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。     

一种基于“相位距离”降低CPM解调复杂度的新算法

连续相位调制(CPM)是一种恒包络的高效调制方式,由于其解调算法复杂度高,其应用长期以来受到限制。传统的CPM解调算法基本上是基于幅度信息而未考虑相位信息,因此复杂度较高。本文提出了一种依据CPM信号特征的相位距离的定义,利用2RC-4CPM对该定义的有效性进行了验证,并将其应用于降低最大似然序列检测算法的路径数,从而大幅降低了最优接收机解调的复杂度。仿真表明,在选取适当门限值的情况下,基于相位距离的最大似然序列检测算法性能接近最优接收机。     

连续相位调制的非相干复合网格解调算法

该文提出了一种基于复合网格处理的CPM信号非相干解调算法。该算法将CPM信号的基本网格图和相位旋转网格图合并组成复合网格图,并在复合网格图的单元网格之间引入状态耦合转移,实现了对CPM信号初始相位和频偏的有效跟踪。仿真表明,当单元网格数达到4个以上时,该文提出的非相干解调算法性能非常接近相干解调,且具有较好的频偏跟踪性能,对于载波恢复困难的盲解调情况具有实用意义。     

采用频域处理和差分相位检测器的M进制CPM接收机

提出一种采用频域处理和差分相位检测的M进制连续相位调制(CPM)接收机。这种CPM接收机是通过在频域上均衡相关的CPM相位信号恢复多电平M进制信息数据,而不是通过传统的最大似然序列估计(如Viterbi算法)在时域上对信号进行译码检测。为了采用频域处理或频域相位均衡,发射机和接收机分别采用循环前缀协助发射和差分相位检测。所提出这种结合差分相位检测和频域相位均衡的方法克服了使用基于分解的相关器和最大似然序列估计器的传统CPM接收机计算复杂度大的缺点,其相对于传统CPM接收机的性能损失则很小。以CPM解调参数(如调制指数和相位制约长度)来衡量,提出的接收机计算复杂度成对数增长,而Viterbi算法的复杂度是成指数增长。另外,差分相位检测器和频域相位均衡器取代了传统基于分解的CPM接收机中的一组相关器和滤波器。数学仿真结果表明提出的CPM接收机与采用基于分解的相关器的基于Viterbi算法的译码器的误比特性能接近。     

基于可靠度的连续相位软解调算法及仿真

连续相位调制具有频谱利用率高、较低的带外功率、信号恒包络等特性,广泛地应用于无线通信系统中。然而现有的基于概率域的解调算法复杂度较高,不具有实用价值。针对这一问题对高效的相位连续调制技术进行了详细讨论,进而提出了基于可靠度的低复杂度CPM软解调算法。提出的软解调算法计算接收信号与调制信号之间的相关值,并将其作为信息度量。算法不依赖于信道噪声方差,避免了信道噪声方差估计不准确对解调性能带来的影响。仿真结果表明,提出的基于可靠度的软解调算法的性能与概率域下的解调算法几乎没有差异,并且完全能够与现代纠错码相结合,从而提高通信系统的可靠性。     

多进制部分响应Multi-h CPM的软输出维特比算法

为降低多调制指数连续相位调制(Multi-h CPM)信号解调和级联译码的复杂度和时延,提出了一种适用于多进制部分响应Multi-h CPM信号的低复杂度软输出维特比(LC-SOVA)算法。针对倾斜相位(TP)+频率脉冲截断(FPT)低复杂度Multi-h CPM解调,在维特比检测中对每个状态存储并不断更新符号软信息,通过舍弃度量较小的路径来降低更新软信息的运算量,且软信息更新过程可以并行处理,复杂度降低一半,时延与维特比算法等价。仿真结果表明,所提LC-SOVA算法具有通用性,适用于多进制部分响应Multi-h CPM信号的软信息计算,在级联低密度奇偶校验码(LDPC)系统中,该算法与Max-log-MAP算法相比信噪比损失几乎可以忽略不计。     

CPM信号的微积分解调算法分析

连续相位调制（Continuous Phase Modulation）是一类包络恒定且相位连续的调制方式,具有很高的带宽和功率利用率,优良的包络和相位特性使其适用于空间通信。在分析CPM信号的模型基础上,研究了基于微积分的代数运算方法来完成对CPM信号的解调,该方法几乎不需要任何的先验信息和参数信息就能实现信号的盲解调,目的能够降低接收机的复杂度,是一种优秀的CPM信号解调方式。     

基于Laurent分解的多指数CPM低复杂度序列检测算法

针对现有的多指数连续相位调制(CPM)信号解调中存在的运算量大,工程实现难度高等问题,本文提出了一种基于Laurent分解的低复杂度序列检测算法。该算法采用两个近似处理过程来有效减少解调中所使用的匹配滤波器的个数以及维特比译码器中所使用的网格状态数,并结合基于判决反馈的减少状态序列检测(RSSD)算法进一步减少后端处理中使用的网格状态。为了估计本文提出的接收机的性能,把该算法应用到一个实际中使用的多指数调制方案。仿真结果给出了与传统的最大似然序列检测(MLSD)相比,该调制方案中译码器的网格状态数从32个减少到4个,匹配滤波器的数目从8个减少到2个,然而仅仅带来0.9dB的性能损失。表明该算法能有效的降低多指数CPM接收机的复杂度,适合于实际应用。      

基于Rimoldi分解的连续相位调制信号Turbo频域均衡算法

针对高阶部分响应连续相位调制(CPM)信号均衡中存在的复杂度高和性能较差等问题,该文从Rimoldi分解的角度出发,设计了一种新的适用于倾斜相位CPM信号的发射帧结构,并在此基础上结合单载波频域均衡(FDE)和Turbo均衡的思想,提出了一种适用于高阶CPM信号的Turbo频域均衡算法。该算法通过将信号均衡转化到频域进行处理,避免了时域均衡算法在计算均衡器系数时存在的大矩阵求逆问题,同时使用Turbo均衡的软信息迭代处理来改善系统的性能。理论分析和仿真结果表明,对于四阶部分响应CPM信号,在存在严重符号间干扰的多径衰落信道的条件下,该算法与现有的基于符号的频域均衡算法相比,在保持较低复杂度的同时,具有大约1.5 dB的性能增益。     

基于环形统计量和支持向量机的CPM信号调制识别

频率成形脉冲是CPM信号调制相位的度量,也是信号解调必需的调制参数,包括脉冲形状和关联长度。本文提出一种基于环形统计量和支持向量机(Support Vector Machines, SVM)的CPM信号调制识别技术。首先将基带采样信号的瞬时频率看作环形分布的随机变量,计算瞬时频率的三角矩;然后提取其统计量作为分类特征;最后利用支持向量机,实现了不同频率成形脉冲CPM信号的识别。仿真结果表明,该方法可以实现在不同调制参数类型情况下任意脉冲成形CPM信号的识别。仿真结果中给出了包括多指数CPM信号在内的,不同频率成形脉冲CPM信号间的识别率。由于本文采用基于SVM的分类器,不依赖于信噪比条件,因此具有很高的分类性能和良好的稳健性。      

软扩频Multi-h CPM信号设计方法及其性能

为解决传统多调制指数连续相位调制(Multi-h CPM)实现复杂度高和调制指数同步困难的问题,提出一种软扩频Multi-h CPM信号设计方法。利用单调制指数软扩频获得Multi-h CPM类似的相位轨迹和性能增益,伪码捕获的同时实现调制指数同步;推导了软扩频Multi-h CPM欧氏距离表达式,搜索获得了h=5/7时的最小欧氏距离,与直接序列扩频单调制指数CPM(DSSS Single-h CPM)信号相比,至少可获得0.5 dB的欧氏距离增益。基于极大似然序列检测(MLSD)的同步解扩解调算法,仿真了h=5/7的软扩频Multi-h CPM误码性能,与DSSS Single-h CPM信号相比,在BER=10–5时,可获得1.5 dB性能增益,且性能优于美军WGS系统和ARTM Tier II系统采用的Multi-h CPM信号。     

Low-complexity detection based on maximum cumulative measure and Laurent decomposition for multi-h CPM signal

In order to solve the problem of high computational complexity in demodulation for multi-h continuous phase modulation(CPM) signal, a maximum cumulative measure combing with the Laurent decomposition(MCM-LD) scheme is proposed to reduce the number of the grid states and the required number of matched filters, which degrades the demodulation complexity at the receiver.The advanced range telemetry(ARTM) Tier Ⅱ CPM signal is adopted to evaluate the performance in simulation. The results show that, ...     

网格编码CPM系统中基于联合网格的多调制指数样式设计研究

当前网格编码多调制指数连续相位调制方案呈现出较好的功率和带宽性能,其代价是接收机复杂度较高。在该方案中,如果将多个调制指数设计成特定的样式进行循环,而不是普通的周期使用,如此导致编码的有效长度增加从而能够得到更好的性能。本文在网格码与连续相位编码构建联合网格状态的基础上,对连续相位调制的多个调制指数样式进行了设计。通过进一步分析可以发现:联合编码器的有效长度和最小错误事件的欧氏距离得到大幅度提高。仿真结果表明:码率为1/2和2/3的四进制与八进制两指数CPM方案,要比单指数CPM方案分别能够获得1.4dB和1.7dB的性能增益。      

Reduced phase-state detection based on virtual modulation indexes for Multi-h CPM

.Simplified detection with reduced phase-state based on virtual modulation indexes was designed for Multi-h CPM.Multiple sets of modulation indexes different from the transmitter were constructed in the receiver,and the per-survivor processing was used to solve the mismatch caused by the inconsistency of the modulation indexes between the receiver and the transmitter.When the denominator of virtual modulation index was much smaller than the original denominator of actual transmitted signal,the phase states of coherent sequence detection could be effectively simplified,thus the complexity of coherent detection for Multi-h CPM could be reduced.The trellis could be simplified further via combining with the frequency pulse truncation(FPT) used for simplifying correlation states.The simulation results show that for advanced range telemetry (ARTM) CPM signal,various simplified receiving schemes based on virtual modulation indexes can be designed.When the virtual modulation indexes are set to $\left[\frac{\text{3}}{\text{4}}\text{,}\frac{\text{2}}{\text{4}}\right]$,the number of trellis states can be reduced from 512 (in optimal detection) to 64,but the performance loss is less than 0.05 dB.Further combined with FPT algorithm,the number of trellis states can be reduced to 16,while the performance loss is only 0.75 dB.     

A REDUCED-STATE TRELLIS FOR FULL RESPONSE CPM

The error performance of contimuons phase modulation (CPM) with the optimal coherent detection depends on its minimum squared Euclidean distance (MSED). In this paper, a reduced-state trellis for full response CPM is presented under the condition that the MSED is not reduced. and therefore the complexity of the Viterbi decoding is roduced.     

全响应CPM的减少状态格状图

连续相位调制(CPM)的最佳相干解调的译码性能取决于其最小平方欧氏距离。本文在不减少其最小平方欧氏距离的前提下,提出了全响应CPM的减少状态格状图,从而减少了Viterbi的译码复杂度。     

Joint Source and Channel Coding using Punctured Ring Convolutional Coded CPM

In this paper, a novel trellis source encoding scheme based on punctured ring convolutional codes is presented. Joint source and channel coding (JSCC) using trellis coded continuous phase modulation (CPM) with punctured convolutional codes over rings is investigated. The channels considered are the additive white gaussian noise (AWGN) channel and the Rayleigh fading channel. Optimal soft decoding for the proposed JSCC scheme is studied. The soft decoder is based on the a posteriori probability (APP) algorithm for trellis coded CPM with punctured ring convolutional codes. It is shown that these systems with soft decoding outperform the same systems with hard decoding especially when the systems operate at low to medium signal-to-noise ratio (SNR). Furthermore, adaptive JSCC approaches based on the proposed source coding scheme are investigated. Compared with JSCC schemes with fixed source coding rates, the proposed adaptive approaches can achieve much better performance in the high SNR region. The novelties of this work are the development of a trellis source encoding method based on punctured ring convolutional codes, the use of a soft decoder, the APP algorithm for the combined systems and the adaptive approaches to the JSCC problem.