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大动态高码率Multi-h CPM接收机设计与实现
文章来源：科技信息中心编辑室 时间：2019-06-10 访问数:
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随着天基测控、深空测控等远距离测控的发展，信息传输码率不断增加，具有高效带宽利用率的调制体制不断受到关注。多调制指数连续相位调制(Multi-h CPM)是一种高频谱效率、高能效的恒包络调制，尤其适合于天基测控等带宽受限、功率受限的非线性信道中传输。但在大动态高码率测控通信中，信号存在大的定时偏差和一阶、二阶多普勒频率，这给Multi-h CPM在测控通信中的应用带来了严峻挑战，主要表现为Multi-h CPM的高解调复杂度、低解调灵敏度以及较高的同步门限等接收问题。文中针对大动态高码率ARTM Tier2信号参数的Multi-h CPM接收机关键模块设计实现，完成了大动态条件下10Mbps码率的Multi-h CPM接收机同步和解调性能测试，性能达到大动态高码率遥测应用需求。
1 Multi-h CPM中频接收机设计
Multi-h CPM的中频收发系统平台如图1所示，系统主要包括了Multi-h CPM的中频发射机以及中频接收机，发射机和接收机都与上位机的Chipscope通过调试电缆连接。上位机一方面用于控制发射机的载波频率偏移量，模拟实际大动态应用中的多普勒频偏；另一方面用于显示接收机的同步性能、误码率统计结果等，同时还可控制接收机几个同步环路的环路参数。接收机硬件平台如图2所示，其中FMC子卡完成中频模拟信号的采样，中频数字下变频以及基带数字信号处理的FPGA芯片主要为图中的两片XC7VX690T，其中第一片（V71）完成中频Multi-h CPM的下变频、载波频率同步、定时同步以及调制指数同步等，第二片（V72）则主要承担了Viterbi序列检测器以及基于面向判决的载波相位同步工作。
大动态条件下的Multi-h CPM的接收机基带信号处理总体方案如图3所示，主要包括了3个同步环路——锁频环、锁相环和定时环，以及基于维特比算法的序列检测模块。图中的虚线框V71和V72表示用于信号处理的两片FPGA。定时同步(TED)基于图4中序列检测的早迟环定时算法。载波同步包括锁频环和锁相两个环路，锁频环的主要功能是用于辅助锁相环的捕获，以及在初始多普勒频偏较大的情况下完成初步频偏校正，以保证定时和调制指数估计的正常工作。锁频环的频率误差估计器(FED)基于图6的频谱重心法完成，锁相环的相位误差估计（PED）则是基于图5中面向判决载波相位同步完成。在载波同步的初始阶段仅开启锁频环工作(图3中开关K2断开)，待载波频率捕获后维持锁频环的输出不变(K1断开)，锁相环锁定的频率将与锁频环的输出一起完成载波频率同步和相位的跟踪。
2 大动态高码率Multi-h CPM中频接收机同步性能
当接收端与发射端的符号率绝对相等时，采样信号不存在采样频偏(FSO)，此时的NCO的累减值uk将收敛到一条斜率为0的直线附近。但是，实际中接收和发射端的时钟源不可能同源，导致采样信号存在采样频偏，环路滤波器将总是输出不为0的误差值，这迫使NCO累减叠加了一定的偏置项，使得uk曲线斜率改变，如图7的红色实线所示。最终从uk收敛曲线上看，uk将呈锯齿状变化，而uk的斜率也体现了收发两端时钟频率的偏差，也称为钟差。另一方面，将大动态频偏建模为包含一阶多普勒加速度dFd、二阶多普勒加速度d2Fd，并在最大频偏范围[-Fdmax，Fdmax]内周期变化，如图8所示，对应图中各多普勒频率参数设置：Fdmax=1 MHz、dFd=100 kHz/s、d2Fd=30 kHz/s2。
在图7的大动态定时累减模型下，对接收机的定时性能进行测试，从而检验定时环路对时钟偏差的适应能力。图9给出的1/1000符号率的钟差下，定时环路都能最终锁定，并跟踪上采样频偏，另外，通过uk曲线可以推算出定时同步的收敛时间：该次定时捕获时间约为4500个符号，即0.000 9 s。
在图8的大动态多普勒模型下，对接收机的载波频率捕获进行测试，从而检验锁频环和锁相环对大动态频偏的适应能力。图10给出了锁频环辅助的锁相环跟踪结果，其中，锁频环锁定的频率值(Freq_FLL)是锁频环独立工作的结果，反映了真实多普勒频率值；锁频环的频率维持值(Freq_hold_on)是锁相环开启时刻锁频环的瞬时输出，该值维持在1 MHz附近；锁相环(Freq_PLL)与Freq_hold_on的和最终用于载波频率的校正，可以看出二者的和与锁频环的输出一致，表明了锁相环的载波频率跟踪正常。
3 大动态高码率Multi-h CPM中频接收机解调性能
图11给出了Multi-h CPM中频接收机(信息速率10 Mbps)在大动态条件下的实测数据，其中Fd为多普勒频偏，FSO为AD的采样频偏，Fdmax为加入多普勒一阶和二阶动态后的最大多普勒变化范围，dFd为多普勒一阶变化率，d2Fd为多普勒二阶变化率。由图11可以看出，首先在无频偏且无采样频偏的条件下，接收机的实测性能与Matlab仿真的MLSD相比(BER=10-5，下同)性能损失为0.5 dB；在固定多普勒频率为600 kHz时和AD采样频偏为1 kHz时，系统的性能损失为0.7 dB；再加入变化的大动态多普勒频率(多普勒一阶和二阶变化率分别为100 kHz/s和30 kHz/s2)后，系统的性能损失也仅为2.3 dB。
