高效数字调制技术及其ＤＳＰ实现

王小芬　高　勇

摘 要：介绍两种高效数字调制技术——FQPSK及网格编码调制(TCM)技术。FQPSK是针对高频谱效率和高功率效率要求产生的一种调制方式,分析了其调制原理并进行了DSP实现。TCM技术是一种解决通信系统有效性与可靠性的方案,简单介绍4状态8PSK TCM的基本原理,阐述基于TCM技术的Viterbi译码算法的实现过程,并对不同信噪比下的误码率进行了计算机仿真。最后提出对数字通信系统组合优化的思想。

关键词：FQPSK；网格编码调制；Viterbi译码；DSP

中图分类号：TN911 文献标识码：B

文章编号：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

进入21世纪以来,随着人类探索外太空活动的深入,深空探测正逐步成为航天活动的新热点。1998年,美国国家航空航天局(NASA)在加州理工学院的喷气推进实验室(JPL)成立了深空通信和导航系统精英中心(DESCANSO)［1］。DESCANSO 负责管理和促进深空探测对通信和导航技术需求的创新和改革。2007年我国探月工程计划——嫦娥奔月的成功是中国走向深空探索的第一步,标志着我国深空探测的开始,也是未来进行更远深空探测的必然要求。因而对深空测控通信技术的研究就显得非常重要。

随着通信容量日益增加,射频频谱变得越来越拥挤,数据速率不断增长,所用带宽越来越宽,使得信道间的相互干扰相当突出。在这种情况下,FQPSK—— 一种高带宽效率数字调制方法应运而生。它具有调制信号的频带集中,旁瓣滚降快,包络恒定的特性。另外还介绍了网格编码调制(TCM)技术,它是近年发展起来的一种解决通信系统有效性与可靠性的方案。它可以在不增加信号带宽、不降低有效信息传输速率情况下,获得明显的编码增益。因此特别适合在带宽受限的信道中进行信息传输。

1 FQPSK体制

FQPSK调制的关键在于除了对数字信号进行IJF编码外,还在其后增加了一个交叉相关的运算单元,以减少其包络起伏。原理图如图1所示。

图1 FQPSK框图

1.1 IJF编码原理

所谓IJF编码就是采用一种新的基带成型脉冲时限双码元间隔升余弦脉冲,将基带数字序列经此脉冲成型后,再调制。因其不存在振荡尾巴,从而消除了码间干扰和定时抖动。

实现IJF编码的方法有脉冲叠加法、横向滤波器法和非线性滤波器法等几种。非线性滤波器法实质上是一种分段合成IJF波形的方法。成型后的IJF编码波形仅由以下4种波形合成：即±So和±Se,其中So,Se波形如图2所示。

图2 奇偶函数So,Se的波形

实现时根据输入的前一时刻和当前时刻码元关系来确定该时刻的编码输出：

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编码结果如图3所示。

图3 IJF编码输出

1.2 互相关及DSP实现

经IJF编码输出的波形有3 dB的包络起伏,然后通过互相关来消除包络起伏。具体相关过程是将I路和Q路的两个码元符号在每半个符号间隔内进行如下相关运算［2］：

(1) I路信号为零时,Q路信号为最大峰值。

(2) I路信号为非零时,Q路信号最大值衰减到A(1/2≤A≤1)。

(3) Q路信号为零时,I路信号为最大峰值。

(4) Q路信号为非零时,I路信号最大值衰减到A。

当A=1/2时,其包络起伏接近0 dB,这种使信号幅度包络恒定的方法是一种人为的拼凑方法,无法从原理上做到包络恒定,而仅仅能达到某种程度的近似的包络恒定。

在工程实践中,使用了TI公司的TMS320C6711芯片。该芯片基于超长指令字的体系结构,非常适合于高强度的数学运算。C6711既能进行定点处理也能进行浮点处理。

在DSP实现时,按文献［3］的方法先将8种波形数据制表,然后进行逐符号映射,计算波形编号,得到地址,寻址波形表,输出波形。交叉相关后波形如图4所示。

图4 FQPSK的输出

2 网格编码调制原理

网格编码调制与传统的方法的最大区别在于它是把编码与调制、解调与译码作为一个统一的整体进行综合设计,从而保证信号空间的最佳分割。它包括卷积编码和分集映射,如图5所示。

图5 通用TCM码编码调制器结构图

一个m比特的信息块被分成长度分别为k1,k2的两组。k1比特通过卷积编码器后被编码成n比特,用来在分集后信号星座的2n个子集里映射其中之一,而未参加编码的k2比特用来在各子集的2 k2个信号点里映射其中之一。k2=0,所有m个信息比特都参与编码。

2.1 4状态8PSK TCM分析

文中4状态8PSK网格编码调制方案采用码率为2/3的卷积码对8PSK信号空间的映射构成TCM方案,基本结构如图6 所示［4］。

图6 4状态8PSK网格编码调制

表示简单编码器的一种方法是网格图,如图7所示。它既有时间尺度,又利用了结构上的重复性,避免了支路数呈指数增长的情况。图7中,实线表示输入比特为0的路径,虚线表示输入比特为1的路径。

图7 编码器网格图

2.2 Viterbi译码

Viterbi译码算法是目前最为常用的卷积码的译码方法,主要分为硬判决维特比和软判决维特比。本文采用硬判决,译码时,将接收到的编码序列与网格图上所有可能的转移路径作比较,计算出其汉明距离,并从中选择累加路径距离最小的路径,该条路径对应的序列就是最可能的发送序列。

对于文中的编码器来说,其Viterbi译码算法的基本步骤如下：

(1) 计算量度值。根据接收到的信号序列,对a,b,c和d四种状态分别计算上下两支路状态转移的汉明距离HD_upper和HD_lower。

(2) 相加,比较,选择,存储。在四个状态节点上,分别比较到达同一节点的上下两支路累积路径量度值的大小,选择较小的一条路径y_final,将其状态量度值存储到L(s,t),其中s表示状态,t表示时间。记录路径r(r表示第几条支路),并存储到path(s,t)中。

(3) 寻找最佳路径。根据L(s,t),path(s,t) 及状态转移表S(S记录了每个状态上下分支的前一状态值)的值从最后一个时刻开始进行回溯,最终得到最佳路径,此路径是由状态值表示的。这是一种递归算法。

(4) 译码。根据最佳路径,依次译出二进制码字,上支路译码为0,下支路译码为1,得到译码结果。

其实,当路径量度计算进行到网格图一定深处时,前面的路径已经合并成一条路径,此时就会产生第一位译码比特。这个深度即为译码深度,一般译码深度为约束长度的5~8倍。

2.3 仿真验证

图8是10 000个随机序列经卷积编码,8PSK调制,Viterbi译码后的误码曲线图,可以看出随信噪比的增大,误码率大致呈下降趋势,当信噪比增大到近 10 dB时,误码率为0。

图8 Viterbi误码曲线图

3 结 语

FQPSK调制所具有的频带集中、包络恒定的特性可使得调制信号通过带限和非线性处理后有尽可能小的频谱扩展,其优良的频谱特性与目前射频谱资源紧张的形势相顺应。TCM在不增加带宽和降低信息速率的条件下,可以提高整个系统的可靠性,尤其适合于在功率和频率受限的信道中使用。而基于网格编码调制的Viterbi译码算法具有较强的检错和纠错能力。从TCM技术中可以看出：通过系统内部的组合优化,可以使系统的整体性能得到极大的提高。

参考文献

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［10］李艺,安建平.网格编码调制在卫星高速数据传输中的应用［J］.现代电子技术,2006,29(9):45-47.

作者简介王小芬 女,1983年出生,硕士研究生。研究方向为通信与信号处理。

高 勇 男,1969年出生,博士,副教授,中国电子学会高级会员,中国通信学会高级会员,四川省电子学会电子战专业委员会副主任委员,四川省声学学会语音、音乐和信号处理专业委员会主任委员,四川省通信学会理事,已在国内重要核心学术刊物、重要国际和国内学术会议上发表学术论文16篇(第一作者)。申请中国发明专利4项,已获发明专利授权 2项、实用新型授权2项。研究领域为阵列信号处理、软件无线电、通信抗干扰技术、实时信号处理、嵌入式系统开发等。