EBPSK解调器的抗频偏特性研究

2010-09-25吴金铃吴乐南

通信电源技术 2010年4期

吴金铃，冯熳，吴乐南

（东南大学信息科学与工程学院，江苏南京210096）

0 引言

无线通信系统由于多普勒频移和收发频差等因素，使得接收信号的载波和本地载波不能完全同步，两者之间产生了一定的偏差［1］。这样也使得相位发生较大的变化，从而对解调性能产生恶性影响，因此在接收机中通常都应该进行载波同步和频偏校正。载波频偏的估计在载波同步中不可或缺，较经典的算法有非判决辅助载波频偏估计算法、数据辅助频偏估计算法等［2］。

传统接收机中载波同步通常采用基于反馈的锁相环方式，虽然误差很小，但同步锁定较慢。在无线通信系统尤其是一些军事应用领域中，通信端以超乎寻常的速度运动，带来了极大的多普勒频移，一些通用的克服频偏的技术由于纠正范围不足，已经不能适合这些特殊通信的要求。

扩展的二元相移键控（EBPSK）调制是一种新的单载波通信体制，比正交频分复用（OFDM）那样的多载波系统具有内在的抗频偏性能，有可能省略频偏校正模块直接进行可靠通信，在一些特殊的突发数据通信系统中具有较好的应用前景。

1 EBPSK调制解调器

1 .1 EBPSK 调制信号

EBPSK是一种不对称相位调制技术，主要是利用了小角度调相和短暂的调制时间来紧缩发送频谱。其统一表达式定义［3］为：

“0”对应的调制波形

“1”对应的调制波形

式中，T为码元宽度；fc为载波频率；τ为相位跳变持续时间。设码元持续了N个载波周期，相位跳变持续了K 个载波周期，则T＝N／fc，τ＝K／fc。取K＝2 ，N＝20 ，A＝B＝1 ，θ＝τ，载波频率为1 MHz 时，“0”和“1”对应的调制波形分别如图1 所示。

图1 K＝2 ，N＝20 ，A＝B＝1 ，θ＝τ，载波频率为1 MHz 时EBPSK调制波形

1 .2 EBPSK 解调器

如图2 所示，解调器分为3 个部分，即解调滤波和预处理、位同步提取和积分判决［4］。其中冲击滤波器是整个解调器的基础，将在下一节详细讨论。

图2 EBPSK解调器系统框图

EBPSK调制信号经过数字冲击滤波器后，对幅度取绝对值，如图3（a）所示，该波形并不规整，需要在送入数字锁相环（DPLL）之前进行预处理，包括低通滤波、整流和延时。低通滤波用来取波形的包络，整流则将包络规整化为如图3 （b）所示的码元波形。该波形延时后送入DPLL 反复调整相位，得到了同步跟踪上的位同步信息，如图4（a）所示。为了使位同步信息指导的积分判决性能更好，对位同步信号进行占空比整形，如图4（b）所示。

图3 解调滤波和预处理后的码元波形

图4 数字锁相法提取位同步

图5 积分判决输出

在位同步信息的指导下，对图3 （a）的波形进行积分，结果如图5（a）所示，选取适当的判决门限，即可正确解调出输入码元，如图5（b）所示。

2 EBPSK解调器的抗频偏性能分析

为了解调超窄带调制信号，美国人Harold R.Walker 设计了零群时延特性的石英晶体滤波器以保持信号的相位信息［5］，但石英晶体灵活性和稳定性差、不易集成，可以考虑用具有一对共轭零、极点的无限冲激响应（IIR）数字滤波器来逼近晶体滤波器的幅频和相频响应［6］。

图6 EBPSK调制信号载波频率低于滤波器中心频率

图7 EBPSK调制信号载波频率高于滤波器中心频率

仿真实验中发现，如果EBPSK 信号载频与滤波器中心频率相等（传统方法），则EBPSK 的相位跳变被完全抹掉，而如果使EBPSK 载频略偏于滤波器中频，则相位跳变信息经过滤波后转化为寄生调幅［6］。

在滤波器零点相角小于极点相角的情况下，若载频低于滤波器中频，如图6 （a）所示，则滤波后调制波形相位跳变处的幅度明显高于无跳变处的幅度，如图6（b）；若载频高于滤波器中频，如图7 （a）所示，则滤波后相位跳变处的幅度明显小于无跳变处的，如图7 （b）所示。文献［7］已经对图6 和图7 所示的“左凹右凸”现象［6］做了详尽的分析和解释。当载波频率处在图6（a）所示的零、极点对应频率范围内时，都可以产生如图6（b）所示的幅度跳变，此即EBPSK 解调器具有频偏容忍能力的原因所在。

3 实验结果

实验中载波频率为fc，采样频率fs＝10fc。让载频偏移Δf Hz ，则随着时间推移，每个载波周期的采样点将发生偏移，达到一定程度将会影响幅度跳变值，产生错判。表1 记录了当出现第1 个码元错判时所仿真的码元个数，以此来考察抗频偏性能。

由表1 可知，频偏Δf＝0时，码元的判决输出结果完全正确；Δf＝20 Hz ，即｜△f／fc｜＝0.002 %，当仿真到第50010 个码元时，出现第一个判决错误，即前50009 个码元可以正确判决输出。当EBPSK 信号的其它参数和条件都不变、载波频率fc分别为10 MHz和50 MHz 时，记录数据如图8 所示。

表1 EBPSK调制取K＝2 、N＝20 、f c ＝1 MHz 、f s ＝10 MHz 、θ＝π时的实验结果

图8 抗频偏性能实验结果

由图8 可知，对于不同的载频，当相对频偏△f／fc一定时，误码前能正确判决输出的码元个数基本相似。因此，在突发通信中即使存在一定的收发频差，采用10－4精度普通晶振的EBPSK 电台至少仍能进行可靠的静止通信，可以省去锁相环。但是，随着频差加大，可靠通信的突发数据量逐渐减小，故用于移动突发通信场合还须考虑具体的多普勒频移大小。