压缩MSK信号频谱的另一种方法*

陈 磊 叶红霞 邹 宁 曾文艺

(武汉船舶通信研究所 武汉 430079)



压缩MSK信号频谱的另一种方法*

陈 磊 叶红霞 邹 宁 曾文艺

(武汉船舶通信研究所 武汉 430079)

论文从最小频移键控(Minimum Shift Keying,MSK)信号相位轨迹的角度出发,对MSK信号的频谱进行压缩,首先提出了一种经过整形的MSK(Shaped Minimum Shift Keying,SMSK)的调制方法,然后与另一种压缩MSK信号频谱的经过整形的偏移四进制相位调制(Shaped Offset Quadrature Phase Shift Keying,SOQPSK)调制方法进行了对比分析,本文的调制方法有压缩MSK频谱的效果,而且比SOQPSK更易于实现。

频谱压缩; 最小频移键控; 整形的偏移四进制相位调制

Class Number TN919

1 引言

SOQPSK(Shaped Offset Quadrature Phase Shift Keying)调制是一种频谱效率很高且严格恒定包络的调制方式[1～2]。此种调制方式已经被作为军事标准,用于深空通信和航空遥测中[3～6]。SOQPSK调制信号的特征是从平滑OQPSK相位轨迹出发,使得相位变得连续,这样可以在OQPSK调制信号频谱宽度的基础上加快其旁瓣衰减,使其具有四进制调制和MSK调制在频谱效率上的双重优势[7～8]。但是此种调制方式需要除信道编码外的复杂的编译码的过程[9～10]。

本文从MSK(Minimum Shift Keying)调制信号的角度出发,对其相位轨迹进行平滑处理,产生一种SMSK调制方法,使其达到与SOQPSK类似的相位变化特征。即在MSK频谱的基础上,直接缩短其主瓣宽度。这种调制方式只是改变采样时刻,解调方式保持与MSK不变,不需要SOQPSK调制的复杂的编译码,更加便于作实时信号处理。

2 SMSK调制信号原理

传统的MSK信号的时域表达式为

(1)

信息相位φ(t,α)是由二码元序列αi=-1,1,频率脉冲g(t)和调制指数h决定的,h=1/2对于MSK调制,h=1/2,频率脉冲g(t)是矩形脉冲,在每个比特,它的相位会变化π/2。MSK的相位轨迹如图1所示。

若改变MSK信号的采样判决时刻,即在MSK信号的码元中间时刻进行判决采样,那么在每个判决时刻的间隔内的相位要么最终不变,要么会变化π/2。再将相位最终不变的时间间隔内的相位变成恒定不变,如图1中的虚线所示,就形成了整形之后的MSK调制,即SMSK(Shaped Minimum Shift Keying)调制。

可以从频率脉冲波形的角度来阐述MSK和SMSK调制的关系,如图2所示,MSK在每个码元的间隔时间内都有矩形脉冲,SMSK在采样时间间隔内的脉冲波形是对同样时间间隔的MSK的脉冲求取平均,这样在某些时间间隔内,SMSK脉冲波形就是零。

图1 MSK和SMSK的相位轨迹树图

图2 MSK和SMSK的信号频率脉冲波形

SMSK调制信号的数学表达式如式(2):

(2)

其中βi由式(1)中的αi衍生而来,βi=(αi+αi-1)/2,αi∈{±1},βi∈{-1,0,+1}。对于SMSK,βi需满足以下条件:

1)βi为三态,在任意给定的比特间隔,βi在两个二进制表{0,+1}和{0,-1}中选择;

2) 当βi=0时,βi+1在二进制表中做出响应的状态转变,当βi≠0时,βi+1状态保持不变;

3) 当βi=+1,则不允许βi+1=-1。

3 与SOQPSK的对比分析

首先根据MSK与OQPSK的关系,观察相位轨迹的变化情况。由于MSK可以看成是IQ分量包络分别为cos(πt/2T)和sin(πt/2T)的OQPSK调制,所以为了更直观地比较SMSK和SOQPSK的相位轨迹,将SOQPSK的包络进行了cos(πt/2T)的处理。图3是这几种调制方式的相位轨迹比较,从图中可以看出,在SMSK的相位不变的区间里,SOQPSK的相位轨迹类似余弦函数。

图3 不同调制方式的相位轨迹

为了了解相位轨迹的不同给信号带来的变化,同时高带宽效率也是很多传输系统所要求的,所以要关注这些调制方式的频谱效率。各种调制方式的频谱效率如图4所示,图中横坐标为归一化的频率,由于SMSK的相位变化比MSK要平滑,在频谱效率方面,SMSK的主瓣宽度比MSK要小,但是相位轨迹中奇异点的存在,频谱效率并没有SOQPSK高。这几种调制方式的关系如图5所示,SOQPSK是针对OQPSK调制进行频谱压缩,SMSK是针对MSK进行频谱压缩,MSK是加了余弦包络后的OQPSK调制,虽然将SOQPSK增加了余弦包络后能使得相位轨迹变化与SMSK一致,但由于调制过程中编码方式不同,频谱效率经过压缩之后的效果也不相同。

图4 不同调制方式的频谱效率

图5 几种调制方式之间的关系

综合上述几个方面,可以得知,从压缩频谱的角度上看,SMSK的效果并没有SOQPSK那么明显,但是在误码率性能上与SOQPSK的水平相当,并且从实现方式上看,没有SOQPSK那样需要复杂的编码,SOQPSK的复杂的调制端的额外编码并没有纠错的功能。在工程实现中,一般都已经有信道编码对信号的误码率性能进行改善,对于实时处理的传输系统而言,SMSK的调制方式更容易实现。

图6 不同调制方式的误码率性能比较

4 结语

为了提高MSK的频谱效率,本文从相位轨迹的角度,给出了SMSK调制方法。首先本文阐述了SMSK的调制原理,为了在MSK的基础上对频谱进行压缩,SMSK将MSK的相位轨迹进行了平滑处理。其次将本文的SMSK调制方式与已有SOQPSK调制方式进行了比较,尽管频谱效率并没有SOQPSK高,但是其实现方式比SOQPSK要简单,更便于实时处理,而且误码率性能也能达到与SOQPSK相当的水平。

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《舰船电子工程》编辑部

Another Method of Spectrum Suppressing with MSK Signal

CHEN Lei YE Hongxia ZOU Ning ZENG Wenyi

(Wuhan Maritime Communication Research Institute, Wuhan 430079)

Spectrum suppressing with minimum shift keying signal from its phase trace is focused on this paper. A method called shaped minimum shift keying is proposed at first. The comparison with shaped offset quadrature phase shift keying which spectrum is narrower than MSK is analyzed then. The spectrum frequency of SMSK is higher than MSK and the implementation of SMSK is easier than SOQPSK.

spectrum suppressing, minimum shift keying, shape offset quadrature phase shift keying

2014年12月19日,

2015年1月23日

陈磊,男,硕士,工程师,研究方向:无线通信。叶红霞,女,硕士,工程师,研究方向:通信项目管理。邹宁,男,博士,工程师,研究方向:通信信号处理。曾文艺,女,助理工程师,研究方向:通信网络管理。

TN919

10.3969/j.issn1672-9730.2015.06.017