孫錦華,韓會梅
(西安電子科技大學 綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點實驗室,陜西 西安 710071)
成形偏移正交相移鍵控(SOQPSK,shapedoffset quadrature phase-shift keying)信號是一種頻譜高效的連續(xù)相位調(diào)制方式,具有包絡(luò)恒定、功率有效性高等特點[1,2]。在一些功率和帶寬雙重受限的軍事通信、衛(wèi)星通信、遙測通信等領(lǐng)域中,全響應、部分響應SOQPSK信號已成為UHF衛(wèi)星通信軍標MIL-STD 188-181[3]、航空遙測系統(tǒng)IRIG 106-04標準[4]的建議波形。近年來,研究者對SOQPSK信號的解調(diào)、同步、性能限等問題進行了深入的研究[5~11]。
SOQPSK信號是一種連續(xù)相位調(diào)制(CPM,continuous phase modulation)信號,根據(jù)相位關(guān)聯(lián)長度的不同,可分為全響應SOQPSK(如MIL-STD SOQPSK)和部分響應SOQPSK(如SOQPSK-TG)。與MIL-STD SOQPSK信號相比,SOQPSK-TG信號具有更好的功率譜特性。根據(jù) SOQPSK信號的特性,可以將SOQPSK信號的調(diào)制分解為預編碼與連續(xù)相位信號調(diào)制2部分,并且根據(jù)預編碼的形式,可以將 SOQPSK信號分為遞歸預編碼和非遞歸預編碼[12]。SOQPSK信號的這種預編碼特性使其內(nèi)在的記憶特性可以在串行級聯(lián)編碼調(diào)制系統(tǒng)中作為內(nèi)碼使用。對于編碼級聯(lián)SOQPSK系統(tǒng),采用卷積碼與SOQPSK的串行級聯(lián)系統(tǒng),要求內(nèi)碼SOQPSK必須是遞歸預編碼才能獲得較大的編碼增益[12],因此這里主要討論遞歸SOQPSK-TG信號。
對于遞歸SOQPSK-TG信號,其相位關(guān)聯(lián)長度L為8,在接收端若采用傳統(tǒng)最優(yōu)的最大似然接收機,則接收機網(wǎng)格需要512個相位狀態(tài),運算復雜度極高,在實際工程應用中受到一定限制。
文獻[13]應用脈沖截斷(PT)技術(shù),使部分響應SOQPSK-TG信號可以像MIL-STD SOQPSK一樣建模成四狀態(tài)的全響應CPM信號。文獻[14]給出遞歸SOQPSK-TG信號的四狀態(tài)解調(diào)器,并將遞歸SOQPSK-TG信號的差分編碼器和預編碼器結(jié)合起來使網(wǎng)格的狀態(tài)數(shù)達到最少的兩狀態(tài),得到遞歸SOQPSK-TG的兩狀態(tài)簡化算法,但兩狀態(tài)網(wǎng)格圖中的狀態(tài)變量與相位狀態(tài)不再存在一一對應的關(guān)系,在接收端由狀態(tài)變量并不能確定當前時刻的累積相位信息,無法恢復當前時刻支路上的標準信號。為此,文獻[14]引入判決反饋來解決這個問題,在該接收機中采用Viterbi算法恢復信息序列。
本文首先對遞歸SOQPSK-TG信號進行了簡要介紹,然后介紹了基于脈沖截斷的遞歸SOQPSK-TG信號的四狀態(tài)解調(diào)算法,最后在四狀態(tài)網(wǎng)格圖基礎(chǔ)上,通過合理的狀態(tài)合并,得到遞歸兩狀態(tài)網(wǎng)格圖,并對文獻[14]提出的判決反饋算法進行了研究。由于在遞歸 SOQPSK-TG編碼級聯(lián)系統(tǒng)中需要提取SOQPSK-TG信號的軟信息,但文獻[14]采用Viterbi解調(diào)不便于提取軟信息。因此,本文在接收機中采用MAX-LOG-MAP算法恢復信息序列,以實現(xiàn)軟信息的提取。
SOQPSK是連續(xù)相位調(diào)制(CPM)中的一種特殊調(diào)制方式[12],SOQPSK的復基帶信號數(shù)學表達式為
其中,Eb為比特能量,Tb為比特持續(xù)時間。φ(t;α)為相位函數(shù),如式(2)所示。
這里αi為實際傳輸?shù)男畔⑿蛄?,為M進制符號,對于SOQPSK信號,M=3,即 αi∈(-1,0,1);調(diào)制指數(shù)h=1/2,q(t)為相位脈沖函數(shù),其表達式為
其中,g(t)為頻率脈沖,其持續(xù)時間為L個比特間隔,當L=1時,為全響應信號;當L>1時,為部分響應信號。
式(2)中的相位函數(shù)可另外表示為
在本文中,討論的SOQPSK信號體制是采用升余弦頻率脈沖成形的部分響應SOQPSK-TG信號。對于SOQPSK-TG信號,其約束長度L=8,頻率脈沖成形函數(shù)gTG(t)為
幅值A(chǔ)用來歸一化脈沖波形,使單個頻率脈沖引起的相位偏移為π/2,T1=1.5,T2=0.5,ρ=0.7,B=1.25。圖1(a)給出了SOQPSK-TG的頻率脈沖函數(shù)gTG(t)和相位脈沖函數(shù)qTG(t)的波形圖。
由圖1(a)可看出,雖然SOQPSK-TG信號的頻率脈沖函數(shù)gTG(t)周期為8Tb,但波形的脈沖寬度較窄且兩側(cè)大部分波形接近為0,因此可將關(guān)聯(lián)長度減為L′=1,用周期為Tb的頻率脈沖來代替,由此得到的截斷相位脈沖函數(shù)qPT(t)為
由式(7)可知,qPT(t)是將原相位脈沖函數(shù)qTG(t)截斷,并將時變部分限制在[0,Tb]間隔內(nèi)得到的,qPT(t)在間隔[0,Tb]內(nèi)的波形如圖1(b)所示。
圖1 SOQPSK-TG的頻率脈沖和相位脈沖函數(shù)波形
SOQPSK-TG信號與傳統(tǒng) CPM 的區(qū)別在于實際傳輸?shù)娜柤瘂αi}為{?1,0,1}。如圖2所示,SOQPSK-TG的調(diào)制方式采用預編碼與 CPM 調(diào)制級聯(lián)的方案,預編碼輸出符號集為三元符號集{?1,0,1}。預編碼方式分為非遞歸式和遞歸式。采用這2種不同方式的預編碼,可以分別得到非遞歸SOQPSK-TG信號和遞歸SOQPSK-TG信號。下面主要討論遞歸預編碼方式。
圖2 SOQPSK-TG信號的調(diào)制方案
遞歸預編碼實現(xiàn)步驟分為2步,首先將原二進制比特進行差分編碼,如式(8)所示,再將差分編碼后的二進制比特通過式(9)轉(zhuǎn)化為三進制符號。
由式(9)可知,預編碼輸出字符的極性會隨著奇偶時刻的交替而變化,可以將un-1、un-2和n_ even/n_ odd (偶數(shù)時刻/奇數(shù)時刻)看作狀態(tài)的變量,即對應有8個狀態(tài)來描述的變化轉(zhuǎn)移。將奇偶時刻分開,分別建立網(wǎng)格轉(zhuǎn)移圖,構(gòu)建一個時變的網(wǎng)格圖。這樣對于單一的奇數(shù)時刻(或偶數(shù)時刻)只用4個狀態(tài)即可描述的變化,如圖3所示,在每條支路標注的是對應式(9)的遞歸預編碼轉(zhuǎn)變情況,對應為。用一對輸入比特來表示狀態(tài),對于偶數(shù)時刻(I路比特)的狀態(tài)變量Sn定義為(un-2,un-1),對于奇數(shù)時刻(Q路比特)的狀態(tài)變量Sn定義為(un-1,un-2),狀態(tài)變量由Sn∈{00,01,10,11}表示。
圖3 四狀態(tài)時變網(wǎng)格
由文獻[4]可知,對于遞歸預編碼,網(wǎng)格狀態(tài)變量Sn與相位狀態(tài)θn-L存在一一對應的關(guān)系,如式(10)所示。
接收信號表達式為
其中,n(t)是均值為零,單邊功率譜密度為N0的加性復高斯白噪聲;φ(t)是由信道所引起的相位偏移,此處假設(shè)φ(t)為0(即相干檢測)。由于發(fā)送信號s(t;)α的相位具有記憶,因此接收端最優(yōu)檢測器應采用最大似然序列檢測。下面對遞歸SOQPSK-TG信號的解調(diào)采用近似簡化的方案,減少計算復雜度。
文獻[12]采用脈沖截斷的方法來簡化遞歸SOQPSK-TG的解調(diào)復雜度,接收端采用的相位脈沖函數(shù)為2.1節(jié)所述的qPT(t),qPT(t)可看作一個全響應脈沖,則可將SOQPSK-TG信號看成全響應信號。2.2節(jié)所述的預編碼中狀態(tài)變量Sn與相位狀態(tài)θn-L存在的一一對應關(guān)系,使接收端的網(wǎng)格圖中不需要全響應CPM的網(wǎng)格圖,因此可對SOQPSK-TG信號按圖 3所示的四狀態(tài)網(wǎng)格圖,用 MAX-LOGMAP算法解調(diào)。
首先根據(jù)式(12)計算出每個發(fā)送比特的對數(shù)似然比。
其中,m′為網(wǎng)格中起始狀態(tài),m為與起始狀態(tài)m′相連接的結(jié)束狀態(tài),dk為第k個輸入比特,yk(t)=rk(t+(L-1)Tb/2)是對應的接收信號,αk(m)為前向路徑度量,βk(m)為后向路徑度量,γk(yk(t),m ′,m)是m′和m之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。
前向遞推式為
后向遞推式為
狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率為
考慮發(fā)送比特等概分布,R stdTG(t)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移的輸出信號,對圖 3,各支路上的狀態(tài)轉(zhuǎn)移輸出信號RstdTG(t)可用簡化的相位脈沖來產(chǎn)生表達式為
p(R stdTG(t)|m,m ′)=1,在第k個符號間隔,對數(shù)轉(zhuǎn)移概率分布為
對于按式(18)生成的各支路上的狀態(tài)轉(zhuǎn)移輸出信號 RstdTG(t),每個符號波形的能量ETG是相同的,因此上式中的波形能量可消去。由于按式(12)計算每個發(fā)送比特的對數(shù)似然比時采用的是求最大值運算,因此信道信息2σ也可消去。因此,對SOQPSK-TG信號對應的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率可進一步化簡為
結(jié)合 αk(m)、βk(m)并給定初始值,由式(12)計算各發(fā)送比特的對數(shù)似然值,即軟信息,對軟信息進行硬判決,即可恢復原始信息序列。
文獻[14]針對遞歸 SOQPSK-TG信號,提出了兩狀態(tài)簡化算法,進一步降低了解調(diào)復雜度。將式(8)和式(9)用代數(shù)方法合并,得到二進制比特與三進制符號之間的直接對應關(guān)系為
其中,狀態(tài)符號sn由下式更新
或
由式(20)可知,可以將sn看作狀態(tài)變量,建立一個兩狀態(tài)網(wǎng)格轉(zhuǎn)移圖,如圖4所示。
由式(21a)可以得出,該遞歸兩狀態(tài)網(wǎng)格圖是由四狀態(tài)的遞歸網(wǎng)格圖簡化而來的,對I路簡化:相同合為0狀態(tài),相異合為1狀態(tài);對Q路簡化:相同合為1狀態(tài),相異合為0狀態(tài),(“相同”指表示狀態(tài)的2個比特相同,即00,11狀態(tài);同理,“相異”指01,10狀態(tài))。
圖4中分支上的標注為dn/αn,相對于四狀態(tài)的時變網(wǎng)格圖,兩狀態(tài)時不變網(wǎng)格圖具有更為簡化的狀態(tài)表示,但是兩狀態(tài)網(wǎng)格圖并沒有減少SOQPSK-TG 信號表達式中的累積相位狀態(tài)θn-L的數(shù)量,使兩狀態(tài)網(wǎng)格中的狀態(tài)變量Sn與相位狀態(tài)θn-L之間不再存在一一對應的關(guān)系。因此,若采用兩狀態(tài)網(wǎng)格圖,在接收端由狀態(tài)Sn當前時刻的累積相位信息并不確定,無法恢復當前時刻支路上的標準信號,即無法通過式(19)計算當前支路的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。為此,文獻[14]引入判決反饋來克服這一缺點。
圖4 遞歸SOQPSK-TG兩狀態(tài)網(wǎng)格
如圖4所示,當前網(wǎng)格圖中起始狀態(tài)為Sn,結(jié)束狀態(tài)為En,設(shè)αn(En)為從Sn到En的幸存路徑上的三進制字符,可通過式(22)計算下一狀態(tài)對應的起始相位值。
其中,θn-1(Sn)為起始狀態(tài)對應的相位值,即當前網(wǎng)格的起始相位狀態(tài)θn-1,θn(En)表示當前網(wǎng)格中末狀態(tài)對應的相位值,且當前網(wǎng)格的末狀態(tài)即為下一網(wǎng)格的起始狀態(tài),即 θn(En)=θn+1(Sn+1)。因此,給定合適的網(wǎng)格狀態(tài)的相位初始值,通過式(18)進行逐次遞歸即可計算任一時刻對應網(wǎng)格圖中起始狀態(tài)的相位值,這一相位值即為當前網(wǎng)格圖中的累積相位θn-1。結(jié)合當前網(wǎng)格圖中的累積相位θn-1和式(16),可得到當前網(wǎng)格圖中的分支路上的狀態(tài)轉(zhuǎn)移輸出信號 RstdTG(t),通過式(19)計算當前支路的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。有了各支路的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率,利用3.2節(jié)的MAX-LOG-MAP解調(diào)算法,就可恢復出原始數(shù)據(jù)序列。
若根據(jù)式(10)給定兩狀態(tài)網(wǎng)格圖中初始狀態(tài)相位 θn-1(Sn)的值,則利用式(22)得出的下一狀態(tài)對應的起始相位值,與四狀態(tài)網(wǎng)格圖的相位值是一樣的,因此該判決反饋算法不會丟失四狀態(tài)網(wǎng)格的相位信息。
以一致界作為AWGN信道上的誤比特率上界,對于遞歸SOQPSK-TG信號,其四狀態(tài)解調(diào)的理論誤比特率[14]滿足
遞歸SOQPSK-TG信號兩狀態(tài)解調(diào)的理論誤比特率[14,15]滿足
以下通過仿真說明遞歸SOQPSK-TG信號的兩狀態(tài)判決反饋算法的性能,仿真時采用MAX-LOG-MAP算法進行解調(diào)。
用3.2節(jié)所述的遞歸SOQPSK-TG四狀態(tài)算法和3.3節(jié)所述的遞歸SOQPSK-TG兩狀態(tài)判決反饋算法分別對信號進行解調(diào),得到的誤比特性能對比如圖5所示。圖5也給出了四狀態(tài)算法和兩狀態(tài)判決反饋算法的理論曲線。從圖5中可以看出:
1)接收端采用四狀態(tài)簡化解調(diào)的解調(diào)性能與其理論曲線基本重合,驗證了四狀態(tài)簡化解調(diào)算法的可行性;接收端采用兩狀態(tài)判決反饋的解調(diào)性能與其理論曲線基本重合,驗證了兩狀態(tài)判決反饋解調(diào)算法的可行性;但發(fā)現(xiàn)在高信噪比下仿真曲線與理論性能有微小的差距,這是由于接收端在進行解調(diào)時所用到的相位脈沖函數(shù),是通過對發(fā)送端的相位脈沖函數(shù)進行截斷得到的(如圖 1所示),相位約束長度由8減小到1,相位信息會有一定的損失,從而對解調(diào)性能有一定的影響。
2)四狀態(tài)簡化解調(diào)的解調(diào)性能比兩狀態(tài)判決反饋解調(diào)的解調(diào)性能優(yōu)越,兩狀態(tài)算法在信噪比大于0 dB,誤比特率為10?2~10?4時,信噪比有0.1 dB~0.5 dB的損失,這是由于兩狀態(tài)網(wǎng)格圖狀態(tài)變量與累積相位不存在一一對應的關(guān)系,需要通過判決幸存路徑,獲得下一網(wǎng)格的累積相位值,若前一網(wǎng)格判決幸存路徑有誤,則可能會影響到下一網(wǎng)格內(nèi)的信息判決,導致錯誤事件增加,而四狀態(tài)網(wǎng)格圖狀態(tài)變量與累積相位存在一一對應的關(guān)系,可由下一網(wǎng)格的狀態(tài)變量得到正確的累積相位值。但信噪比越大,由兩狀態(tài)網(wǎng)格判決幸存路徑導致的錯誤事件越少,兩者的誤比特性能差距越小。
圖5 遞歸SOQPSK-TG兩狀態(tài)和四狀態(tài)解調(diào)性能對比
以Altera公司的低端FPGA芯片EP2C35F484C6為目標器件,采用硬件描述語言Verilog,開發(fā)軟件QuartusII 9.0,對四狀態(tài)簡化算法進行實現(xiàn)驗證。其中一個信息幀包含1026 bit(包括1024個信息比特和2個歸零比特),即513個符號,一個符號采8個樣點,采用16 bit位寬量化。
在硬件實現(xiàn)中,調(diào)制器可以將發(fā)射的標準波形預先存儲,根據(jù)輸入信息比特經(jīng)過互相關(guān)運算形成查找表地址,查表輸出波形,較為簡單。解調(diào)器采用MAX-LOG-MAP算法,主要包括相關(guān)模塊、前向遞推/后向遞推模塊和軟信息提取模塊等。相關(guān)模塊主要完成式(18)和式(19)涉及的積分運算。相關(guān)器實質(zhì)上為一個符號周期內(nèi)的積分器,即將一個符號周期內(nèi)接收信號與網(wǎng)格內(nèi)支路信號的相應樣點進行乘、累加運算。每經(jīng)歷一個符號周期,才有I路或Q路的相關(guān)值輸出,為節(jié)省乘法器資源,對I、Q支路接收樣點數(shù)據(jù)進行乒乓操作,每間隔一個符號周期,交替計算I路、Q路的相關(guān)值。前向遞推和后向遞推由MAX-LOG-MAP算法原理可知,一個信息幀中,需要前向路徑度量計算完畢后,才開始計算后向路徑度量。在實際信息處理中,在開始計算一幀數(shù)據(jù)的后向度量值時,仍有新的數(shù)據(jù)幀進入,需要計算新一幀的前向度量值,因此,為了實現(xiàn)流水操作,需要對分支度量值和前向度量值分別進行乒乓緩存,以處理連續(xù)幀的接收。
通過QuartusII 9.0的時序分析報告,得出調(diào)制器的最小時鐘周期為4.241 ns,處理延遲為18個樣點時鐘,I路和Q路樣點同時輸出,即輸出一個復信號需要8個樣點時鐘,一個復信號中包含2個比特,因此調(diào)制器的處理速率為2/(8×樣點時鐘),若取樣點時鐘為6 ns,這樣調(diào)制器的速率為41.66 Mbit/s。將調(diào)制器輸出的波形與Matlab定點仿真中的I路、Q路樣點輸出對比得到兩者波形輸出是一致的。解調(diào)器模塊的時序分析報告給出的最小時鐘周期為6.376 ns,取樣點時鐘為8 ns,解調(diào)器的的處理時延大約等于一個信息幀的前向度量計算時長,即Tdelay≈2×一幀內(nèi)符號數(shù)×每符號內(nèi)樣點數(shù)×樣點時鐘周期≈2×513×8×8ns=65664ns。解調(diào)器的處理速率為Rb=一幀信息比特數(shù)/處理一幀數(shù)據(jù)時長=1024 bit/65.664μs≈15.5 Mbit/s,將解調(diào)器的軟輸出與 Matlab定點仿真中的軟信息輸出對比得到兩者的軟信息是一致的。
從四狀態(tài)簡化解調(diào)器的硬件測試結(jié)果可以推測兩狀態(tài)解調(diào)器的情況:由于狀態(tài)簡化僅是在接收端進行處理,因此兩者的調(diào)制器的處理時延和處理速率是一樣的;在接收端,由于兩狀態(tài)網(wǎng)格的狀態(tài)數(shù)是四狀態(tài)網(wǎng)格狀態(tài)數(shù)的一半,總體運算量減小了一半,因此可以預計兩狀態(tài)解調(diào)的處理時延約為四狀態(tài)解調(diào)的處理時延的一半,處理速率約為四狀態(tài)處理速率的2倍。
針對遞歸SOQPSK-TG信號兩狀態(tài)網(wǎng)格圖狀態(tài)變量與累積相位不存在一一對應關(guān)系的問題,本文對遞歸SOQPSK-TG信號兩狀態(tài)判決反饋算法進行了研究,并對該算法的性能進行了仿真,仿真結(jié)果表明:在信噪比大于0 dB時,兩狀態(tài)判決反饋算法可以獲得接近遞歸四狀態(tài)解調(diào)的誤比特性能,與四狀態(tài)解調(diào)算法相比,由于兩狀態(tài)網(wǎng)格的狀態(tài)數(shù)是四狀態(tài)網(wǎng)格狀態(tài)數(shù)的一半,總體運算量減小了一半,具有較低的運算復雜度,運算復雜度的降低使得解調(diào)器的延時減小,提高了解調(diào)器解調(diào)效率,不僅可以應用于要求實現(xiàn)復雜度低的系統(tǒng)中,而且更有利于工程應用。
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