应用于卫星通信的OQPSK的载波相位估计和解调方法*

王晓洪，谢永锋，吴　仡

(成都天奥信息科技有限公司，四川 成都 610036)



应用于卫星通信的OQPSK的载波相位估计和解调方法*

王晓洪，谢永锋，吴仡

(成都天奥信息科技有限公司，四川 成都 610036)

摘要：提出一种应用于海事卫星电话的载波相位估计和OQPSK的数字解调方法。载波相位估计的理论推导来自信道估计理论。解调方法是相位估计与最佳采样判决进行联合估计。此方法特别适合于卫星突发信号传输，能快速估计出相位。在低信噪比下的解调性能满足卫星实时通信。通过仿真分析了其性能，对存在有载波频率误差在200 Hz以内的接收信号都有较好的性能。最后在工程应用中再次验证了其性能满足卫星实时通信。

关键词：相位估计；OQPSK；数字解调；信道估计

0引言

在卫星通信中对于数字信号传输，数字解调技术有着绝对重要性。为了满足卫星信道带宽的有限性，限带调制技术被充分利用，如MPSK和MQAM。其中偏移四相相移键(OQPSK)[1]调制方式在卫星通信中得到了广泛的应用。OQPSK与传统QPSK调制的信号机制是相似的，区别在于OQPSK调制的信息比特在它的正交支路与同相支路上偏移了半个符号周期T/2s(即一个比特间隔)。这样使得包络变化相对于QPSK来说减小3db。在无限通信系统中，限带包络变化对于控制邻近信道干扰是很重要的。

简单来说，OQPSK和QPSK接收机有相同的机制，区别在于在同相支路上数据流被延迟了T/2s。然而对于同步机制来说有明显的不同，这使得做OQPSK解调器[2]要相对变难。主要原因是载波相位对同步算法很敏感，对于某些相位误差来说会有很差的性能。然而对于QPSK来说载波相位对同步[3]算法是不敏感的，对于各个相位它都有很好的性能。在OQPSK接收机中，载波相位敏感会导致捕获时间变长。长时间的捕获在连续信号下是可以忍受的，但是在突发模式的卫星通信中是不能忍受。

本文研究了利用信道估计的算法来进行OQPSK载波相位估计以及它的解调方法。此载波相位估计方法对同步算法不敏感，解调性能都能满足实际需要。本文提出的载波相位估计方法具有时间快，相位估计误差小，解调方法误码率小，能在低信噪比下满足卫星通信的灵敏度要求。

1卫星通信信号调制方式

卫星通信系统中接收机接收到的信号是OQPSK调制的信号。r(t)表示接收到的基带信号，数学表达式如下：

r(t)=s(t)+w(t)

(1)

其中，

(2)

w(t)为表示加性高斯白噪声,其双边带功率谱密度为N0 /2,ai，bi是正交支路和同相支路的基带符号，ft是载波频率，θ是载波相位，T是符号间隔，g(t)是根升余弦滤波器。从式(2)可以看出对接收信号进行解调需要进行载波相位[4]和频偏估计。

2载波相位估计

2.1信道估计

(3)

其中：

(4)

(5)

(6)

H=RXX-1RXY

(7)

时δ有最小值，其中：

RXX-1是训练序列的自相关函数的逆，RXY是训练序列与接收信号序列的互相关函数。在卫星系统中，训练序列具有良好的自相关特性和互相关特性，当信道弥散长度l≤6时，RXX是一个单位阵。因此它的信道估计值就是利用接收到的信号和本地训练序列作相关来得到的。

2.2载波相位估计方法

根据海事卫星通信GMR_2的协议，并且假设在载波相位估计之前已经完成了频偏估计，将频偏误差控制在±200 Hz以内，那么去载波频偏后接收到信号sig_rev的同相支路和正交支路的信号分别表示如下：

real=Icosθ-Qsinθ

(8)

imag=-Isinθ-Qcosθ

(9)

其中：

(10)

(11)

则：

sig_rev=complex(real,imag)

(12)

本地训练序列的信号表示为：

sig_trn=complex(I′,Q′)

(13)

按照信道估计的方法，将接收到的信号和本地训练序列作相关，即：

sig_rev⊗sig_trn=complex(real,imag)⊗

complex(I′,Q′)=

((Icosθ-Qsinθ)+

(-Isinθ-Qcosθ)j)*(I′+Q′j)=

II′cosθ-I′Qsinθ+

(-II′sinθ-I′Qcosθ)j+

IQ′sinθ+QQ′cosθ+

(IQ′cosθ-QQ′sinθ)j

(14)

当本地训练序列与接收到的信号的训练序列完全对齐，即出现最大相关峰值时，将式(14)合并同类项后有:sig_rev⊗sig_trn=(I2+Q2)cosθ-((I2+Q2)sinθ)j

(15)

从式(15)可知，最大相关峰值的幅角与载波相位值差一个负号。式(2)展开化简得:

real_yuanshi=Icosθ-Qsinθ

(16)

imag_yuanshi=Isinθ+Qcosθ

(17)

从式(8)、(9)和式(16)、(17)的比较可得接收到的正交支路的信号是被反号了的，因此最大相关峰值的幅角就是发送端的载波相位值。

2.3载波相位补偿

通常载波相位补偿需要将载波相位的估计值的正弦和余弦值计算出来，这样使得在实际应用中增加了计算的复杂度，尤其是对于在硬件FPGA处理中，一般来说就采取查表方法是最简单的，但是这样会增加RAM资源的存储，而且在程序实现上也增加了复杂度。但是根据本文提出的载波相位估计方法，只需要对相关峰的最大值进行共轭的转置，即：

phase_tr=(I2+Q2)cosθ+((I2+Q2)sinθ)j

(18)

将值phase_tr与接收进来的信号进行复数乘法，就可以完成对接收信号去载波相位。

3解调方法

3.1采样初始判决

根据海事卫星通信GMR_2的协议，在初始同步的时候会发送用作较频和初始同步的突发包，假设利用此突发包将信号的频率进行了校正，校正后的频率误差控制在±100 Hz以内，并且同步误差控制在一个码元周期以内。假设一个码元周期内有24个采样点，那么求相关峰极值的时候，在一个码元周期内只采样6个点。只需要计算这五个初始采样点的相关结果，选取最大的相关值的采样时刻作为采样初始判决点。

3.2解调

由采样初时判决法可知位同步误差控制在8个采样点内。将去载波相位后的接收信号再进行位同步细调，采用位同步算法中的同相正交积分型数字锁相法。根据自身的特点对此位同步算法进行了简化。

根据初始采样判决点的时刻设置同相积分的时刻，因此正交积分的时刻为此采样点延迟半个码元的时刻，并且将每个采样点的值进行硬判决后再进行同相和正交积分，这样做的好处是可以避免由于干扰或噪声引起的某些采样点值过而导致积分结果误差大。图1和图2中a为原始波形，b为同相正交积分，c和d为同相正交积分结果，e为波形c的数据发生变化时产生的脉冲波形，f为波形c和d异或形成的波形。从图1和图2可以看出当位同步超前时，波形e的高电平落入波形f的高电平区域，当位同步滞后时，波形e的高电平落入波形f的低电平区域。本文就是通过此原理得到最终采样判决点，最后利用此采样判决点对接收信号进行采样硬判决得到解调结果。

图1　位同步超前结果

图2　位同步滞后结果

4仿真结果

为了验证载波相位估计和采样判决方法的性能的，使用MATLAB仿真验证。仿真条件：加性高斯白噪声信道环境,OQPSK调制方式.仿真参数：发送成型滤波器采用滚降系数为0.35的平方根滚降滤波器，过采样倍数设置为12。情景1：相位估计仿真，设置发送端相位分别为：0,pi/4,pi/3,…,-pi/2,-pi/3,-pi/4，仿真结果如图3、图4所示。

图3　相位估计结果比较

图4　相位估计误差

情景2：设置载波频率误差为300 Hz，解调结果随信噪比变化的仿真结果如图5所示。

图5　误码率曲线

情景3：设置载波频率误差为200 Hz，解调结果随信噪比变化的仿真结果如图6所示。

图6　误码率曲线

从仿真结果图4可以看出采用文中提出的载波相位估计方法最大的相位误差没有超过6度，而且省去了对复信号求幅角的运算。从图5和图6可以看出在存在载波频率误差在200 Hz以内时解调误码率完全能满足海事卫星通信GMR-2的协议要求。

5结语

利用信道估计的方法来进行OQPSK载波相位估计。此载波相位估计方法对同步算法不敏感，能容忍同步误差，并且还避免了对复信号求幅角，使得在FPGA工程应用中简单化了。然后再根据载波相位所得的初始采样判决点进行细调，利用简化了的位同步算法中的同相正交积分型数字锁相法进行采样判决最终的选取。通过估计出的载波相位对接收信号去载波，最后再根据最终采样判决点进行OQPSK解调。仿真验证了在低信噪比和载波频率误差的情况下下都能有较好的载波相位估计和解调性能，并且在工程应用上也验证了其满足GMR-2协议所提出的灵敏度要求，能满足卫星实时通信。

参考文献：

[1]江洁,陈劼,钟鸣.一种卫星数传通信频谱异常分析[J].通信技术,2015,48(07): 784-789.

JIANG Jie,CHEN Jie,ZHONG Ming.Abnormity Analysis of Frequency Spectrum in Satellite Data Transmission Communication[J].Communications Technology,2015,48(7):784-789.

[2]Gardner F M.Demodulator Reference Recovery Techniques Suitedfor Digital Implementation[J].ESA Final Rep.,ESTEC Contract6847/86/NL/DG,Aug.12,1988.

[3]Mengali U and D’Andrea A N.Synchronization Techniques for Digital Receivers[M].1997 ,Plenum Press,New York.

[4]Meyrs M H and Franks L E.Joint Carrier Phase and Symboltiming for PAM Systems[J].IEEE Trans.Commun.,vol.COM-28,pp.1121-1129,Aug.1980.

Carrier Phase Estimation and Demodulation Method in OQPSK for Satellite Communication

WANG Xiao-hong,XIE Yong-feng,WU Yi

(Chengdu Spaceon Technology Co.,Ltd.,Chengdu Sichuan 610036,China)

Abstract：A carrier phase estimation and OQPSK digital demodulation for marine satellite telephone is proposed.Theoretical derivation of carrier phase estimation is based on channel estimation theory.The demodulation method is a joint estimation of phase estimation and optimal sampling decision.This method,for its quick estimation of the phase,is particularly applicable to satellite signal transmission,and demodulation performance could meet the real time requirement of satellite communication in the low signal-to-noise ratio.The performance is analyzed by simulation.Simulation results show that,this method has good performance of carrier frequency error of 200Hz and low signal-to-noise ratio.Finally,this performance is verified in the engineering application.

Key words：carrier phase estimation; OQPSK; digital demodulation method; channel estimation

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.02.005

* 收稿日期：2015-09-06；修回日期：2015-12-16Received date:2015-09-06；Revised date：2015-12-16

中图分类号：TN927

文献标志码：A

文章编号：1002-0802(2016)02-0143-04

作者简介：

王晓洪(1982—)，女，硕士，工程师，主要研究方向为信号处理；

谢永锋(1977—)，女，硕士，高级工程师，主要研究方向为卫星通信协议分析和应用；

吴仡(1983—)，男，硕士，工程师，主要研究方向为信号处理。