直擴OQPSK傳輸體制關鍵技術分析及應用

崔霞霞 王少飛

摘要：直擴OQPSK是直接序列擴頻和OQPSK調制方式相結合的傳輸模式，兼顧擴頻的抗干擾和抗截獲特點，以及OQPSK的包絡恒定、頻譜效率和功率效率高的優勢，可廣泛應用于軍事通信中。結合工程實踐，介紹了直擴OQPSK的調制原理，重點分析了直擴OQPSK的關鍵技術，主要包括擴頻碼跟蹤和載波跟蹤，經理論推導和工程實現證明直擴OQPSK實現復雜度低、可移植性強，且性能優良。

關鍵詞：直擴OQPSK；擴頻碼跟蹤；載波跟蹤

中圖分類號：TN763.3文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2020）15-58-4

0引言

直接序列擴頻調制信號發射功率譜密度低，信號掩埋在噪聲中傳輸，通信隱蔽性、抗干擾和抗截獲能力強，并且可以在同一信道中進行多用戶通信，適合多種通信系統。

OQPSK是QPSK的一種改進形式，OQPSK的同相與正交支路在時間上互相錯開了半個碼元的周期，在相位轉換處每次只有一路可能發生極性翻轉，不會發生兩支路碼元同時翻轉的現象，即輸出的OQPSK信號最大只有±90°的相位跳變，而不會出現180°相位跳變。因此它的包絡起伏比QPSK小，頻譜特性也優于QPSK。

直擴OQPSK將直接序列擴頻和OQPSK調制方式相結合，可以充分發揮2種體制的優勢。但是由于直擴OQPSK的特點，不能沿用通用的直擴QPSK的終端算法，經綜合分析和仿真，終端算法中的擴頻碼跟蹤及載波跟蹤算法需要重新設計實現。

1直擴OQPSK調制原理及實現

2直擴OQPSK關鍵技術分析與實現

2.1直擴OQPSK擴頻碼跟蹤關鍵技術分析

擴頻碼同步包括碼捕獲和碼跟蹤，直擴OQPSK的碼捕獲與一般的直擴系統無區別，而兩路擴頻碼不同，相位模糊問題可以在碼捕獲部分完成。碼捕獲部分采用匹配濾波捕獲算法，由于碼捕獲成功時擴頻碼的相位誤差在一個碼片之內，所以碼捕獲時采用的兩路本地擴頻碼不需要做延時半個碼片處理。碼跟蹤部分，如果將碼捕獲后的（）路擴頻數字信號延時半個碼片時間，變成直擴QPSK的擴頻數字信號，可以采用適用于直擴QPSK的閉環運行的延時鎖相環，實現對擴頻碼的跟蹤。但是完成碼跟蹤后的兩路解擴信號將不存在半個碼片時間的相位關系，無法實現載波跟蹤。因此需要根據這一特點設計新的碼跟蹤算法。

直擴OQPSK碼捕獲后的兩路擴頻數字信號存在相差時，可表示為：

由式（5）和式（6）可知，直擴OQPSK的碼跟蹤也可采用延時鎖相環的設計思想，具有滯后和超前相關器，相關器計算出的相關累加值分別為（ ），（ ），（），（），（），（），（），（）。滯后相關器實現比接收端本地產生的解擴用的擴頻碼相位延遲半個碼片的序列和接收到的信號間的相關累加運算，超前相關器實現比接收端本地產生的解擴用的擴頻碼相位領先半個碼片的序列和接收到的信號間的相關累加運算。根據滯后和超前相關器的差值即相位誤差（ ），調整接收端本地產生的擴頻碼與接收到的信號擴頻碼間的相位延遲或滯后關系。相位誤差（ ）可表示為：

2.2直擴OQPSK載波跟蹤關鍵技術分析

由于多普勒效應造成的頻移和接收機晶體振蕩器的頻率偏移等原因，接收信號的載波頻率會變化較快且變化一般不可預知，需要實現載波同步。

載波同步包括載波捕獲和跟蹤兩部分。完成擴頻碼捕獲時，已通過掃頻完成載波大頻偏的捕獲和補償，這部分功能實現與直擴系統相同。當接收信號存在相差時，完成擴頻碼同步后會出現2組信號，如式（5）和式（6）所示，一般的直擴QPSK，僅采用式（5）中的兩路信號就可以完成載波跟蹤（直擴QPSK調制時兩路本地擴頻序列無延時關系），但是由于直擴OQPSK發端兩路信號中支路比支路延遲半個碼片時間，在中頻或射頻鏈路中傳輸時，載波的頻偏也建立在兩路信號的延時關系之上，僅采用式（5）中的兩路信號，經符號時鐘（）采樣后，兩路信號半個碼片周期的延時關系將不存在，無法提取相位誤差信息，因此需要考慮式（5）和式（6）兩組信號的延時對應關系，設計載波跟蹤算法。

根據直擴OQPSK調制的這一特點，采用的載波鑒相算法對Costas環的鑒相器做了修正：

除鑒相算法外，其他環路組成與Costas環相同，直擴OQPSK信號載波跟蹤環實現框圖，如圖2所示。鑒相算法僅采用碼同步后碼元的第一個周期內的誤差值，誤差值的更新時間為1/，載波跟蹤環路相位誤差估計收斂曲線如圖3所示。由圖3可知，采用式（8）鑒相算法的載波跟蹤環路能夠實現載波相位跟蹤，且收斂速度快，二階環路濾波器的參數不受接收信號功率變化的影響。誤差值收斂后，載波跟蹤輸出和

路信號經符號時鐘（）采樣后，兩路信號半個碼片周期的延時關系將不存在，實現了載波跟蹤同步。

3直擴OQPSK的工程應用

直擴QPSK信號的終端設備主要包括信息源、基帶擴頻調制器、中頻調制解調器、基帶解擴解調器及輸出信息。實現直擴OQPSK功能時，基帶擴頻調制器僅需要將直擴QPSK信號成形濾波后的兩路信號錯開半個碼片時間。基帶解擴解調器僅碼跟蹤和載波跟蹤部分有所改動，其他部分均可與直擴QPSK信號共用軟硬件資源，直擴QPSK和直擴OQPSK終端設備連接關系如圖6所示。工程實現時將直擴OQPSK信號和直擴OQPSK信號波形在基帶擴頻調制器和基帶解擴解調器的軟件中做出選擇，可切換實現2種波形，資源占用少、軟件實現方便，且可移植性強。

4結束語

介紹了直擴OQPSK的調制原理，并對直擴OQPSK解擴解調中的碼跟蹤和載波跟蹤算法進行分析，推導出適合直擴OQPSK的碼跟蹤和載波跟蹤算法，并實現了直擴OQPSK調制和直擴QPSK調制的波形切換的收發功能，證明了算法的性能優良，體制可移植性強，并且占用資源少。直接序列擴頻具有抗干擾抗截獲的保密通信特性，且便于碼分多址組網，可以多用戶共用頻段，受到了軍事和民用領域的重視。OQPSK調制包絡恒定，受系統非線性影響小，具有較高的頻譜效率和功率效率，已成為衛星通信和移動通信領域中常用的一種調制方法，特別是衛星通信中。直擴OQPSK調制將直接序列擴頻和OQPSK調制相結合，集成2種體制的優勢，特別適合應用于帶寬和功率受限的軍事衛星通信系統和組網應用通信系統，既提升系統抗干擾抗截獲能力，又能充分利用頻帶資源和功率資源。

參考文獻

[1] RIANI J， BERGMANS J W M， BENEDEN V S，et al. Data-Aided Timing Recovery for Recording Channels with Data-Dependent Noise[J].IEEE Transactions on Magnetics， 2006，42（11）：3752-3759.

[2] JABLON N K. Joint Blind Equalization， Carrier Recovery and Timing Recovery for High-order QAM Signal Constellations[J]. IEEE Trans on Signal Processing，1992，40（6）：1383-1397.

[3]王旭東，樊濤，黃強輝，等.大多普勒頻偏SOQPSK信號FFT引導COSTAS環載波跟蹤技術[J].電子學報，2016，44（2）： 491-496.

[4]王蘭勛，榮民.一種位同步時鐘提取方案及實現[J].無線電工程，2003（10）：59-61.

[5] ANDREA A N D，MENGALI U，REGGIANNINI R. The Modified Cramer-rao Bound and Its Application to Synchronization Problems[J]. IEEE Transactions on Communications，1994，42（2-4）：1391-1399.

[6]李靜芳，崔霞霞.一種QAM信號定時誤差估計算法[J].無線電工程，2006，36（4）：27-28，41.