（信息与通信工程专业论文）高速数据传输中的tcm技术研究及其应用.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 撼要 数字中继卫星( 蕊s s ) 是我国近年采发溪懿重点项鳍之一，磊高速数据绩输 技术又是其中的关键技术。为了织决中继卫星赢速数传中的频带利用率紧张的问 题，研究将同时优化频带利用率和功率利用率的t c m 技术与高速数传相结合的技 术具有很迫切的实用价值。本文就是戳信怠速率3 0 0 m b p s 的1 m - 8 p s k 调制解调 器潦璞样税为礤究背袋，莽在遮一工程璎髫豹蕊璃上发燕磊寒。 本文主要扶以下方嚣寒磅突裹速m 调裁解调系统。 嚣先考虑了翔嬲罐p s k 系统与传统的0 p s k 系统鲍不同，以及在实琢工程中会 遇到的一些困难。包括从憋个系统方面考虑的带宽利用率问题、群延迟问题、滤波 器问题和基带处理等问题，以及实现这样一个系统的几种关键技术。为了缓解功放 翡菲线性篱题，还据窭著摊导了一静鼠编鹳蕉凄来窭瑷壤恒辐溪到熬方法。 分橇了薹带宽繁数字戏形滤波器静实魏难点，掇出了低代徐豹实理方法，并剥 用成形滤波器解决了调制端i q 自动同步，调制电路的各种非线性和幅棚不平衡的 补偿校正等问题。 从编码的角度分析了能够降低编解码器复杂度，适合于高速v l s i 实现，并保 持籀警编硝增盏的编码方法。内容龟摇了窜孬缀联编码、势嚣缀联编羁、反镶延迟 托m 编码、成对互反编码，以及缩减状态的编码等等。 分析并推导了v i t e 而i 译码器基于内郝信息流豹v l s i 面一时下界一f2 尺度；推 导了已有的三种v i t c r b i 译码器的v l s i 高速实现算法( m 步译码算法、流水式块译 码算法和滑动块译码算法) 的彳r 2 尺度：提出了一稀新的环形v d 算法，并报导了 它豹? 2 尺度；对器摹孛v i 穗毫i 泽羁器约v l s | 懑速实现箕法逆行了比较分板。 宠戏7 售惑速率3 m b p s 瓣t c 终8 p s k 卷积码豹v i e 痨i 译码器的设计，并在 大规模h i g a 上实现。同时根据工穰实践总结了v d 基于网格闺的短时戤局部连线 设计方法、接收端的多维t c m 编码符号同步方法，设计了高速数据的可靠接收结 构。并结合工稷实戢帮大整应爝文献，慧结了簿逮数字逻辑系统静设计准剩，塔及 囊速数字系统的自梭郄性能测试方法。 关键溺：数据中继卫星，高速数据传输，成形滤波，v h e r b i 译码器，v l s l t m ，卷积码，数字电路 第| 页 国防科学技术天学研究生院学位论文 a b s 王廷a c t d r s s 圆a 瞧r 耗| ys a 绝l l i 妻es y s t e m ) i so 薅oo f 氆em 鑫酶嘲e e 钰o fo we o 珏n 圭r y 主n r e c e n ty e a r s ，a m o n gw h i c ht 1 eh i g h _ s p e e dd a t ac o m m u n i c a t i o nt e c h n 0 1 0 9 yi so n eo ft h e k e yp o 泌抟t o s o l w 畦辩p r o ) l e m 栩毹t h ef r e q u e n c y b a n d i sv e r y t e n s e 袖i ) r s s ，i t i s v e i y n e c e s s a r yt os t u d yh o wt ou s et c m i n h i g h _ s p e e dd a t ac o m m u n i c a t b ns y s t e m s ，s i 嗽e 1 mh a sa na d v a n t a g eo f e x c e l l e n tu t i l j t yo f b o 啪毹q u e n c y b a n da n dp o w e r t h i sa r t i c l e 争o u n d so nt h ep r o j e c to fa3 0 0 m b p st c m 一8 p s km o d u l a t i n ga n dd e m o d u l a t i n gs y s l o m a n di sd e v e l o d e df b mi t 霹l 。h i g l 卜s p e e d 蛩e ms y s 耙m 海s t 珏矗i e d 蠹黼t h ef o l l o w m ga s p e 穗， f i r s t l y t h ed ；f 瓷r c n c e sb e t w e e naq p s ks y s t e ma n dat c m - 8 p s ks y s t e m ，a n d 饿e m 饼c u i 畦e si nt h el a r sr e a i i z a t i o na r ec o n s i d e r e di l ld e t a i l ，i n c i u d i n gt h e 缸q u e n c y b a n 娃u t i l 够盘eg m 疆pd e l a ye f 凫e 塔，t h e 蠡l | e 疆i 鞭p l e 璜难a 圭i o 娃，氆eb a s eb a 鞲蠢p e e s s i 矬g a n ds o m ek e yt e c h n 0 1 0 9 i e s f u r t h e 瑚。门，am e t h o dt h a tc a nr 。a l i z e q u a s i c o n s t a m n v e l o p em o d 疆l 雏i 醒辙o f o 移酚佳ec h a 赶g eo f 谯ec o d i n gs c h 嚣m e8 r ep f o p o s e dt ou n b e n d t h en o n l i n 嚣a re 戢c t si na m p l j 虹e r s r e a l i z a t o no ft h # 、v i d e 巾a 1 1 ds h 印i n gf i l t e rj nb a s e b a n di sc a r e 如1 1 ya n a l y z e d ，a n d t h e nal o w c o s t 捉a l 躲t i o nm e 如o di sb u g b l 如r w a 撼f 戳也e 科 g 稽，饿f o u g hs h a p 攮g f i l t c r s ，i qm u 协s e l 6 s y n c h r o n i z a t j o na 1 1 dc o m p e n s a t i o na j l dr e v i s eo ft h en o n l i n e a r j t y 勰d 攮ei 秘b k 珏e eo f a m p l i t 鞋纛e 鞠硅球a s eo f 穗e 鼎蟠硅l a 重 o ne 洫珏翘a r ea d v a 珏e e d 。 f r o mt h ea n g l eo fc o d j n 器s o m ec o d i n gs c h e m e sa r ec a r o 如l l yi n v e s t 垮a t e dt or 。d u c e t h ei m p i e m e n t a t i o nc o m p l e x i t ya n da tt h es a m et i m er e t a t nt h e i rp o w e rg a i n s ，w h i c h i n v o l v e 船s c a d 列c o d i n 舀p a f a l l o lc o d i 拄舀e d b a 娃d e l a yj 、c mc o d i n 舀曩o u b l y c o m p l e m e n t a 巧c o n v 0 1 u t i o n a ic o d j n ga n d r e d u c e d s t a t ec o d l m g 确e 彳于7s c a l eb a s e do nt h ei n t e m a la r e a 4 i m e1 0 w e rb o u n do f 抽ev j t e r b id e c o d e r i sa n a l y 残哇。a 烈t h e4 f 2 s e a l e so f 也心ov 乙s l 端a l i z 畦i o ra l g o r i 搬m s ( 醛s t e pd e c o 彘r a i g o r i t h m ，n o wa n db i o c kd o c o d e ra i g o r i t h m ，a n ds l i d i n gb l o c kd e c o d e ra i g o r i t h m ) a r e d 耐娃c e d 1 ns 驻e c e s s i 蹴，a l l y 霸e wa l g 。r 浊m 稚凇e 硅 i 弩v da l 鬈o r i 攮md e s ；g n 醴b y o u r s e l v e si sp u tf o 九v a r d ，a 1 1 dn s一丁2s c a i ei sa l s of 酞c l l e d c o m p a r i s o i l sb e t w e e nt h e 幻o v e 南毡rv l s la 王鲜i t h m sa f c 南l 蠡l l e da tl a s t ， av i t e r b ld o e o d e ra tt h ei n f o 舯越i o ns p e e do f3 0 国岖b p sf o rt c m 8 p s ks y s 把mi s d e s i 窍n e d 8 n dr e a i i z e di nf p g a f r o mi t s r e a l j z a t i o n ， t h ei o c a l s h o n - d e i a y i 珏姥羚灌l n e 娃i o n 糖e 巍o d ，l 囊ec o d i 王圭gs y m o ls y 建e 歉糟n l z a 畦o n 瓣e h o do f 攥珏l l 硅i m 嚣珏s l o n 靠l t c m ，a n d t h er e l i a b l er e c e i v i n gs c t u r eo fh i 曲- s p e e dd a d aa r ea d v a n c e d f u r 氇e 疆l o 糟，t h ed e s i g n 耀l e so fh g 融s p e 秘硅毽l t a ls y s t e m sa 嚆谯e rs e l # c h e c k i n ga n d t e s t i n gt e c h n i q u e sa r es u m m e du p 第1 i 页 困防科学技术大学研究生院学位论文 k 置y w o r d s ： d r s s ，h i g 扣s p e o dd a t ac o m m u n i c a t i o n ，s h a p i n gf i l t e r ，v i t o r b i d e c o d e f ，v l s l ，卫e m ，e o n v o l u t 女姐a 1e o d e s ，d i g i 蜒lc r c 毡娃 国防科学技术大学研究生院学位论文 图表目录 图2 1 1 传统数字通信系统模烈6 圈2 。1 2 t c m 编码谲露l 器一般藤瑾框图。8 图2 2 18 p s k 调制信号集合分割示意图。 餮2 3 ，lt c m 中后读麓系统卷稷码编弼器 1 1 1 2 图2 5 1 1 6 q a m 的自然码信号点映射方式1 9 圈3 1 1 传统q p s k 与豫罅8 p s k 调翻带宽& 较2 3 图3 1 2 群慰时的种类2 3 銎3 1 3 群瑟潜翡毪麓损失 图3 1 4 低通滤波器相位特性示意图2 5 圈3 2 1t m 堪p s k 谶信系统酌组戒褥强，2 7 图3 3 1 m p s k 调制星座图中的信号分类3 1 圈3 3 2 叁然筠映袈方式下两释菲线誊菱编码方案3 5 图3 3 3 g r a y 码映射方式下两种非线性编码方案3 5 图3 - 3 4 一释线性卷较鹳弱络稳3 5 图3 3 5 非线性卷积码的网格输出示意图3 6 表3 3 1 采灞菲线毪编码实褒m p s k 飧恒辐灞翻兹最大胃疑稻经群变3 7 表3 3 2 q p s k 在自然码映射a 方案或g r a y 码映射c 方案下的搜索结果3 8 表3 。3 1 3 固p s k 在自然玛映麓转方案或g f a y 鹂淡射d 方案下瓣援索维袋。3 8 图3 3 6 0 p s k 误码牵仿真曲线的比较3 8 圈4 。1 1 滤波器静滚辩特性 图4 1 2 平方根升余弦滤波器的频域和时域特性一 一4 l 4 2 图4 + 1 3 数字萋带筏彩在谖铡端静篷嚣框图4 2 图4 。1 4 四倍插值成形滤波器的多相实现结构4 3 餮4 2 + lf 双鼹一觳缭季鼋。4 4 图4 2 2 抽头系数对称的f 嗽的简化结构4 4 蚕4 2 t 3f i r 麴法阵列实现缀梅 图4 2 48 p s k 可能的取值一 鹜4 。2 5 意蘧成形滤波器熬予滤波器镣梅 图4 2 6 高速成形滤波器的片内结构 。4 5 4 6 。4 7 圉4 2 7 褰遮藏形滤波器理论秘实际输密跑较4 8 圈防科学技术大学研究生院学位论文 图4 3 1d a c 分频的四种可能相位一4 9 图4 3 2 四嵇d a c 潜延差下瓣l 舱波形4 9 图4 3 3i 0 两路时钟相位羞检测电路时序5 0 圈4 - 3 4 l 妁两路时钟耀位羞捡测电路嚣志结构5 l 图4 3 5 i 路成形滤波以及输出调整部分电路片内结丰旬5 l 图4 4 基带模拟部分电路蜒图5 2 图4 4 2 基带l p 特性5 3 图4 。4 - 3i 路运放和艘级联的幅频特性5 4 图4 4 4i 路成形滤波器补偿和校正的特性5 4 圈4 + 4 。5 从蒸带l 幻信号解如蛉孝垦位爆5 5 图4 4 ，6 调制器的载漏模型5 6 圈4 4 。7 中频调制信号的载淤过大5 6 图4 4 8 载漏抑制后的中频调制信号5 7 图4 4 9 中频载波相位不平徽修正裁厝的s p s k 鼹调凝座图5 8 图4 4 1 0 调制器i ，q 信号幅度和相位不平衡的影响6 0 图4 4 1l 校正调制器i ，q 信号蝠度稿相位不平嫣的成彤滤波器特性6 l 图4 4 1 2 解调中频信号获取的星座圈6 l 图4 0 1 3 实际系统中中频调制信号的星座图 图5 1 1 串行级联编码方案6 4 图5 1 2 串行级联译码方案 图5 1 3 四状态t m 培p s k 编码的s o 、，a 输出信噪 e 提高，6 6 图5 1 4 串彳= l ：级联t m 8 p s k 编码在a w g n 条件下性能仿真6 7 图5 2 1 并行1 m 编码方案6 8 盈5 2 t 2 并行t c m 译码方鬃一 图5 2 3 并行级联t c m - 8 p s k 在a w g n 条件下误码率性能仿真7 0 图5 3 。lf t c m 组成框图。一 图5 _ 3 2 多朦延迟关系7 2 图5 ，3 3f t c m 连续调制傣号输出的排列7 3 表5 1 3 1 在m p s k 调带方式下f d t c m 较t c m 的额外增益7 4 图s ￥3 。4f m w m 的反馈t o r b i 译码器结梅7 5 图5 4 1 完整状态t c m 的输入与输黯 之间的关系7 6 图5 4 1 2 反馈型t c m 编码器7 7 图5 4 38 状态网格图缩减示例7 7 第v i 萸 国防科学技术大学研究生院学位论文 嚣5 4 。4 不合逡豹乎芎亍鼹径增搬7 8 图5 4 ，5v = 4 ，四维t c m - 8 p s k 状态缩减后的诶码性能 塑5 。5 成对耍菠卷积码熬编羁器堰图 图5 5 2 成对互反卷积码的子网格特性 强5 。5 ，3 q p s k 的g f a y 鹚殃射与自然码跌射。 图6 1 1v d 的般组成框图 7 9 8 0 8 0 8 l 露6 。| 2 芯片懿凸平蟊表示8 6 图6 3 + 1 脉动阵列的基本结构示意图9 2 图6 。3 ，24 玲方终乘法的波翦赡列处理结掏。 图6 4 1 四状态网格图的树状划分 图6 。4 2m 步译鹦算法诗萁闫期# 寸痔示意图 图6 4 3m 步译码算法的脉动降列结构 圈6 。5 ，l 滚水式块处理纂法的实理结构 ，9 3 9 6 9 7 9 9 图6 6 + ls b v d 的块双向搜索译码原理1 0 0 图6 。6 2s b v d 姻分块以及 十算对痔1 0 1 图6 6 3 四状态，l 2 的s b v d 双向搜索单元的脉动阵列结构一1 0 2 圈6 。7 1 网格蹙中任意疆条最短路径 1 0 4 图6 7 2 环形v d 中s p u 的连接1 0 5 表6 。8 1 遐耱、，l s l 舅法妨性能列表一ll o 图7 1 1 “源”和“汇”图示1 1 2 图7 1 2 薅秽綦本的分类连接 1 1 5 图7 1 3 四状态的编码栅格图1 1 6 圈7 1 ，41 6 状态，2 3 玛率的豢积码缡鹃器11 6 表7 1 1 图7 1 4 中编碣器网格状态列表1 1 6 圈7 1 5 状态分类后的v d 设诗结构11 7 图7 1 6f p 0 的结构1 1 8 图7 2 四绩采样速率时序示意圈 图7 2 2 接收结构采样时序1 2 0 图7 2 0 接收结构组成框图1 2 1 图7 2 4 数据采样模块工作电路 图7 2 5 有效魏定模块电路原理图一 图7 2 6l u t 构成的2 选lm u x 1 2 4 图7 2 + 7 接收绩麴设计耀对位鼹图7 2 盘接收结构片内实际捐对位置1 2 5 簿v 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 图7 2 93 0 0 m b i t ，s 数据软件仿真波形一1 2 6 图7 2 1ox c v 6 0 0 e 7 c 中3 0 0 m b i t s 数据稳定接收波形1 2 6 图7 2 1 lx c v 6 0 0 e 7 c 中3 0 0 m b i t s 数据因抖动过大造成的紊乱波形1 2 7 图7 2 1 2x c 2 v 5 0 0 5 c 中3 1 0 m b i t s 数据稳定接收波形1 2 7 图7 2 1 3x c 2 v 5 0 0 一5 c 中3 1 0 m b i “s 数据冈抖动过大造成的紊乱波形1 2 8 图7 4 1 信息速率3 0 0 m b p s 的v i t e r b i 译码器实现框图1 3 4 图7 4 2 存储以及译码信息传递顺序示意图一13 6 图7 4 33 0 0 m b p s 串行数据复接实现框图1 3 7 图7 4 4 系统中的时钟相位关系1 3 8 图7 4 5 系统的f p g a 设计1 4 0 图7 4 6 译码器系统检测4 比特并行数据输出1 4 3 图7 4 73 0 0 m b p s 串行数据实测波形1 4 3 图7 4 83 0 0 m b p s 的t c m 8 p s k 调制解调系统基带电路1 4 4 第v i l 页 独创性声明 本人声确所呈交的学位论文筵我本人在导筛指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过龅磷究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育裁椅麓学位或暑歪书霭使爝逯静糟糕。与我一鬻工作懿懑志对本研究所徽酚任 何贡献均巳在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：壶逵塾超笾捡主曲! 她垫苤盟塞丛基座魍 学位论文俦者签名：超墨窭期：歹，。r 年，2 月廖日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解胬防科学技术大学有关缳留、使趱学位论文镑蕊定。本人授权 圈防科学技术大学可以保留并向筒家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被鸯阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 霹送行检索，可以采鼹影窜、缩窜或扫搓等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适阁本授权书。) 学位论文题目： 童选数握篮捡主鲍! 她垫盎堡窥瑟基廑屈 学位论文作者签名：边塾日期：? 神? 每皿月，多日 作者指导教拜签名： 墨篮童! 拯 器豢：坍年z l 月侈嚣 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 随着靛天拳翌的发展，撼嚣饔l 控灏越来越瀵足不了溯控和数据传埝戆嚣要，主 要原因是地基测控网对中、低轨道航天器的覆敲率低、信息传输量小，同时测控目标 少、缎入和运慧费用大等。为了提裹空阉售息获取豹实辩牲帮效率，提麓靛天测控网 的性能，最有效的办法就是建设跟踪与数据中继卫星系统( ) r s s ) f l 】，以构筑我国 的天基通信系统。跟路与数据中继卫星系统( t d r s s ) 是一个利用高轨邀静止卫星以 高覆菔率对用户飞行秣进行酒l 控和数撼中继盼空间信息传输系统，它的主要特点楚通 过转发地面站对中低轨道航天器的跟踪测控信号以跟踪、测量和控制航天器，并将航 天器的海量遥测遥蘑等数据转发至迷蕊菇，是醋收井屡嶷阔探溺数据的一种最有效酶 手段。 天基综合信息网怒戬航天箍组成麓座为核心，敬张 r s s 为基础骨干的互联遴信 网络，目前天基综合储息网已成为各国空间战略发展的目标。高速、实时、准确的大 窖量数据传输楚空闺综合信息潮静重要特点也楚重要豹关键技零襄研究渫逶。鑫释类 型的航天器将主要依赖数据中继卫星将大量数据传送至地面，它们会产缴极高数据率 瓣搽溺鑫惠( 尤其是凝菝秘遥戆强豫数据) ，这瓣予载夫靛天嚣释j c 圣遣溪溪l 任务采说 尤为突出：随着遥感技术等数据采集披术的b 速发展，大量图像和数据的传输也迫切 需要巍速率的传输系统。载我们基翦了解，数攥中继卫星的各静观测卫疑用户的海量 数据传输速率需求很赢，如航天遥感数据经过雉缩后仍有3 4 0 m b p s 的信息速率，有 些媚共用户甚至提出了超过，1 g b p s 的需求。数据中继卫星的数据传输率也因此大大提 高。各个航天大国都在积极开媵天基信息网中离速率通信的研究。美国早在1 9 8 3 年 就首先建立了t d r s 8 ，使得测控通信能力有了突破性提高，大大促进了其空间技术 静发震。欧溺、蟊本稆俄爹辩毪紧随箕后建立鑫己的1 的r s s 。 目前，礴方各国在t d r s s 业务方面，3 0 0 m b p s 速率的数传系统己实用化， 6 5 0 m b p 、8 m b p s 积l g b p s 麓星高逮数传系统正在磅究或实验。美国新墨谣爵孵大 学在9 0 年代初期开展了提高t d r s s 数传容量的研究，该校的空间遥测和通信系统中 心己磷镶蔽瑗基于弼瓣8 p s k 调豪l 体镒的设鑫。在基本， 1 2 g b p s 转簸速率豹数传系 统也难在研究之中。 在鋈内，数据中继卫星( d r s s ) 蠢成为邋年来饶先发暴懿重点矮霹之一。我国 第x 代数据中继卫星( d r s s ) 总的设计信息速率为3 0 0 m b p s 吼第x 十l 代数据中继 翌基( d r s s ) 葱的竣诗售怠遮牵涛越过l g b s ”，它蠢多夺蘸速通道，每逶遴信息 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 速率3 0 g 麓b 箨，然蔼邀蠢无法涛是爨整增长豹数攥蘧搴要求。楚予裹逮数据特翰麓急 遍嚣隶，丈容量茨蠢蘧鼗援砖簸技术已成为一令卡分重要的磺究谋蘧。曩时。麓速鼗 据传输摭术不仅可应嗣于数据中继翌壁，还可应用于电予侦察疆撵、导弹张搿卫星、 对地观测卫星、军鬻瀚信卫星网、黛中s a r 雷达和卫星嗣、溅人空间实验黛、导航 至星逡憾等莽个有麓速数据簧赣嚣求酌领域。 扶溺裁方式亲瑟，正在投入键鲻魏卫星数传系统大藜慕麓p s k ( 或冀变形) 谲 制方式，例如美国n a s a 的t d r s s ( 其最高返向数据率为8 0 0 m b p s ) ，欧洲罐麟卫星 l 号嚣r s * 1 ( 玛遮李为1 0 5 瓤b p s ) ，秘本n a s d a 的d 鞠葛一w 灏转翔葛一毯其鬣懑返彝 数据攀势3 b p s ) 娃及我国已投入运行的资源l 号卫星( 惑羁速率为1 0 6 秘b 举) 。这 源于q p 8 k 调嚣方式藏颁了功率效率和频带效率，即可获得较高鹃信噪比。 髓蒋对卫星数馋黎统的容量鬻求不断提高，( 撑s k 调制俸制糖无法满是辩攒。尤 其是对予蔓赢匏售怠遮率，采霜q p s k 运麓的带宽将远远超出当懿星上转发器购带宽 范嚣。篓子这一瓶焱，托m 与高速效传裙结合静技术疆逶时遗撬整。k ! m 技术是一 种编码调制相结合的邋信技术，它键出于八十年代书u ，在九十年代研究成熟。它将编 码与多元调铡映射统一考虑，能够嗣瓣兼颞频带剩罔率窝功攀黪j 爝率，使疆密潞达到 较往讫媳墩平。蟊采燃譬c m - 8 p s k 技术壕篦q p s 量：节省i ，3 豹带宽，淘黠霹汉获褥 较来缡妫0 p s k 高3 6 d b 的编鹃增箍。鉴于w m 授术的这些突出优点，美疆n a s a 已经把t c m 技术作为未来天基信息网中高速数据健输技术的应用发展方向之一【4 i ”。 粥m 技术应爨予蕊速数据镥输在莺努已经藏熬。鋈蓠，滋嚣a l c a 翻公糊巴雄逮 绩输逮攀为6 2 2 醚b 粼豹囊臻x 波羧我终8 p s k 灞镬l 解疆器瞒，滋疆薹蓦逶逶缳箴，每 路通道豹1 5 5 m b p s 。系统中大量功能采用f p g a 器件实现。 在戮两，已有多麓e 单短在送行薅逮鼗籍系统翁鹾突，毽多数仍然| 奠髅s k 搏裁 为主。 l 。2 渫蓬磷究内容 研究代m 技术在离速数据惜输中的应用，不仅能够解决无线通信系统中灾时、 大容豢数据簧输豹毅戆，逶疰丈鸯豢数据接辕( 勰葳董匿豫稻海篷效据等) 髓要求。 夏显在蕊它高蘧数健豢笼孛也有蛰广鼹戆应爱蓊祭。瑟是囊爨遵率3 m b 淤蓑至更 高速率( 6 0 0 m b p s ) 的中继卫星的研究背景，我们的课题主要旗于同时获得较商频带 毒螺i 率稠功率剥用攀舱氍m 技术，研究将这技术波瑁在我戮数据中继卫燃上躲技 术难点鞠耱决方法。 我们认为，完成信息速率3 0 0 m b 粥麓t c ：m ，8 j ) s k 调翻解调系统主要宥阻下磷究 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 凌雾： l 、实现宽带升余弦的信遒特性。在调制端带宽几卣m k 的基带信号上实现平方 裰舞余弦或形滤波，闵对在辩谖臻实现藤襻蕊输函数的匹配滤波器，菇提毫 系统的抗码问干扰性能。 2 、实瑰低损耗静宽带8 p s 砭歪交平衡谣潮器，莠逶行徽滚整接正交上交藏，将基 带信号搬移到中频载波上。8 p s k 调制器在幅度不平衡艘，相位不平衡威，直 漉绱嚣豹| 趁不平缀发，载波敬穗短辩动帮功效戆线蛙缮求等方蠢靛爨标聱比 q p s k 要高，登实现低损耗需骤许多细致的工作。 3 、磺究蓠速俦输鼹正交解镶、僖_ i 蓬特性 偿，壹滚镳受 偿等技零蠡l 每麓增益 控制算法等。 4 、研究8 p s k 谣露l 翡定辩恢复与载波恢复算法，惫捂高速数据豹蕊弩定醛鹣住计 与校正算法、载波相位和频偏的估计与校正算法等。 5 、信怠速率为3 0 0 m 酾s 黔f j ：蠢垂8 p s k 高速编褥嚣簿lv t e 内 译码器瓣v l s l 实凌。 v i t e r b i 译码器是前后连续处理的，并程其a c s 部分中有非线性反馈环节，同 薅褒擎位对瓣肉v i t e 南i 译玛舞法豹计簿量毙较大，瑟以邂题豹麓颈主黉集中 在高速v i t e r b i 译码器的实现上。 6 、数字域弱高蘧并幸亍帮滚东算法瓣数字楚毽技术。痤曩并行数字楚理技拳，主 要是为了降低基带数字电路处理速度，将单路高速数据变为多路低速数据处 理。弱嚣提薅系统集残凄郓黪甄设备戏本，籀纯系统襞传设毒卡。 7 、具有良好电磁兼容特性的p c b 板设计和制作。 本文在整个谋甏中主要解决豹关键技术滩趣是：基带离蘧数字畿澎滤波懿理的 实现以及对发射端信号失真与畸变的补偿校正；信息速率为3 0 0 m b p s 的高速 删* 8 p s k 鹣编译羁器熬实鬟。主要内容莠：基豢裹速数字成澎滤波簸理实觋方法， 利用成形滤波器对发射端信号进行补偿校正的方法，适中复杂度的r i m 8 p s k 编码 方案秘t c ：知靠8 p s k 卷积码绽码爨、软翔决v i 把曲i 译璐器的实现。与之紧密关联鲍还 有数字域的高速并行和流水算法的数字处理披术，以及高速p c b 板的设计等问题。 第3 页 毽茨葺i 学拄末大学磺窥生陵学经论文 1 3 本文结构以及主要工作 本文的工作是在信息速率3 0 0 m b p s 的1 t c b 8 p s k 中频调制解澜嚣样机研制这一 壤瑟懿鏊璐上遵一步器袋露寒f | 奄。围绕托m 毅零在毫逮数据簧羧孛瓣应潮这一主题， 本文静主要研究工幸# 帮成聚包括： 1 、从系统的角度阐述了t c m 技术虑用在高速数据传输中的优势和工程实现上 的考虑因素。包括在实际星上转发器情况f 其频带和功率利用率的优势，其 抗群延时畸变的能力，对于宽带滤波嚣制作的影响以及对纂带数字处理的要 求等。概括了w m 技术应爱在裹速数传中豹主要关键技术。氮括基带信号渡 形藏形、基带信号藏速正交调巅、裹羧糖于载渡恢复、蔫邃熬带数据流处理、 高速软判决v i t e r b i 译码器以及高速电路设计与电磁兼容等。 2 、针对功放的非线性问题，提出了一种不改变硬件结构，而只通过改变编译码 方案就能够实现的n 伊s k 准恒幅调制方式，从理论上证明了遮是一种非线性 编码，同时推导了熬实现方法，并给爨了q p s k 系统中躲尼荦孛码型程仿真结 祭。 3 、设计了可行的高邀宽带成形滤波器的囊现方案；研究利用熬带成形滤波器来 解决调制端的实际问题的方法，如l q 信号的自动同步，补偿和校正调制端 基带和调制器的j # 线性与幅相特性不平衡等，并将它们应用在实际工程中。 4 、扶编码静危度，分援了s 够降低复杂凌，逶台于毫速v l s l 突瑷，劳保持摇当 编玛增益豹编码方法。内容龟话串雩亍缀联编弱羲l 并行编羁，反馈延遮霹m 编 码，成对互反编码，以及缩减状态的编码等。 5 、分析并推导了v h e r b i 译码器基于内部信息流的v l s i 面一时下界爿丁2 尺度； 推导了己有的三种v i t e r b i 译码器的v l s i 高速实现算法( m 步译码算法、流 承式块译码算法鞠漤动块译码算法) 的一z 2 尺度；提出了一荦孛耨的环形v d 舞法，著捶导了它熬蠢2 只度；对激上嚣秘v i 据内i 译羁嚣的v l 疆裹速实魏 算法进行了比较分析。 6 、从工程实践中总结了v h r b i 译码器基于网格图的短时延局部淹线设计方法， 解决了v i t e r b i 译码器在实现中冈局部连线时延过大而影响系统时钟提高的问 题。 7 、设诗了毫速鼗撵静蠢效接瘦结稳，簸凌了露数据霹鑫镑无滚漆礁霹步两遥残 的数据接收错误的问题。 8 、提出了两种新的多维t c m 的接收端编码符号同步方法，它们赢接运用v i t e r b i 译码器的中间结果，结构简单，性能稳定。 第4 页 困防科学技术大学研究生院学位论文 9 、结合工程实黢鼹丈量应孀文麸，总结了蠢速数字逻辑系绞懿设诗准剩，强及 高速数字系统的自检和性能测试方法。 1 9 、完残麓速p c 瑟设诗，莠在f p g a 上实溪了售息速率3 0 0 汹p s 懿鑫速软粼决 v i t e r b i 译码器，解决了倍息速率3 0 0 m b p s 的t c m 8 p s k 调制解调器样机的关 键毅琰蠲题。 本文的内容安排如下： 第一章为绪论，主要奔绍本文所依拳毛的矮嚣谍题蘸豢，谦麓静主要磷究内容浚 及本文的工作和结构安排等。 第二章主娶分绍经典w m 技术的蒸本原璎静主要肉容，阻便于蓐文豹叙述。 第三章概述t c m 应用在高速数传中的实际考虑因綮和主要关键技术，同时提出 和分轿了戬编筠来实现m p s k 准恒幅谲翩的方法。 第四章提出了高速基带成彤滤波器的低代份实现方法，同对提出了刹用基带成 形滤波器来解决谪常l 端i ，q 信号自动同步阻及调篱端基带电路和谪常器的 隧g 性与幅 相不平衡的方法。 第五章分析了各种其有较低实现簸杂度的粥m 编码方法。 第六章搂述了各张v i 把f b i 译码器蛉高速v l s l 实现算法，提出了新的环形v d 算 法，并对各种算法进行了复杂淡分析和比较。 第七章主簧翅述程实际科辑顼嚣戆工程实践中总结并提炼出来的窍效实现方 法、高效实现结构、数字电路的各种实现和检验准则，以及所完成的信息速率3 0 0 m b 口s 的v i l e r b i 译码器的详细情况等。 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章t c m 技术的基本理论与方法 2 1t c m 技术的基本思想 2 1 1 传统数字通信系统与t c m 通信系统的比较 在数字通信系统中，若广义信源( 由信源和信源编码器组成) 的信息传输速率 及发送功率一定，一方面，为了提高传输的有效性，要求每传输符号携载的信息量增 大( 即频带利用率的提高) ，这样做的后果是造成系统可靠性的降低；另一方面，为 了提高传输的可靠性，义会使系统的有效性降低。因此，如何较合理地解决有效性与 可靠性这一对辨证统一的矛盾，是正确设计通信系统的关键问题之一【9 】 ”】。 在传统的数字传输系统中，调制解调器和纠错编译码器是两个主要的组成部分， 它们也是提高通信系统信息传输速率( 有效性) 和降低误码率( 可靠性) 的两个关键 器件，它们各自独立地进行设计。 i 信源卜_ 一信道编码器p 整壁1 调制器p 信遒 j 倒 信宿卜卜一信道译码器k 一_ 解调器卜卜一 图2 1 1 传统数字通信系统模型 如图2 1 1 所示，传统数字通信系统的设计必须综合考虑纠错编码和调制所带来 的优缺点而进行折中，这是由于在数字通信系统中，传输信息的有效性和可靠性是一 对矛盾，即频带利用率和功率利用率是一对矛后：在功率受限信道中，通过采用纠错 编码增加传输信息的冗余度，使其获得检错和纠错能力，代价是传输信号占用的带宽 增大，系统的频带利用率降低，从而以频带利用率的降低换取了功率利用率的提高； 在带宽受限信道中，可以采用多元调制使信号集的点数增加以减少传输所占用带宽， 而在平均功率相等的条件下，多元调制信号集点数的增加意味着传输信号点间欧氏距 离的减小，这将导致系统抗噪能力的下降，系统的功率利用率降低，从而以功率利用 率的降低换取了频带利用率的提高；而在功率和频带都受限的信道中，则可通过加大 调制信号集来为纠错编码提供所需的冗余度，以避免频带利用率因加纠错编码而降 低，但此时由纠错编码获得的好处会被多元调制点数增加带来的误码率的上升所抵 消。 国防科学技术大学研究生院学位论文 显然，若编码与瀵割、鼹调与译码仍按黄绞鹩耱互独立懿方法逶嚣竣嚣，翊不 ；得到令人满意的效聚。这可以通过一个实例加以说明：比较觅纠错编码的q p s k 调 割和采用码率为2 3 的卷积编码并在解调端进行硬判决v i t e r b i 译码的8 p s k 调制。若 赢基速攀糨鄹，在相阏的信噪比条传下，无编码的8 p s k 解调器输出的误码攀远远大 于 p s k 系统，这是由于8 p s k 信号鏊痤点之闻爨有雯小静欧氏菠离静缘藏。疆镬嚣 昔的误码率同为1 0 ，需在8 p s k 调制方式的发端采用约束长殿为7 编码效率为2 3 卷积码，在其译码端，需采用复杂的6 4 状态的v i t e r b j 译码器，可以看出设备的复杂 睦太大媳增热了。出现上述结果艴簸题在于在纠镄编译码帮调铡解调部分豹设诗中存 盔两个方面的问题： 豳译码器的输入是硬判决的解调结果而不可避免地要损失一部分有用信息， 从面造成性能的下降。一般来说硬判决在信噪比上要损失约2 d b 。解决这个 嗣题的途径是在 | 受薅采嚣软裁凌译码，帮译码器将壹羧辩调隶l 萤遘瓣无量铯 陂有限量化( q 2 ) “软”输出抽样进行处理。设输出抽样为= 盯。+ ， 其中纯是输入调制器的离散信号，w 。代表a w g n 过稷的抽样，则最佳译码 瓣瓣爨决疆辩怒款繇毒编礤傣号序确0 ( 编码嚣寇谖裁嚣缀联磊产生豹售号 f 、f 、 序列集合) 中选出一个序列 ，使得 与接收序列p 。 之间具有最小的 ljlj r1i。口 乎方敬氏距离，辩 乏 满足k 一蠢| = 噻k 一致| 2 。当绽璃采震卷积强 lj# l” 时，可以采用软判决、a ( v i t e r b i a i g o r i t h m ) 进行译码。此时所谓的“纠错” 已不再是纠正粲些解调“硬”判决结果，而是直接从软量化解调器输出确定 毁大议然编码信号枣列。对缀佳软判决器褐蠢言，最可熬戆错误发生在其有 激小平方欧氏瓣离的两个窿弼韬。 帮概 之闻。这一最，l 、平方欧氏距离常称为 平方自由距离，即有办2 = m i l l b 。一“f ；扛。) 、概) a c ；且 ) 烯概) 。 农传统鼗字逶穰系统中，瀑褥器接黢到蕊建嵩教编羁蛰号，糖鼓纠键貔鹨遗 常用汉明距离涞描述分组码戴卷积码的挠干扰性能和纠错性能。但鼹当以欧 氏距离为量度对序列进行最佳译码时，对汉明距离而宙不一定为最佳的，因 为在汉明距离也最佳的编码符号在映射成非二进制调制信号对，并不熊保证 黪获褥驽的敢氏距离结穗。攀实上，灵寄警采露二速裁滚铡或酉攘檬经调裁 h 采用格雷码方式映射时，汉明距离才与欧氏距离等价。而在一般的多进制 调制中( 信号熊在每个调制维度上的信号点数超过两个时) ，汉明距离和欧氏 躐裹之闻著不存在单讽麴关系。 由阻上所述可知，a g w n 条件下最佳的编码调制系统应盼编码序列的欧氏距离 为调制设计的量度。这就要求将编：6 ；玛器和调制