直擴(kuò)OQPSK傳輸體制關(guān)鍵技術(shù)分析及應(yīng)用

崔霞霞 王少飛

摘要：直擴(kuò)OQPSK是直接序列擴(kuò)頻和OQPSK調(diào)制方式相結(jié)合的傳輸模式，兼顧擴(kuò)頻的抗干擾和抗截獲特點(diǎn)，以及OQPSK的包絡(luò)恒定、頻譜效率和功率效率高的優(yōu)勢(shì)，可廣泛應(yīng)用于軍事通信中。結(jié)合工程實(shí)踐，介紹了直擴(kuò)OQPSK的調(diào)制原理，重點(diǎn)分析了直擴(kuò)OQPSK的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括擴(kuò)頻碼跟蹤和載波跟蹤，經(jīng)理論推導(dǎo)和工程實(shí)現(xiàn)證明直擴(kuò)OQPSK實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低、可移植性強(qiáng)，且性能優(yōu)良。

關(guān)鍵詞：直擴(kuò)OQPSK；擴(kuò)頻碼跟蹤；載波跟蹤

中圖分類號(hào)：TN763.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2020）15-58-4

0引言

直接序列擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)發(fā)射功率譜密度低，信號(hào)掩埋在噪聲中傳輸，通信隱蔽性、抗干擾和抗截獲能力強(qiáng)，并且可以在同一信道中進(jìn)行多用戶通信，適合多種通信系統(tǒng)。

OQPSK是QPSK的一種改進(jìn)形式，OQPSK的同相與正交支路在時(shí)間上互相錯(cuò)開了半個(gè)碼元的周期，在相位轉(zhuǎn)換處每次只有一路可能發(fā)生極性翻轉(zhuǎn)，不會(huì)發(fā)生兩支路碼元同時(shí)翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，即輸出的OQPSK信號(hào)最大只有±90°的相位跳變，而不會(huì)出現(xiàn)180°相位跳變。因此它的包絡(luò)起伏比QPSK小，頻譜特性也優(yōu)于QPSK。

直擴(kuò)OQPSK將直接序列擴(kuò)頻和OQPSK調(diào)制方式相結(jié)合，可以充分發(fā)揮2種體制的優(yōu)勢(shì)。但是由于直擴(kuò)OQPSK的特點(diǎn)，不能沿用通用的直擴(kuò)QPSK的終端算法，經(jīng)綜合分析和仿真，終端算法中的擴(kuò)頻碼跟蹤及載波跟蹤算法需要重新設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

1直擴(kuò)OQPSK調(diào)制原理及實(shí)現(xiàn)

2直擴(kuò)OQPSK關(guān)鍵技術(shù)分析與實(shí)現(xiàn)

2.1直擴(kuò)OQPSK擴(kuò)頻碼跟蹤關(guān)鍵技術(shù)分析

擴(kuò)頻碼同步包括碼捕獲和碼跟蹤，直擴(kuò)OQPSK的碼捕獲與一般的直擴(kuò)系統(tǒng)無區(qū)別，而兩路擴(kuò)頻碼不同，相位模糊問題可以在碼捕獲部分完成。碼捕獲部分采用匹配濾波捕獲算法，由于碼捕獲成功時(shí)擴(kuò)頻碼的相位誤差在一個(gè)碼片之內(nèi)，所以碼捕獲時(shí)采用的兩路本地?cái)U(kuò)頻碼不需要做延時(shí)半個(gè)碼片處理。碼跟蹤部分，如果將碼捕獲后的（）路擴(kuò)頻數(shù)字信號(hào)延時(shí)半個(gè)碼片時(shí)間，變成直擴(kuò)QPSK的擴(kuò)頻數(shù)字信號(hào)，可以采用適用于直擴(kuò)QPSK的閉環(huán)運(yùn)行的延時(shí)鎖相環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)頻碼的跟蹤。但是完成碼跟蹤后的兩路解擴(kuò)信號(hào)將不存在半個(gè)碼片時(shí)間的相位關(guān)系，無法實(shí)現(xiàn)載波跟蹤。因此需要根據(jù)這一特點(diǎn)設(shè)計(jì)新的碼跟蹤算法。

直擴(kuò)OQPSK碼捕獲后的兩路擴(kuò)頻數(shù)字信號(hào)存在相差時(shí)，可表示為：

由式（5）和式（6）可知，直擴(kuò)OQPSK的碼跟蹤也可采用延時(shí)鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)思想，具有滯后和超前相關(guān)器，相關(guān)器計(jì)算出的相關(guān)累加值分別為（ ），（ ），（），（），（），（），（），（）。滯后相關(guān)器實(shí)現(xiàn)比接收端本地產(chǎn)生的解擴(kuò)用的擴(kuò)頻碼相位延遲半個(gè)碼片的序列和接收到的信號(hào)間的相關(guān)累加運(yùn)算，超前相關(guān)器實(shí)現(xiàn)比接收端本地產(chǎn)生的解擴(kuò)用的擴(kuò)頻碼相位領(lǐng)先半個(gè)碼片的序列和接收到的信號(hào)間的相關(guān)累加運(yùn)算。根據(jù)滯后和超前相關(guān)器的差值即相位誤差（ ），調(diào)整接收端本地產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼與接收到的信號(hào)擴(kuò)頻碼間的相位延遲或滯后關(guān)系。相位誤差（ ）可表示為：

2.2直擴(kuò)OQPSK載波跟蹤關(guān)鍵技術(shù)分析

由于多普勒效應(yīng)造成的頻移和接收機(jī)晶體振蕩器的頻率偏移等原因，接收信號(hào)的載波頻率會(huì)變化較快且變化一般不可預(yù)知，需要實(shí)現(xiàn)載波同步。

載波同步包括載波捕獲和跟蹤兩部分。完成擴(kuò)頻碼捕獲時(shí)，已通過掃頻完成載波大頻偏的捕獲和補(bǔ)償，這部分功能實(shí)現(xiàn)與直擴(kuò)系統(tǒng)相同。當(dāng)接收信號(hào)存在相差時(shí)，完成擴(kuò)頻碼同步后會(huì)出現(xiàn)2組信號(hào)，如式（5）和式（6）所示，一般的直擴(kuò)QPSK，僅采用式（5）中的兩路信號(hào)就可以完成載波跟蹤（直擴(kuò)QPSK調(diào)制時(shí)兩路本地?cái)U(kuò)頻序列無延時(shí)關(guān)系），但是由于直擴(kuò)OQPSK發(fā)端兩路信號(hào)中支路比支路延遲半個(gè)碼片時(shí)間，在中頻或射頻鏈路中傳輸時(shí)，載波的頻偏也建立在兩路信號(hào)的延時(shí)關(guān)系之上，僅采用式（5）中的兩路信號(hào)，經(jīng)符號(hào)時(shí)鐘（）采樣后，兩路信號(hào)半個(gè)碼片周期的延時(shí)關(guān)系將不存在，無法提取相位誤差信息，因此需要考慮式（5）和式（6）兩組信號(hào)的延時(shí)對(duì)應(yīng)關(guān)系，設(shè)計(jì)載波跟蹤算法。

根據(jù)直擴(kuò)OQPSK調(diào)制的這一特點(diǎn)，采用的載波鑒相算法對(duì)Costas環(huán)的鑒相器做了修正：

除鑒相算法外，其他環(huán)路組成與Costas環(huán)相同，直擴(kuò)OQPSK信號(hào)載波跟蹤環(huán)實(shí)現(xiàn)框圖，如圖2所示。鑒相算法僅采用碼同步后碼元的第一個(gè)周期內(nèi)的誤差值，誤差值的更新時(shí)間為1/，載波跟蹤環(huán)路相位誤差估計(jì)收斂曲線如圖3所示。由圖3可知，采用式（8）鑒相算法的載波跟蹤環(huán)路能夠?qū)崿F(xiàn)載波相位跟蹤，且收斂速度快，二階環(huán)路濾波器的參數(shù)不受接收信號(hào)功率變化的影響。誤差值收斂后，載波跟蹤輸出和

路信號(hào)經(jīng)符號(hào)時(shí)鐘（）采樣后，兩路信號(hào)半個(gè)碼片周期的延時(shí)關(guān)系將不存在，實(shí)現(xiàn)了載波跟蹤同步。

3直擴(kuò)OQPSK的工程應(yīng)用

直擴(kuò)QPSK信號(hào)的終端設(shè)備主要包括信息源、基帶擴(kuò)頻調(diào)制器、中頻調(diào)制解調(diào)器、基帶解擴(kuò)解調(diào)器及輸出信息。實(shí)現(xiàn)直擴(kuò)OQPSK功能時(shí)，基帶擴(kuò)頻調(diào)制器僅需要將直擴(kuò)QPSK信號(hào)成形濾波后的兩路信號(hào)錯(cuò)開半個(gè)碼片時(shí)間。基帶解擴(kuò)解調(diào)器僅碼跟蹤和載波跟蹤部分有所改動(dòng)，其他部分均可與直擴(kuò)QPSK信號(hào)共用軟硬件資源，直擴(kuò)QPSK和直擴(kuò)OQPSK終端設(shè)備連接關(guān)系如圖6所示。工程實(shí)現(xiàn)時(shí)將直擴(kuò)OQPSK信號(hào)和直擴(kuò)OQPSK信號(hào)波形在基帶擴(kuò)頻調(diào)制器和基帶解擴(kuò)解調(diào)器的軟件中做出選擇，可切換實(shí)現(xiàn)2種波形，資源占用少、軟件實(shí)現(xiàn)方便，且可移植性強(qiáng)。

4結(jié)束語

介紹了直擴(kuò)OQPSK的調(diào)制原理，并對(duì)直擴(kuò)OQPSK解擴(kuò)解調(diào)中的碼跟蹤和載波跟蹤算法進(jìn)行分析，推導(dǎo)出適合直擴(kuò)OQPSK的碼跟蹤和載波跟蹤算法，并實(shí)現(xiàn)了直擴(kuò)OQPSK調(diào)制和直擴(kuò)QPSK調(diào)制的波形切換的收發(fā)功能，證明了算法的性能優(yōu)良，體制可移植性強(qiáng)，并且占用資源少。直接序列擴(kuò)頻具有抗干擾抗截獲的保密通信特性，且便于碼分多址組網(wǎng)，可以多用戶共用頻段，受到了軍事和民用領(lǐng)域的重視。OQPSK調(diào)制包絡(luò)恒定，受系統(tǒng)非線性影響小，具有較高的頻譜效率和功率效率，已成為衛(wèi)星通信和移動(dòng)通信領(lǐng)域中常用的一種調(diào)制方法，特別是衛(wèi)星通信中。直擴(kuò)OQPSK調(diào)制將直接序列擴(kuò)頻和OQPSK調(diào)制相結(jié)合，集成2種體制的優(yōu)勢(shì)，特別適合應(yīng)用于帶寬和功率受限的軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)和組網(wǎng)應(yīng)用通信系統(tǒng)，既提升系統(tǒng)抗干擾抗截獲能力，又能充分利用頻帶資源和功率資源。

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