徐遠(yuǎn)超

(中國電子科技集團公司第十研究所，四川 成都 610036)

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OQPSK調(diào)制體制關(guān)鍵技術(shù)分析及其在寬帶衛(wèi)星通信的應(yīng)用

徐遠(yuǎn)超

(中國電子科技集團公司第十研究所，四川 成都 610036)

為了研究OQPSK調(diào)制體制是否適合衛(wèi)星通信，對OQPSK調(diào)制和相干解調(diào)基本原理和性能特點進(jìn)行了分析。文章結(jié)合工程實踐，重點分析了OQPSK相干解調(diào)的關(guān)鍵技術(shù)，包括載波同步、多普勒頻偏計算、定時同步以及相位解模糊，同時分析了OQPSK在衛(wèi)星通信中的優(yōu)點。經(jīng)過理論分析和實踐得出，OQPSK調(diào)制信號恒包絡(luò)且頻譜效率較高，適合寬帶衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)計了一種符號速率為120Msps的寬帶OQPSK調(diào)制解調(diào)器，并且測試了調(diào)制性能和解調(diào)性能的關(guān)鍵參數(shù)，經(jīng)過工程應(yīng)用表明了上述結(jié)論的正確性。

OQPSK；相干解調(diào)；寬帶；衛(wèi)星通信

0　引　言

QPSK是一種恒包絡(luò)調(diào)制方式，它受功率放大器的非線性影響很小[1]。而OQPSK是在QPSK基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種恒包絡(luò)數(shù)字調(diào)制，與QPSK信號相比，OQPSK信號同相支路碼元與正交支路碼元在時間上偏移了半個符號周期。OQPSK調(diào)制除了具有QPSK調(diào)制的所有優(yōu)點外，還消除了相鄰符號的180°相位跳變現(xiàn)象[2]，在帶寬有限的通信系統(tǒng)中，包絡(luò)起伏小，經(jīng)過非線性功率放大器后不產(chǎn)生明顯的功率譜旁瓣增生效應(yīng)[3]。因此，OQPSK調(diào)制所具有的恒包絡(luò)特性、良好的頻譜效率及功率效率使得它廣泛的應(yīng)用于衛(wèi)星通信中，如TDMA、CDMA系統(tǒng)[4]中，已成為非線性帶限信道中常用的一種調(diào)制方式。

1　OQPSK調(diào)制體制的原理

1.1調(diào)制原理

OQPSK信號可以用正交調(diào)制方法產(chǎn)生，正交支路基帶信號相對于同相支路基帶信號延時半個碼元周期，OQPSK信號可以表示為：

(1)

式中，an和bn的取值為-1或+1，分別對應(yīng)于0和1，是輸入信息序列經(jīng)串-并轉(zhuǎn)換得到的兩個序列；A為載波幅度；Ts為輸入信息序列周期。

OQPSK調(diào)制器如圖1所示。

圖1　OQPSK調(diào)制原理框

1.2OQPSK相干解調(diào)原理

QPSK 信號可以用兩個正交的載波信號實現(xiàn)相干解調(diào)。由于OQPSK調(diào)制和QPSK調(diào)制原理基本相同，因此在相干解調(diào)時，它們的載波恢復(fù)原理是相同的， OQPSK 相干解調(diào)原理如圖2所示。

圖2　OQPSK調(diào)制原理框

2　OQPSK解調(diào)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1載波同步

2.1.1載波環(huán)

OQPSK載波同步常用costas環(huán)，鑒相器采用松尾環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。由于松尾環(huán)具有矩形鑒相特性，因此鑒相靈敏度(即鑒相特性在穩(wěn)定平衡點處的斜率)非常大，使PLL環(huán)路增益提高，從而降低靜態(tài)相位誤差，改善接收系統(tǒng)誤碼率性能。松尾環(huán)算法鑒相得到的相位誤差為：

UdOQPSK=Sgn[I*Q*(I+Q)*(I-Q)]

(2)

式中，I、Q分別表示正交下變頻后的兩個支路信號。

圖3　OQPSK載波環(huán)路框

由于OQPSK與QPSK原理基本相同，只是Q路數(shù)據(jù)延遲了半個碼元，為方便起見，下面以QPSK信號來推導(dǎo)其松尾環(huán)鑒相原理，這同樣適用于OQPSK。

假設(shè)由A/D輸入的QPSK信號為：

(3)

數(shù)控振蕩器DCO的輸出頻率為：

uc=UCCos(ω0t+β2)

(4)

則I、Q兩路信號D4、D5分別為：

(5)

(6)

式中，β=β2-β1。

D4、D5在相乘器中相乘后得到：

(7)

而相加器和相減器輸出的D6、D7信號在相乘器中相乘后得到：

(8)

式(7)和式(8)相乘，得到誤差電壓：

Ud=KdSin(4β)

(9)

在載波環(huán)路中，可以直接用式(9)作為鑒相誤差。但在實際工程實現(xiàn)中，為了簡化運算，減少乘法器等資源的消耗，可以再對式(9)取符號位，得到：

U=SgnUd=Sgn(KdSin(4β))

(10)

因此，松尾環(huán)鑒相所得為4倍載波頻差，鑒相誤差經(jīng)環(huán)路濾波器濾波后送入DCO調(diào)整頻率直到載波環(huán)路鎖定。

2.1.2環(huán)路濾波器

環(huán)路濾波器在環(huán)路中抑制輸入噪聲，并且對環(huán)路的校正速度起調(diào)節(jié)作用。環(huán)路濾波器輸出為DCO輸出和輸入信號之間相位差有關(guān)的控制電壓。

costas環(huán)常采用二階鎖相環(huán)，二階數(shù)字環(huán)路濾波器傳遞函數(shù)為

(11)

環(huán)路濾波器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　環(huán)路濾波器結(jié)構(gòu)

濾波器參數(shù)G1、G2可調(diào)，最終達(dá)到使環(huán)路既能快速捕獲又能穩(wěn)定跟蹤。G1、G2值的計算方法如下。

(12)

式中，B為環(huán)路帶寬，Tc為環(huán)路濾波器重復(fù)運算周期，ξ為阻尼系數(shù)，取ξ=0.7，k為三階環(huán)增益系數(shù)，對于二階環(huán)，k=0。

G1、G2的數(shù)值中包含DCO的壓控靈敏度Kc和電路增益Kd，對G1、G2扣除Kd和Kc后得到環(huán)路濾波器的實際因子

(13)

2.1.3多普勒頻偏計算

載波同步時，若頻率偏差較大，載波環(huán)路不容易快速捕獲，因此需要首先對載波多普勒頻偏進(jìn)行糾正。對于QPSK/OQPSK信號，假設(shè)基帶調(diào)制信號表示為：

(14)

2.2定時同步

載波恢復(fù)后，根據(jù)準(zhǔn)確的符號時鐘重采樣即可恢復(fù)出數(shù)據(jù)。因此需要對符號時鐘進(jìn)行定時同步。定時同步可以采用先內(nèi)插再抽取最佳采樣點的方式，也可以采用定時誤差置入DCO控制重采樣時鐘頻率的方式，使重采樣點為碼元的最佳采樣點。本文介紹后一種定時同步方式,如圖5所示。

圖5　定時同步框

OQPSK定時誤差提取常采用gardner算法[5]，該算法具有兩個特點：一是每個符號只需要兩個采樣點即可，且以符號速率輸出誤差信號；二是估計算法獨立于載波相位，即可以在載波相位同步之前，完成定時誤差估計。具體實現(xiàn)時誤差提取采用最大值、過零點的方法提取，如圖6所示。

圖6　最大值時刻采樣

定時同步DCO、環(huán)路濾波器原理跟載波環(huán)DCO、環(huán)路濾波器原理基本相同。

2.3相位解模糊

載波同步和定時同步后即可輸出解調(diào)數(shù)據(jù)，但是OQPSK輸出的數(shù)據(jù)存在相位模糊情況，如果未對調(diào)制信號數(shù)據(jù)與載波相位做出明確約定，則必須考慮8種相位模糊的可能性，否則會造成數(shù)據(jù)解調(diào)錯誤。OQPSK解調(diào)的相位模糊情況一共有8種，如表1所示。

表1　OQPSK解調(diào)相位模糊情況

通常相位解模糊結(jié)合幀同步來處理?？梢詫?種可能相位對應(yīng)的數(shù)據(jù)采取串行或者全并行的方式進(jìn)行幀同步，幀同步鎖定的相位即為正確相位。

3　OQPSK調(diào)制衛(wèi)星通信工程應(yīng)用

3.1OQPSK調(diào)制技術(shù)在衛(wèi)星通信中的優(yōu)勢

由于衛(wèi)星平臺上頻譜和功率資源非常有限，因此衛(wèi)星通信系統(tǒng)調(diào)制體制選擇的重要因素是頻譜效率和功率效率。衛(wèi)星通信調(diào)制技術(shù)主要圍繞如何充分節(jié)省頻譜和高效率利用頻帶展開，而多進(jìn)制調(diào)制技術(shù)，是提高頻譜利用率的有效方法；而恒包絡(luò)技術(shù)，不僅能適應(yīng)信道的非線性，還能保持較小的頻譜占用率。

OQPSK信號與QPSK信號的區(qū)別在于其相互正交的兩個支路信號相對延時半個碼元。每次只有一個支路可能發(fā)生碼元極性翻轉(zhuǎn)，不會出現(xiàn)兩個支路碼元極性同時翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。因此，OQPSK信號相位只能跳變0°、±90°，不可能出現(xiàn)180°的相位跳變，故包絡(luò)不會有瞬變?yōu)?的情況，基本恒定，減小了傳輸過程中信道對傳輸質(zhì)量的影響。因此，OQPSK調(diào)制的恒包絡(luò)特性、良好的頻譜效率和功率效率，使得它在衛(wèi)星通信中得到了廣泛的應(yīng)用。

3.2OQPSK實際工程應(yīng)用

在某寬帶衛(wèi)星通信項目中，設(shè)計了符號率為120Msps的OQPSK調(diào)制器和解調(diào)器，實現(xiàn)了衛(wèi)星通信高速數(shù)據(jù)傳輸。調(diào)制器采用I、Q正交調(diào)制，1/2碼率LDPC編碼，中頻為S頻段，調(diào)制器輸出信號頻譜和星座圖如圖7、圖8所示。

圖7　調(diào)制信號頻譜

圖8　調(diào)制信號EVM

OQPSK調(diào)制器性能如表2所示。

表2　OQPSK調(diào)制器性能

OQPSK解調(diào)器采用相干解調(diào)，載波同步、定時同步、多普勒頻偏估計及相位解模糊如以上章節(jié)所述，由于調(diào)制信號速率很高，在解調(diào)時采用全并行相干解調(diào)。此外，由于符號速率較高，群時延失真對傳輸性能的影響較大，所以在解調(diào)器中加入了自適應(yīng)均衡器來補償信號在傳輸過程中的幅度失真和相位失真。均衡器采用LMS算法的判決反饋結(jié)構(gòu)(DFE)、分?jǐn)?shù)間隔盲均衡結(jié)構(gòu)，其主要功能模塊包括：正向濾波器、逆向濾波器、判決器和抽頭系數(shù)更新的自適應(yīng)算法模塊。

解調(diào)性能如表3所示。

表3　OQPSK解調(diào)器性能

同時，還對解調(diào)器的誤碼率性能作了測試，誤碼率性能曲線如圖9所示。

圖9　OQPSK解調(diào)器誤碼率性能測試曲線

4　結(jié)　語

文章分析了OQPSK調(diào)制體制的關(guān)鍵技術(shù)，對載波同步中的載波誤差提取、環(huán)路濾波器以及多普勒頻偏計算做了詳細(xì)的推導(dǎo)，對定時同步的原理和實現(xiàn)方法進(jìn)行了闡述，最后分析了OQPSK解調(diào)相位的模糊情況并給出了解決措施。文章還分析了OQPSK在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用優(yōu)勢，并根據(jù)工程實踐，介紹了一種寬帶OQPSK調(diào)制解調(diào)器在衛(wèi)星通信

工程的應(yīng)用。工程實踐表明，OQPSK的恒包絡(luò)特性、良好的頻譜效率很適合衛(wèi)星通信，并且在衛(wèi)星通信中得到了廣泛的應(yīng)用。

[1]胡凡，朱立東.不同相位噪聲譜對QPSK的性能影響分析[J].通信技術(shù)，2010,43(04):65-66.

HU Fan, ZHU Li-dong. Analysis of QPSK Performance under Different Phase Noise Spectrum[J]. Communications Technology, 2010, 43(04): 65-66.

[2]張顯輝，沈國松．SQPSK 調(diào)制體制在跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星中的應(yīng)用[J].遙測遙控，2007，28(11):26-29．

ZHANG Xian-hui, SHEN Guo-song. Appilacaiton of SQPSK Modulation in TDRSS[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command,2007,28(11):26-29.

[3]Kinman P W and Berner J B. CarrierSynchronization of Offset QPSK for Deep Space Telemetry[C]. IEEE Aerospace Conference, Big Sky, Montana, 9-16 Mar., 2002,3:1327-1336.

[4]Kanirkar N B and Sarvaiya J N. PerformanceEvaluation of Direct Sequence Spread Spectrum CDMA Transceiver Hardware using Pseudo Code and Code Modulation Technique[J]. International Journal of Engineering Research & Industrial Application, 2009,1(2):1-13.

[5]Floyd M. Gardner. A BPSK QPSK Timing-Error Detector for Sampled Receivers[J].IEEE Transactions on Communications1986,34(5):423-429.

徐遠(yuǎn)超(1982—)，男，碩士，工程師，主要研究方向為衛(wèi)星通信。

Key Techniques and Application of OQPSK Modulation in Wideband Satellite Communication

XU Yuan-chao

(No.10 Institute of CETC, Chengdu Sichuan 610036,China)

For the researchon whether OQPSK modulation is suitable for satellite communication, basic theory and performance of OQPSK modulation and coherent demodulation are analyzed. In combination of project experience, key techniques of OQPSK coherent demodulation, including carrier synchronization, Doppler frequency calculation, timing synchronization and phase anti-illegibility, are discussed in detail, and inaddition,the superiority and advantage of OQPSK in satellite communication also treated. Theory analysis and practice indicate that OQPSK is suitable for satellite communication data transmitting for its invariable signal envelope and high spectrum efficiency. A wideband OQPSK MODEM with a symbol rate of 120Msps is designed,and its key performance parameter of modulation and demodulation tested. And the project practice proves the correctness of above conclusion.

OQPSK；coherent demodulation；wideband；satellite communication

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.03.020

2015-10-25；

2016-01-30Received date:2015-10-25；Revised date：2016-01-30

TN914

A

1002-0802(2016)03-0356-05