基于空时编码的SOQPSK-TG调制器的FPGA设计

刘丹阳，王志有，夏国江，孙雪峰，宫长辉，王 洋

（北京宇航系统工程研究所 北京 100076）

引 言

随着航天飞行试验复杂度不断提高，未来遥测系统对数据的实时传输速率及可靠性的要求会越来越高。目前遥测系统采用的PCM/FM体制属于恒包络调制方式，对于未进行预调滤波的NRZ PCM/FM，当其频偏为0.25倍码速率时，其99%能量带宽约为码速率的1.18倍，频带利用率较低[1]。在新一代的遥测体制中，SOQPSK-TG体制具有连续相位特性及恒包络特性，使其具有较高的频带利用率及功率利用率[2]，更适合未来高码速率的遥测系统。

在飞行试验中，若飞行器采用单发射天线，当其姿态改变，则地面站会出现接收信号中断的情况，通常采用双发射天线即可实现全面覆盖接收。然而实际应用中，当接收端同时接收到两个发射信号则可能会出现“双天线问题”[3]。具有满分集增益的空时编码对于空间独立衰落的各个信道，只要各个信道不同时陷入深度衰落即可在接收端处检测出原始信号[4]，能有效避免因信号相位相反叠加造成信号丢失。基于遥测系统双发射天线的特性，可采用具有满分集增益的空时分组码STBC进行编码调制[5]。本文对空时编码与SOQPSK-TG结合的应用展开研究，基于FPGA设计了ALAMOUTI空时码与SOQPSK-TG编码调制器的实现方案。

1 编码调制系统模型

SOQPSK-TG信号可以看作一种特殊的连续相位调制CPM信号，且具有OQPSK的特性[6]，其基带信号模型通常表示为

式中Eb是比特能量，bT是比特周期，0φ是初始相位，φ(t,)α是相位函数。

式中A为常数，调制参数选取ρ=0.7，B=1.25，T1=1.5，T2=0.5。对频率脉冲成形函数积分得到相位脉冲成形函数q(t)，如式（5）所示，其中SOQPSK-TG调制的记忆长度L=8。将g(t)代入（2）式中，可以将nTb≤t≤(n+1)Tb时刻内SOQPSK-TG信号的相位函数写为（6）式。

上式中等号右边第一项为由当前时刻8位记忆关联比特决定的当前相位状态，第二项为累积相位状态。nα是经预编码得到的三进制符号，与二进制码元dn的关系为

根据预编码规则，可以得到预编码状态变量Cn与累积相位状态的映射关系如表1所示，两个奇偶时刻的信息比特决定预编码状态变量，可视为同相比特与正交比特，则对于4个连续的信息比特b4k,b4k+1,b4k+2,b4k+3，等同于两个连续待发送的符号。

空时编码在空时域引入信号间的相关性来提高系统性能，其中空时分组码是将一定数目的符号按时间先后编码成多个空时码字矩阵[8]。图1展示了双天线ALAMOUTI空时分组码的编码过程，符号1S和S2在第一个时刻分别从两个天线发出，其共轭符号在第二个相邻时刻分别从两个天线发出。

表1 预编码状态变量与相位状态映射表Table 1 The mapping of state variables and phase states

图1 ALAMOUTI码编码过程Fig.1 The coding structure of ALAMOUTI space-time code

则码字生成矩阵G为

由于SOQPSK-TG技术的预编码特性，使得其编码调制更易实现。在SOQPSK-TG调制之前对码元进行空时编码，根据表1预编码状态变量Cn由两个连续的比特决定，则将两个连续发送的符号视为S1=(b4k,b4k+1)和S2=(b4k+2,b4k+3)，每一个符号通过控制同相分量与正交分量的极性可以得到该符号的共轭值，故可将其进行联合编码调制。

2 编码调制器FPGA设计结构

采用XILINX公司的V4LX100芯片搭建开发板平台，对基于空时编码的SOQPSK-TG基带调制系统进行硬件实现，其FPGA结构如图2所示，信源经空时编码生成两路编码信号，由于SOQPSK调制可以看作预编码与连续相位调制级联，故将两路编码信号分别进行预编码、相位脉冲成形以及连续相位调制生成两路输出信号。

图2 编码调制FPGA设计Fig.2 The FPGA design diagram of coded modulation

2.1 空时编码模块

基于ALAMOUTI码字结构，空时编码模块主要采用触发器、数据缓存器以及延时计算的方式进行编码，其实现结构如图3所示。输入二进制序列需以码块形式进行编码处理，则使用移位寄存器存储一个空时码块所需的4个比特符号，采用两位的二进制计数器作为触发器，在4个比特周期后触发延时计算单元对数据流进行数据映射。同时触发器控制每路输出信号的先后次序，再输出两路正交信号。

图3 空时编码模块实现结构Fig.3 Space-time coding module implementation diagram

2.2 非递归预编码模块

单极性归零码含有直流分量，通过预编码能进一步将其去除，更适合信道传输[9]。并且预编码模块为防止信号相位突变将空时编码输出的二进制序列编码成具有约束性的三进制序列[10]。由于预编码特性，同相分量与正交分量不会同时改变，其计算结果随奇偶时刻变化而有所不同，故将I/Q两路分开考虑，可以得到其奇偶时刻的映射表，利用查找表的方式进行预编码能够以更少的资源消耗完成二进制到三进制比特的转换，其映射规则见表2。

表2 预编码映射Table 2 The map of precoder

2.3 相位脉冲成形及连续相位调制模块

最后可利用直接数字频率合成技术DDS生成正余弦载波信号，通过正交调制实现连续相位调制。基于上述结论单路空时编码符号连续相位调制模块设计结构如图4所示。

图4 连续相位调制模块实现结构图Fig.4 The module of continuous phase modulation implementation diagram

3 仿真与测试

利用FPGA开发板搭建实验平台，整个平台由电源转换模块、数字中频调制器及DAC数模转换器构成。电源模块可以将+5V工作电压转换为+3.3V供FPGA芯片与DAC转换器使用。开发板采用RAKON公司的温补晶振CFPT-9006-FX。D/A转换单元采用Analog Devices公司的数模转换器AD9744，其最高采样频率为160MHz，且D/A数模转换器要求中频调制器输出位宽为14位的调制信号。

考虑高码速率的遥测系统的应用，将STBC-SOQPSK-TG调制信号信息传输速率Rb设为10Mbps[12]，FPGA的输入时钟为20MHz。受限于D/A转换单元的采样频率，中频调制的中心频率为40MHz，在比特周期内对相位脉冲波形采样8个点，通过使用查表法获得正余弦波形可减少资源消耗。使用Modelsim对输出信号进行仿真，空时编码与预编码结果如图5。rst1是复位信号，当其变为高电平即开始对输入二进制信号x进行空时编码，其结果延时5个符号周期后输出stc1和stc2，其值将4个比特符号划分为一个空时码块。图6中sin_phase1、cos_phase1、sin_phase2及cos_phase2是两路空时编码经预编码及相位脉冲成形之后的I(t)/Q(t)路信号，其波形平滑，相位连续，符合连续相位调制要求。图7为FPGA在线调试工具Chipscope采集到的STBC-SOQPSK-TG信号的相位轨迹，可以看到在相位值接近溢出值时，程序会自动进行调整，理论上相当于加减2π，防止溢出。

图5 空时编码及预编码仿真波形Fig.5 The simulation waveforms of space-time coding and precoding

图6 基于空时编码的SOQPSK-TG调制信号I/Q路波形Fig.6 The I/Q waveforms of SOQPSK-TG signals based on space-time coding

利用FPGA对两路信号的I(t)/Q(t)信号进行正交调制得到40MHz中频输出信号，其采样频率为160MHz，再经数模转换器后输出。利用矢量信号分析仪采集单路STBC-SOQPSK-TG调制信号，得到其频谱如图8。STBC-SOQPSK-TG调制信号频谱具有能量集中，旁瓣滚降快的特点，其99%能量带宽约为0.78Rb,相比传统的PCM/FM调制体制在高码速率遥测系统中更具有优势。同时空时编码通过引入空间资源的冗余提高系统可靠性，不会损失信号的频带利用率，只是在硬件设计上需要对两路信号分别进行预编码及连续相位调制输出两路信号分别到两个天线发射，对当前两发射天线的遥测系统来说具有实现可能性。

图7 STBC-SOQPSK-TG信号相位轨迹Fig.7 The phase path of STBC-SOQPSK-TG signals

图8 单路STBC-SOQPSK-TG信号功率谱Fig.8 The spectrum of the single STBC-SOQPSK-TG signal

4 结束语

本文论述了一种空时分组码与SOQPSK-TG技术结合的编码调制器的FPGA设计结构，利用正余弦查表法以及直接数字频率合成技术实现连续相位调制，并利用预编码的约束性设计了相位函数模块，在不损失精度的前提下减小其实现难度。通过FPGA测试结果验证了空时编码模块的正确性，同时表明空时编码与SOQPSK-TG联合调制的频谱依旧具有高频谱率且旁瓣滚降快，并且空时编码具有抵抗信道衰落的能力，有效避免双天线干涉导致信号中断，在新一代航天遥测系统中具有较大的发展潜力。