩個環路,鎖頻環的主要功能是用于輔助鎖相環的捕獲,以及在初始多普勒頻偏較大的情況下完成初步頻偏校正,以保證定時和調制指數估計的正常工作。鎖頻環的頻率誤差估計器(FED)基于圖6的頻譜重心法完成,鎖相環的相位誤差估計(PED)則是基于圖5中面向判決載波相位同步完成。在載波同步的初始階段僅開啟鎖頻環工作(3中開關K2斷開),待載波頻率捕獲后維持鎖頻環的輸出不變(K1斷開),鎖相環鎖定的頻率將與鎖頻環的輸出一起完成載波頻率同步和相位的跟蹤。

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2  大動態高碼率Multi-h CPM中頻接收機同步性能

當接收端與發射端的符號率絕對相等時,采樣信號不存在采樣頻偏(FSO),此時的NCO的累減值uk將收斂到一條斜率為0的直線附近。但是,實際中接收和發射端的時鐘源不可能同源,導致采樣信號存在采樣頻偏,環路濾波器將總是輸出不為0的誤差值,這迫使NCO累減疊加了一定的偏置項,使得uk曲線斜率改變,如圖7的紅色實線所示。最終從uk收斂曲線上看,uk將呈鋸齒狀變化,而uk的斜率也體現了收發兩端時鐘頻率的偏差,也稱為鐘差。另一方面,將大動態頻偏建模為包含一階多普勒加速度dFd、二階多普勒加速度d2Fd,并在最大頻偏范圍[-FdmaxFdmax]內周期變化,如圖8所示,對應圖中各多普勒頻率參數設置:Fdmax=1 MHzdFd=100 kHz/sd2Fd=30 kHz/s2

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在圖7的大動態定時累減模型下,對接收機的定時性能進行測試,從而檢驗定時環路對時鐘偏差的適應能力。圖9給出的1/1000符號率的鐘差下,定時環路都能最終鎖定,并跟蹤上采樣頻偏,另外,通過uk曲線可以推算出定時同步的收斂時間:該次定時捕獲時間約為4500個符號,即0.000 9 s

在圖8的大動態多普勒模型下,對接收機的載波頻率捕獲進行測試,從而檢驗鎖頻環和鎖相環對大動態頻偏的適應能力。圖10給出了鎖頻環輔助的鎖相環跟蹤結果,其中,鎖頻環鎖定的頻率值(Freq_FLL)是鎖頻環獨立工作的結果,反映了真實多普勒頻率值;鎖頻環的頻率維持值(Freq_hold_on)是鎖相環開啟時刻鎖頻環的瞬時輸出,該值維持在1 MHz附近;鎖相環(Freq_PLL)Freq_hold_on的和最終用于載波頻率的校正,可以看出二者的和與鎖頻環的輸出一致,表明了鎖相環的載波頻率跟蹤正常。

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3  大動態高碼率Multi-h CPM中頻接收機解調性能

11給出了Multi-h CPM中頻接收機(信息速率10 Mbps)在大動態條件下的實測數據,其中Fd為多普勒頻偏,FSOAD的采樣頻偏,Fdmax為加入多普勒一階和二階動態后的最大多普勒變化范圍,dFd為多普勒一階變化率,d2Fd為多普勒二階變化率。由圖11可以看出,首先在無頻偏且無采樣頻偏的條件下,接收機的實測性能與Matlab仿真的MLSD相比(BER=10-5,下同)性能損失為0.5 dB;在固定多普勒頻率為600 kHz時和AD采樣頻偏為1 kHz時,系統的性能損失為0.7 dB;再加入變化的大動態多普勒頻率(多普勒一階和二階變化率分別為100 kHz/s30 kHz/s2)后,系統的性能損失也僅為2.3 dB

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