OQPSK信號符號與載波相位聯合同步技術

王曉亞，王曉天

（1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081;2.北重阿爾斯通（北京）電氣裝備有限公司，北京100040）

0 引言

OQPSK是繼QPSK之后發展起來的一種恒包絡數字調制技術，它是針對QPSK的一種改進形式，OQPSK與QPSK的不同之處是:它的正交支路碼元與同相支路碼元在時間上偏移了一個比特間隔（即半個符號周期Ts=2Tb）。OQPSK信號在每隔Tb時間，其信號載波相位只可能發生的相位變化，不會發生相位的突變現象，因此限帶的OQPSK信號的包絡起伏小。限帶OQPSK信號包絡的最大值與最小值之比約為，該信號經過非線性功放后，不會引起功率譜旁瓣有大的增生，因此該信號在實際系統中的應用很廣泛。

在非協作通信系統中，接收方不能獲得全部或者部分接收信號參數，或者所獲得的信號參數非常粗糙，系統給出OQPSK解調算法的文獻很少。此外OQPSK信號信號在最佳采樣點的相位受滾降系數和碼元序列影響而不確定[1]，解調過程中位定時提取算法對相位偏移十分敏感，當存在相位偏移時，位定時算法性能大大惡化甚至失效[2]，這些給OQPSK信號的解調器實現帶來了困難。該設計采用了位定時與載波相位聯合同步的算法實現了OQPSK信號的相干解調，解決了這些問題。

1 系統的數學模型

信號經過加性高斯白噪聲信道后，接收端收到的OQPSK調制信號為:

式中，ai和bi是發送的信息符號，在OQPSK調制中，它們都取±1，而且統計獨立，取每個值的概率相同。g（t）是發送成型函數，n（t）表示加性高斯白噪聲，其雙邊帶功率譜密度為，T為符號間隔，v為載波頻偏，θ為初始相偏。

在非協作通信中，盲接收機不可能利用數據中的輔助信息。只有從接收數據中提取位定時信息和載波相位同步信息。

2 位同步與載波相位聯合同步方法

載波相位同步算法和時鐘同步算法是全數字解調器的關鍵部分，圖1給出了位同步與載波相位的聯合同步算法的實現框圖。

圖1 聯合同步算法框圖

下面對載波相位和位同步的方法逐一分析。

2.1 載波相位同步方法

接收機收到信號后進行帶通濾波、下變頻和低通濾波后，得到的信號表示為復數形式為:

式中，I（k）和Q（k）分別表示同相分量和正交分量。

載波環路設計為基于判決反饋的環路結構，如圖2所示。

圖2 載波相位跟蹤環路框圖

載波相位的估計值θ等于前一個的相位估計值θ（k）與誤差信號的和，即:

誤差信號e（k）的求取公式為:

ak和bk為判決輸出:

2.2 位同步方法

位同步方法采用非數據輔助算法，根據OQPSK產生的原理對Gardner算法進行修改，誤差檢測算法改為:

式中，I′（k）和Q′（k+1/2）表示對信號求導，這里用數字差分的方法表示求導，則誤差檢測算法為:

內插濾波器完成了時變插值和抽取的功能，從而可以用內插濾波器來實現符號同步。模型中發送的線性調制信號符號周期為T，采樣率為Ts，t=kTi表示在kTi時刻重新采樣，采樣周期為Ti。在全數字接收機中，由于Ts的定時來源于獨立的本地振蕩時鐘，所以T/Ts的值通常是無理數。把采樣值輸入插值器，輸出的抽樣值表示為y（kTi），它是以Ti為周期的函數，因Ti與T是同步的，所以應有Ti=T/k，k是一小整數。然后，數據濾波器根據k值降抽樣恢復出原始數據。即:

位同步的結構框圖如圖3所示。

圖3 位同步跟蹤環路框圖

3 仿真試驗

試驗中選擇使用符號速率為10kHz的OQPSK調制信號，采樣率設置為40kHz，載波頻率偏差為符號速率的2%，加入噪聲為經過濾波后窄帶白噪聲，噪聲帶寬與信號帶寬相同，這里設置為15kHz。統計后得到的信噪比與誤碼率的關系如圖4所示。

圖4 OQPSK信號解調性能曲線

從仿真結果可以看出，使用位同步與載波相位聯合同步算法的解調結果與理論值非常接近，完全可以做為工程應用的方法。

4 結束語

研究了利用位同步與載波相位聯合同步算法實現的OQPSK全數字解調器。根據系統性能要求設計了合理的解調器系統結構，并在對已有同步技術的大量研究和比較的基礎上實現了適合的載波頻偏估計、載波相位同步和時鐘同步的數字化算法，最終達到了盲接收機對OQPSK全數字解調器的頻偏捕獲范圍、頻率漂移速率、時鐘偏差和輸入信號Eb/N0、載波同步時間和誤碼率性能等主要性能的要求。實驗結果表明，使用的位同步與載波相位聯合同步的方法可以完成對OQPSK的相干解調，大大提高了解調的性能。

[1]曹志剛.現代通信原理[M].北京:清華大學出版社，1992.

[2]張賢達，保錚.通信信號處理[M].北京:國防工業出版社，2000.

[3]樊昌信.通信原理[M].北京:國防工業出版社，1995.

[4]張華沖，王曉亞.適用于QAM信號的載波同步與均衡實現[J].無線電工程，2010，40（5）:27-42.

[5]劉炯，茍彥新.OQPSK與OSPSK解調中實現對信號的檢錯與糾錯[J].無線電通信技術，2001，27（3）:13-17.