高效數字調制技術及其ＤＳＰ實現

王小芬　高　勇

摘 要：介紹兩種高效數字調制技術——FQPSK及網格編碼調制(TCM)技術。FQPSK是針對高頻譜效率和高功率效率要求產生的一種調制方式,分析了其調制原理并進行了DSP實現。TCM技術是一種解決通信系統有效性與可靠性的方案,簡單介紹4狀態8PSK TCM的基本原理,闡述基于TCM技術的Viterbi譯碼算法的實現過程,并對不同信噪比下的誤碼率進行了計算機仿真。最后提出對數字通信系統組合優化的思想。

關鍵詞：FQPSK；網格編碼調制；Viterbi譯碼；DSP

中圖分類號：TN911 文獻標識碼：B

文章編號：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

進入21世紀以來,隨著人類探索外太空活動的深入,深空探測正逐步成為航天活動的新熱點。1998年,美國國家航空航天局(NASA)在加州理工學院的噴氣推進實驗室(JPL)成立了深空通信和導航系統精英中心(DESCANSO)［1］。DESCANSO 負責管理和促進深空探測對通信和導航技術需求的創新和改革。2007年我國探月工程計劃——嫦娥奔月的成功是中國走向深空探索的第一步,標志著我國深空探測的開始,也是未來進行更遠深空探測的必然要求。因而對深空測控通信技術的研究就顯得非常重要。

隨著通信容量日益增加,射頻頻譜變得越來越擁擠,數據速率不斷增長,所用帶寬越來越寬,使得信道間的相互干擾相當突出。在這種情況下,FQPSK—— 一種高帶寬效率數字調制方法應運而生。它具有調制信號的頻帶集中,旁瓣滾降快,包絡恒定的特性。另外還介紹了網格編碼調制(TCM)技術,它是近年發展起來的一種解決通信系統有效性與可靠性的方案。它可以在不增加信號帶寬、不降低有效信息傳輸速率情況下,獲得明顯的編碼增益。因此特別適合在帶寬受限的信道中進行信息傳輸。

1 FQPSK體制

FQPSK調制的關鍵在于除了對數字信號進行IJF編碼外,還在其后增加了一個交叉相關的運算單元,以減少其包絡起伏。原理圖如圖1所示。

圖1 FQPSK框圖

1.1 IJF編碼原理

所謂IJF編碼就是采用一種新的基帶成型脈沖時限雙碼元間隔升余弦脈沖,將基帶數字序列經此脈沖成型后,再調制。因其不存在振蕩尾巴,從而消除了碼間干擾和定時抖動。

實現IJF編碼的方法有脈沖疊加法、橫向濾波器法和非線性濾波器法等幾種。非線性濾波器法實質上是一種分段合成IJF波形的方法。成型后的IJF編碼波形僅由以下4種波形合成：即±So和±Se,其中So,Se波形如圖2所示。

圖2 奇偶函數So,Se的波形

實現時根據輸入的前一時刻和當前時刻碼元關系來確定該時刻的編碼輸出：

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編碼結果如圖3所示。

圖3 IJF編碼輸出

1.2 互相關及DSP實現

經IJF編碼輸出的波形有3 dB的包絡起伏,然后通過互相關來消除包絡起伏。具體相關過程是將I路和Q路的兩個碼元符號在每半個符號間隔內進行如下相關運算［2］：

(1) I路信號為零時,Q路信號為最大峰值。

(2) I路信號為非零時,Q路信號最大值衰減到A(1/2≤A≤1)。

(3) Q路信號為零時,I路信號為最大峰值。

(4) Q路信號為非零時,I路信號最大值衰減到A。

當A=1/2時,其包絡起伏接近0 dB,這種使信號幅度包絡恒定的方法是一種人為的拼湊方法,無法從原理上做到包絡恒定,而僅僅能達到某種程度的近似的包絡恒定。

在工程實踐中,使用了TI公司的TMS320C6711芯片。該芯片基于超長指令字的體系結構,非常適合于高強度的數學運算。C6711既能進行定點處理也能進行浮點處理。

在DSP實現時,按文獻［3］的方法先將8種波形數據制表,然后進行逐符號映射,計算波形編號,得到地址,尋址波形表,輸出波形。交叉相關后波形如圖4所示。

圖4 FQPSK的輸出

2 網格編碼調制原理

網格編碼調制與傳統的方法的最大區別在于它是把編碼與調制、解調與譯碼作為一個統一的整體進行綜合設計,從而保證信號空間的最佳分割。它包括卷積編碼和分集映射,如圖5所示。

圖5 通用TCM碼編碼調制器結構圖

一個m比特的信息塊被分成長度分別為k1,k2的兩組。k1比特通過卷積編碼器后被編碼成n比特,用來在分集后信號星座的2n個子集里映射其中之一,而未參加編碼的k2比特用來在各子集的2 k2個信號點里映射其中之一。k2=0,所有m個信息比特都參與編碼。

2.1 4狀態8PSK TCM分析

文中4狀態8PSK網格編碼調制方案采用碼率為2/3的卷積碼對8PSK信號空間的映射構成TCM方案,基本結構如圖6 所示［4］。

圖6 4狀態8PSK網格編碼調制

表示簡單編碼器的一種方法是網格圖,如圖7所示。它既有時間尺度,又利用了結構上的重復性,避免了支路數呈指數增長的情況。圖7中,實線表示輸入比特為0的路徑,虛線表示輸入比特為1的路徑。

圖7 編碼器網格圖

2.2 Viterbi譯碼

Viterbi譯碼算法是目前最為常用的卷積碼的譯碼方法,主要分為硬判決維特比和軟判決維特比。本文采用硬判決,譯碼時,將接收到的編碼序列與網格圖上所有可能的轉移路徑作比較,計算出其漢明距離,并從中選擇累加路徑距離最小的路徑,該條路徑對應的序列就是最可能的發送序列。

對于文中的編碼器來說,其Viterbi譯碼算法的基本步驟如下：

(1) 計算量度值。根據接收到的信號序列,對a,b,c和d四種狀態分別計算上下兩支路狀態轉移的漢明距離HD_upper和HD_lower。

(2) 相加,比較,選擇,存儲。在四個狀態節點上,分別比較到達同一節點的上下兩支路累積路徑量度值的大小,選擇較小的一條路徑y_final,將其狀態量度值存儲到L(s,t),其中s表示狀態,t表示時間。記錄路徑r(r表示第幾條支路),并存儲到path(s,t)中。

(3) 尋找最佳路徑。根據L(s,t),path(s,t) 及狀態轉移表S(S記錄了每個狀態上下分支的前一狀態值)的值從最后一個時刻開始進行回溯,最終得到最佳路徑,此路徑是由狀態值表示的。這是一種遞歸算法。

(4) 譯碼。根據最佳路徑,依次譯出二進制碼字,上支路譯碼為0,下支路譯碼為1,得到譯碼結果。

其實,當路徑量度計算進行到網格圖一定深處時,前面的路徑已經合并成一條路徑,此時就會產生第一位譯碼比特。這個深度即為譯碼深度,一般譯碼深度為約束長度的5~8倍。

2.3 仿真驗證

圖8是10 000個隨機序列經卷積編碼,8PSK調制,Viterbi譯碼后的誤碼曲線圖,可以看出隨信噪比的增大,誤碼率大致呈下降趨勢,當信噪比增大到近 10 dB時,誤碼率為0。

圖8 Viterbi誤碼曲線圖

3 結 語

FQPSK調制所具有的頻帶集中、包絡恒定的特性可使得調制信號通過帶限和非線性處理后有盡可能小的頻譜擴展,其優良的頻譜特性與目前射頻譜資源緊張的形勢相順應。TCM在不增加帶寬和降低信息速率的條件下,可以提高整個系統的可靠性,尤其適合于在功率和頻率受限的信道中使用。而基于網格編碼調制的Viterbi譯碼算法具有較強的檢錯和糾錯能力。從TCM技術中可以看出：通過系統內部的組合優化,可以使系統的整體性能得到極大的提高。

參考文獻

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作者簡介王小芬 女,1983年出生,碩士研究生。研究方向為通信與信號處理。

高 勇 男,1969年出生,博士,副教授,中國電子學會高級會員,中國通信學會高級會員,四川省電子學會電子戰專業委員會副主任委員,四川省聲學學會語音、音樂和信號處理專業委員會主任委員,四川省通信學會理事,已在國內重要核心學術刊物、重要國際和國內學術會議上發表學術論文16篇(第一作者)。申請中國發明專利4項,已獲發明專利授權 2項、實用新型授權2項。研究領域為陣列信號處理、軟件無線電、通信抗干擾技術、實時信號處理、嵌入式系統開發等。