AQPSK调制系统中一种自动频偏纠正算法

许哲，康永

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

AQPSK调制（自适应多用户高阶调制，Adaptive QPSK）是移动通信网络中常见的调制方式之一，其调制星座图如图1所示。

AQPSK通信系统具有较高的频谱利用率和功率利用率，相比QPSK调制，AQPSK调制相位翻转仅限于3π/8的整数倍，没有因相位突变引起的包络起伏，功率放大器的非线性对其性能影响较小，通过带限、非线性信道时频谱扩散比传统QPSK调制小，提高了频谱利用率和功率利用率[1]，AQPSK调制已经成为GSM标准里GERAN的R9技术规范中新技术 VAMOS的标准调制方式[2]。QPSK调制和AQPSK调制的相位翻转图如图2所示。从图中可以看出，传统的QPSK调制信号的相位变化过相位图中心点，而AQPSK调制信号相位变化不过相位图中心点，与之对应，调制信号则没有极性翻转和频谱扩散，具有更好的工程化特性。

AQPSK通信系统中，载频同步是系统鲁棒性的必要条件之一，同时也是衡量接收机性能好坏的重要标准。由于移动通信系统中接收机的移动速度较快（如典型的 RA120信道，移动台速度在120km/h，以及典型的高铁信道，移动台速度可以达到 300 km/h），以及受到地形条件的干扰，移动台的载频经常会产生漂移。如何克服移动台的频率漂移是移动通信系统工程中最重要的问题之一[3]。

图1 AQPSK调制星座图

图2 AQPSK/QPSK信号相位变化比较图

1 系统描述

本文以AQPSK调制系统为例，AFC环路的一般流程如图3所示[4]。

图3中，r为接收信号，为经过频偏补偿的接收信号，Δf为残留频偏的估计结果，Δf′为经过滤波的残留频偏估计结果。AFC环路中包含的频偏补偿模块负责根据频偏估计模块的结果对接收信号进行频偏补偿。通常情况下频偏估计的结果会经过一个滤波器以保持频偏估计结果的稳定性，如果频偏估计的结果可靠，整个 AFC环路就可以正常工作。但是，在极端恶劣的信道条件下，频偏估计的结果很难保证精度，而这些不可靠的频偏估计结果会导致整个 AFC环路不稳定，最终导致频偏扩大，而更大的频偏会产生更大的频偏估计误差，最终导致AFC环路崩溃。

图3 自动频偏补偿（AFC）流程框图

本文提出一种新的状态机结构加入 AFC环路中，新的AFC环路如图4所示。图4状态机控制（state machine control，SMC）模块在滤波模块之后，处理滤波模块的输出Δf′，经过SMC模块的处理后得到残留频偏Δf′′。SMC模块的状态机控制原理如图5所示。

图4中的状态机控制状态一共有4种，状态机的 4种状态转化由频率漂移指标（frequency drift indicator，FDI）和劣质信号指标（bad quality indicator,BQI）触发。FDI与接收机接收信号译码后的CRC校验译码比特的误码率、接收信号质量、FOE结果相关，FDI指示频偏补偿的结果是否有效、残留频偏的大小，如式1所示：

图4 新的AFC流程框图

图5 状态机控制状态图

其中，RCRC为CRC校验位的质量参数，代表接收信号CRC校验比特的正确率；BQI与信号质量有关，指示经过频偏补偿后的信号质量的好坏；FOE即频偏估计结果。BQI的计算如式2所示：

式中，qual为接收信号译码后的信息比特正确率，如果频偏补偿不能完全去除载波中的频偏，则qual的值会变小，反之qual会变大，因此qual也可以用来检验频偏补偿是否有效。由于qual的计算是一帧一帧数据进行，因此为了让 AFC更加稳定，会将若干帧的qual进行平均后再送入状态机，如用m代表数据帧数，qual的均值计算方法如式3所示。

图4中的状态机状态转换流程为：

（1）当系统的数据链路层检测到接收信号不连续，比如MS正在进行小区切换或者建立通信，MS将状态机设置为初始化模式，MS清空所有寄存器和有关 AFC环路的计算结果，完成初始化后，MS自动进入正常频偏纠正状态；

（2）在频偏纠正状态，MS对频偏进行估计，采用积极的方式对接收信号进行频偏补偿，如果FDI指示频偏补偿有效，且残留频偏很小，MS进入无漂移的稳定状态，在稳定状态里，MS的频偏补偿采用更加温和的方式进行；

（3）在稳定状态里，如果FDI指示频偏补偿效果不足，残留频偏变大，则MS进入频偏纠正状态，重新采用积极的方式进行频偏补偿；

（4）在频偏纠正状态，如果BQI指示经过频偏补偿后的信号质量仍然很差，这种情况可能是由于AFC环路崩溃或者AFC环路的工作不正常造成的，此时MS进入锁死状态。在锁死状态MS采用与频偏纠正状态和稳定状态完全不同的频偏补偿方式进行频偏补偿，比如采用晶振的温度测量结果对频偏进行补偿，如果频偏补偿结果有效，则 MS重新返回频偏纠正状态，否则在满足掉话的条件时，MS就会出现掉话，且状态机返回初始状态。

在本文提出的 AFC环路中，频偏补偿不是由FOE结果直接进行，而是加入一个状态机完成，由状态机通过FOE和其它的参数共同改进AFC环路的性能。状态机中定义一组量化参数 [α1,α2,α3]，α1、α2、α3指示在状态机的不同状态，采用积极的频偏补偿、温和的频偏补偿、特殊的频偏补偿方式中的哪一种方式进行AFC。描述状态转移过程时还需再定义两个阈值，THRneutral和THRdrift，由这两个阈值，可以定义qual、FDI、BQI之间的关系为：

如果mean_qual≥THRneutral，可以确定：FDI=0；

如果mean_qual≥THRneutral，可以确定：FDI=0；

如果THRdrift＜mean_qual＜THRneutral，可以确定：FDI=1；

如果mean_qual≤THRdrift，可以确定：BFI=1,否则BFI=0。

状态机的工作规则如下：

当mean_qual≥THRneutral,状态机在稳定状态，频偏估计结果的量化参数为1α；

当THRdrift＜mean_qual＜THRneutral,状态机在频偏纠正状态,频偏估计结果的量化参数为2α;

当mean_qual≤THRdrift,状态机在锁死状态,频偏估计结果的量化参数为3α。

2 仿真结果

采用图3中的AFC环路进行仿真，仿真条件如表1所示。

表1 仿真条件

图6为采用传统频偏补偿算法的仿真结果图。从图6中可以看出，图中eq_qual表示根据接收信号得到的qual值，Freq error表示人为加入固定频率漂移后的载波频率，afc value代表AFC环路对频偏进行补偿后接收机的载波频率，理论上afc value曲线应“围绕”并伴随Freq error曲线运动，但是在经过一段时间后，两幅图中的afc value曲线都偏离Freq error直线，随着afc value曲线距离Freq error直线越来越远，信号eq_qual质量也在下降，并进一步影响AFC工作效果，导致afc value曲线加快偏移Freq error直线，并最终导致系统崩溃。

图7所示为采用新的AFC环路的频偏补偿结果，从图中可以看出，新的状态机的引入，在频偏补偿效果出现偏差时，能够自动改变频偏补偿的方式，以不同的量化参数来对应不同的状态，特别是在图7（b）中，即使在系统eq_qual质量下降，导致频偏估计结果出现较大偏差时，经过一段时间的调整，状态机仍然能够将系统频偏锁定，图中的系统载波频率始终能够锁定加入固定频率漂移的载波频率。

3 结论

本文重点介绍了移动通信系统中一种新的自动频偏补偿算法，即在传统的 AFC环路中引入一个状态机对频偏补偿算法的效果和状态进行监控，并根据频偏补偿效果实时对 AFC环路的工作方式进行修正。本文以AQPSK调制系统为例，通过仿真实验表明，新的 AFC算法对恶劣情况下的频偏补偿相对于传统 AFC算法具有更好的补偿效果，可以抵抗更强的频率漂移。

图6 传统AFC环路频偏补偿效果

图7 新的AFC环路频偏补偿效果

[1]丁强,刘云宏,吴玉成.P/4-QPSK基带查分解调的频偏补偿方案[J].现代电子技术,2007(15).

[2]GSM specification (GSM 05.04)[J].ICS,1994.

[3]Liu CL ,Djen WS ,Feher K.A Low-cost Dual-mode Noncoherent Receiver with Robust Frequency-offset Com-pensation[C].Vehicular Technology Conference,1993 IEEE 43rd,1993:412-415.

[4]M.K.Simon,S.M.Hinedi,W.C.Lindsey.Digital Communication Techniques [M].Upper Saddle River:Prentice Hall,1995.