基于XTCQM的Alamouti-SOQPSK-TG遥测系统的高性能检测

李泰立，王世练，赖鹏辉，陈炜宇

基于XTCQM的Alamouti-SOQPSK-TG遥测系统的高性能检测

李泰立，王世练，赖鹏辉，陈炜宇

（国防科技大学电子科学学院 长沙 410073）

为了在降低Alamouti-SOQPSK-TG遥测系统检测算法复杂度的同时仍能具有较高的检测性能，提出一种基于32波形互相关网格编码正交调制（XTCQM）的低复杂度检测算法。仿真结果表明，采用这种算法的Alamouti-SOQPSK-TG遥测系统可以解决“双天线问题”，能抵抗两路信号在一个比特持续时间内的延迟，相比8波形XTCQM，误码率为10–5时b/0可节省1.2dB。

连续相位调制；双天线问题；互相关网格编码正交调制

引 言

成形偏移正交相移键控SOQPSK（Shaped OffsetQuadrature Phase Shift Keying）具有相位连续、包络恒定、高功率效率以及高频谱效率等诸多优点，在遥测遥控、深空通信等领域具有广泛应用[1]。其部分响应体制SOQPSK-TG是专为遥测设计的SOQPSK信号，SOQPSK在IRIG106标准中与FQPSK并称为Tier-1信号[2]。

在遥测系统中，当飞行器仅用一根天线时，其通信链路会因飞行器机动而阻挡传播路径，解决的方法是使用两根发射天线发射相同的信号，如此，即使一根天线的路径被遮挡，另一路信号仍有可能被接收天线接收。但是当两根天线的信号同时被地面站接收时，两路信号会相互干涉，即出现“双天线”问题。解决双天线问题的方法有三种，一是使用两个不同的频率来发射遥测信号，这样会增加所需的带宽，二是将两个天线视为简单的天线阵列，并使用波束控制将遥测信号引导到地面站，该方法需要一些机制来通知飞行器测试地面站的位置，这样做会增加检测的复杂度，三是采用空时编码STC（Space Time Coding）与遥测体制相结合[3]。空时编码不仅能提供分集增益和编码增益，还能用于克服信道衰落，这在飞行器处于近地环境时可以起到关键作用[4]。文献[5]对Alamouti-SOQPSK-TG遥测系统进行了全面的研究，并采用基于8波形互相关网格编码正交调制XTCQM（Cross-correlated Trellis-coded QuadratureModulation）的低复杂度算法来降低检测部分的复杂度。使用这种方法虽能大幅减少检测状态数[6]，但检测性能较差。

因此，本文提出一种32波形XTCQM算法，该算法可以大大地提高系统的检测性能，在误码率为10–5时实现了1.2dB的增益。跟原有系统相比，此算法的复杂度有所提高，在第3章有对复杂度的具体分析，然而此复杂度仍在可承受范围内。在要求可靠通信时，此算法能有效地提高系统的可靠性。

1 SOQPSK与Alamouti空时码的联合系统

SOQPSK-TG信号的表达式为

SOQPSK的预编码状态变量s可以表示为

表1 数据比特与相位状态对应关系

遥测信道通常可建模为加性高斯白噪声AWGN（Additive White Gaussian Noise）信道[9]，经过信道传输后，接收信号在基带上可表示为

其中，h0和h1分别是两路信号的信道响应函数，和分别为在接收端两路信号的延迟，f0代表本地载波频率与实际载波频率的差值，z(t)为零均值复高斯白噪声，其功率谱密度为2N0。

对接收信号()进行抗混叠滤波后以为周期进行采样，假设每比特采样点数为整数，以b代表比特周期，则满足

这样，对接收信号的第个采样点可表示为

表2 遥测系统中SOQPSK-TG的相位状态与Alamouti空时编码之间的对应关系

因此发射序列可以通过下式估计得到

2 基于XTCQM的低复杂度检测算法

其中，

采用文献[10]描述的平均替代技术科将用于近似表示SOQPSK-TG信号的波形数目降到32个

在Alamouti编码与SOQPSK-TG信号的遥测系统中，通常是逐码块译码，采用32波形XTCQM算法进行检测时，对数似然函数可以表示为

当前译码的第个码块所对应的累积测度M的表达式为

将编号为的码块的观察时间按比特数量均分为两个时间，则有

（b）当时，关键比特与当前码块波形的对应关系

观察图2(b)可知，在0()中一个比特的波形观察时间内总会涉及1()中的两个XTCQM波形符号，将1()中的两个串联的XTCQM符号定义为(以第一个串联符号为例)

考虑到基于XTCQM模拟的波形与接收信号的波形采样点有6的延迟，所以在计算分支度量D,l时需要加上，相应的表达式为

检测每个Alamouti码块时都将重复如图3所示的三阶状态网格图，图中每个圆点都代表着上述检测过程中涉及到的比特序列的值，将这些值定义为网格状态，则初始的网格状态数为16个，即与Alamouti码块包含的4个比特有关，而连接这些点的即为分支路径。当l=0时，由于Dk,0中所涉及的比特数为9个，所以网格状态数增长到512个，同理根据定义Dk,1的比特数为7个，因此下一阶段的网格减少到128个状态，需要注意的是在l=1这一阶段后才会进行判决，即通过寻找最小的度量来确定Alamouti码块的4比特信息。

结合式(9)和式(16)，可得检测算法的判决表达式为

通过上述对检测过程的描述可知，若采用32波形XTCQM算法，在第一阶段其状态网格将包含512种状态，这意味着每个初始状态将有32个分支，若采用8波形XTCQM算法，初始的16种网格状态将在第一阶段扩展到32个，在=1的阶段，本文提出的算法由于网格状态数缩小为上一阶段的四分之一，而8波形XTCQM算法会在=0的网格状态上每个点各4个分支路径，即网格状态数增加至128个。最后在判决时，32波形XTCQM要从8个分支度量中取出最小值，与8波形XTCQM判决时需要对比的分支度量数相同。两种算法的解调复杂度对比示于表3。

表3 基于8波形XTCQM、32波形XTCQM的检测算法的复杂度对比

3 仿真分析

在仿真的过程中，两根发射天线对接收天线均可见时，在轨飞行器与接收天线间的距离通常远大于两根发射天线间的距离，因此可假设两个子信道信道响应0和1的幅值0=1=1，由于本文已经假设了接收端能够准确估计出信道响应，所以对信号检测有影响的是两路信号信道响应的相角差，简单起见，我们将0和1分别表示为

图4 Alamouti-SOQPSK-TG遥测系统与SOQPSK-TG遥测系统的误比特率随信道响应的相位差θ变化关系

图5 采用8波形XTCQM、32波形XTCQM的遥测系统的误比特率随信噪比变化关系

4 结束语

本文提出一种基于互相关网格编码正交调制的Alamouti-SOQPSK-TG遥测系统的减状态检测方法，并对其误码性质，抗延迟性和解决“双天线问题”的能力做出了仿真分析。仿真结果表明所提出的减状态算法在Alamouti-SOQPSK-TG的遥测系统中能抵抗两路信号相互干涉的问题，32波形XTCQM相比于8波形XTCQM在误码率是10–5时b/0可节省1.2dB，且该方法在两路信号不对齐的情况下依然可以正常工作。

[1] SAHIN C, PERRINS E. The capacity of SOQPSK-TG[C]//Military Communications Conference. 2011.

[2] RANGE C C. Telemetry Standards, IRIG Standard 106-17[S]. 2017.

[3] RICE M, PALMER J, LAVIN C, et al. Space-time coding for aeronautical telemetry: Part I—estimators[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2017:1–1.

[4] JENSE M A, RICE M D, ANDERSON A L. Aeronautical telemetry using multiple-antenna transmitters[J]. IEEE Transactions on Aerospace & Electronic Systems, 2007, 43(1):262–272.

[5] RICE M, NELSON T, PALMER J, et al. Space-time coding for aeronautical telemetry: Part II—decoder and system performance[J]. IEEE Transactions on Aerospace & Electronic Systems, 2017, 53(4):1732–1754.

[6] NELSON T, PERRINS E, RICE M. A unified perspective on ARTM tier I waveforms - Part II: common detectors[C]// Military Communications Conference. 2005.

[7] PERRINS E, RICE M. Reduced-complexity approach to iterative detection of coded SOQPSK[J]. IEEE Transactions on Communications, 2007, 55(7):1354–1362.

[8] RICE M, GAGAKUMA E. Approximate MLSE equalization of SOQPSK-TG in aeronautical telemetry[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2018:1–1.

[9] RICE M, DYE R, WELLING K. Narrowband channel model for aeronautical telemetry[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 2000, 36(4):1371–1376.

[10] NELSON T, PERRINS E, RICE M. Near optimal common detection techniques for shaped offset QPSK and Feher’s QPSK[J]. IEEE Transactions on Communications, 2008, 56(5):724–735.

High-performance detection of alamouti-SOQPSK-TG telemetry system based on XTCQM

LI Taili, WANG Shilian, LAI Penghui, CHEN Weiyu

（College of Electronic Science, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China）

In order to reduce the complexity of the Alamouti-SOQPSK-TG joint system detection algorithm while ensuring high detection performance, this paper proposes the algorithm which is called 32 waveform cross-correlation trellis-coded quadrature modulation (XTCQM). The simulation shows that the Alamouti-SOQPSK-TG joint system with 32 waveform XTCQM can solve the “two antenna problem”. Using this algorithm can also resist the delay of two signals in one bit duration. The performance in terms of bit error rate of 32-waveform XTCQM is 1.2dB better than the low-complexity algorithm based on 8-waveform XTCQM when the bit error rate is 10–5.

Continuous phase modulation; Two antenna problem; Cross-correlated trellis-coded quadrature

TN919

A

CN11-1780(2019)03-0022-06

李泰立 1994年生，在读硕士研究生，主要研究方向为现代通信技术。

王世练 1976年生，教授，博士生导师，主要研究方向为无线通信对抗。

赖鹏辉 1994年生，硕士，主要研究方向为现代通信技术。

陈炜宇 1996年生，在读硕士研究生，主要研究方向为现代通信技术。

2019-02-11

2019-04-30

Email:ycyk704@163.com

TEL:010-68382327 010-68382557