一种基于协议的短波多音信号的解调方法

焦玉龙，陈 丽

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081)

0 引 言

短波通信是最早出现且广泛应用的无线通信方法，是远距离通信的重要手段[1]。但是，短波信道复杂,不稳定，且存在多径、衰落、多普勒频移等诸多不利因素[2-3]。短波通信技术经历了几代的发展，多载波并行调制是降低多径干扰的一种重要信号波形[4]。

CLOVER是多载波并行调制中一组调制波形的总称，它专门用于高频(HF)无线电通信系统中，其中CLOVER-2000是HAL公司开发的一款高速率、宽带宽的CLOVER版本[5]，其设计旨在最大限度地提高信号的吞吐率。

1 数据传输格式分析

1.1 信号波形

CLOVER-2000信号波形采用8个单音脉冲，单音脉冲频率间隔为250 Hz，每2 ms发送一次单音脉冲，8个单音脉冲每16 ms重复一次[5]。CLOVER-2000系统脉冲发送不按频率大小顺序进行，8个单音脉冲频率参数见表1。

表1 波形参数

脉冲波形时序如图1所示。

图1 CLOVER-2000波形时序

1.2 数据调制

CLOVER-2000使用8个单音脉冲，每个单音脉冲的相位、幅度被调制或解调为离散窄带数据信道。单音脉冲帧的时间间隔固定持续16 ms，因此CLOVER-2000信号的基本调制速度为62.5码元/s。

CLOVER-2000不仅使用多单音来提高数据率，而且在每个单音上还可使用多电平差分相位调制，如在每个单音上使用4电平相位调制(QPSM)和8电平相位调制(8PSM)等，使网络数据率最高可达1 500 bps。此外，还使用2种幅度调制方式：2电平幅度调制(2ASM)和4电平幅度调制(4ASM)。其中，4ASM和16电平相位调制(16PSM)一起使用能产生最快的调制速率，达到3 000 bps；2ASM和8PSM一起使用有效数据速率达到2 000 bps。CLOVER-2000调制方式如表2所示。

表2 CLOVER-2000调制方式

1.3 CLOVER-2000协议

CLOVER-2000信号数据采用前向纠错(FEC)方式或自动重传请求(ARQ)方式进行传送。每种方式都有最佳波形参数集以供使用。

下面以ARQ方式为例进行说明。ARQ方式使用2层规约，基本层仅包含控制块的传送，所有链路维护操作在控制块中实现。另一层是数据分块层，采用较长的数据分块和高速调制波形，以便加快数据传送速率。ARQ方式的数据分块层时间分配如图2所示。

图2 ARQ数据分块层时间分配

在ARQ方式中，控制块(CCB)块使用波形格式为调制BPSM，分块大小为17 byte，效率60%；CCB包含信息包括发送数据块的波形参数、连接拆连请求等。CCB块前包含参考周期，用于为CCB和数据块提供频率和相位参数；CCB块后包含保护间隔和延迟补偿，用于补偿传播和收发等延迟。

数据块的数量可变，该参数可在CCB中解析。数据块所用的调制波形不限，均为255 byte长的数据分块，编码效率根据ARQ方式可选60%、75%或90%。

2 CLOVER-2000信号解调原理

CLOVER-2000为多音调制信号，时间差分相移键控调制的多音调制原理如下，当有M个副载波时，信号的复数表示为：

(1)

时间差分相移调制是根据前后帧之间某一单音载波的相位变化承载信息，因此，第i帧中单音载波的相位θi=θi-1+Δθ，其中Δθ根据承载信息的不同而不同。

(2)

(3)

式中：Z(k)=Akejθk，Z(k)是z(n)的离散傅立叶变换。

根据抽样定理可知，对z(t)进行采样处理，采样速率为fs，得到z(n)，对z(n)进行快速傅里叶变换(FFT)处理得到Z(k)，再进行处理即可得到所传输的信号数据。

3 基于协议的解调方法设计

CLOVER-2000协议信号由8个通道的单音脉冲组成，在采样数据读取后，先对各通道进行数字信道化、变频和滤波，分别提取8路独立的窄带采样信号，再进行后续的处理。后续处理过程主要分为CCB帧检测、定时跟踪、解调与bit拼接等处理、解调参数解析等，信号处理流程如图3所示。

图3 解调处理流程

3.1 CCB帧检测

3.1.1 帧起始检测

在短波侦察时，作为非合作方无法提前获知信号起始时间等信息，因此要进行帧起始的检测，一般采用时域或频域检测的方式获得信号的精确起始位置。

CLOVER-2000信号为多音分时传输，由于信号在多个副载波上按照规约发送调制信号，因此选择能量检测法进行信号起始检测。检测时，分别于8个中心频率处配置多组带通滤波器，滤波器输出为信号能量，通过检测信号出现前后能量差实现对信号起始时刻的精确获取[6-7]。

另外，根据单个符号持续时长为16 ms的特点，设定窗长进行码元最佳采样点的评估与细微调整，以保证在后续处理中保持对符号的精确定时。

3.1.2 时长估计

ARQ模式中，CCB模块采用BPSM调制方式，其比特速率为500 bps，CCB块大小为17 byte，因此持续时长为:

类似地，ARQ模式下数据块持续时长约为5 s，FEC模式下CCB块持续时长为0.544 s，数据块持续时长约8 s。因此，根据统计的信号持续时长来判断该块数据的模式和类别，从而识别该数据段是否属于CCB块。

3.2 CCB帧解调

在同步完成即码元起始位置确定后，对1帧的时域信号Y(n)做FFT，可以求出各个单音脉冲的幅值和相位。

由FFT 计算出信号所有单音脉冲的相位，取各音的相位值，该信号采用相位差分调制，根据前后符号相位变化来携带信息，则：

ΔΦ(k)=Φi(k)-Φi-1(k)

(4)

式中：Φi(k)为第k音第i个符号上的相位；Φi-1(k)为第k音第i-1个符号上的相位。

判断ΔΦ(k)所在象限，即可解调出相位信息，并恢复为比特[8-9]。

按照时间发送顺序，将八音信号中的比特信息进行串行提取，可以得到原发送数据，之后再对数据进行解码、还原信息等工作。由于同步一直不断在做调整,码元的起点变动会引起各个数据音的不同相位变化，解调时应对不同的数据音随同步变化做不同的相位调整[10]。

3.3 DATA帧处理

当获取某种模式下CCB块的起始时间后，可依据规约得到后续数据块起始时间，对后续的DATA帧的处理不必重新进行盲检测，仅需要进行定时跟踪即可。以ARQ模式中DATA帧为例，其起始时刻与检测到第1帧CCB时间差为TCCB+TG+Tdelay+TR+TCCB+TG+Tdelay+TR=1.088 s。

此外，根据在CCB中提取后续数据块的帧长、调制方式、编码率等参数对DATA块进行解调等处理。

4 仿真结果分析

对实际采集的信号数据进行解调处理，图4与图5为ARQ模式下，数据块分别采用QPSM、8PSM调制的解调结果，对CCB块与DATA块起始检测较为精确，依据协议信息对后续数据块进行定时跟踪并解调，其星座图效果较好。

图4 QPSM调制模式解调结果

图5 8PSM调制模式解调结果

5 结束语

多载波并行调制是短波通信中一种重要的通信方式，它通过延长码元宽度来降低多径对数据传输的影响，并在有效带宽内实现高速数据传输[11-12]。作为非合作方对CLOVER进行信号接收时，一方面使用时域能量检测、频域相位差分的方式进行信号解调；另一方面借助规约中信息(如CCB块及DATA块时长、各信号参数等)辅助检测、解调的起始位置，大幅提高了信号处理的效率，也有助于提升处理性能。