基于独特码检测的载波相位模糊纠正方法
2009-03-19王岳熊蔚明
王 岳 熊蔚明
摘 要:在数字相位调制系统的相干解调过程中,普遍存在着载波相位模糊问题。指出了差分相干解调与非相干解调方法的不足,进而针对QPSK,16QAM,16APSK调制方式,分析其相位模糊导致数据变化的情况,并给出了各自基于独特码检测的相位模糊纠正方法。QPSK系统的仿真结果说明了独特码检测方法在抗误码方面比DQPSK系统具有优越性。
关键词:数字相位调制;相干解调;相位模糊;独特码检测
中图分类号:TN911.3文献标识码:B
文章编号:1004-373X(2009)03-062-03
Carrier Phase-ambiguity Correction Based on Unique-word Detection
WANG Yue1,2,XIONG Weiming1
(1.Center for Space Science and Applied Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing,100080,China;
2.Graduate University,Chinese Academy of Sciences,Beijing,100080,China)
Abstract:In digital phase modulation system,there always exists carrier phase-ambiguity in the process of coherent demodulation.This paper shows the disadvantages of differential coherent demodulation and non-coherent demodulation,then analyses the ambiguity of phase which causes the change of data in QPSK,16QAM,16APSK modulation methods when phase-ambiguity occurred.One method based on unique-word detection is given to achieve phase-ambiguity correction.The simulation of QPSK system shows the advantage of unique-word detection method in error resilience compared with DQPSK system.
Keywords:digital phase modulation;coherent demodulation;phase-ambiguity;unique-word detection
0 引 言
在数字相位调制系统中,若接收端采用相干解调方式,则在恢复载波的过程中,可能出现相位模糊的问题[1],从而导致解调后的数据比特位翻转,降低系统的可靠性。一种广泛采用的克服接收端相位模糊问题的解决方法是在发射端采用差分码相位调制,从而在接收端可以使用差分检测进行解调,而不必恢复载波,从而消除了相位模糊的影响。但在信噪比方面,差分编码非相干解调相位调制系统比相干解调相位调制系统低大约2.3 dB[2],从而降低了抗误码性能。另外,差分编码相干解调系统存在误码扩散问题[1]。
独特码检测技术在发送端的两个相互正交支路中各加入事先已确定好的一组码字。对于相干正交支路解调相位调制系统,相位模糊发生时接收端总共有8种可能的解调结果[3](如表1所示),而每一种解调结果惟一对应一种相位模糊可能。
因此,在接收端通过比对解调后的相应独特码位上的值和事先确定好的独特码之间的差别,从而可以惟一确定特定的相位误差。一种解决方法是根据得到的对应数据支路的数据翻转情况相应地改变各路的输出数据(通过控制选通门来使数据取反或不取反),来消除相位模糊的影响;另一种解决方法是根据得到的相位误差来修正本地恢复的载波,进而消除相位模糊的影响。
注:IT,QT表示发送端同向支路I和正交支路Q发送的二进制数据;IR,QR表示接收端通过解调恢复的同向支路I和正交支路Q的二进制数据。符号前的负号表示取该符号的补码。
1 相位模糊情况
1.1 QPSK系统[3]
QPSK解调要恢复载波,通常使用4次方环,costas环等非线性载波恢复方法,从而带来了相位模糊,其相位模糊值可能为0°,90°,180°或270°(如表1所示)。不正确的本地载波对于解调后数据的影响如图1所示。考虑支路翻转是很有必要的[4],图1(a)显示了通常情况,图1(b)显示了支路翻转的情况,图中的结果和表1的结果是相吻合的,载波相位为π/4,3π/4,5π/4和7π/4的QPSK系统情况类似。
1.2 16QAM,16APSK系统
对于16QAM和16APSK系统来讲,采用相干正交支路解调方式进行解调时,其相位模糊情况同QPSK一样,即为通常情况下的0°,90°,180°或270°四种相位模糊情况和支路翻转情况下的0°,90°,180°或270°四种相位模糊情况,如表1所示。
2 相位模糊问题的解决办法
2.1 QPSK系统[3]
要消除QPSK系统相位模糊的影响,可以在发送端每次连续发送I路数据块和Q路数据块的首部分别插入独特码Au和Bu,并且一定要确保Au和Bu之间的相关性足够小,从而降低接收端由于信道误码造成独特码的误识别问题。QPSK接收端检测独特码的框图如图2所示,其中N代表所添加的独特码的长度。图中对于I路和Q路都设置了两个相关器,相关器只对数据块首部的独特码位(Au和Bu)进行识别,其后的数据块直接进行数据解码,这样不会产生由于数据中恰好包含和独特码相同的码字而带来的误识别问题。每个相关器都应当只对其对应的独特码及其反码产生输出,而对于其他码字不产生输出(如相关器AUI在存储器中的独特码为Au时输出正值,为u时输出负值,为非Au和非u输出零值)。
这样,4个相关器的输出结果能够惟一确定当前相位模糊的情况(结合表1),各相关器的输出与其对应的相位模糊情况示于表2中。在明确了相位模糊属于哪种状态后,可以通过解码器的输出来直接校正输出数据(取反或不取反),也可以通过解码器输出来校正本地载波相位,从而消除了相位模糊带来的影响。
2.2 16QAM系统
基于独特码检测的16QAM发射机、接收机框图如图3所示。基于独特码检测的16QAM星座点和码字的对应关系如图4(a)所示,从图中可以发现其为格雷编码,相邻信号星座点间的码距最小(仅位1),这就减少了因误符号导致的误码个数,从而降低了系统的误码率。单独考察b1和b2两位(第3、4位)码与星座点的关系,示于图4(b)。从图中可以看出每个象限的码是相同的,所以b1,b2也称为象限码。通过选通门将独特码加入到象限码的位置,16QAM相位模糊问题的解决方法就简化成了上述的QPSK相位模糊的解决方法。具体方法如下,根据基于独特码检测的16QAM信号星座点的特点,可以在发送端每次连续发送的数据进行2-4电平转换前在同向和正交支路的数据块首部分别插入码字A和B。A的长度是2N,其中奇数位可由a1代表,偶数位用b2代表(它组成了同向支路的独特码Au); B的长度也是2N,其中奇数位可由a2代表,偶数位用b1代表(它组成了正交支路的独特码Bu)。在接收端的4-2电平转换后,依次将相应独特码位上的b2b1(即Au和Bu)送入图2所示的独特码检测器中,根据表2的相关器输出与相位模糊状态对应表确定当前帧的相位模糊状态,从而既可以通过数据解码器消除相位模糊影响(各数据取反或不取反),也可以通过直接修正本地载波相位来消除相位模糊的影响。另外,图4(c)示出了a1a2位码与星座点之间的关系,从图中可以看出阴影部分的a1a2值对90°倍数的相位模糊是不敏感的,所以可以将码字A和B中的a1a2设计成对相位不敏感的值(如设计为11)。这样就可以在接收端利用这些位置的码对每次连续发送的数据块进行检测和同步,而不必担心相位模糊给数据检测和同步带来的影响。
2.3 16APSK系统
基于独特码检测的16APSK发射机、接收机框图同图3所示,只是电平转换规则不同。基于独特码检测的16APSK星座点和码字的对应关系如图5(a)所示(R1=0.414,R2=1.131)[5,6],从图中可以发现其为准格雷编码,从而降低了系统的误码率。同16QAM系统一样,16APSK系统也存在着象限码b1b2(如图5(b)所示)和对90°倍数相位模糊不敏感的某些a1a2值(如图5(c)示),所以可以使用和16QAM相同的基于独特码检测的相位模糊解决办法,从而实现相位模糊的消除和对发送数据的识别和同步。
3 仿真结果及分析
以QPSK系统为例进行计算机仿真实验,仿真结果如图6所示。图中包含了通过AWGN信道的理想无相位模糊情况下QPSK系统的误比特率,非相干解调DQPSK系统的误比特率,相干解调DQPSK系统的误比特率,基于独特码检测QPSK系统的误比特率。本实验假设接收端能够准确判断每次发送数据的到来和进行数据同步。仿真采用100次数据传输,每次10 000 b的数据进行,独特码的长度设计为同向和正交支路各32 b[7]。从实验结果可以发现,基于独特码检测的QPSK系统既能有效克服相位模糊,并且这种方法较DQPSK系统的误码率更低,在较高信噪比的条件下十分接近理想无相位模糊QPSK系统的误码率。
在考虑实际问题时,一方面,短独特码虽然在传输中出现差错的概率较小,但其不利于独特码的识别与两正交支路间独特码的区分。另一方面,随着独特码的加长,独特码的识别更加容易,但独特码的开销加大,降低了系统的有效性,更为严重的是其在传输中出现差错的概率也会相应增加,导致一次数据传输出现错误的概率也相应增加。这要求对独特码进行抗误码编码,或者在接收端独特码检测器的各相关器中设定阈值(本仿真中阈值设定为0.8),当相关函数值大于指定阈值时,其相关器才进行相应的输出。从仿真结果可以看出相关函数阈值判决法可以有效减轻信道误码对相位模糊判决的影响,提高系统可靠性。
综上所述,在解决实际问题时,要综合考虑,结合计算机仿真和实际测试,在系统可靠性和有效性间求取最佳的折衷方案。
4 结 语
通过分析QPSK,16QAM,16APSK系统所存在相位模糊问题,并给出了各自基于独特码检测的解决方法。从而实现了在不使用差分编码调制的情况下,克服相位模糊,提高了通信系统的可靠性和有效性。
文中基于独特码检测来解决相位模糊的方法不仅限于以上3种系统,还可以广泛应用于采用相干正交支路解调的其他相位调制通信系统(如64QAM等)。
参考文献
[1]曹志刚,钱亚生.现代通信原理[M].北京:清华大学出版社,1992.
[2]Bennett W R,Davy J R.Data Transmissions[M].New York:McGraw-Hill,1965.
[3]Cacciamani E R,Wolejsza C J.Phase-Ambiguity Resolution in a Four-Phase PSK Communications System[J].IEEE Trans.on Communication Technology,1971,Com-19(6):1 200-1 210.
[4]Tsuji Y.Phase Ambiguity Resolution in a 4-Phase PSK Modulation System with Forward-Error-Correcting Con-volutional Codes[J].Comsat Technical Review,1976,6(2):357-377.
[5]雷菁,黄英,刘志新.非线性卫星信道中APSK信号星座优化设计研究[J].武汉理工大学学报,2006,28(8):117-121.
[6]李薰春,刘廷军,施玉海.高阶调制在DVB-S2中的应用[J].广播与电视技术,2005,32(12):20-23.
[7]熊静华,杨战平.独特码及其编码原理研究[J].信息与电子工程,2003,1(2):26-30.
作者简介 王 岳 男,1984年出生,天津市人,硕士研究生。主要从事卫星通信方向的研究。
熊蔚明 男,1963年出生,北京市人,研究员。主要从事空间通信系统方向的研究。