轻松愉快改善PCM/FM 链路

Colm Fewer MSEE, Sinbad Wilmot MSEE

ACRA CONTROL INC

摘要

自20世纪70年代以来，PCM/FM 始终是无线遥测领域主流的调制方法。然而，数据传输速率越来越高而频谱资源越来越紧张，人们不得不考虑采用更先进的传输方式以应对这些挑战。美国军方倡导的 ARTM（Advanced Range TeleMetry，先进靶场遥测）项目所推出的 Tier-I 和 Tier-II （一级和二级系统）已成功实现了对PCM/FM链路的改善和增强。但是，这些技术将显著增加接收机和解码器的复杂程度。

本文将探讨一种定量分析的方法，说明如何提高现有PCM/FM链路的传输速率和信号质量。ACRA CONTROL 公司和BAE 公司合作，重新研究预调制滤波器、分集合成器和位同步器，引入可编程、数字化的概念改造这些硬件，以综合平衡脉冲整形、频谱占用、前向纠错和智能信号源选择等因素。本文将分别介绍针对以上多个环节的改进是如何影响遥测链路的。

关键字：PCM/FM，频谱效率，前向纠错，最佳信号源选择

1 介绍

飞行试验测试设备功能日益强大，建立更高速率、更优品质的机上和地面遥测链路的呼声日益高涨。PCM/FM 以简单、可靠的优势，30多年来始终是主流的遥测调制方式。许多试飞机构也因此投入大量资金，建设了符合此标准的机载和地面遥测系统。

最近几年一些新的、旨在改善遥测频谱效率的调制技术（ARTM Tier-I 和Tier-II）渐有成为标准的趋势。尽管这些新的调制技术确实实现了设计目标，但实施它们却需要采用远为复杂的调制器、解调器和检测方法，同时系统所需的锁定时间更长。

BAE 公司和ACRA 公司协商确定了一套改进现有PCM/FM链路，并评估链路质量及传输速率的方案：将改进后的系统与Tier-I 解调器进行对比，比较二者的误码率、频谱效率、同步/锁定时间，以及信号失真（如频率选择性多径干扰）的耐受力。本文描述了PCM/FM链路改进计划第一阶段的工作及其效果评估。

2 被测试的硬件

本文所描述的技术及试验是在ACRA CONTROL公司开发的硬件上完成的。被测试的硬件主要有以下两种：

2.1 可编程预调制滤波器

ENC/106 是KAM-500数据采集系统的一个异步PCM 输出模块，内置可编程预调制滤波器（PMF）。该滤波器通常被设置为6阶线性相位贝赛尔滤波器。

除了能支持多种位速率和输出幅值之外，此PMF亦能改变滤波器的类型。这两点对于传统的采用模拟器件的滤波器（如高斯滤波器 Gaussian filter，Sinc滤波器和根余弦滤波器root-raised cosine ）而言非常困难，甚至是根本不可能实现。

2.2 可编程位同步器

GTS/DEC/003是一款全数字并兼容PCI总线的可编程位同步器和解调器，其位同步部分的功能框图如下：

图一：可编程位同步器的功能框图

位同步器的灵活性主要由可编程匹配滤波器决定。如同前面所描述的预调制滤波器，此位同步模组所使用的匹配滤波器能支持最长8个符元的任意脉冲波形。脉冲整形符号间干扰均衡器（pulse-shape inter-symbol interference equalization）也能根据脉冲的波形所决定的符号间干扰的情况，作出相适应的调整。另外，该位同步器采用模块化概念设计，很容易实现多通道符号流的位同步。

3 改善遥测链路

本章将描述用于改善PCM/FM 遥测链路的技术。

3.2            智能信号源选择（Smart Source Selection）

许多PCM/FM 使用了某种发射或接收分集合成技术以改善遥测链路：发送或接收两种甚至更多信号，进行某种方式的合成或者选择最优信号，以确保合成之后信号的误码率远远低于任何一种独立信号的误码率。最常见的分集合成技术有三种：空间分集合成、频率分集合成以及极化分集合成。

PCM/FM 系统根据接收到的多路遥测信号的相对噪声功率，对中频信号进行分集合成---该方法被称为检前分集合成（Pre-Detection Combining）。其它技术如对解调后的多路基带信号进行权值优化---称为检后分集合成（Post-Detection Combining）；也有采用数学算法，如记录丢失同步的次数或计算基带信号噪声等级等，在两路（或多路）信号之间动态切换----称为最佳信号源选择（Best Source Selection）或最佳数据选择（Best Data Selection）。本文描述的是我们所使用的信号相关技术，也称最大比合并技术（MRC---Maximum Ratio Combining），框图如下：

图二：最大比合并模组的功能框图

两路不同的基带信号进入双通道位同步器，以恢复软符号键值（Soft Symbol Values），输出的一路符元串（symbol stream）首先进入一个自适应延迟模组添加一定的时间延迟，之后与另一路符元串一并进行时钟同步。该同步器连续工作，符元串的路径延迟（Path Delay） 发生变化时，仍能确保同步锁定。同步后的符元串被送入最大比合并器，比较、合并后确定每个符号的软判决位值（Soft Bit Values）。

最大比合并的优点是：高集成度、简便实用而且成本不高，它同时也是一种稳定可靠的技术，目前已能同步多路最大差距256位的信号流。另外，合并后的软判决符号流能被前向纠错（Forward Error Correction）解码器直接使用，从而能让这两种改善遥测链路的技术同时起到作用。

3.2  脉冲整形（Pulse Shaping）

典型PCM/FM 发射系统包括PCM 编码器、预调制滤波器、调频发射机和发射天线。预调制滤波器接收脉冲源码，对其滤波以使调制后的信号符合一定的频谱约束性（Spectral Containment）要求。

传统的预调制滤波器由模拟器件组成，仅能接收固定码率的位流，并实现固定的滤波特性。采用全数字预调制滤波器（如第2.1章所述）能实现更高的集成度、最小的体积和最低的成本。该滤波器能处理多种位速率的PCM码流，并能输出多种幅值的信号。除此之外，数字化的优势使它能输出差不多任意一种脉冲波形。以下列出的是已被充分测试过的波形：

              •      PCM/FM  6阶贝塞尔滤波（也被称为 ARTM Tier-0）

                        o     此类滤波器接收{+1, -1} 集合的对映脉冲（Antipodal Impulses），响应特行为上升余弦脉冲响应（ Raised Cosine Impulse Response）。

              •      二进制平方根升余弦脉冲（Binary Root-Raised Cosine Pulses，简称BRRC）

                        o     此类滤波器接收{+1, -1} 集合的对映脉冲（Antipodal Impulses），响应特行为平方根升余弦脉冲响应（Root-Raised Cosine Impulse Response）。

              •      四相限平方根升余弦脉冲（Quaternary Root-Raised Cosine ，简称QRRC）

                        o     该滤波器接收{+3, +1, -1, -3}集合的脉冲，响应特性为平方根升余弦脉冲响应（ Root-Raised Cosine Impulse Response），与 BRRC 类似。每两个位元被合并后用一个符号元来表示。

                        o     符号元解码采用灰度编码算法（Grey Coding Scheme）。符号元错误只会造成某一位的错误。

平方根升余弦脉冲的主要优点是：当使用相同滤波器（如位同步器中的匹配滤波器）处理时，符号周期（Symbol Period）相对于理想采样点的变化不会造成额外的符号间干扰（Inter-Symbol Interference），能省去符号间干扰均衡器（ISI Equalization），而其他脉冲信号的位同步必须使用此均衡器。下图列出了常用的三种脉冲波形，脉冲幅值已被均一化以反应相同的位能量（Bit Energy）

 

图三 : Tier-0, BRRC 和QRRC的脉冲形状

3.3 前向纠错（Forward Error Correction ）

当今的无线通讯系统使用了很多前向纠错编码，包括卷积码（Convolutional Codes）、Turbo码（Turbo Codes）和低密度校验码（LDPC---Low Density Parity Check）等。所有这些技术均会在数据流中增加一些容错码，以便接收机检测并在一定程度上修复因信号传输所造成的码元错误。

本文所使用的是半速率卷积码（half-rate convolutional code），k值为7，该码型已被广泛应用在遥测产品中。其优势在于编码器很简单（减小机载硬件设备的复杂程度），它是一种流编码，没有“帧”的概念，这有利于减少失锁后重新同步的时间。

4 实验结果及数据分析

4.1 脉冲波形分析

图四绘出了三种脉冲被滤波后的图形序列，幅值已被均一化均衡各种脉冲的位能量（bit energy）

 

 

图四：Tier-0, BRRC 和 QRRC 滤波后的码冲序列

需注意，QRRC脉冲每个符号元（symbol）是由两个“bit”合并而成，该脉冲有四种位值。这意味着传输给定位速率的数据流，QRRC脉冲的符号速率（symbol rate）是Tier-0 或 BRRC 脉冲的一半。换句话说，当符号速率相同时，QRRC脉冲比其他脉冲（如前面所描述的二进制脉冲）传输的数据速率提高两倍。这就是我们在文章后半段所反复强调的技术。

 

理论上讲，QRRC 脉冲在不占用额外频谱资源的前提下，能将数据的传输速率提高两倍。为说明这点，在图五中画出了Tier-0、BRRC 和 QRRC 三种整形脉冲在4M符号/秒（symbol/s） 速率下的频谱图，Tier-0 和 BRRC 的等效位速率是 4 Mbps, 而 QRRC 则为 8 M bps。

注意：需适当调整调制度（modulation index）来确保 BRRC 和 QRRC 脉冲在带宽及峰值功率方面实现最优化的分集合成，这对于能输出多种幅值且可软件设置的预调制滤波器而言简直易如反掌。

 

 

图五： 经PCM/FM 调制后的Tier-0, BRRC 和 QRRC 信号频谱

注： QRRC 的传输位速率是其它整形脉冲的两倍。

 

测得信号99% 带宽的频谱如下：

Ÿ    Tier-0: 4.51 MHz

Ÿ    BRRC: 4.01 MHz

Ÿ    QRRC: 4.49 MHz

如图所示：Tier-0 和 QRRC占用的频带资源基本相同（后者的峰值功率有时会高于前者），QRRC的传输位速率是其它两种脉冲的两倍。

4.2 误码率测试结果

为验证前述技术对遥测链路的改善能力，ACRA 和BAE 公司在不同噪声条件下进行了一系列测试，专门开发的软件在PC机上产生带有一定加性高斯白噪声（AWGN--- additive white Gaussian noise）的数据流，被采样并绕过数模转换器后直接进入板卡上的位同步器。解调后的数据帧被存储在PC机上，由软件分析位同步的误码情况。

 

图六：GTS/DEC/003 的数据仿真路径

4.2.1 Tier-0 和带有最大比合并的 BRRC

下图绘出 Tier-0 和 BRRC（使用和不使用最大比合并技术）的位同步器的误码率情况。4 Mbps 位速率。

图七：Tier-0和BRRC 脉冲形状的误码率对比

实验证明，不用最大比合并技术MRC时 Tier-0 和 BRRC 脉冲的性能与理论二进制脉冲整形的性能差距在0.1 dB 之内；使用MRC后，性能提高2.5dB 到3dB之间。实验发现信噪比（Eb/No）最小1dB时 MRC 也能发挥改善信道的作用，这说明 MRC 流同步功能能在高噪声环境下正常工作。

4.2.2 带有MRC 的 QRRC

下图描绘出使用和不使用最大比合并技术MRC 情况下，QRRC 脉冲整形信号的误码率性能。该脉冲整形信号的码速率为8M bps，频谱占用却相当于4Mbps的Tier-0 和 BRRC 脉冲。

 

 

 

图八：使用和不使用MRC时QRRC信号的误码率性能

正如 M-ary PAM 理论所预见到的，四相限平方根升余弦脉冲 QRRC 会导致超过4dB的信道损耗。使用MRC技术后可将此信道损耗减少到2dB以内（误码率为10^-6时）。与二进制脉冲整形信号（Tier-0 和 BRRC）相比，QRRC的误码率曲线在低Eb/No 时交汇于一点，这反映了此时同步两路数据流的困难程度。

尽管误码率性能有所下降，QRRC 脉冲整形能利用相同的频谱资源传输两倍位速率的数据，它更适合于用在低噪声而且信道预算充足的场合。

4.2.3 采用MRC 和 CFEC技术的QRRC

下图描绘出使用最大比合并技术（MRC）和卷积前向纠错技术（CFEC--- Convolutional Forward Error Correction）后，QRRC 的误码率特性。测试过程中，采用半速率卷积码对数据进行编码：数据信息的真实速率是4Mbps，采用卷积码后实际输出速率为8Mbps。

 

 

图九：采用MRC和CFEC后的QRRC脉冲编码的误码率曲线

实验观察到，前向纠错会增加信道的传输负载，但能使信道性能提高3 dB以上（误码率为10^-6）。采用最大比合并后，性能提高达到6 dB。但需注意低Eb/No（信噪比）时，改善效果会随之减少，主要因为此时两路信号存在大量误码，实现同步困难较大。