曹穎鵬，楊光文，靳 一

(中國(guó)空間無線電技術(shù)研究所，西安 710000)

0 引言

衛(wèi)星通信的帶寬和功率均受限，因此常采用恒定包絡(luò)類型調(diào)制作為傳輸體制[1]。常見的恒定包絡(luò)類型調(diào)制有相干移相鍵控(PSK)和連續(xù)相位調(diào)制(CPM)兩種，CPM具有較高的頻帶利用率，但其載波恢復(fù)和符號(hào)時(shí)鐘提取過于復(fù)雜[2,3]，導(dǎo)致整體性能不佳。因此，PSK被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

QPSK調(diào)制是PSK調(diào)制中最典型的代表，具有良好的頻譜效率和功率效率。常見的QPSK星座圖的旋轉(zhuǎn)方向，有逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)和順時(shí)針旋轉(zhuǎn)兩種[4,5]，如圖1所示。為實(shí)現(xiàn)高速可靠通信，接收端QPSK解調(diào)譯碼算法必須和發(fā)送端QPSK調(diào)制信號(hào)的旋轉(zhuǎn)方向保持一致。然而，在實(shí)際通信系統(tǒng)中，基帶信號(hào)映射關(guān)系、調(diào)制載波相位的超前滯后以及IQ兩路信號(hào)合路，都會(huì)引起QPSK調(diào)制信號(hào)旋轉(zhuǎn)方向的改變，導(dǎo)致通信鏈路異常[6,7]。因此，文章從理論推導(dǎo)出發(fā)，對(duì)QPSK信號(hào)旋轉(zhuǎn)方向給調(diào)制解調(diào)性能帶來的影響進(jìn)行深入分析，提出了一種自適應(yīng)順時(shí)針和逆時(shí)針兩種旋轉(zhuǎn)方向的解調(diào)譯碼方法，并搭建通信系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

圖1 QPSK星座圖Fig.1 The constellation of QPSK

1 QPSK旋向影響分析

調(diào)制前的QPSK 基帶信號(hào)可表示為m(t)=I(t) +jQ(t) ，其中I(t)表示QPSK信號(hào)的同相分量，Q(t) 表示QPSK信號(hào)的正交分量[8]。根據(jù)通信原理理論，逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的QPSK信號(hào)調(diào)制相當(dāng)于給m(t)乘以ejωt取實(shí)部，順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的QPSK信號(hào)調(diào)制相當(dāng)于給m(t)乘以e-jωt取實(shí)部。ω為QPSK調(diào)制信號(hào)的載波角頻率。設(shè)S(t)=m(t)ejωt，y(t)為最終的QPSK調(diào)制信號(hào)，則：

y(t)=Re[S(t)]=Re[m(t)ejωt]

=Re[(I(t)+jQ(t))ejωt]

=I(t)cosωt-Q(t)sinωt

(1)

對(duì)復(fù)信號(hào)S(t)取共軛得q(t)。

(I(t)+=[I(t)-jQ(t)e-jωt]

(2)

對(duì)q(t)取實(shí)部得：

y′(t)=Re[q(t)]=Re[(I(t)-jQ(t))-jωt]

=I(t)cosωt-Q(t)sinωt

(3)

由(1)式和(3)式可以看出，S(t)和q(t)取實(shí)部后相等。則說明I(t)-jQ(t)順時(shí)針調(diào)制和I(t) +jQ(t)逆時(shí)針調(diào)制后的最終QPSK信號(hào)是相同的。那么對(duì)于y(t)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)時(shí)，按照逆時(shí)針旋向進(jìn)行解調(diào)，則恢復(fù)出來的基帶信號(hào)為I(t)+jQ(t)，按照順時(shí)針旋向進(jìn)行解調(diào)，則恢復(fù)出來的基帶信號(hào)為I(t)-jQ(t)。假設(shè)某衛(wèi)星通信分系統(tǒng)協(xié)議規(guī)定QPSK旋向?yàn)轫槙r(shí)針方向，而調(diào)制過程因?yàn)槟撤N原因?qū)е翾PSK旋向改變?yōu)槟鏁r(shí)針方向，則基帶信號(hào)I(t)+jQ(t)經(jīng)解調(diào)恢復(fù)后為I(t)-jQ(t)。令m′(t) =I(t)-jQ(t)，為了更充分清晰的說明問題，對(duì)m′(t)進(jìn)行如下數(shù)學(xué)變換得：

m′(t)=I(t)-jQ(t)

=-j[Q(t)+jI(t)]

=e-jπ/2[Q(t)+jI(t)]

(4)

由(4)式可知，當(dāng)收發(fā)雙方調(diào)制解調(diào)QPSK旋向不一致時(shí)，解調(diào)恢復(fù)后的IQ兩路數(shù)據(jù)與調(diào)制前的IQ兩路數(shù)據(jù)相互交換， e-jπ/2表示相移-π/2，而解調(diào)具有載波同步功能，可消除相移 -π/2的影響。因此若發(fā)送的數(shù)據(jù)為0001 1010 1100 1111(十六進(jìn)制為1ACF)，I路約定為奇數(shù)位、Q路約定為偶數(shù)位。則解調(diào)接收的數(shù)據(jù)為 0010 0101 1100 1111(十六進(jìn)制為25CF)，如圖2所示。

圖2 發(fā)送接收示意圖Fig.2 The figure of sending and receiving

2 對(duì)解調(diào)譯碼的影響分析

接收方對(duì)QPSK信號(hào)進(jìn)行解調(diào)譯碼時(shí)，需進(jìn)行載波恢復(fù)、提同步、解相位模糊等操作?；謴?fù)載波，通常使用4次方環(huán)，costas環(huán)等非線性載波恢復(fù)方法，從而帶來了相位模糊，其相位模糊可能為0°，90°，180°或270°四重相位模糊[9]。當(dāng)解調(diào)和調(diào)制方QPSK信號(hào)旋轉(zhuǎn)方向不一致時(shí)，由前面的分析可知，IQ兩路數(shù)據(jù)相互交換，又額外增加4重相位模糊狀態(tài)。則接收端總共有8種可能的相位模糊，如表1所示[10]。而每一種解調(diào)結(jié)果惟一對(duì)應(yīng)一種相位模糊可能。

表1 發(fā)送和接收數(shù)據(jù)關(guān)系表Tab.1 The relationship between the data of sending and receiving

3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

由表1可以看出，解調(diào)輸出數(shù)據(jù)與發(fā)送端的基帶數(shù)據(jù)之間存在一定的邏輯變換關(guān)系。根據(jù)解調(diào)后的幀頭數(shù)據(jù)可以惟一確定相位誤差和調(diào)制信號(hào)的旋向情況。根據(jù)幀頭確定的相位模糊狀態(tài)對(duì)IQ支路的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的邏輯變換，就能得到正確的數(shù)據(jù)。因此，只要在解調(diào)輸出端增加幀頭識(shí)別模塊和解相位模糊變換模塊即可。具體的FPGA軟件實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。

圖3 FPGA實(shí)現(xiàn)原理框圖Fig.3 The block diagram of implementation principle for FPGA software

幀頭識(shí)別模塊U1主要完成幀頭識(shí)別和相位模糊狀態(tài)判定，假設(shè)幀頭設(shè)置為“1ACF”，由表1可知另外7種相位模糊的幀頭分別為“709A”、“E530”、“8F65”、“25CF”、“4F9A”、“DA30”和“B065”。因此根據(jù)收到的幀頭可判定此時(shí)的解調(diào)數(shù)據(jù)處于何種相位模糊狀態(tài)，并使能相應(yīng)的解相位模糊變換模塊。解相位模糊變換模塊根據(jù)當(dāng)前的相位模糊狀態(tài)進(jìn)行輸入輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。多路選通模塊U2根據(jù)幀頭識(shí)別模塊的地址信息選通8路輸入中的1路進(jìn)行輸出。并串轉(zhuǎn)換模塊U3將IQ兩路并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行輸出。

以調(diào)制解調(diào)旋向不一致，載波相位模糊90°為例說明幀頭識(shí)別及解相位模糊處理過程。設(shè)調(diào)制器端發(fā)送的數(shù)據(jù)為“1ACF-0F9C”,其中“1ACF”為數(shù)據(jù)幀幀頭，“0F9C”為要發(fā)送的數(shù)據(jù)。由于調(diào)制解調(diào)旋向不一致及載波相位模糊90°的影響，實(shí)際解調(diào)輸出的數(shù)據(jù)為“4F9A-5AC9”。該數(shù)據(jù)進(jìn)入幀頭識(shí)別模塊U1時(shí)，U1模塊識(shí)別到幀頭“4F9A”，由表1可知當(dāng)前幀的相位模糊為b2狀態(tài)，U1 模塊Y5輸出使能信號(hào)使能b2模塊進(jìn)行解相位模糊變換，同時(shí)“A2A1A0”輸出“101”選通b2模塊輸出。然后經(jīng)U3并串轉(zhuǎn)換后可得解相位模糊后的數(shù)據(jù)為“0F9C”。其它7種狀態(tài)原理相同，不再贅述。

4 仿真驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證幀頭識(shí)別和解相位模糊FPGA設(shè)計(jì)邏輯的正確性，編寫testbench測(cè)試程序進(jìn)行仿真測(cè)試，測(cè)試原理框圖如4所示。輸入原始信息位“1ACF-FC1D-0F9C”，其中“1ACF”為幀頭，“FC1D-0F9C”為數(shù)據(jù)位。經(jīng)過相位模糊模擬單元U1進(jìn)行表1中的8相位模糊模擬，被測(cè)試單元U2均能正確識(shí)別幀頭和解相位模糊，正確恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。

圖4 測(cè)試仿真原理框圖Fig.4 The block diagram of the testing and simulation

設(shè)原始輸入數(shù)據(jù)為“1ACF-FC1D-0F9C”，相位模糊模擬單元模擬調(diào)制解調(diào)旋向不一致，載波相位模糊90°。仿真波形如圖5所示。su_data_in[7:0]為原始輸入數(shù)據(jù)，mh_data_in[7:0]為模糊之后的數(shù)據(jù)，t_data[7:0]為最終輸出數(shù)據(jù)。由仿真波形可知，最終輸出數(shù)據(jù)t_data與原始輸入數(shù)據(jù)su_data_in一致，從而驗(yàn)證了幀頭識(shí)別和解相位模糊FPGA設(shè)計(jì)邏輯的正確性。

圖5 仿真波形Fig.5 The wave of the simulation

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)解調(diào)器的FPGA軟件代碼進(jìn)行優(yōu)化后，使用AWG(任意波形發(fā)生器)模擬調(diào)制器發(fā)送QPSK信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行載波拉偏、位拉偏、旋向改變等測(cè)試，解調(diào)性能均滿足要求。測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 解調(diào)器性能測(cè)試Tab.2 The performance of the Demodulation

6 結(jié)束語

本文分析了QPSK旋轉(zhuǎn)方向?qū)庹{(diào)譯碼的影響，由于調(diào)制解調(diào)旋向不一致導(dǎo)致解調(diào)譯碼相位模糊由原來的4種增加到8種。利用幀頭檢測(cè)和解相位模糊變換實(shí)現(xiàn)了對(duì)這8種相位模糊的糾正，并在FPGA上對(duì)優(yōu)化后的糾正算法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)和測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明優(yōu)化后的的算法能夠正確糾正多重相位模糊問題，從而解決了QPSK信號(hào)因調(diào)制解調(diào)旋轉(zhuǎn)方向不一致而導(dǎo)致的通信異常問題。使得解調(diào)器可兼容順時(shí)針和逆時(shí)針兩種旋轉(zhuǎn)方向的QPSK調(diào)制信號(hào)的解調(diào)譯碼，提高了解調(diào)器的自適應(yīng)性。