OQPSK调制体制关键技术分析及其在宽带卫星通信的应用

徐远超

(中国电子科技集团公司第十研究所，四川 成都 610036)



OQPSK调制体制关键技术分析及其在宽带卫星通信的应用

徐远超

(中国电子科技集团公司第十研究所，四川 成都 610036)

为了研究OQPSK调制体制是否适合卫星通信，对OQPSK调制和相干解调基本原理和性能特点进行了分析。文章结合工程实践，重点分析了OQPSK相干解调的关键技术，包括载波同步、多普勒频偏计算、定时同步以及相位解模糊，同时分析了OQPSK在卫星通信中的优点。经过理论分析和实践得出，OQPSK调制信号恒包络且频谱效率较高，适合宽带卫星通信数据传输。设计了一种符号速率为120Msps的宽带OQPSK调制解调器，并且测试了调制性能和解调性能的关键参数，经过工程应用表明了上述结论的正确性。

OQPSK；相干解调；宽带；卫星通信

0　引　言

QPSK是一种恒包络调制方式，它受功率放大器的非线性影响很小[1]。而OQPSK是在QPSK基础上改进的一种恒包络数字调制，与QPSK信号相比，OQPSK信号同相支路码元与正交支路码元在时间上偏移了半个符号周期。OQPSK调制除了具有QPSK调制的所有优点外，还消除了相邻符号的180°相位跳变现象[2]，在带宽有限的通信系统中，包络起伏小，经过非线性功率放大器后不产生明显的功率谱旁瓣增生效应[3]。因此，OQPSK调制所具有的恒包络特性、良好的频谱效率及功率效率使得它广泛的应用于卫星通信中，如TDMA、CDMA系统[4]中，已成为非线性带限信道中常用的一种调制方式。

1　OQPSK调制体制的原理

1.1调制原理

OQPSK信号可以用正交调制方法产生，正交支路基带信号相对于同相支路基带信号延时半个码元周期，OQPSK信号可以表示为：

(1)

式中，an和bn的取值为-1或+1，分别对应于0和1，是输入信息序列经串-并转换得到的两个序列；A为载波幅度；Ts为输入信息序列周期。

OQPSK调制器如图1所示。

图1　OQPSK调制原理框

1.2OQPSK相干解调原理

QPSK 信号可以用两个正交的载波信号实现相干解调。由于OQPSK调制和QPSK调制原理基本相同，因此在相干解调时，它们的载波恢复原理是相同的， OQPSK 相干解调原理如图2所示。

图2　OQPSK调制原理框

2　OQPSK解调的关键技术

2.1载波同步

2.1.1载波环

OQPSK载波同步常用costas环，鉴相器采用松尾环结构，如图3所示。由于松尾环具有矩形鉴相特性，因此鉴相灵敏度(即鉴相特性在稳定平衡点处的斜率)非常大，使PLL环路增益提高，从而降低静态相位误差，改善接收系统误码率性能。松尾环算法鉴相得到的相位误差为：

UdOQPSK=Sgn[I*Q*(I+Q)*(I-Q)]

(2)

式中，I、Q分别表示正交下变频后的两个支路信号。

图3　OQPSK载波环路框

由于OQPSK与QPSK原理基本相同，只是Q路数据延迟了半个码元，为方便起见，下面以QPSK信号来推导其松尾环鉴相原理，这同样适用于OQPSK。

假设由A/D输入的QPSK信号为：

(3)

数控振荡器DCO的输出频率为：

uc=UCCos(ω0t+β2)

(4)

则I、Q两路信号D4、D5分别为：

(5)

(6)

式中，β=β2-β1。

D4、D5在相乘器中相乘后得到：

(7)

而相加器和相减器输出的D6、D7信号在相乘器中相乘后得到：

(8)

式(7)和式(8)相乘，得到误差电压：

Ud=KdSin(4β)

(9)

在载波环路中，可以直接用式(9)作为鉴相误差。但在实际工程实现中，为了简化运算，减少乘法器等资源的消耗，可以再对式(9)取符号位，得到：

U=SgnUd=Sgn(KdSin(4β))

(10)

因此，松尾环鉴相所得为4倍载波频差，鉴相误差经环路滤波器滤波后送入DCO调整频率直到载波环路锁定。

2.1.2环路滤波器

环路滤波器在环路中抑制输入噪声，并且对环路的校正速度起调节作用。环路滤波器输出为DCO输出和输入信号之间相位差有关的控制电压。

costas环常采用二阶锁相环，二阶数字环路滤波器传递函数为

(11)

环路滤波器结构如图4所示。

图4　环路滤波器结构

滤波器参数G1、G2可调，最终达到使环路既能快速捕获又能稳定跟踪。G1、G2值的计算方法如下。

(12)

式中，B为环路带宽，Tc为环路滤波器重复运算周期，ξ为阻尼系数，取ξ=0.7，k为三阶环增益系数，对于二阶环，k=0。

G1、G2的数值中包含DCO的压控灵敏度Kc和电路增益Kd，对G1、G2扣除Kd和Kc后得到环路滤波器的实际因子

(13)

2.1.3多普勒频偏计算

载波同步时，若频率偏差较大，载波环路不容易快速捕获，因此需要首先对载波多普勒频偏进行纠正。对于QPSK/OQPSK信号，假设基带调制信号表示为：

(14)

2.2定时同步

载波恢复后，根据准确的符号时钟重采样即可恢复出数据。因此需要对符号时钟进行定时同步。定时同步可以采用先内插再抽取最佳采样点的方式，也可以采用定时误差置入DCO控制重采样时钟频率的方式，使重采样点为码元的最佳采样点。本文介绍后一种定时同步方式,如图5所示。

图5　定时同步框

OQPSK定时误差提取常采用gardner算法[5]，该算法具有两个特点：一是每个符号只需要两个采样点即可，且以符号速率输出误差信号；二是估计算法独立于载波相位，即可以在载波相位同步之前，完成定时误差估计。具体实现时误差提取采用最大值、过零点的方法提取，如图6所示。

图6　最大值时刻采样

定时同步DCO、环路滤波器原理跟载波环DCO、环路滤波器原理基本相同。

2.3相位解模糊

载波同步和定时同步后即可输出解调数据，但是OQPSK输出的数据存在相位模糊情况，如果未对调制信号数据与载波相位做出明确约定，则必须考虑8种相位模糊的可能性，否则会造成数据解调错误。OQPSK解调的相位模糊情况一共有8种，如表1所示。

表1　OQPSK解调相位模糊情况

通常相位解模糊结合帧同步来处理。可以将8种可能相位对应的数据采取串行或者全并行的方式进行帧同步，帧同步锁定的相位即为正确相位。

3　OQPSK调制卫星通信工程应用

3.1OQPSK调制技术在卫星通信中的优势

由于卫星平台上频谱和功率资源非常有限，因此卫星通信系统调制体制选择的重要因素是频谱效率和功率效率。卫星通信调制技术主要围绕如何充分节省频谱和高效率利用频带展开，而多进制调制技术，是提高频谱利用率的有效方法；而恒包络技术，不仅能适应信道的非线性，还能保持较小的频谱占用率。

OQPSK信号与QPSK信号的区别在于其相互正交的两个支路信号相对延时半个码元。每次只有一个支路可能发生码元极性翻转，不会出现两个支路码元极性同时翻转的现象。因此，OQPSK信号相位只能跳变0°、±90°，不可能出现180°的相位跳变，故包络不会有瞬变为0的情况，基本恒定，减小了传输过程中信道对传输质量的影响。因此，OQPSK调制的恒包络特性、良好的频谱效率和功率效率，使得它在卫星通信中得到了广泛的应用。

3.2OQPSK实际工程应用

在某宽带卫星通信项目中，设计了符号率为120Msps的OQPSK调制器和解调器，实现了卫星通信高速数据传输。调制器采用I、Q正交调制，1/2码率LDPC编码，中频为S频段，调制器输出信号频谱和星座图如图7、图8所示。

图7　调制信号频谱

图8　调制信号EVM

OQPSK调制器性能如表2所示。

表2　OQPSK调制器性能

OQPSK解调器采用相干解调，载波同步、定时同步、多普勒频偏估计及相位解模糊如以上章节所述，由于调制信号速率很高，在解调时采用全并行相干解调。此外，由于符号速率较高，群时延失真对传输性能的影响较大，所以在解调器中加入了自适应均衡器来补偿信号在传输过程中的幅度失真和相位失真。均衡器采用LMS算法的判决反馈结构(DFE)、分数间隔盲均衡结构，其主要功能模块包括：正向滤波器、逆向滤波器、判决器和抽头系数更新的自适应算法模块。

解调性能如表3所示。

表3　OQPSK解调器性能

同时，还对解调器的误码率性能作了测试，误码率性能曲线如图9所示。

图9　OQPSK解调器误码率性能测试曲线

4　结　语

文章分析了OQPSK调制体制的关键技术，对载波同步中的载波误差提取、环路滤波器以及多普勒频偏计算做了详细的推导，对定时同步的原理和实现方法进行了阐述，最后分析了OQPSK解调相位的模糊情况并给出了解决措施。文章还分析了OQPSK在卫星通信中的应用优势，并根据工程实践，介绍了一种宽带OQPSK调制解调器在卫星通信

工程的应用。工程实践表明，OQPSK的恒包络特性、良好的频谱效率很适合卫星通信，并且在卫星通信中得到了广泛的应用。

[1]胡凡，朱立东.不同相位噪声谱对QPSK的性能影响分析[J].通信技术，2010,43(04):65-66.

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ZHANG Xian-hui, SHEN Guo-song. Appilacaiton of SQPSK Modulation in TDRSS[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command,2007,28(11):26-29.

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[4]Kanirkar N B and Sarvaiya J N. PerformanceEvaluation of Direct Sequence Spread Spectrum CDMA Transceiver Hardware using Pseudo Code and Code Modulation Technique[J]. International Journal of Engineering Research & Industrial Application, 2009,1(2):1-13.

[5]Floyd M. Gardner. A BPSK QPSK Timing-Error Detector for Sampled Receivers[J].IEEE Transactions on Communications1986,34(5):423-429.

徐远超(1982—)，男，硕士，工程师，主要研究方向为卫星通信。

Key Techniques and Application of OQPSK Modulation in Wideband Satellite Communication

XU Yuan-chao

(No.10 Institute of CETC, Chengdu Sichuan 610036,China)

For the researchon whether OQPSK modulation is suitable for satellite communication, basic theory and performance of OQPSK modulation and coherent demodulation are analyzed. In combination of project experience, key techniques of OQPSK coherent demodulation, including carrier synchronization, Doppler frequency calculation, timing synchronization and phase anti-illegibility, are discussed in detail, and inaddition,the superiority and advantage of OQPSK in satellite communication also treated. Theory analysis and practice indicate that OQPSK is suitable for satellite communication data transmitting for its invariable signal envelope and high spectrum efficiency. A wideband OQPSK MODEM with a symbol rate of 120Msps is designed,and its key performance parameter of modulation and demodulation tested. And the project practice proves the correctness of above conclusion.

OQPSK；coherent demodulation；wideband；satellite communication

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.03.020

2015-10-25；

2016-01-30Received date:2015-10-25；Revised date：2016-01-30

TN914

A

1002-0802(2016)03-0356-05