OQPSK調(diào)制技術(shù)在寬帶衛(wèi)星通信的應(yīng)用范文

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摘要:

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(diǎn)進(jìn)行了分析。文章結(jié)合工程實(shí)踐，重點(diǎn)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(jì)算、定時(shí)同步以及相位解模糊，同時(shí)分析了OQPSK在衛(wèi)星通信中的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過理論分析和實(shí)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(jì)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。

關(guān)鍵詞:

OQPSK;相干解調(diào);寬帶;衛(wèi)星通信

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(shí)間上偏移了半個(gè)符號周期。OQPSK調(diào)制除了具有QPSK調(diào)制的所有優(yōu)點(diǎn)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)中，已成為非線性帶限信道中常用的一種調(diào)制方式。

1OQPSK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(shí)半個(gè)碼元周期，OQPSK信號可以表示為:，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(gè)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。

1．2OQPSK

相干解調(diào)原理QPSK信號可以用兩個(gè)正交的載波信號實(shí)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(shí)，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。

2OQPSK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(diǎn)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由于OQPSK與QPSK原理基本相同，只是Q路數(shù)據(jù)延遲了半個(gè)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。在載波環(huán)路中，可以直接用式(9)作為鑒相誤差。但在實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)中，為了簡化運(yùn)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(jì)算方法如下。

2．1．3多普勒頻偏計(jì)算

載波同步時(shí)，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。基帶信號，即已調(diào)信號的包絡(luò);m為第m個(gè)碼元的相位，理論上是(0，2π)內(nèi)離散取值，對于QPSK/OQPSK信號而言，只能取m=mπ4+π4，m=0，1，2，3。因此計(jì)算其載波多普勒頻偏時(shí)需對信號進(jìn)行4次方，得到［e(t)］4=∑［g(t－nT)s］4exp(jmπ+π+Δ)，這樣才把調(diào)制信息去掉，只剩下載波頻差信息。通過FFT計(jì)算頻差，據(jù)此對載波環(huán)中的DCO進(jìn)行頻率設(shè)置，使載波環(huán)路進(jìn)入快捕帶，完成對多普勒頻移的捕獲。

2．2定時(shí)同步

載波恢復(fù)后，根據(jù)準(zhǔn)確的符號時(shí)鐘重采樣即可恢復(fù)出數(shù)據(jù)。因此需要對符號時(shí)鐘進(jìn)行定時(shí)同步。定時(shí)同步可以采用先內(nèi)插再抽取最佳采樣點(diǎn)的方式，也可以采用定時(shí)誤差置入DCO控制重采樣時(shí)鐘頻率的方式，使重采樣點(diǎn)為碼元的最佳采樣點(diǎn)。本文介紹后一種定時(shí)同步方式。OQPSK定時(shí)誤差提取常采用gardner算法［5］，該算法具有兩個(gè)特點(diǎn):一是每個(gè)符號只需要兩個(gè)采樣點(diǎn)即可，且以符號速率輸出誤差信號;二是估計(jì)算法獨(dú)立于載波相位，即可以在載波相位同步之前，完成定時(shí)誤差估計(jì)。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)誤差提取采用最大值、過零點(diǎn)的方法提取。誤差為ε=Xk*Xk－N2－Xk+N()2，N為每個(gè)碼元周期的采樣點(diǎn)數(shù)，Xk為期望中的過零點(diǎn)，Xk－N2，Xk+N2為期望的相鄰兩個(gè)碼元的最大值。定時(shí)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(shí)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(huì)造成數(shù)據(jù)解調(diào)錯(cuò)誤。OQPSK解調(diào)的相位模糊情況一共有8種。通常相位解模糊結(jié)合幀同步來處理。可以將8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。

3OQPSK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(tái)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(gè)支路信號相對延時(shí)半個(gè)碼元。每次只有一個(gè)支路可能發(fā)生碼元極性翻轉(zhuǎn)，不會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)支路碼元極性同時(shí)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(huì)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(shí)際工程應(yīng)用

在某寬帶衛(wèi)星通信項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)了符號率為120Msps的OQPSK調(diào)制器和解調(diào)器，實(shí)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OQPSK解調(diào)器采用相干解調(diào)，載波同步、定時(shí)同步、多普勒頻偏估計(jì)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(shí)采用全并行相干解調(diào)。此外，由于符號速率較高，群時(shí)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(bǔ)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?yàn)V波器、逆向?yàn)V波器、判決器和抽頭系數(shù)更新的自適應(yīng)算法模塊。

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(jì)算做了詳細(xì)的推導(dǎo)，對定時(shí)同步的原理和實(shí)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(shí)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(shí)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。

參考文獻(xiàn):

［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．

［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．

作者：徐遠(yuǎn)超 單位：中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所