高效數(shù)字調(diào)制技術(shù)及其DSP實現(xiàn)

0 引 言
    進入2l世紀以來，隨著人類探索外太空活動的深入，深空探測正逐步成為航天活動的新熱點。1998年，美國國家航空航天局(NASA)在加州理工學院的噴氣推進實驗室(JPL)成立了深空通信和導航系統(tǒng)精英中心(DESCANSO)。DESCANSO負責管理和促進深空探測對通信和導航技術(shù)需求的創(chuàng)新和改革。2007年我國探月工程計劃——嫦娥奔月的成功是中國走向深空探索的第一步，標志著我國深空探測的開始，也是未來進行更遠深空探測的必然要求。因而對深空測控通信技術(shù)的研究就顯得非常重要。
    隨著通信容量日益增加，射頻頻譜變得越來越擁擠，數(shù)據(jù)速率不斷增長，所用帶寬越來越寬，使得信道間的相互干擾相當突出。在這種情況下，F(xiàn)QPSK——一種高帶寬效率數(shù)字調(diào)制方法應(yīng)運而生。它具有調(diào)制信號的頻帶集中，旁瓣滾降快，包絡(luò)恒定的特性。另外還介紹了網(wǎng)格編碼調(diào)制(TCM)技術(shù)，它是近年發(fā)展起來的一種解決通信系統(tǒng)有效性與可靠性的方案。它可以在不增加信號帶寬、不降低有效信息傳輸速率情況下，獲得明顯的編碼增益。因此特別適合在帶寬受限的信道中進行信息傳輸。

l FQPSK體制
    FQPSK調(diào)制的關(guān)鍵在于除了對數(shù)字信號進行IJF編碼外，還在其后增加了一個交叉相關(guān)的運算單元，以減少其包絡(luò)起伏。原理圖如圖1所示。

1．1 IJF編碼原理
    所謂UF編碼就是采用一種新的基帶成型脈沖時限雙碼元間隔升余弦脈沖，將基帶數(shù)字序列經(jīng)此脈沖成型后，再調(diào)制。因其不存在振蕩尾巴，從而消除了碼間干擾和定時抖動。
    實現(xiàn)UF編碼的方法有脈沖疊加法、橫向濾波器法和非線性濾波器法等幾種。非線性濾波器法實質(zhì)上是一種分段合成UF波形的方法。成型后的UF編碼波形僅由以下4種波形合成：即±So和±Se，其中So，Se波形如圖2所示。

實現(xiàn)時根據(jù)輸入的前一時刻和當前時刻碼元關(guān)系來確定該時刻的編碼輸出：

IJF編碼結(jié)果如圖3所示。

1．2 互相關(guān)及DSP實現(xiàn)
    經(jīng)IJF編碼輸出的波形有3 dB的包絡(luò)起伏，然后通過互相關(guān)來消除包絡(luò)起伏。具體相關(guān)過程是將I路和Q路的兩個碼元符號在每半個符號間隔內(nèi)進行如下相關(guān)運算：
    (1)I路信號為零時，Q路信號為最大峰值。
    (2)1路信號為非零時，Q路信號最大值衰減到A

(3)Q路信號為零時，I路信號為最大峰值。
    (4)Q路信號為非零時，I路信號最大值衰減到A。
    當時，其包絡(luò)起伏接近0 dB，這種使信號幅度包絡(luò)恒定的方法是一種人為的拼湊方法，無法從原理上做到包絡(luò)恒定，而僅僅能達到某種程度的近似的包絡(luò)恒定。
    在工程實踐中，使用了TI公司的TMS320C6711芯片。該芯片基于超長指令字的體系結(jié)構(gòu)，非常適合于高強度的數(shù)學運算。C6711既能進行定點處理也能進行浮點處理。
    在DSP實現(xiàn)時，按文獻的方法先將8種波形數(shù)據(jù)制表，然后進行逐符號映射，計算波形編號，得到地址，尋址波形表，輸出波形。交叉相關(guān)后波形如圖4所示。

2 網(wǎng)格編碼調(diào)制原理
    網(wǎng)格編碼調(diào)制與傳統(tǒng)的方法的最大區(qū)別在于它是把編碼與調(diào)制、解調(diào)與譯碼作為一個統(tǒng)一的整體進行綜合設(shè)計，從而保證信號空間的最佳分割。它包括卷積編碼和分集映射，如圖5所示。

 一個m比特的信息塊被分成長度分別為k1，k2的兩組。k1比特通過卷積編碼器后被編碼成n比特，用來在分集后信號星座的2n個子集里映射其中之一，而未參加編碼的k2比特用來在各子集的2k2個信號點里映射其中之一。k2=0，所有m個信息比特都參與編碼。
2．1 4 狀態(tài)8PSK TCM分析
    文中4狀態(tài)8PSK網(wǎng)格編碼調(diào)制方案采用碼率為2／3的卷積碼對8PSK信號空間的映射構(gòu)成TCM方案，基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。

 表示簡單編碼器的一種方法是網(wǎng)格圖，如。圖7所示。它既有時間尺度，又利用了結(jié)構(gòu)上的重復性，避免了支路數(shù)呈指數(shù)增長的情況。圖7中，實線表示輸入比特為0的路徑，虛線表示輸入比特為1的路徑。

2．2 Viterbi譯碼
    Viterbi譯碼算法是目前最為常用的卷積碼的譯碼方法，主要分為硬判決維特比和軟判決維特比。本文采用硬判決，譯碼時，將接收到的編碼序列與網(wǎng)格圖上所有可能的轉(zhuǎn)移路徑作比較，計算出其漢明距離，并從中選擇累加路徑距離最小的路徑，該條路徑對應(yīng)的序列就是最可能的發(fā)送序列。
    對于文中的編碼器來說，其Viterbi譯碼算法的基本步驟如下：
    (1)計算量度值。根據(jù)接收到的信號序列，對a，b，c和d四種狀態(tài)分別計算上下兩支路狀態(tài)轉(zhuǎn)移的漢明距離HD upper和HD_lower。
    (2)相加，比較，選擇，存儲。在四個狀態(tài)節(jié)點上，分別比較到達同一節(jié)點的上下兩支路累積路徑量度值的大小，選擇較小的一條路徑y(tǒng)_final，將其狀態(tài)量度值存儲到L(s，t)，其中s表示狀態(tài)，t表示時間。記錄路徑r(r表示第幾條支路)，并存儲到path(s，t)中。
    (3)尋找最佳路徑。根據(jù)L(s，t)，path(s，t)及狀態(tài)轉(zhuǎn)移表S(S記錄了每個狀態(tài)上下分支的前一狀態(tài)值)的值從最后一個時刻開始進行回溯，最終得到最佳路徑，此路徑是由狀態(tài)值表示的。這是一種遞歸算法。
    (4)譯碼。根據(jù)最佳路徑，依次譯出二進制碼字，上支路譯碼為0，下支路譯碼為1，得到譯碼結(jié)果。其實，當路徑量度計算進行到網(wǎng)格圖一定深處時，前面的路徑已經(jīng)合并成一條路徑，此時就會產(chǎn)生第一位譯碼比特。這個深度即為譯碼深度，一般譯碼深度為約束長度的5～8倍。
2．3 仿真驗證
    圖8是10 000個隨機序列經(jīng)卷積編碼，8PSK調(diào)制，Viterbi譯碼后的誤碼曲線圖，可以看出隨信噪比的增大，誤碼率大致呈下降趨勢，當信噪比增大到近10 dB時，誤碼率為0。

3 結(jié)語
    FQPSK調(diào)制所具有的頻帶集中、包絡(luò)恒定的特性可使得調(diào)制信號通過帶限和非線性處理后有盡可能小的頻譜擴展，其優(yōu)良的頻譜特性與目前射頻譜資源緊張的形勢相順應(yīng)。TCM在不增加帶寬和降低信息速率的條件下，可以提高整個系統(tǒng)的可靠性，尤其適合于在功率和頻率受限的信道中使用。而基于網(wǎng)格編碼調(diào)制的Viterbi譯碼算法具有較強的檢錯和糾錯能力。從TCM技術(shù)中可以看出：通過系統(tǒng)內(nèi)部的組合優(yōu)化，可以使系統(tǒng)的整體性能得到極大的提高。