王小芬　高　勇

摘 要：介紹兩種高效數(shù)字調(diào)制技術(shù)——FQPSK及網(wǎng)格編碼調(diào)制(TCM)技術(shù)。FQPSK是針對(duì)高頻譜效率和高功率效率要求產(chǎn)生的一種調(diào)制方式,分析了其調(diào)制原理并進(jìn)行了DSP實(shí)現(xiàn)。TCM技術(shù)是一種解決通信系統(tǒng)有效性與可靠性的方案,簡(jiǎn)單介紹4狀態(tài)8PSK TCM的基本原理,闡述基于TCM技術(shù)的Viterbi譯碼算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程,并對(duì)不同信噪比下的誤碼率進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真。最后提出對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)組合優(yōu)化的思想。

關(guān)鍵詞：FQPSK；網(wǎng)格編碼調(diào)制；Viterbi譯碼；DSP

中圖分類(lèi)號(hào)：TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)01-167-03

Efficient Digital Modulation Technique and DSP Implementation

WANG Xiaofen,GAO Yong

(College of Electronics and Information Engineering,Sichuan University,Chengdu,610065,China)

Abstract：This thesis discusses two modulation techniques which are FQPSK and Trellis Coded Modulation (TCM).FQPSK is a modulation technique fits for high spectrum efficiency and high power efficiency request.This technical principle is analyzed and implemented with DSP.TCM is a scheme for solving the effectivity and reliability of communication system.The basic theory of 4-state 8PSK is discussed briefly.Based on this theory,the implementation of Viterbi algorithm is described.The bit error ratio is simulated in different signal-to-noise ratio.At last,the idea of optimization for the parts association of whole digital communication systems is advanced.

Keywords：FQPSK;trellis coded modulation;Viterbi;DSP

0 引 言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),隨著人類(lèi)探索外太空活動(dòng)的深入,深空探測(cè)正逐步成為航天活動(dòng)的新熱點(diǎn)。1998年,美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)在加州理工學(xué)院的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)成立了深空通信和導(dǎo)航系統(tǒng)精英中心(DESCANSO)［1］。DESCANSO 負(fù)責(zé)管理和促進(jìn)深空探測(cè)對(duì)通信和導(dǎo)航技術(shù)需求的創(chuàng)新和改革。2007年我國(guó)探月工程計(jì)劃——嫦娥奔月的成功是中國(guó)走向深空探索的第一步,標(biāo)志著我國(guó)深空探測(cè)的開(kāi)始,也是未來(lái)進(jìn)行更遠(yuǎn)深空探測(cè)的必然要求。因而對(duì)深空測(cè)控通信技術(shù)的研究就顯得非常重要。

隨著通信容量日益增加,射頻頻譜變得越來(lái)越擁擠,數(shù)據(jù)速率不斷增長(zhǎng),所用帶寬越來(lái)越寬,使得信道間的相互干擾相當(dāng)突出。在這種情況下,FQPSK—— 一種高帶寬效率數(shù)字調(diào)制方法應(yīng)運(yùn)而生。它具有調(diào)制信號(hào)的頻帶集中,旁瓣滾降快,包絡(luò)恒定的特性。另外還介紹了網(wǎng)格編碼調(diào)制(TCM)技術(shù),它是近年發(fā)展起來(lái)的一種解決通信系統(tǒng)有效性與可靠性的方案。它可以在不增加信號(hào)帶寬、不降低有效信息傳輸速率情況下,獲得明顯的編碼增益。因此特別適合在帶寬受限的信道中進(jìn)行信息傳輸。

1 FQPSK體制

FQPSK調(diào)制的關(guān)鍵在于除了對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行IJF編碼外,還在其后增加了一個(gè)交叉相關(guān)的運(yùn)算單元,以減少其包絡(luò)起伏。原理圖如圖1所示。

圖1 FQPSK框圖

1.1 IJF編碼原理

所謂IJF編碼就是采用一種新的基帶成型脈沖時(shí)限雙碼元間隔升余弦脈沖,將基帶數(shù)字序列經(jīng)此脈沖成型后,再調(diào)制。因其不存在振蕩尾巴,從而消除了碼間干擾和定時(shí)抖動(dòng)。

實(shí)現(xiàn)IJF編碼的方法有脈沖疊加法、橫向?yàn)V波器法和非線(xiàn)性濾波器法等幾種。非線(xiàn)性濾波器法實(shí)質(zhì)上是一種分段合成IJF波形的方法。成型后的IJF編碼波形僅由以下4種波形合成：即±So和±Se,其中So,Se波形如圖2所示。

圖2 奇偶函數(shù)So,Se的波形

實(shí)現(xiàn)時(shí)根據(jù)輸入的前一時(shí)刻和當(dāng)前時(shí)刻碼元關(guān)系來(lái)確定該時(shí)刻的編碼輸出：

Yn(t)=S1(t－nTs)=Se(t－nTs),

xn=x n－1=1

S2(t－nTs)=－Se(t－nTs),

xn=x n－1=0

S3(t－nTs)=So(t－nTs),

xn=1,x n－1=0

S4(t－nTs)=－So(t－nTs),

xn=0,x n－1=1

(1)

IJF編碼結(jié)果如圖3所示。

圖3 IJF編碼輸出

1.2 互相關(guān)及DSP實(shí)現(xiàn)

經(jīng)IJF編碼輸出的波形有3 dB的包絡(luò)起伏,然后通過(guò)互相關(guān)來(lái)消除包絡(luò)起伏。具體相關(guān)過(guò)程是將I路和Q路的兩個(gè)碼元符號(hào)在每半個(gè)符號(hào)間隔內(nèi)進(jìn)行如下相關(guān)運(yùn)算［2］：

(1) I路信號(hào)為零時(shí),Q路信號(hào)為最大峰值。

(2) I路信號(hào)為非零時(shí),Q路信號(hào)最大值衰減到A(1/2≤A≤1)。

(3) Q路信號(hào)為零時(shí),I路信號(hào)為最大峰值。

(4) Q路信號(hào)為非零時(shí),I路信號(hào)最大值衰減到A。

當(dāng)A=1/2時(shí),其包絡(luò)起伏接近0 dB,這種使信號(hào)幅度包絡(luò)恒定的方法是一種人為的拼湊方法,無(wú)法從原理上做到包絡(luò)恒定,而僅僅能達(dá)到某種程度的近似的包絡(luò)恒定。

在工程實(shí)踐中,使用了TI公司的TMS320C6711芯片。該芯片基于超長(zhǎng)指令字的體系結(jié)構(gòu),非常適合于高強(qiáng)度的數(shù)學(xué)運(yùn)算。C6711既能進(jìn)行定點(diǎn)處理也能進(jìn)行浮點(diǎn)處理。

在DSP實(shí)現(xiàn)時(shí),按文獻(xiàn)［3］的方法先將8種波形數(shù)據(jù)制表,然后進(jìn)行逐符號(hào)映射,計(jì)算波形編號(hào),得到地址,尋址波形表,輸出波形。交叉相關(guān)后波形如圖4所示。

圖4 FQPSK的輸出

2 網(wǎng)格編碼調(diào)制原理

網(wǎng)格編碼調(diào)制與傳統(tǒng)的方法的最大區(qū)別在于它是把編碼與調(diào)制、解調(diào)與譯碼作為一個(gè)統(tǒng)一的整體進(jìn)行綜合設(shè)計(jì),從而保證信號(hào)空間的最佳分割。它包括卷積編碼和分集映射,如圖5所示。

圖5 通用TCM碼編碼調(diào)制器結(jié)構(gòu)圖

一個(gè)m比特的信息塊被分成長(zhǎng)度分別為k1,k2的兩組。k1比特通過(guò)卷積編碼器后被編碼成n比特,用來(lái)在分集后信號(hào)星座的2n個(gè)子集里映射其中之一,而未參加編碼的k2比特用來(lái)在各子集的2 k2個(gè)信號(hào)點(diǎn)里映射其中之一。k2=0,所有m個(gè)信息比特都參與編碼。

2.1 4狀態(tài)8PSK TCM分析

文中4狀態(tài)8PSK網(wǎng)格編碼調(diào)制方案采用碼率為2/3的卷積碼對(duì)8PSK信號(hào)空間的映射構(gòu)成TCM方案,基本結(jié)構(gòu)如圖6 所示［4］。

圖6 4狀態(tài)8PSK網(wǎng)格編碼調(diào)制

表示簡(jiǎn)單編碼器的一種方法是網(wǎng)格圖,如圖7所示。它既有時(shí)間尺度,又利用了結(jié)構(gòu)上的重復(fù)性,避免了支路數(shù)呈指數(shù)增長(zhǎng)的情況。圖7中,實(shí)線(xiàn)表示輸入比特為0的路徑,虛線(xiàn)表示輸入比特為1的路徑。

圖7 編碼器網(wǎng)格圖

2.2 Viterbi譯碼

Viterbi譯碼算法是目前最為常用的卷積碼的譯碼方法,主要分為硬判決維特比和軟判決維特比。本文采用硬判決,譯碼時(shí),將接收到的編碼序列與網(wǎng)格圖上所有可能的轉(zhuǎn)移路徑作比較,計(jì)算出其漢明距離,并從中選擇累加路徑距離最小的路徑,該條路徑對(duì)應(yīng)的序列就是最可能的發(fā)送序列。

對(duì)于文中的編碼器來(lái)說(shuō),其Viterbi譯碼算法的基本步驟如下：

(1) 計(jì)算量度值。根據(jù)接收到的信號(hào)序列,對(duì)a,b,c和d四種狀態(tài)分別計(jì)算上下兩支路狀態(tài)轉(zhuǎn)移的漢明距離HD_upper和HD_lower。

(2) 相加,比較,選擇,存儲(chǔ)。在四個(gè)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)上,分別比較到達(dá)同一節(jié)點(diǎn)的上下兩支路累積路徑量度值的大小,選擇較小的一條路徑y(tǒng)_final,將其狀態(tài)量度值存儲(chǔ)到L(s,t),其中s表示狀態(tài),t表示時(shí)間。記錄路徑r(r表示第幾條支路),并存儲(chǔ)到path(s,t)中。

(3) 尋找最佳路徑。根據(jù)L(s,t),path(s,t) 及狀態(tài)轉(zhuǎn)移表S(S記錄了每個(gè)狀態(tài)上下分支的前一狀態(tài)值)的值從最后一個(gè)時(shí)刻開(kāi)始進(jìn)行回溯,最終得到最佳路徑,此路徑是由狀態(tài)值表示的。這是一種遞歸算法。

(4) 譯碼。根據(jù)最佳路徑,依次譯出二進(jìn)制碼字,上支路譯碼為0,下支路譯碼為1,得到譯碼結(jié)果。

其實(shí),當(dāng)路徑量度計(jì)算進(jìn)行到網(wǎng)格圖一定深處時(shí),前面的路徑已經(jīng)合并成一條路徑,此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生第一位譯碼比特。這個(gè)深度即為譯碼深度,一般譯碼深度為約束長(zhǎng)度的5~8倍。

2.3 仿真驗(yàn)證

圖8是10 000個(gè)隨機(jī)序列經(jīng)卷積編碼,8PSK調(diào)制,Viterbi譯碼后的誤碼曲線(xiàn)圖,可以看出隨信噪比的增大,誤碼率大致呈下降趨勢(shì),當(dāng)信噪比增大到近 10 dB時(shí),誤碼率為0。

圖8 Viterbi誤碼曲線(xiàn)圖

3 結(jié) 語(yǔ)

FQPSK調(diào)制所具有的頻帶集中、包絡(luò)恒定的特性可使得調(diào)制信號(hào)通過(guò)帶限和非線(xiàn)性處理后有盡可能小的頻譜擴(kuò)展,其優(yōu)良的頻譜特性與目前射頻譜資源緊張的形勢(shì)相順應(yīng)。TCM在不增加帶寬和降低信息速率的條件下,可以提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性,尤其適合于在功率和頻率受限的信道中使用。而基于網(wǎng)格編碼調(diào)制的Viterbi譯碼算法具有較強(qiáng)的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力。從TCM技術(shù)中可以看出：通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部的組合優(yōu)化,可以使系統(tǒng)的整體性能得到極大的提高。

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作者簡(jiǎn)介王小芬 女,1983年出生,碩士研究生。研究方向?yàn)橥ㄐ排c信號(hào)處理。

高 勇 男,1969年出生,博士,副教授,中國(guó)電子學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員,中國(guó)通信學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員,四川省電子學(xué)會(huì)電子戰(zhàn)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)副主任委員,四川省聲學(xué)學(xué)會(huì)語(yǔ)音、音樂(lè)和信號(hào)處理專(zhuān)業(yè)委員會(huì)主任委員,四川省通信學(xué)會(huì)理事,已在國(guó)內(nèi)重要核心學(xué)術(shù)刊物、重要國(guó)際和國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表學(xué)術(shù)論文16篇(第一作者)。申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利4項(xiàng),已獲發(fā)明專(zhuān)利授權(quán) 2項(xiàng)、實(shí)用新型授權(quán)2項(xiàng)。研究領(lǐng)域?yàn)殛嚵行盘?hào)處理、軟件無(wú)線(xiàn)電、通信抗干擾技術(shù)、實(shí)時(shí)信號(hào)處理、嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等。