2M態TCM8PSK設計及在超短波通信系統的應用*

黃　莉

(廣州海格通信集團股份有限公司　廣州　510663)

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2M態TCM8PSK設計及在超短波通信系統的應用*

黃莉

(廣州海格通信集團股份有限公司廣州510663)

摘要介紹了32態、64態的TCM8PSK網格編碼調制的最優卷積編碼器和狀態轉移矩陣，并對4態、8態和16態TCM8PSK的誤碼率性能及實現復雜度進行分析對比，仿真結果表明，采用8態的TCM8PSK更能滿足某超短波通信系統設計需求，并給出8態TCM8PSK在該系統物理信道的應用。

關鍵詞網格編碼調制; 8PSK; 編碼增益; 超短波

Class Number

1　引言

TCM是一種編碼調制結合的方式，稱為網格編碼調制，其最大的特點就是在不需要增加任何帶寬下仍能獲得較為可觀的編碼增益。TCM8PSK的應用優于分組碼和卷積碼，它在提供可觀編碼增益和高速率傳輸下不需要額外擴展傳輸帶寬。理論上分析，實現TCM編碼調制的狀態數越多，得到的編碼增益會越大，隨之而來是譯碼計算量的增加。在實時通信系統中，需要對編碼增益和計算復雜度進行權衡。本文給出了2M態TCM-8PSK高速數字編碼調制的設計方法和性能對比，并給出在某UHF通信系統上的設計應用。

2　TCM8PSK編譯碼實現

2.1誤碼率與編碼增益

數字通信系統，在已知系統帶寬、信道性能時，系統設計期望能最大化傳輸比特速率、最小化誤比特率，最小化比特能量與噪聲功率譜密度之比Eb/N0，同時盡量降低系統實現復雜性和計算量。建立系統模型仿真分析，分析MPSK信號的誤比特碼率曲線，可知誤碼率量級一致時，8PSK比QPSK的誤碼率高，QPSK比BPSK的誤碼率高。

當QPSK速率不能滿足系統要求，8PSK性能達不到期望時，可通過TCM編碼增大星座點的歐氏距離dfree以獲得編碼增益。TCM的歐氏距離計算參考資料[1]。理論分析，2M態的TCM8PSK相對QPSK獲得的漸進編碼增益Gp值如表1。

表1　TCM8PSK網格編碼理論極限編碼增益

漸進編碼增益Gp表示當誤碼率很低(<10-8)且相同誤碼率下，8態的TCM8PSK網格編碼信噪比比QPSK低3.6dB，具有更好性能。為了給實際應用系統提供參考價值，掌握TCM8PSK編碼在不同信噪比下的Gp，采用蒙特卡羅仿真法在Matlab平臺上進行仿真測試。

2.2TCM狀態轉移矩陣與編碼器設計

(1)

基于16狀態，32狀態，64狀態TCM8PSK的監督矩陣H(D)和生成矩陣G(D)設計如下：

(2)

根據式(2)，可構建32態、64態的卷積碼編碼器，編碼器設計如下圖1。

圖1　32態TCM8PSK編碼器設計

圖2　64態TCM8PSK編碼器設計

利用上述編碼器，可推算出32態、64態的TCM狀態轉移矩陣如下。利用該編碼器或狀態轉移矩陣可指導通信系統調制編碼模塊的開發。

32態狀態圖矩陣：

[0 4 2 6; 1 5 3 7; 0 4 2 6; 1 5 3 7; 2 6 0 4; 3 7 1 5; 2 6 0 4; 3 7 1 5; 4 0 6 2; 5 1 7 3; 4 0 6 2; 5 1 7 3; 6 2 4 0; 7 3 5 1; 6 2 4 0; 7 3 5 1; 2 6 0 4; 3 7 1 5; 2 6 0 4; 3 7 1 5; 0 4 2 6; 1 5 3 7; 0 4 2 6; 1 5 3 7; 6 2 4 0; 7 3 5 1; 6 2 4 0; 7 3 5 1; 4 0 6 2; 5 1 7 3; 4 0 6 2; 5 1 7 3 ]

64態狀態圖矩陣：

[0 4 2 6; 0 4 2 6; 4 0 6 2; 4 0 6 2; 1 5 3 7; 1 5 3 7; 5 1 7 3; 5 1 7 3; 4 0 6 2; 4 0 6 2; 0 4 2 6; 0 4 2 6; 5 1 7 3; 5 1 7 3; 1 5 3 7; 1 5 3 7; 3 7 1 5; 3 7 1 5; 7 3 5 1; 7 3 5 1; 2 6 0 4; 2 6 0 4; 6 2 4 0; 6 2 4 0; 7 3 5 1; 7 3 5 1; 3 7 1 5; 3 7 1 5; 6 2 4 0; 6 2 4 0; 2 6 0 4; 2 6 0 4; 2 6 0 4; 2 6 0 4; 6 2 4 0; 6 2 4 0; 3 7 1 5; 3 7 1 5; 7 3 5 1; 7 3 5 1; 6 2 4 0; 6 2 4 0; 2 6 0 4; 2 6 0 4; 7 3 5 1; 7 3 5 1; 3 7 1 5; 3 7 1 5; 1 5 3 7; 1 5 3 7; 5 1 7 3; 5 1 7 3; 0 4 2 6; 0 4 2 6; 4 0 6 2; 4 0 6 2; 5 1 7 3; 5 1 7 3; 1 5 3 7; 1 5 3 7; 4 0 6 2; 4 0 6 2; 0 4 2 6; 0 4 2 6 ]

3　仿真與分析

對于2M態TCM8PSK的性能，首先與QPSK誤比特率進行比較。圖3給出8態TCM8PSK與QPSK在白噪聲環境下的誤比特率曲線，易見誤比特率Pb在1e-6量級時，TCM8PSK獲得約3.2dB的增益，與表1提供的理論極限編碼增益3.6dB接近。

接著，仿真在白噪聲環境下，對4態、8態、16態TCM8PSK的誤比特率曲線圖，見圖4。在1e-5誤比特率量級時，在高信噪比下，8態TCM比4態多獲得0.5dB的編碼增益，接近表1的理論值；比較8態與16態TCM誤比特率曲線，編碼增益低于0.5dB，與表1的理論值0.5dB接近。可見，隨著態數的增加，編碼增益的提升已經很小。

圖3　8態TCM8PSK與QPSK誤比特率Pb曲線

圖4　4態/8態/16態TCM8PSK的誤比特率曲線

從計算量分析，最優4態TCM編碼網格圖在編碼狀態轉移過程中，4態的TCM轉移圖每發展或追溯一個狀態均存在4組并行路徑，并行路徑的存在將會增加譯碼過程中的碼元判斷條件，譯碼周期時間加長。容易驗證，譯碼時，當前每一狀態轉移到前一狀態時均需映射兩個可能碼元，為從這2個碼元中選出正確碼元，需將再次進行條件判別，增加了計算量和譯碼復雜度。

經過上述性能和計算復雜度的分析，雖然高狀態數會給編碼增益帶來改善，但隨著狀態數的增加，編碼增益提高已經十分平緩，且導致編譯碼復雜度呈指數型上升。為滿足實時超短波通信系統設計要求，需要在性能與實現復雜度中權衡。

4　在超短波通信系統的應用

作為某超短波通信系統骨干節點的高速波形，按協議層次可分為基帶物理層、媒體接入層、邏輯鏈路層、網絡層、IO接口模塊等。其中，基帶物理層完成信道編解碼、基帶調制解調、中頻數字處理、同步、均衡、模擬前端等環節。該超短波通信系統模塊設計框圖如圖5所示，其中基帶物理層各功能模塊，包括TCM8PSK調制編碼模塊在TI公司的TMS320C6416DSP芯片上實現，該芯片能提供高性能的實時信號處理能力。

通過上文對2M態TCM8PSK的性能和復雜度分析，本通信系統采用8態的編碼方式。8態TCM8PSK網絡編碼調制與RS碼組合，具有一定糾錯、抗干擾、較高傳輸速率能力。其中，TCM8PSK模塊在物理層信號生成流程中的位置見下圖6。

圖5　某超短波通信系統分層設計框圖

圖6　物理波形信號生成流程

5　結語

本文以某超短波通信系統高速波形設計為契

機，對TCM8PSK這種具有較高性能的編碼調制信號進行了分析研究。同時給出基于32態、64態的TCM8PSK編碼器及狀態轉移矩陣的設計。通過Matlab仿真，分析2M態TCM8PSK編碼增益隨著M值增加但增加變緩，但實現復雜度呈指數增長。最后，在編碼增益與實現中權衡，采用基于8態的TCM8PSK調制編碼方式并應用于超短波通信系統中。

參 考 文 獻

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*收稿日期：2015年10月8日,修回日期：2015年11月27日

作者簡介：黃莉，女，碩士，工程師，研究方向：無線通信波形技術。

中圖分類號TN91

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.04.018

Design of and Application 2Mstate TCM8PSK in VHF Communication System

HUANG Li

(Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company, Guangzhou510663)

AbstractThe optimal convoluted code machine and state-transfer matrix base on 32-state and 64-state TCM8PSK are introduced. The bit error rate and complexity property among 4-state, 8-state, 16-state TCM8PSK are analyzed. Simulation results show that 8-state TCM8PSK is suitable for giving more coding gain and less complexity in certain VHF wireless communications system. The application of 8-state TCM8PSK is introduced in physicschannel of VHF communications system.

Key WordsTCM, 8PSK, coding gain, VHF