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【摘 要】随着传输业务数据量的增大，对传输设备传输速率提出了更高的要求，本文从实际需求出发，介绍了一种超短波高速数据传输设备的系统原理、高速数字平台和高速波形设计。该设备采用恒包络的CPM调制方式，提高了频谱利用率，降低了对功放要求，具有兆级的传输速率。
【关键词】超短波；高速数据；CPM
1.引言
随着系统图像、视频、高速数据等业务的需求增加，传统的超短波数据传输设备也无法满足系统需求，提高数据传输速率成为数据传输设备设计的关键所在。目前可支持高速传输的CPM、OFDM、16QAM等波形在近距离无线传输系统中应用较为广泛。针对远距离通信的通信系统，为了减小设备设计的复杂度和设备的功耗，一般可采用恒包络的调制波形。
2.系统设计
为了达到简化电路和增强系统扩展性的目的，超短波高速数据传输设备设计时可借鉴软件无线电的设计思想。软件无线电的关键思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件实现系统的各种功能。软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程器，通过软件的更新改变系统的配置结构，实现新的功能，软件无线电采用标准、开放的高性能总线结构，以便硬件模块的不断升级扩展 。
超短波高速数据传输设备可以分为射频处理和信号处理两大部分，原理框图如图1所示。
图1 数据传输设备原理图
信号处理模块是设备的核心部件，完成高速波形调制信号处理、高速波形解调信号处理、数据校验、数据组帧等数据处理功能，以及协议处理和设备的控制管理。射频处理模块一般可以分为频率合成、变频放大、功率放大和控制单元等几部分组成，实现接收信号低噪声放大，接收变频处理，放大滤波，激励信号变频处理、放大滤波、功率放大功能，在设计时应选用集成度高，功耗低的器件，以减小设备体积、重量和功耗。
3.高速数字化硬件平台
高速硬件平台是实现高速数据调制、解调、传输及协议处理的关键硬件平台，为了使平台具有更好的通用性和扩展性，可采用通用的FPGA+PowerPC的架构形式，采用具有通用性的数字平台方案，提供实现功能所需的硬件资源，以保证设备工作的可靠性并有扩展新功能和升级处理技术的能力，平台具有动态加载能力，采用标准化的接口技术、选用优选的主流元器件产品和开发工具。
硬件功能框图如图2所示，从硬件结构上大致可以分为协议及控制管理、信号处理部分、BIT功能电路部分。
图2 数字化硬件平台框图
在FPGA+PowerPC的架构中， FPGA主要完成信号处理调制/解调、信噪比估计、TDMA时隙控制、控制总线处理等功能，PowerPC主要完成以太网总线数据协议解析、设备状态控制、TDMA协议组网、数据加解密等功能。
4.高速波形设计
在移动通信领域中，随着通信信息量的不断增大，通信系统需要的带宽越来越宽，频率较低的频段已经趋于饱和。为了解决带宽有限的矛盾，解决的途径是一方面将通信频段不断向更高频率延伸，另一方面也不断努力提高频谱的利用率。而在载波频率较高时发送信号功率放大器通常采用高功率非线性放大器，只有采用具有恒定包络或准恒定包络结构的调制方式，才能有效利用功放的发射功率。在空地通信和空空通信领域，通信的收发平台间存在较大的不确定相对运动，多普勒频移导致的频偏和相位变化对相干解调影响显著，尤其在信噪比较低时，需要发送较多的导频信号来实现多普勒频率和初始相位估计，这种方式在突发通信中会较大降低有效通信速率。
连续相位调制技术（CPM）在保证包络恒定的基础上，通过设计信号相位的连续变化，改善信号的频谱特性，可以满足高速数据传输的需要。数据传输设备采用改进后的CPM波形，这种波形的优点在于：一是符号间相位为连续变化，使信号有良好的功率谱；二是使发射信号为准恒包络，可以采用高功率非线性放大器；三是避免了初相、多普勒频移等引起的符号间相位变化对信号解调的影响，适合应用于高速运动平台间的突发高速通信。
4.1数学模型
CPM信号的调制过程如图3所示，输入数据为转换后的并行两比特数据流，开关控制逻辑单元根据输入的发送比特信息和状态存储器中的状态信息，在基带信号集合中选择对应的基带信号作为输出信号并更新存储器中的状态值。
图3 CPM编码调制框图
图中输入比特数据、基带信号和状态转移的关系如下表所示，表中项目为“输出基带信号/输入比特”。
4.2仿真结果
在对CPM调制信号的仿真分析中，调制信号的每个符号设置为分别携带两比特和一比特信息，分别记为ISCP-D4PSK和ISCP-D2PSK，和传统的QPSK、BPSK信号进行了仿真对比。图4比较了ISCP-D4PSK和QPSK调制信号的功率谱密度。由图可见， ISCP-D4PSK已调信号的功率谱密度性能比较优越，它的主瓣较窄，与QPSK基本一致，但副瓣滚降很快。当以信号99%的能量来定义信号的有效带宽时，ISCP-D4PSK调制信号的归一化带宽约为0.9，而QPSK约为5.6。因此在相同的带宽上，ISCP-DPSK调制有较高的频谱利用率。而在时域上，ISCP-DPSK已调制信号的幅度波动约为0.04dB，因此射频功放可以工作在非线性饱和区域，和工作在线性区域的功放相比约有3dB的优势。
图4 ISCP-D4PSK和QPSK的功率谱密度比较
图5比较了ISCP-D2PSK、ISCP-D4PSK和BPSK、DBPSK、QPSK、DQPSK调制信号的误比特性能。由图中的仿真结果可以看出，ISCP-D2PSK、ISCP-D4PSK的性能略好于对应的DBPSK和DQPSK调制，而比对应的BPSK和QPSK分别相差1.5dB和2.8dB。但考虑到通信平台中存在较大相对运动时，BPSK和QPSK的相关解码需要额外的导频信号来进行载波同步和相位估计。而在突发通信中，导频信号较短，载波同步和相位估计的精度较差，实际上要求信道有更高的信噪比。
图5 ISCP-DPSK和各种PSK调制的BER性能比较
5.结束语
本文从图像、视频以及高速数据的需求出发，对超短波频段的高速数据传输设备整机、高速硬件平台和高速波形等方面的内容进行了介绍。由于该设备采用通用化的数字平台和软件无线电技术，增强了设备的系统兼容性和扩展能力，同时使得设备具有体积小、重量轻的特点，可用于多种通信系统。
参考文献：
[1]杨小牛，楼才义，徐建良.软件无线电原理与应用.北京：电子工业出版社，2001年
[2] 曹志刚，钱亚生.现代通信原理。北京：清华大学出版社，1992
[3]朱宏权，吴 岭，游莎莎，王 鹏.Multi2hCPM体制误码和频谱性能研究，飞行器测控学报，2010，29（5）：56-59.
作者简介：
郭昭杨（1976—），男，重庆人，2000年毕业于华中科技大学电子与信息工程系获学士学位，主要研究方向为航空通信。
【关键词】超短波；高速数据；CPM
1.引言
随着系统图像、视频、高速数据等业务的需求增加，传统的超短波数据传输设备也无法满足系统需求，提高数据传输速率成为数据传输设备设计的关键所在。目前可支持高速传输的CPM、OFDM、16QAM等波形在近距离无线传输系统中应用较为广泛。针对远距离通信的通信系统，为了减小设备设计的复杂度和设备的功耗，一般可采用恒包络的调制波形。
2.系统设计
为了达到简化电路和增强系统扩展性的目的，超短波高速数据传输设备设计时可借鉴软件无线电的设计思想。软件无线电的关键思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件实现系统的各种功能。软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程器，通过软件的更新改变系统的配置结构，实现新的功能，软件无线电采用标准、开放的高性能总线结构，以便硬件模块的不断升级扩展 。
超短波高速数据传输设备可以分为射频处理和信号处理两大部分，原理框图如图1所示。
图1 数据传输设备原理图
信号处理模块是设备的核心部件，完成高速波形调制信号处理、高速波形解调信号处理、数据校验、数据组帧等数据处理功能，以及协议处理和设备的控制管理。射频处理模块一般可以分为频率合成、变频放大、功率放大和控制单元等几部分组成，实现接收信号低噪声放大，接收变频处理，放大滤波，激励信号变频处理、放大滤波、功率放大功能，在设计时应选用集成度高，功耗低的器件，以减小设备体积、重量和功耗。
3.高速数字化硬件平台
高速硬件平台是实现高速数据调制、解调、传输及协议处理的关键硬件平台，为了使平台具有更好的通用性和扩展性，可采用通用的FPGA+PowerPC的架构形式，采用具有通用性的数字平台方案，提供实现功能所需的硬件资源，以保证设备工作的可靠性并有扩展新功能和升级处理技术的能力，平台具有动态加载能力，采用标准化的接口技术、选用优选的主流元器件产品和开发工具。
硬件功能框图如图2所示，从硬件结构上大致可以分为协议及控制管理、信号处理部分、BIT功能电路部分。
图2 数字化硬件平台框图
在FPGA+PowerPC的架构中， FPGA主要完成信号处理调制/解调、信噪比估计、TDMA时隙控制、控制总线处理等功能，PowerPC主要完成以太网总线数据协议解析、设备状态控制、TDMA协议组网、数据加解密等功能。
4.高速波形设计
在移动通信领域中，随着通信信息量的不断增大，通信系统需要的带宽越来越宽，频率较低的频段已经趋于饱和。为了解决带宽有限的矛盾，解决的途径是一方面将通信频段不断向更高频率延伸，另一方面也不断努力提高频谱的利用率。而在载波频率较高时发送信号功率放大器通常采用高功率非线性放大器，只有采用具有恒定包络或准恒定包络结构的调制方式，才能有效利用功放的发射功率。在空地通信和空空通信领域，通信的收发平台间存在较大的不确定相对运动，多普勒频移导致的频偏和相位变化对相干解调影响显著，尤其在信噪比较低时，需要发送较多的导频信号来实现多普勒频率和初始相位估计，这种方式在突发通信中会较大降低有效通信速率。
连续相位调制技术（CPM）在保证包络恒定的基础上，通过设计信号相位的连续变化，改善信号的频谱特性，可以满足高速数据传输的需要。数据传输设备采用改进后的CPM波形，这种波形的优点在于：一是符号间相位为连续变化，使信号有良好的功率谱；二是使发射信号为准恒包络，可以采用高功率非线性放大器；三是避免了初相、多普勒频移等引起的符号间相位变化对信号解调的影响，适合应用于高速运动平台间的突发高速通信。
4.1数学模型
CPM信号的调制过程如图3所示，输入数据为转换后的并行两比特数据流，开关控制逻辑单元根据输入的发送比特信息和状态存储器中的状态信息，在基带信号集合中选择对应的基带信号作为输出信号并更新存储器中的状态值。
图3 CPM编码调制框图
图中输入比特数据、基带信号和状态转移的关系如下表所示，表中项目为“输出基带信号/输入比特”。
4.2仿真结果
在对CPM调制信号的仿真分析中，调制信号的每个符号设置为分别携带两比特和一比特信息，分别记为ISCP-D4PSK和ISCP-D2PSK，和传统的QPSK、BPSK信号进行了仿真对比。图4比较了ISCP-D4PSK和QPSK调制信号的功率谱密度。由图可见， ISCP-D4PSK已调信号的功率谱密度性能比较优越，它的主瓣较窄，与QPSK基本一致，但副瓣滚降很快。当以信号99%的能量来定义信号的有效带宽时，ISCP-D4PSK调制信号的归一化带宽约为0.9，而QPSK约为5.6。因此在相同的带宽上，ISCP-DPSK调制有较高的频谱利用率。而在时域上，ISCP-DPSK已调制信号的幅度波动约为0.04dB，因此射频功放可以工作在非线性饱和区域，和工作在线性区域的功放相比约有3dB的优势。
图4 ISCP-D4PSK和QPSK的功率谱密度比较
图5比较了ISCP-D2PSK、ISCP-D4PSK和BPSK、DBPSK、QPSK、DQPSK调制信号的误比特性能。由图中的仿真结果可以看出，ISCP-D2PSK、ISCP-D4PSK的性能略好于对应的DBPSK和DQPSK调制，而比对应的BPSK和QPSK分别相差1.5dB和2.8dB。但考虑到通信平台中存在较大相对运动时，BPSK和QPSK的相关解码需要额外的导频信号来进行载波同步和相位估计。而在突发通信中，导频信号较短，载波同步和相位估计的精度较差，实际上要求信道有更高的信噪比。
图5 ISCP-DPSK和各种PSK调制的BER性能比较
5.结束语
本文从图像、视频以及高速数据的需求出发，对超短波频段的高速数据传输设备整机、高速硬件平台和高速波形等方面的内容进行了介绍。由于该设备采用通用化的数字平台和软件无线电技术，增强了设备的系统兼容性和扩展能力，同时使得设备具有体积小、重量轻的特点，可用于多种通信系统。
参考文献：
[1]杨小牛，楼才义，徐建良.软件无线电原理与应用.北京：电子工业出版社，2001年
[2] 曹志刚，钱亚生.现代通信原理。北京：清华大学出版社，1992
[3]朱宏权，吴 岭，游莎莎，王 鹏.Multi2hCPM体制误码和频谱性能研究，飞行器测控学报，2010，29（5）：56-59.
作者简介：
郭昭杨（1976—），男，重庆人，2000年毕业于华中科技大学电子与信息工程系获学士学位，主要研究方向为航空通信。