基于FPGA的Multi-h CPM高速解调系统设计与实现

多指数连续相位调制(Multi-h Continuous Phase Modulation,Multi-h CPM)作为一种高效的调制方式,具有良好的频谱效率和抗干扰能力,在卫星通信领域有着广泛的应用价值。但是Multi-h CPM的解调算法计算复杂度较高,为了实现高速数据传输能力,需要较高的硬件资源开销。因此基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)平台的高并行度数据处理能力,设计了一种Multi-h CPM高速解调系统,采用了软输出维特比算法(Soft Output Viterbi Algorithm,SOVA)实现了Multi-h CPM信号解调,并通过早迟门和升降频门实现了时频同步功能。为了降低算法的计算复杂度,本系统引入了倾斜相位(Tilted Phase,TP)算法和频率脉冲响应截断(Frequency Pulse Truncation,FPT)算法减少了Viterbi过程的网格状态数,降低了系统的资源开销。通过仿真和实际测试,验证了所提出的解调系统的有效性,并表明该系统具有良好的解调性能和系统稳定性。

一种低复杂度的Multi-h CPM相干解调算法及FPGA实现

多调制指数连续相位调制(Multi-h Continuous Phase Modulation,Multi-h CPM)是一种恒包络调制,具有多个周期出现的调制指数,因此其频谱效率和功率效率比单调制指数CPM更高,但其接收机的复杂度也随之增加。本文在倾斜相位(Tilted Phase,TP)的基础上采用频率脉冲截断(Frequency Pulse Truncation,FPT)和状态空间分割(State Space Partition,SSP)相结合的方法来降低多调制指数连续相位调制的复杂度,使相位状态由512降低到16,理论损耗约为0.8 dB。同时,对降低复杂度的解调算法在现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Arrays,FPGA)上进行了验证。仿真和在线测试的误码率曲线接近理论分析曲线,和常用的128状态解调算法相比,资源消耗降低了约59%。

Multi-h CPM信号的低复杂度软判决算法

为提高带宽利用率与译码性能,提出一种Multi-h CPM信号的低复杂度软判决算法(LC-SOVA for MHPM),通过将判决符号处所汇聚的2条相位路径的累积度量值之差作为软判决值,以代替已有的二进制硬判决值。仿真结果表明:利用所提出的软判决值可以提高与信道编码级联后的抗误码性能,而不增加额外的计算复杂度。当信道编码采用码率为0.5的Turbo码,调制指数h分别为[8/13 9/13 10/13]与[2/4 3/4]时,误码率为10-5下的软判决编码增益分别可达0.7 dB与0.5 dB。在误码率为10-1的恶劣信道下均可获得约0.3 dB的编码增益。

Multi-h CPM体制误码和频谱性能研究

介绍了Multi-h CPM体制的基本原理,提出了基于维特比算法的最大似然序列检测方法,对各种调制指数下的CPM信号进行了仿真实验,得到其解调误码率曲线和频谱带宽,并与PCM-FM体制进行了比较分析。仿真分析结果表明,根据实际应用需求,通过合理选择调制指数,Multi-h CPM体制具有比PCM-FM更好的解调误码性能和带宽利用率,这在未来的高码率遥测系统中具有重要的应用价值。

基于近似熵的Multi-h CPM调制识别算法

Multi-h连续相位调制(continuous phase modulation,CPM)信号与其调制指数均值相等的Single-h CPM信号的特征具有极大相似性,难以区分。针对该问题,提出了一种基于近似熵的Multi-h CPM调制识别算法。该算法将信号按照相同调制指数为一组的方式拆分为多个子序列,通过舍弃符号间拼接产生的多余模式向量对近似熵进行修正,然后利用Multi-h CPM信号各子序列近似熵的差异性,完成Multi-h CPM信号和Single-h CPM信号的类间识别,最后利用概率神经网络完成类内识别。实验结果表明,该算法在信噪比低至11 dB时,仍可以达到90%的识别率。

Multi-h CPM信号的有限状态时序机表示

为获得多指数连续相位调制(Multi-h CPM)信号更为简洁的脉冲幅度调制(PAM)分解形式,提出了一种用有限状态时序机表示Multi-h CPM信号的新算法.该算法利用调制指数循环周期变化的特性,通过基本波形分解算法,将Multi-h CPM信号表示为周期时不变的有限状态时序机和周期时不变的PAM调制器的级联结构;然后通过限定输入符号进制数为偶数,将时序机的状态转移过程描述成一个可约的、周期平稳的、非齐次Markov链.文中采用该算法对不同调制指数下的状态转移过程进行算例验证,并给出了算法的最佳接收机模型和仿真结果.与传统的PAM最优检测算法相比,文中算法的检测性能可达到理论值,而网格状态数仅为PAM最优检测算法的一半.

低复杂度的Multi-hCPM调制指数同步算法

针对多指数连续相位调制信号的调制指数同步困难且算法复杂的问题,提出一种实现结构相对简单的低复杂度的Multi-h CPM调制指数同步算法。基于最大似然准则获得Multi-h CPM信号的调制指数同步误差和残留定时误差的联合估计,分别利用残留定时误差近似为零的性质与滤波器冲击响应量化函数来降低算法的复杂度,并进行性能仿真验证。仿真结果表明:该算法调制指数同步误差估计的性能良好,适用于全响应和部分响应的Multi-h CPM信号。

Multi-h CPM的低复杂度非相干检测

针对多指数连续相位调制(Multi-h CPM)载波相位恢复困难且实现复杂度高的难题,提出了一种基于PAM分解的Multi-h CPM信号的低复杂度非相干序列检测算法。利用PAM分解的近似形式,结合逐幸存处理技术,减少了匹配滤波器数和网格状态数同时引入的参考相位信号,实现了具有残留载波频偏和载波相位校正的非相干序列检测;通过计算和搜索接收信号所有可能调制指数序列所对应的分支度量信息,实现了调制指数的估计与同步。仿真结果表明,该算法的性能优于传统的单符号差分非相干检测,实现复杂度相对较低,当存在残留载波频偏时,检测性能也够保持稳健。

Multi-h CPM遥测信号的定时频率联合估计技术

针对Multi-h CPM(Multi-h Continue Phase Modulation,多指数连续相位调制)遥测接收机的符号定时和载波频率同步问题,在分析MLSD(Maximum-likelihood Sequence Detection,最大似然序列检测)度量值是符号定时偏差和频率偏差的凸函数的基础上,提出一种基于迟/早门和升/降频门的符号定时和频率同步联合估计算法,通过似然值比较,对符号定时偏差和频率偏差进行迭代估计;并对该算法进行仿真,得到不同参数下的同步性能,给出同步参数选择建议。仿真结果表明:将该算法应用到Multi-h CPM遥测系统中,可实现低信噪比信号的快捕和高精度同步。

基于Laurent分解的Multi-h CPM简化接收机研究

在最大似然接收机的基础上,提出了一种基于Laurent分解的Multi-h CPM简化接收机。详细介绍了多进制Multi-h CPM信号的Laurent分解原理,对分解后的脉冲进行信号重构,验证Multi-h CPM信号Laurent分解的正确性。通过PAM脉冲截断和平均两步处理,大大减小了接收机所需匹配滤波器的数目和网格状态。最后对ARTM TierⅡ信号进行仿真验证,结果表明:该接收机所需的匹配滤波器和网格状态数目分别为最大似然接收机的3/128和1/4,在10-5误码率下的性能损失仅为0. 2 d B。

Multi-h CPM解调算法研究综述

Multi-h CPM体制凭借着高效的带宽效率和功率效率,在未来航天遥测领域具有巨大的潜在优势,但是解调技术的高复杂度限制了其广泛应用。为了能在较小性能损失的前提下实现解调结构的简化,在对Multi-h CPM体制的特点和发展现状进行了简要介绍之后,重点阐述了Multi-h CPM信号的接收机的基本结构,详细总结了其中的载波同步、定时同步、调制指数同步以及序列检测技术的方法来源、发展历程和理论基础,分析了各自的优缺点,最后,提出了Multi-h CPM体制的进一步研究方向。

Multi-h CPM信号的参数设计研究

Multi-h CPM是在传统CPM的基础上发展而来的一种调制方式,合理的参数设计可以使得Multi-h CPM具有更好的频带利用率和误码性能。对Multi-h CPM的基本原理和基于维特比算法的最大似然序列检测法进行介绍之后,在Matlab仿真实验环境下,利用控制变量法,分别研究了调制指数、关联长度、输入序列的进制数和相位脉冲函数这四个参数对信号频谱带宽和误码性能的影响规律。这为优化Multi-h CPM信号的参数选取,进而使得通信系统性能在特定的场景下达到最佳提供了参考依据。

THE MINIMUM SQUARED EUCLIDEAN DISTANCE OF MULTI-h PHASE CODES

The minimum squared Euclidean distance(MSED) of binary multi-h phase codes is presented. The signal segregation degree(SSD) has been put forward to determine MSED of multi-h phase codes. In order to maximize MSED, SSD should be as large as possible. The necessary and sufficient conditions of maximizing SSD are derived. Finally, SSD and the exact formulae for MSED of binary 2-h phase codes are also presented.

Multi-h CPM简化接收机研究

考虑到Multi-h CPM(Continuous Phase Modulation)最大似然接收机结构复杂难以工程实现,提出了一种基于Laurent分解和状态空间分类(State-Space Partitioning,SSP)的接收机结构。首先详细介绍了Laurent分解的基本原理,并通过对相位幅度调制(Phase Amplitude Modulation,PAM)脉冲截断和平均两步处理,大大减少了匹配滤波器的数目和网格状态;其次在倾斜相位基础上,介绍了状态空间分类原理,进一步简化网格状态,并引入判决反馈,提高了误码性能;最后给出了Laurent-SSP简化接收机的结构,并分析联合算法的优越性。对ARTM TierⅡ信号进行仿真,结果表明,Laurent-SSP简化接收机所需的匹配滤波器和网格状态数目分别为最大似然接收机的3/128和1/16,在10-5误码率下的性能损失仅为0.2 dB。

基于状态空间分类的Multi-h CPM序列检测算法

考虑到Multi-h CPM信号序列检测复杂度较高,难以工程实现,在最大似然序列检测的基础上,针对该算法后端复杂的网格状态,提出基于状态空间分类的Multi-h CPM序列检测算法。通过引入倾斜相位,避免了区分调制指数分子为奇数和偶数的问题,利用状态空间分类合并的方法,大大简化了执行维特比算法所需的网格状态,并引入判决反馈原理,提高了误码性能。最后对ARTM TierⅡ信号进行仿真,结果表明,该算法可将网格状态减少为最大似然序列检测算法网格状态数的1/32,在10-5误码率下的性能损失仅为0.6 dB。

IPP优化下的Multi-h CPM接收机

Multi-hCPM信号是一种带宽效率很高的信号,Multi-hCPM信号接收机由于需要大量的滤波器和相关器而非常复杂。设计并实现了一套适用于全响应Multi-hCPM信号的接收机系统,并通过Intel公司提供的IPP函数库优化接收机。实验证明提出的接收机在有良好的接收机误比特性能情况下,提升了Multi-CPM接收机的处理时间,能在实际中得以应用。

基于PAM分解的Multi-h CPM低复杂度解调方法

考虑到直接应用最大似然序列检测实现多调制指数连续相位(Multi-h CPM)解调需要大量的匹配滤波器和网格状态,难以用于工程实践,故对Multi-hCPM信号的通用PAM分解算法加以研究。分析各分解脉冲的幅度特征,提出合并同等幅度脉冲以减少匹配滤波器个数、忽略小脉冲以减少网格状态的低复杂度解调算法,并针对M=2和M=4两类典型的Multi-h CPM信号通过计算机仿真验证该解调方法的BER性能。结果显示:相比于最优解调,新算法信噪比损失分别小于0.5dB和2.5dB,且匹配滤波器个数和网格状态数可大大减小。

Multi-h CPM信号的减少状态多符号差分非相干检测

针对多指数连续相位调制(Multi-h CPM)载波恢复困难且实现复杂度高的难题,提出了一种适用于Multi-h CPM信号的减少状态多符号差分非相干检测算法。该算法利用多符号差分信息进行分支度量计算的同时引入参考相位信号,实现了具有残留载波频偏校正的非相干序列检测,并且结合逐幸存处理技术,利用幸存路径上的假设判决信息减少了网格状态数。通过计算和搜索接收信号所有可能调制指数序列所对应的分支度量信息实现了调制指数的估计与同步。计算机仿真结果表明,与相干最大似然序列检测相比,该算法能够以较小的性能损失获得其实现复杂度的降低,而且当存在残留载波频偏时,该算法的检测性能也较为稳健。

基于近似熵的Multi-h CPM信号调制方式识别

多调制指数连续相位调制(Multi-h CPM)信号是一类包络恒定、频带利用率高的非线性数字调制信号,在军用、民用通信领域均得到广泛应用,研究其自动调制方式识别(AMR)问题具有十分重要的意义。着重对基于近似熵技术的Multi-h CPM信号调制方式识别流程进行改进。对接收信号的预处理能够减弱系统对噪声的敏感性,提高系统在较低信噪比时的识别性能;采用"分段c值"的二维特征熵计算使系统综合不同c值在不同信噪比区间体现的性能优势,在整个信噪比区间体现出较使用单一c值更好的识别性能。考虑系统噪声和多调制指数同时变化对系统的影响,利用改进的识别流程对选定的多调制指数CPM信号集进行仿真验证,系统识别率在整个信噪比区间得到明显改善。

基于Laurent分解Multi-h CPM低复杂度解调方法

多指数连续相位调制(Multi-h CPM)因具有相位连续、包络恒定、高带宽及频率利用率等优点而备受关注,但其解调需要大量的匹配滤波器和网格状态,限制了其在工程实际中的应用;通过对Multi-h CPM信号进行Laurent分解近似处理方法来有效减少解调中所使用的匹配滤波器个数以及维特比译码过程中的网格状态数,从而降低其解调复杂度;与最大似然序列检测方法相比,采用Laurent分解可以大大减少匹配滤波器个数和网格状态数;仿真结果表明:在性能损失很少的情况下解调复杂度明显降低。