一种新的MPPSK调制解调器实现结构

应鹏魁 吴乐南

(东南大学信息科学与工程学院，南京 210096)

一种新的MPPSK调制解调器实现结构

应鹏魁 吴乐南

(东南大学信息科学与工程学院，南京 210096)

为了简化多元位置相移键控(MPPSK)接收机的结构并提升其解调性能，给出了一种MPPSK调制器的实现结构，并提出了一种全新的基于冲击滤波多路判决的MPPSK解调器实现结构.该解调器结构先对冲击滤波器的输出信号取绝对值并进行低通滤波处理，再将得到的冲击包络通过由不同位同步信息控制的抽样判决器，将判决结果叠加，即可得到最终的符号序列.仿真结果表明，与基于锁相环的解调器结构相比，该解调器的结构更简单，解调性能更好.随着进制数的增大，MPPSK调制信号功率谱的边带线谱逐渐降低甚至消失，从而紧缩了信号功率谱，降低了邻道干扰，提高了频谱利用率.因此，在加性高斯白噪声信道条件下，该实现结构具有较强的应用优势.

MPPSK调制;多路判决;同步;抽样;锁相环;功率谱

高速增长的无线多媒体业务对信号传输带宽提出了越来越高的要求.将传统的二进制相移键控(binary phase shift keying，BPSK)调制扩展为不对称的EBPSK调制，是提高频谱利用率的一种新尝试［1-2］.虽然 EBPSK 调制波形中的符号“0”和“1”均含有N个正弦载波周期，但符号“1”的调相区间只含有K个载波周期.由于K＜N，故EBPSK是不对称调制，且符号“1”的相位跳变一般固定在符号的起始位置，每个符号只能携带1 bit信息.将EBPSK与脉冲位置调制相结合，可得到多元位置相移 键 控 (M-ary phase position shiftkeying，MPPSK)［3］或类似的随机脉位键控(random pulse position keying，RPPK)［4］调制，进一步提高了频谱利用率.

本文研究了基于冲击滤波多路判决的MPPSK调制解调器(MODEM)的实现结构.仿真结果表明，与基于锁相环的MPPSK［3］相比，该解调器的解调效果更优，实现更为简单.

1 MPPSK调制

与EBPSK调制相比，在MPPSK调制中，采用M进制信息符号直接控制正弦载波的相位跳变时刻在每个码元周期中的位置.不考虑幅度调制，一个码元周期［0，NT］内的MPPSK调制信号可表示为

式中，k=0，1，…，M －1为实际发送的符号，共有M ＞2种取值;ωc为载波角频率;T=2π/ωc为载波周期;rg为符号保护间隔控制因子，且0≤rg＜1.M，K，N，θ，rg共同组成了改变信号带宽、传输效率和解调性能的调制参数［3］.不难得出，当 M=2，rg=0时，式(1)即退化为EBPSK调制的统一表达式，因此EBPSK调制是MPPSK调制的一个特例.

2 调制器结构

全数字化MPPSK调制器可由包含M个符号采样值的查找表和数模转换器(DAC)组成［3］.其实现方法为:在M进制序列的控制下选择相应的波形样本，经DAC转换成已调制的模拟信号(见图1).这种调制器实现方法虽然原理简单，但查找表存储的波形样本数不仅与进制数M有关，还与采样率有关，随着M或采样率的增大，查找表的存储空间也相应增大.因此，本文采用如图2所示的模数混合方式实现MPPSK调制器.图中，fc=1/T为载波频率;τ=KT为相位跳变的载波持续时间，即调制区间.信息序列用于选择电子开关，低电平时电子开关拨向S0，高电平拨向S1.符号“0”对应的信息序列全是低电平，其余M－1个符号对应的高电平出现在一个符号内的不同位置.

图1 查表方式产生MPPSK调制信号框图

图2 开关方式产生MPPSK调制信号框图

按照图2实现MPPSK调制器的前提是产生所需的信息序列(见图3).M进制信源发生器随机产生M进制信息序列，在与频率为符号速率、占空比为K/N的抽样脉冲相乘后分为M－1路，每路经过不同延时后叠加的结果即为图2中的信息序列.各路信息序列的具体延时已由式(1b)定义，在1≤k≤M－1的前提下:k=1时，该路无延时;k=2时，该路相位跳变延时KT;k=3时，该路相位跳变延时2KT;以此类推，k=M－1时，该路相位跳变延时(M－2)KT.各路信息序列叠加后便可获得τ所对应的高电平出现位置受原始符号控制的信息序列(即图2中的信息序列).

图3 产生信息序列框图

在图1方案中，DAC的最高转换速率直接决定了MPPSK调制信号的载波频率，即限定了系统的传输码率.按照图2和图3方式实现的MPPSK调制不仅可省去较为昂贵的高速高精度DAC，还可获得更高的传输码率.

3 解调器结构

文献［3］利用锁相环鉴相器实现了对于MPPSK调制信号的解调.由文献［3，5］的仿真结果可知，利用冲击滤波器［5］对EBPSK信号进行解调，可以取得更好的误比特率(BER)性能［6-7］.因此，本文采用基于冲击滤波器的MPPSK解调方法.冲击滤波器是一类特殊的IIR带通滤波器，其中心频率具有极窄的陷波-选频特性，使得EBPSK调制信号的滤波输出波形在符号“1”的相位跳变处产生明显而强烈的寄生调幅冲击，据此可进行检测判决.以单零点-3极点的冲击滤波器为例，其传递函数为

式中

将式(1)表示的MPPSK调制信号经过式(2)表示的冲击滤波器，对冲击滤波器的输出取绝对值并进行低通滤波处理，将得到的冲击包络分为M－1路，分别进行抽样判决(见图4).第1路判决器只负责区分符号“1”，即将位同步脉冲对准符号“1”冲击包络的最高处，使得该位同步脉冲对符号“1”的抽样值必然大于对M－1种符号(包含符号“0”)的抽样值，因此抽样判决器1将符号“1”判为1，将其余M－1种符号判为0，即得到了一路判决信息.同理，其余M－2路判决器按照同样的方式区分出其对应的符号，再各自乘以所对应的增益后进行叠加，即可得到最终的判决输出，即M进制信息序列.

图4 MPPSK解调器框图

由于各非零符号产生的冲击包络峰值的相对位置是已知的，虽然图4中包含M－1路抽样判决器，但事实上只需获得抽样判决器1的位同步信息即可，其余M－2路抽样判决器的位同步信息全部可由第1路的位同步信息经适当延时获得.例如，在K=2、采样频率fs与载波频率fc之比为10时，根据式(1b)可知，符号“1”在第1，2个载波发生相位跳变，符号“2”在第3，4个载波发生相位跳变.也就是说，符号“1”和“2”之间的冲击包络峰值相差2个载波周期的采样点数，即K(fs/fc)=20.因此，只需将第1路抽样判决器的位同步信息延时t=20×(1/fs)即可得到第2路的位同步信息.其余各路的位同步信息均可类似获得.

4 仿真结果与分析

下面通过仿真实验来验证上述MPPSK调制解调方法的可行性与有效性.为简单起见，仿真参数设置为:K=2，N=20，M=4，rg=0，θ=π，fc=10 MHz，fs/fc=10，码率为(fc/N)logM=1 Mbit/s.与包含相同参数的EBPSK调制相比，4PPSK调制信息的码率提升了1倍.仿真实验采用AWGN信道.

图5(a)为4进制信源序列中的4个符号{3，2，1，0};图5(b)为图2中所需的信息序列;图5(c)为按照图2方法采用该信息序列产生的4PPSK调制信号.从图中可以看出，由图5(b)得到的4PPSK调制信号的调制过程与EBPSK调制［8］类似，不同之处只是对原始多进制序列的预处理过程.

图5 信源、信息序列及4PPSK调制信号

图6比较了相同调制参数条件下EBPSK和4PPSK调制信号的功率谱.由图可见，4PPSK调制信号功率谱中的线谱明显受到抑制，且能量更加集中在载频附近.究其原因是在发送非零符号时，调相位置的随机性降低或消除了边带线谱.

图6 2种调制信号功率谱的比较

为了验证以上分析的正确性，另选如下3组调制参数对MPPSK调制信号功率谱进行仿真:①K=1，N=32，M=16;② K=1，N=32，M=32;③ K=2，N=32，M=16.结果见图 7.第 1，2 组调制参数的区别仅在于M值不同，其非零符号分别可有15和31个相位跳变位置.显然，第2组参数对应的MPPSK调制信号的随机性更大.因此，除了载频外，该调制信号的线谱几乎全被消除，同样第1组参数对应的MPPSK调制信号线谱也大大降低.第1，3组参数的区别仅在于K值不同，而K值影响的是功率谱主瓣和旁瓣的宽度［9］，随着K值的增大，功率谱主、旁瓣宽度变窄，而主瓣和近邻旁瓣电平略有上升.

图8为冲击滤波器输出及其冲击包络.由图可知，不同非零符号产生的冲击包络在一个符号内的相对位置是不同的，符号“1”产生的冲击包络最靠近符号的起始位置，符号“2”次之，符号“3”最远，符号“0”则不产生冲击.而且通过分析可知，不同非零符号产生的冲击包络在各自符号区间内的相对位置是有关联的.

图9(a)和(b)分别为4进制信源序列中的5个符号{2，1，0，3，0}及其对应的冲击包络;图 9(c)为第1路抽样判决器的位同步信息，其脉冲高电平对准符号“1”冲击包络的最高处，该脉冲对冲击包络取抽样值，得到的序列为{30，92，24，24，24}，可见通过门限判决足以将符号“1”与其余3种符号区分开来，得到本路的判决信息.将该位同步信息延时20个采样值后，按照同样的方式来区分符号“2”，得到第2路判决信息;将该位同步延时40个采样值后，按照同样的方式来区分符号“3”，得到第3路判决信息.最后，按照图4所示方法将各路判决信息乘以各自的增益后叠加，即可得到最终的判决输出.

图7 不同调制参数下MPPSK调制信号功率谱的比较

图8 冲击滤波器输出及冲击包络

图10为相同参数下3种调制解调方式的误码率曲线.由图可见，采用本文方法所得的解调效果令人满意.当误码率为10－4时，采用本文方法得到的解调性能较EBPSK低约3 dB，但信息速率提升了1倍.这意味着4PPSK和EBPSK传送每位信息所需的信噪比相同，而本文方法得到的信噪比较锁相环解调低约9 dB.

图9 信源、冲击包络及第1路位同步信息

图10 误码率曲线

5 结论

1)将频率为符号速率、占空比为K/N的抽样脉冲与原始信源序列相乘，并将不同分路经过不同延时后叠加，即可获得MPPSK调制信号.

2)接收信号经冲击滤波后采用多路判决器获得最终输出.与基于锁相环的解调器相比，该解调器的结构更简单，解调性能更好.

3)进制数M的增大可使发送非零符号时相位跳变出现随机变化，从而降低甚至消除了边带线谱，紧缩了MPPSK调制信号的功率谱，降低了邻道干扰，提高了频谱利用率.

4)在通信系统中，位同步信息的提取尤为重要，它将直接影响系统的解调性能.仿真实验中采用的第1路位同步信息为理想位同步，其余则由第1路位同步信息经不同延时获得.因此，第1路位同步信息的提取是今后研究的重点内容之一.

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New scheme of MPPSK modem

Ying Pengkui Wu Lenan
(School of Information Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China)

In order to simplify the structure of the M-ary phase position shift keying(MPPSK)receiver and enhance the demodulation performance，an implementation scheme of the MPPSK modulator is proposed，and a novel scheme of the MPPSK demodulator which uses the multi-path discrimination based on the output of impacting filter is put forward.Firstly，for the output of the impacting filter，the absolute value is taken and the low-pass filtering is done.Secondly，the output envelope of the low-pass filter is put into sample discriminators controlled by different bit synchronization.Finally，the discriminator results are added and the final symbol sequence is obtained.The simulation results indicate that this scheme is simpler and the demodulation performance is better than that based on phase locked loop.With the increase of the hexadecimal number，the line spectrum components in the power spectrum of the MPPSK modulated signal become lower and even disappear，which tightens the power spectrum of the MPPSK modulated signal，reduces the adjacent-channel interference and improves the frequency spectrum utilization.Therefore，this implementation structure has a strong application advantage in the additive white Gaussian noise channel.

M-ary phase position shift keying(MPPSK)modulation;multi-path discrimination;synchronization;sample;phase locked loop;power spectrum

TN919.6

A

1001－0505(2012)02-0204-05

10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.02.002

2011-08-19.

应鹏魁(1987—)，男，硕士生;吴乐南(联系人)，男，博士，教授，博士生导师，wuln@seu.edu.cn.

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2008AA01Z227)、国家自然科学基金资助项目(60872075).

应鹏魁，吴乐南.一种新的MPPSK调制解调器实现结构［J］.东南大学学报:自然科学版，2012，42(2):204-208.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.02.002］