一種基于前饋定時的OQPSK解調方法

張麗娜，陳敬喬

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

偏移正交相移鍵控(Offset Quadrature Phase Shift Keying，OQPSK)是一種改進的正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)，與QPSK調制信號相比，OQPSK信號同相支路碼元與正交支路碼元在時間上偏移了半個符號周期。OQPSK調制除了具有QPSK 調制的所有優點外，還消除了相鄰符號間的180°相位跳變現象[1]，在帶寬受限的通信系統中，OQPSK信號包絡起伏小，經過非線性功率放大器后不產生明顯的功率譜旁瓣增生效應。因此，OQPSK調制所具有的恒包絡特性、良好的頻譜效率及功率效率使得它廣泛地應用于衛星通信中。

典型的OQPSK解調[2]是常用的基于反饋定時的解調方法，采用Gardner算法[3]提取誤差，調整AD時鐘或者后端重采樣[4-5]時鐘，由于定時和載波恢復同時進行，二者相互制約，環路參數調試難度比較大，特別是低信噪比的情況下，實現比較困難，針對此問題，本文提出一種基于前饋定時的解調方法，將定時和載波恢復分開進行，解決了環套環調試困難的問題，并對解調流程和關鍵算法進行了詳細分析，最后對仿真結果和工程實踐進行了比較。

1 OQPSK 調制基本原理

OQPSK調制實現框圖如圖1所示。

圖1 OQPSK調制實現框圖

OQPSK調制也是把輸入數據流分成同相與正交2個數據流，它們的相位關系與 QPSK 相同，QPSK調制的信號經過成形濾波[6]，其中一路有半個符號的延時滯后送給基帶采樣D/A，完成OQPSK調制。

2 OQPSK解調基本原理

OQPSK信號的解調同QPSK解調原理基本相同，因為在調制時Q支路信號在時間上延遲了半個周期，所以在解調端的Q支路上也應該延時半個符號再進行抽樣判決，從而保證對2個支路能進行正確的采樣，然后經過并/串變換來恢復原始信號[7]。

OQPSK解調常用的基于反饋定時的解調方法，其解調框圖如圖2所示。

圖2 基于反饋定時的解調框圖

該解調方法是將定時估計誤差反饋給DDS，用于調整AD采樣時鐘來完成定時，A/D采樣的數據經過數字下變頻、匹配濾波之后進行載波恢復，用于載波恢復的數據同時送給定時誤差估計模塊，定時后的數據送給后續處理。此解調方案的缺點是在載波未同步的情況下，符號同步非常困難，同時載波同步又需要符號同步提供正確的時鐘信息[8-9]，定時環路延時大，信噪比較低時程序參數調試困難。

3 基于前饋定時的解調方案

鑒于傳統的基于反饋定時的解調方法中調試復雜問題，提出了一種新的解調方案，即基于前饋定時的解調方法，實現如圖3所示。

解調中擺脫環套環的形式，將載波恢復和符號定時恢復分開來做，先進行載波恢復，再完成符號定時。符號定時用基于頻域非線性估計算法提取定時誤差信息，用誤差控制數據內插的方式實現符號定時調整，載波恢復先用FFT進行載波頻差估計，再用costas環實現殘余載波恢復。

圖3 基于前饋定時的解調框圖

3.1 定時恢復

定時恢復用基于頻域非線性估計算法的內插定時，匹配濾波后的4倍采樣數據采用Q路和延遲半個符號后的I路利用加窗的平方環算法進行定時誤差估計，差值濾波器利用處理后的定時誤差處理作為誤差進行數據內插從而完成定時。

當載波頻偏較小時，匹配濾波后的信號[10]可近似表示為：

r(t)=As(t-τ)ej(Δωt+θ)+n(t)。

(1)

對匹配濾波后的復基帶信號進行采樣，得到

rk=r(kT/N)=Ask+nk，

(2)

式中，N=4。通過計算y(t)=r(t)r*(t)的傅里葉換Y(f)在f=1/T處的相位來獲得符號定時誤差的估計，估計結果[11-13]為：

(3)

(4)

L為觀測符號數。

由于OQPSK調制的原因，進行定時誤差估計[14-15]的數據需要將延遲的半個符號的數據還原回來再進行估計，導致I、Q兩路信號的頻偏不同，所以該定時估計算法對頻偏要求極高，需要在幾乎無頻偏的情況下才能實現準確估計，這就需要在定時前實現載波的精確恢復。

下面對算法性能進行仿真，假定OQPSK調制，歸一化定時偏差1/16，仿真次數1 000，估計長度1 024，仿真結果如圖4所示，可知在歸一化頻偏6Rs/100 000時，歸一化定時估計誤差小于0.06。

圖4 定時估計性能仿真

利用此條件仿真不同符號信噪比下誤差的估計方差，仿真結果如圖5所示，可以將歸一化定時估計的方差[4-5]控制小于0.000 3范圍內，如果不考慮內插器本身引入的誤差，定時恢復后解調性能的惡化小于0.1 dB。

圖5 OQPSK的定時估計算法性能

3.2 載波恢復

3.2.1 載波頻率估計

載波頻率估計利用FFT實現[16-17]。FFT是對載波頻率進行了有限精度的量化，量化精度與FFT的點數相關。算法描述如下：匹配濾波之后的4倍采樣樣本為rk，通過下述運算消除調制數據的影響：

(5)

式中，φk=arg[rk]；ρk=abs(rk)；M為與調制方式有關的常數，對于OQPSK，M=4；d為設計參數，一般取0≤d≤M。

下面對算法的性能進行仿真，仿真條件：OQPSK調制，歸一化載波頻差為1/32，Es/N0=0 dB，匹配濾波之后的數據是4倍采樣，理想高斯信道下的仿真結果如圖6所示。

由仿真結果可知，可以準確地估計載波頻率FFT點數是8 192。由于FFT的點數為8 192，輸入4倍采樣數據進行了4次方的處理，因此FFT估計精度為1/8 192符號率。

圖6 FFT載波頻率估計的性能

3.2.2 載波相位估計

載波相位估計采用Costas環，主要由鑒相器和環路濾波器組成。鑒相器利用數字下變頻后的2倍采樣數據產生相位誤差信號，經過環路濾波后，送入數字下變頻模塊產生本地載波，完成本地載波恢復[18-19]。其中，鑒相函數為：

e(k)= sign(I(k))Q(k)-

(6)

對上述載波恢復算法的性能進行仿真，假定OQPSK調制方式，歸一化頻偏Rs/4 096，不考慮定時偏差，仿真數據個數20 000。對載波恢復后的數據進行誤比特率統計，仿真結果如圖7所示，在Es/N0小于7時解調性能惡化小于0.5 dB。

圖7 載波相位估計性能仿真

3.3 實現驗證

采用前饋定時的解調方案在FPGA平臺上實現OQPSK的中頻環調制解調驗證，采用不同的編碼方式，性能測試結果如表1所示。由表1可知，不同編碼方式下，中頻環解調信噪比惡化值小于0.7 dB，考慮中頻等其他惡化0.2 dB，可得由解調導致的信噪比惡化小于0.5 dB，與仿真相符。

表1 OQPSK解調性能測試結果

編碼方式BERBER對應的實際Eb/N0/dBBER對應的理想Eb/N0/dB卷積1/2編碼1/2LDPC編碼7.0×10-94.5×10-86.503.955.93.3

4 結束語

在典型的OQPSK解調方法基礎上提出了一種基于前饋定時的OQPSK解調方案，仿真了載波恢復和定時恢復對解調性能的影響，得出定時估計需要在歸一化頻偏很小的情況下才能準確估計，實驗證明，歸一化頻偏小于6Rs/100 000時，定時恢復導致的性能惡化小于0.1 dB，通過合理的參數設計可以將OQPSK解調導致的性能惡化控制在小于0.5 dB范圍內，仿真的相關參數可以作為設計實現的參考。

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