DSP实现HF信道8PSK信号解调

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DSP实现HF信道8PSK信号解调

HF信道通信有明显的优点：可以利用较小的功率实现远距离通信；通信的目标小，在战时不易被摧毁，即便遭受破坏也容易修复；通信设备体积小，便于移动，灵活机动。所以，这种通信方式在军事上获得了大量应用。但是，HF信道是带宽受限的信道，射频非常拥挤，加上电离层的变化、天波传播的不稳定性、多径效应引起的衰落以及回波现象等因素的影响，实现HF信道高速数据传输有很大难度。
近年来出现了采用移相键控（MPSK)调制方式的串行高速调制解调器。由于采用了串行制(数据调制在一个载频)，这种调制解调器不存在功率分散问题，抗多径效应能力较强。为了克服多径效应，自适应信道均衡技术的研究也取得了很大进展。其中，平方根卡尔曼算法由于具有可快速启动、快速跟踪信道、稳定性好、便于调整等优点，获得了广泛的应用。
随着数字信号处理技术的发展，DSP对数字信号的处理运算精度和速度也越来越高，特别适用于通信等实时运算要求较高的领域。本设计以TI公司出品的TMS320C6711数字信号处理器为核心，对A/D采样后的基带信号利用DSP软件实现解调。解调算法包括：软件AGC；码同步提取；平方根卡尔曼DFE进行信道均衡；DFPLL实现载波跟踪；码元判决等。
TMS320C6711数字信号处理器具有150M外频，运算能力为1.2GFLOPS，其片内SRAM容量达1M位，片内8个独立的功能单元并行处理，可通过外部总线配置8/16/32位寻址，内置主处理器接口，4路DMA，HPI口可方便的与主控PC机接口，实现高速传输。所有这些促成了TMS320C6711卓越的运算处理能力。
单边带HF信号由短波接收机接收后，解调为8PSK基带信号。A/D变换采用AD公司生产的串行16位立体声编码器AD1847进行，其最高采样频率可达48KHz。基带信号经AD1847采样后，串行输入TMS320C6711DSP进行处理，解调后的码元由HPI高速主机接口送至PC机。整个系统硬件简单，解调过程主要由DSP软件实现。由于采用了先进、高效的算法，加上TMS320C6711处理器卓越的性能，取得了很好的解调效果。
对于A/D采样后的数字信号，为了实现全数字化解调，需要经过数字AGC、DFE平方根卡尔曼均衡器、DFPLL、码同步提取、判决和译码等软件模块构成。以下对整个软件的设计重点：平方根卡尔曼DFE和DFPLL载波跟踪作重点说明。
平方根卡尔曼DFE原理框图如图1所示。由于HF信道码间干扰严重，甚至存在传输零点，普通的横向滤波线性均衡不可能完全消除码间干扰，特别是无法解决传输零点。而DFE则可达到要求，因此选择了DFE。
图1采用了双均衡器结构。图中的上半部分为传统的DFE，下半部分的前馈横向滤波器和反馈横向滤波器的组合，可看作一个既有零点又有极点的滤波器。该滤波器具有与DFE相同的抽头系数，由平方根卡尔曼算法同步调整。因此，该滤波器可以看作具有与DFE相同均衡效果的均衡器，称为均衡器B。这样设计的原因是由于码元判决部分总是存在固定的延时，DFE输出信号必须同判决反馈信号同时出现。首先，均衡器B的输出解调后，得到判决反馈信号，再调整延时，使判决反馈信号与DFE输出同步。同时求出误差，供平方根卡尔曼算法使用。
DFE工作时总是先由接收到的同步码等已知序列进行训练，在训练期间，DFE将内部产生的理想信号作为反馈输入信号，由平方根卡尔曼算法连续调整抽头系数，收敛到均方误差最小。当残差足够小，均衡器被切换到直接判决模式，即由判决码元重调制生成的参考信号作为反馈输入，均衡器将继续工作在均方误差最小状态。
如果不进行均衡，信号解调后的星座图如图2。星座点平均收敛度（距离理想星座点的偏差角度绝对值均值）为8.35度，有严重的误码。利用平方根卡尔曼算法均衡后的星座图如图3。星座点平均收敛度为3.997度。误码率大幅度降低了。
调整试验信号的中心频率，进一步实验表明，该DFPLL的捕捉带为9600±20Hz。
本文讨论了一种基于TMS320C6711 DSP的HF信道8PSK信号解调方案，并进行了理论、设计阐述。重点论述了平方根卡尔曼DFE、DFPLL等关键技术的理论及软件实现。试验表明，上述算法的效率较高，利用DSP实时处理稳定性更高、抗干扰能力强、系统升级和改造方便，利于实现HF信道的高速信号解调。DSP软硬件技术的发展及其在HF信道解调器的应用，必然会有力地推动短波通信向数字化、低误码、高速率和通信自动化方向发展。

李小路

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