符號(hào)內(nèi)連續(xù)相位差分相移鍵控調(diào)制方法*

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

1 引 言

在移動(dòng)通信領(lǐng)域，隨著通信信息量的不斷增大，通信系統(tǒng)需要的帶寬越來(lái)越寬，頻率資源日趨緊張。為了解決帶寬有限的矛盾，一方面將通信頻段不斷向更高頻率延伸，另一方面也不斷努力提高頻譜的利用率。而在載波頻率較高時(shí)發(fā)送信號(hào)功率放大器通常采用高功率非線性放大器，并且由于信道的非線性及 AM/PM 效應(yīng)，只有采用具有恒定包絡(luò)或準(zhǔn)恒定包絡(luò)結(jié)構(gòu)的調(diào)制方式，才能有效利用功放的發(fā)射功率。傳統(tǒng)相移鍵控(PSK) 調(diào)制技術(shù)本身是恒包絡(luò)的，但這類調(diào)制技術(shù)的信號(hào)頻譜太寬，需要經(jīng)過(guò)帶通濾波限帶，限帶后的PSK信號(hào)已經(jīng)不能保持恒包絡(luò)。連續(xù)相位調(diào)制技術(shù)(CPM)[1-2]和FQPSK[3-4]等調(diào)制技術(shù)可以在時(shí)域信號(hào)上取得恒定包絡(luò)或準(zhǔn)恒定包絡(luò)的同時(shí)在頻譜上具有良好的特性，在深空通信中得到了廣泛應(yīng)用。但是在空地通信和空空通信領(lǐng)域，通信的收發(fā)平臺(tái)間存在較大的不確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)，多普勒頻移導(dǎo)致的頻偏和相位變化對(duì)相干解調(diào)影響明顯，尤其在信噪比較低時(shí)，需要發(fā)送較多的導(dǎo)頻信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)多普勒頻率和初始相位估計(jì)，這種方式在突發(fā)通信中會(huì)大大降低有效通信速率。另一種解決方法是采用非相干解調(diào)，對(duì)于PSK、MSK調(diào)制方式來(lái)說(shuō)比較容易實(shí)現(xiàn)，但CPM、FQPSK等調(diào)制技術(shù)在調(diào)制中要對(duì)前后發(fā)送的信息符號(hào)作相關(guān)處理，進(jìn)行差分調(diào)制和解調(diào)都比較困難和復(fù)雜，且性能并不理想[5-6]。

本文提出了一種符號(hào)內(nèi)連續(xù)相位差分相移鍵控(ISCP-DPSK)的調(diào)制解調(diào)方法。在信號(hào)調(diào)制中，不同的比特信息由符號(hào)內(nèi)相位變化的累積量表示，接收端則通過(guò)積累一個(gè)符號(hào)內(nèi)的相位變化累積量來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)解調(diào)，和碼元符號(hào)的絕對(duì)相位無(wú)關(guān)。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于：一是符號(hào)間相位為連續(xù)變化，使信號(hào)有良好的功率譜；二是使發(fā)射信號(hào)為準(zhǔn)恒包絡(luò)，可以采用高功率非線性放大器；三是避免了初相、多普勒頻移等引起的符號(hào)間相位變化對(duì)信號(hào)解調(diào)的影響，適合應(yīng)用于高速運(yùn)動(dòng)平臺(tái)間的突發(fā)通信。

2 ISCP-DPSK信號(hào)調(diào)制

由于基帶信號(hào)集合設(shè)計(jì)和調(diào)制中每個(gè)符號(hào)所攜帶的比特?cái)?shù)有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，為了敘述方便，調(diào)制解調(diào)方法的描述中都以每個(gè)符號(hào)攜帶2 bit數(shù)據(jù)為例。ISCP-DPSK 調(diào)制中信號(hào)的調(diào)制過(guò)程如圖1所示，輸入數(shù)據(jù)為轉(zhuǎn)換后的并行2 bit數(shù)據(jù)流，開(kāi)關(guān)控制邏輯單元根據(jù)輸入的發(fā)送比特信息和狀態(tài)存儲(chǔ)器中的狀態(tài)信息，在基帶信號(hào)集合中選擇對(duì)應(yīng)的基帶信號(hào)作為輸出信號(hào)并更新存儲(chǔ)器中的狀態(tài)值。圖中輸入比特?cái)?shù)據(jù)、基帶信號(hào)和狀態(tài)轉(zhuǎn)移的關(guān)系如表1所示，表中項(xiàng)目為“輸出基帶信號(hào)/對(duì)應(yīng)輸入比特”。表1中狀態(tài)數(shù)目由每個(gè)符號(hào)攜帶的比特?cái)?shù)決定，當(dāng)比特?cái)?shù)為x時(shí)，需要在星座圖中設(shè)置2x個(gè)狀態(tài)，如圖2所示。

表1 基帶信號(hào)選擇邏輯關(guān)系

(a)狀態(tài)1到其它狀態(tài)的軌跡

(b)狀態(tài)2到其它狀態(tài)的軌跡

(c)狀態(tài)3到其它狀態(tài)的軌跡

(d)狀態(tài)4到其它狀態(tài)的軌跡

圖2中，狀態(tài)表示為星座圖上某一固定位置，任意兩狀態(tài)間的轉(zhuǎn)移用對(duì)應(yīng)的某一確定基帶信號(hào)表示。信號(hào)總是從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到一個(gè)狀態(tài)，包括從一個(gè)狀態(tài)到自身狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，表現(xiàn)為一個(gè)固定點(diǎn)。所有圖中的軌跡構(gòu)成基帶信號(hào)集合。

圖中基帶信號(hào)集合包含有16種復(fù)信號(hào)，分別表示為[S0,S1,S3,…，S15]，且：

(1)

(2)

(3)

(4)

3 ISCP-DPSK信號(hào)解調(diào)

假設(shè)系統(tǒng)已經(jīng)利用同步符號(hào)實(shí)現(xiàn)了位同步，對(duì)接收到的基帶信號(hào)，在一個(gè)符號(hào)持續(xù)時(shí)間內(nèi)計(jì)算相位變化的累積量，并和標(biāo)準(zhǔn)相位變化累積量作比較，計(jì)算接收符號(hào)對(duì)應(yīng)每一種可能發(fā)送比特的概率，選取概率最大的發(fā)送比特為當(dāng)前接收信號(hào)的解碼信息輸出。符號(hào)內(nèi)的相位變化累積量由下式計(jì)算：

(5)

式中，Ts為一個(gè)符號(hào)的持續(xù)時(shí)間，s(t)為一個(gè)符號(hào)持續(xù)時(shí)間內(nèi)的基帶接收信號(hào)。接收信號(hào)屬于某一發(fā)送比特的概率值由下式計(jì)算：

Pr=e-|φ-φi|

(6)

式中，φi為發(fā)送第i種比特信息時(shí)所選擇的基帶信號(hào)所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)相位變化累積量，該數(shù)值可以由下式預(yù)先計(jì)算存儲(chǔ)：

(7)

式中，Si(t)為發(fā)送第i種比特信息時(shí)所選擇的基帶信號(hào)?；鶐盘?hào)集中的信號(hào)只有4種不同的標(biāo)準(zhǔn)相位變化累積量，和不同的發(fā)送比特信息形成一一對(duì)應(yīng)，其關(guān)系如表2所示。

表2 發(fā)送比特和相位變化累積量的對(duì)應(yīng)關(guān)系

4 性能仿真分析

在對(duì)ISCP-DPSK調(diào)制信號(hào)進(jìn)行仿真分析時(shí)，調(diào)制信號(hào)的每個(gè)符號(hào)設(shè)置為分別攜帶2 bit和1 bit信息，分別記為ISCP-D4PSK和ISCP-D2PSK，和傳統(tǒng)的QPSK、BPSK信號(hào)進(jìn)行了仿真對(duì)比。圖3比較了ISCP-D4PSK和QPSK調(diào)制信號(hào)的功率譜密度。由圖可見(jiàn)， ISCP-D4PSK已調(diào)信號(hào)的功率譜密度性能比較優(yōu)越，其主瓣較窄，與QPSK基本一致，但副瓣滾降很快。當(dāng)以信號(hào)99%的能量來(lái)定義信號(hào)的有效帶寬時(shí)，ISCP-D4PSK調(diào)制信號(hào)的歸一化帶寬約為0.9，而QPSK約為5.6。因此在相同的帶寬上，ISCP-DPSK調(diào)制有較高的頻譜利用率。而在時(shí)域上，ISCP-DPSK已調(diào)制信號(hào)的幅度波動(dòng)約為0.04 dB，因此射頻功放可以工作在非線性飽和區(qū)域，和工作在線性區(qū)域的功放相比約有3 dB的優(yōu)勢(shì)。

圖3 ISCP-D4PSK和QPSK的功率譜密度比較

圖4比較了ISCP-D2PSK、ISCP-D4PSK和BPSK、DBPSK、QPSK、DQPSK調(diào)制信號(hào)的誤比特性能?？梢钥闯?，ISCP-D2PSK、ISCP-D4PSK的性能略好于對(duì)應(yīng)的DBPSK和DQPSK調(diào)制，而比對(duì)應(yīng)的BPSK和QPSK分別相差1.5 dB和2.8 dB?？紤]到通信平臺(tái)中存在較大相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，BPSK和QPSK的相關(guān)解碼需要額外的導(dǎo)頻信號(hào)來(lái)進(jìn)行載波同步和相位估計(jì)，而在突發(fā)通信中，導(dǎo)頻信號(hào)較短，載波同步和相位估計(jì)的精度較差[7]，實(shí)際上要求信道具有更高的信噪比。

圖4 ISCP-DPSK和各種PSK調(diào)制的BER性能比較

圖5考察了信道中有多普勒頻移影響時(shí)系統(tǒng)的BER性能。仿真中比較了信道中有無(wú)多普勒效應(yīng)時(shí)系統(tǒng)的解碼性能，當(dāng)信道存在多普勒效應(yīng)時(shí)，所疊加的多普勒頻移為基帶信號(hào)符號(hào)率的1%。由圖5可以看出，ISCP-DPSK調(diào)制對(duì)頻移引起的相位變化不敏感。

圖5 多普勒頻移下ISCP-DPSK的BER性能

5 結(jié) 論

本文針對(duì)發(fā)射功率受限的通信系統(tǒng)提出了一種符號(hào)內(nèi)連續(xù)相位差分相移鍵控調(diào)制解調(diào)方法。該方法通過(guò)對(duì)基帶信號(hào)波形和選擇邏輯的聯(lián)合設(shè)計(jì)，使調(diào)制信號(hào)的相位光滑連續(xù)，在頻域上獲得快速頻譜滾降特性的同時(shí)保證了時(shí)域信號(hào)為準(zhǔn)恒包絡(luò)。而在接收端，由于調(diào)制信號(hào)的解調(diào)僅需要考察符號(hào)內(nèi)的相位變化累積量，和信號(hào)的絕對(duì)相位沒(méi)有關(guān)系，因此對(duì)多普勒頻移、本振頻偏和信道等引起的相位變化不敏感，非常適用于功放功率有限、頻譜利用率要求較高、存在較大多普勒頻移的通信系統(tǒng)。

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