CPM信号接收机同步算法研究与实现

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随着新型航天运载火箭飞行任务复杂度日益提高,航天器上的传感器种类和数量越来越多,遥测数据的数据量越来越大,传统的PCM/FM遥测体制由于频谱效率和功率效率的局限,已经不能满足现代航天遥测发展的需要。连续相位调制(Continue Phase Modulation,CPM)具有高效的频谱和功率效率,是新一代遥测系统的主要信号体制。CPM信号解调通常采用相干方式,但相干解调对CPM信号同步误差比较敏感,因而对同步算法提出了更高的要求;同时,CPM信号的状态较多也导致同步算法的复杂度较高。针对上述问题,论文围绕CPM信号的低复杂度同步技术开展了研究,具体工作安排如下:(1)研究了CPM信号调制的基本原理,分析了单调制指数CPM与多调制指数CPM的相位状态转移关系,并重点研究了CPM信号最佳解调算法。研究了多调制指数CPM信号的PAM(Pulse Amplitude Modulation)分解和最大似然序列检测(Maximum Likelihood Sequence Detection,MLSD)解调算法。还研究了IRIG标准中的遥测网络系统信息TMNSMessage帧结构。(2)针对MLSD早迟环定时同步算法存在较多匹配滤波器数与网格状态数的问题,提出了基于频率脉冲截断(Frequency Pulse Truncated,FPT)和PAM分解的联合同步算法——FPT-PAM符号同步算法。该算法是在频率脉冲截断的基础上再对CPM信号进行PAM分解,利用这种减少状态后的检测器进行符号同步,极大降低了符号同步算法的复杂度。复杂度分析和仿真结果表明,所提算法的总网格状态数和匹配滤波器为MSLD算法的1/8,同时性能损失是在误码率为10-5处仅比MSLD算法恶化了1dB。因此所提的算法能显著降低复杂度,而性能损失不大。(3)在分析载波频偏和相位偏差对CPM信号解调性能影响的基础上,研究了适合CPM信号的载波频率同步算法和相位同步算法,提出了基于PAM分解的载波相位同步算法。基于PAM分解的载波相位同步算法利用波形能量占优的PAM脉冲进行相位估计,降低了复杂度,在高信噪比下接近理论的修正克拉美罗(MCRB)界,其性能在相位估计方差为10-4处仅比MCRB界恶化了约1dB。(4)设计了CPM信号接收机同步算法实现方案,并在FPGA硬件平台上验证。具体模块包括AD9361芯片的配置模块、基于Viterbi译码的早迟支路模块、定时误差估计模块,复数乘法器、频偏误差估计模块。通过对符号定时同步和载波频偏同步模块的功能测试,验证了CPM信号同步算法方案的可行性和同步模块设计的正确性。
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