基于獨(dú)特碼檢測(cè)的載波相位模糊糾正方法

王　岳　熊蔚明

摘 要：在數(shù)字相位調(diào)制系統(tǒng)的相干解調(diào)過(guò)程中，普遍存在著載波相位模糊問(wèn)題。指出了差分相干解調(diào)與非相干解調(diào)方法的不足，進(jìn)而針對(duì)QPSK,16QAM,16APSK調(diào)制方式，分析其相位模糊導(dǎo)致數(shù)據(jù)變化的情況，并給出了各自基于獨(dú)特碼檢測(cè)的相位模糊糾正方法。QPSK系統(tǒng)的仿真結(jié)果說(shuō)明了獨(dú)特碼檢測(cè)方法在抗誤碼方面比DQPSK系統(tǒng)具有優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：數(shù)字相位調(diào)制；相干解調(diào)；相位模糊；獨(dú)特碼檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN911.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)03-062-03

Carrier Phase-ambiguity Correction Based on Unique-word Detection

WANG Yue1,2,XIONG Weiming1

(1.Center for Space Science and Applied Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing,100080,China；

2.Graduate University,Chinese Academy of Sciences,Beijing,100080,China)

Abstract：In digital phase modulation system,there always exists carrier phase-ambiguity in the process of coherent demodulation.This paper shows the disadvantages of differential coherent demodulation and non-coherent demodulation,then analyses the ambiguity of phase which causes the change of data in QPSK,16QAM,16APSK modulation methods when phase-ambiguity occurred.One method based on unique-word detection is given to achieve phase-ambiguity correction.The simulation of QPSK system shows the advantage of unique-word detection method in error resilience compared with DQPSK system.

Keywords：digital phase modulation;coherent demodulation;phase-ambiguity;unique-word detection

0 引 言

在數(shù)字相位調(diào)制系統(tǒng)中，若接收端采用相干解調(diào)方式，則在恢復(fù)載波的過(guò)程中，可能出現(xiàn)相位模糊的問(wèn)題［1］，從而導(dǎo)致解調(diào)后的數(shù)據(jù)比特位翻轉(zhuǎn)，降低系統(tǒng)的可靠性。一種廣泛采用的克服接收端相位模糊問(wèn)題的解決方法是在發(fā)射端采用差分碼相位調(diào)制，從而在接收端可以使用差分檢測(cè)進(jìn)行解調(diào)，而不必恢復(fù)載波，從而消除了相位模糊的影響。但在信噪比方面，差分編碼非相干解調(diào)相位調(diào)制系統(tǒng)比相干解調(diào)相位調(diào)制系統(tǒng)低大約2.3 dB［2］，從而降低了抗誤碼性能。另外，差分編碼相干解調(diào)系統(tǒng)存在誤碼擴(kuò)散問(wèn)題［1］。

獨(dú)特碼檢測(cè)技術(shù)在發(fā)送端的兩個(gè)相互正交支路中各加入事先已確定好的一組碼字。對(duì)于相干正交支路解調(diào)相位調(diào)制系統(tǒng)，相位模糊發(fā)生時(shí)接收端總共有8種可能的解調(diào)結(jié)果［3］(如表1所示)，而每一種解調(diào)結(jié)果惟一對(duì)應(yīng)一種相位模糊可能。

因此，在接收端通過(guò)比對(duì)解調(diào)后的相應(yīng)獨(dú)特碼位上的值和事先確定好的獨(dú)特碼之間的差別，從而可以惟一確定特定的相位誤差。一種解決方法是根據(jù)得到的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)支路的數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)情況相應(yīng)地改變各路的輸出數(shù)據(jù)(通過(guò)控制選通門(mén)來(lái)使數(shù)據(jù)取反或不取反)，來(lái)消除相位模糊的影響；另一種解決方法是根據(jù)得到的相位誤差來(lái)修正本地恢復(fù)的載波，進(jìn)而消除相位模糊的影響。

注：IT，QT表示發(fā)送端同向支路I和正交支路Q(chēng)發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)；IR，QR表示接收端通過(guò)解調(diào)恢復(fù)的同向支路I和正交支路Q(chēng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。符號(hào)前的負(fù)號(hào)表示取該符號(hào)的補(bǔ)碼。

1 相位模糊情況

1.1 QPSK系統(tǒng)［3］

QPSK解調(diào)要恢復(fù)載波，通常使用4次方環(huán)，costas環(huán)等非線(xiàn)性載波恢復(fù)方法，從而帶來(lái)了相位模糊，其相位模糊值可能為0°,90°,180°或270°(如表1所示)。不正確的本地載波對(duì)于解調(diào)后數(shù)據(jù)的影響如圖1所示。考慮支路翻轉(zhuǎn)是很有必要的［4］，圖1(a)顯示了通常情況，圖1(b)顯示了支路翻轉(zhuǎn)的情況，圖中的結(jié)果和表1的結(jié)果是相吻合的，載波相位為π/4,3π/4,5π/4和7π/4的QPSK系統(tǒng)情況類(lèi)似。

1.2 16QAM,16APSK系統(tǒng)

對(duì)于16QAM和16APSK系統(tǒng)來(lái)講，采用相干正交支路解調(diào)方式進(jìn)行解調(diào)時(shí)，其相位模糊情況同QPSK一樣，即為通常情況下的0°,90°,180°或270°四種相位模糊情況和支路翻轉(zhuǎn)情況下的0°,90°,180°或270°四種相位模糊情況，如表1所示。

2 相位模糊問(wèn)題的解決辦法

2.1 QPSK系統(tǒng)［3］

要消除QPSK系統(tǒng)相位模糊的影響，可以在發(fā)送端每次連續(xù)發(fā)送I路數(shù)據(jù)塊和Q路數(shù)據(jù)塊的首部分別插入獨(dú)特碼Au和Bu，并且一定要確保Au和Bu之間的相關(guān)性足夠小，從而降低接收端由于信道誤碼造成獨(dú)特碼的誤識(shí)別問(wèn)題。QPSK接收端檢測(cè)獨(dú)特碼的框圖如圖2所示，其中N代表所添加的獨(dú)特碼的長(zhǎng)度。圖中對(duì)于I路和Q路都設(shè)置了兩個(gè)相關(guān)器，相關(guān)器只對(duì)數(shù)據(jù)塊首部的獨(dú)特碼位(Au和Bu)進(jìn)行識(shí)別，其后的數(shù)據(jù)塊直接進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼，這樣不會(huì)產(chǎn)生由于數(shù)據(jù)中恰好包含和獨(dú)特碼相同的碼字而帶來(lái)的誤識(shí)別問(wèn)題。每個(gè)相關(guān)器都應(yīng)當(dāng)只對(duì)其對(duì)應(yīng)的獨(dú)特碼及其反碼產(chǎn)生輸出，而對(duì)于其他碼字不產(chǎn)生輸出(如相關(guān)器AUI在存儲(chǔ)器中的獨(dú)特碼為Au時(shí)輸出正值，為u時(shí)輸出負(fù)值，為非Au和非u輸出零值)。

這樣，4個(gè)相關(guān)器的輸出結(jié)果能夠惟一確定當(dāng)前相位模糊的情況(結(jié)合表1)，各相關(guān)器的輸出與其對(duì)應(yīng)的相位模糊情況示于表2中。在明確了相位模糊屬于哪種狀態(tài)后，可以通過(guò)解碼器的輸出來(lái)直接校正輸出數(shù)據(jù)(取反或不取反)，也可以通過(guò)解碼器輸出來(lái)校正本地載波相位，從而消除了相位模糊帶來(lái)的影響。

2.2 16QAM系統(tǒng)

基于獨(dú)特碼檢測(cè)的16QAM發(fā)射機(jī)、接收機(jī)框圖如圖3所示。基于獨(dú)特碼檢測(cè)的16QAM星座點(diǎn)和碼字的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4(a)所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)其為格雷編碼，相鄰信號(hào)星座點(diǎn)間的碼距最小(僅位1)，這就減少了因誤符號(hào)導(dǎo)致的誤碼個(gè)數(shù)，從而降低了系統(tǒng)的誤碼率。單獨(dú)考察b1和b2兩位(第3、4位)碼與星座點(diǎn)的關(guān)系，示于圖4(b)。從圖中可以看出每個(gè)象限的碼是相同的，所以b1,b2也稱(chēng)為象限碼。通過(guò)選通門(mén)將獨(dú)特碼加入到象限碼的位置，16QAM相位模糊問(wèn)題的解決方法就簡(jiǎn)化成了上述的QPSK相位模糊的解決方法。具體方法如下，根據(jù)基于獨(dú)特碼檢測(cè)的16QAM信號(hào)星座點(diǎn)的特點(diǎn)，可以在發(fā)送端每次連續(xù)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行2-4電平轉(zhuǎn)換前在同向和正交支路的數(shù)據(jù)塊首部分別插入碼字A和B。A的長(zhǎng)度是2N，其中奇數(shù)位可由a1代表，偶數(shù)位用b2代表(它組成了同向支路的獨(dú)特碼Au)； B的長(zhǎng)度也是2N，其中奇數(shù)位可由a2代表，偶數(shù)位用b1代表(它組成了正交支路的獨(dú)特碼Bu)。在接收端的4-2電平轉(zhuǎn)換后，依次將相應(yīng)獨(dú)特碼位上的b2b1(即Au和Bu)送入圖2所示的獨(dú)特碼檢測(cè)器中，根據(jù)表2的相關(guān)器輸出與相位模糊狀態(tài)對(duì)應(yīng)表確定當(dāng)前幀的相位模糊狀態(tài)，從而既可以通過(guò)數(shù)據(jù)解碼器消除相位模糊影響(各數(shù)據(jù)取反或不取反)，也可以通過(guò)直接修正本地載波相位來(lái)消除相位模糊的影響。另外，圖4(c)示出了a1a2位碼與星座點(diǎn)之間的關(guān)系，從圖中可以看出陰影部分的a1a2值對(duì)90°倍數(shù)的相位模糊是不敏感的，所以可以將碼字A和B中的a1a2設(shè)計(jì)成對(duì)相位不敏感的值(如設(shè)計(jì)為11)。這樣就可以在接收端利用這些位置的碼對(duì)每次連續(xù)發(fā)送的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行檢測(cè)和同步，而不必?fù)?dān)心相位模糊給數(shù)據(jù)檢測(cè)和同步帶來(lái)的影響。

2.3 16APSK系統(tǒng)

基于獨(dú)特碼檢測(cè)的16APSK發(fā)射機(jī)、接收機(jī)框圖同圖3所示，只是電平轉(zhuǎn)換規(guī)則不同?；讵?dú)特碼檢測(cè)的16APSK星座點(diǎn)和碼字的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5(a)所示(R1=0.414，R2=1.131)［5,6］，從圖中可以發(fā)現(xiàn)其為準(zhǔn)格雷編碼，從而降低了系統(tǒng)的誤碼率。同16QAM系統(tǒng)一樣，16APSK系統(tǒng)也存在著象限碼b1b2(如圖5(b)所示)和對(duì)90°倍數(shù)相位模糊不敏感的某些a1a2值(如圖5(c)示)，所以可以使用和16QAM相同的基于獨(dú)特碼檢測(cè)的相位模糊解決辦法，從而實(shí)現(xiàn)相位模糊的消除和對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)的識(shí)別和同步。

3 仿真結(jié)果及分析

以QPSK系統(tǒng)為例進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果如圖6所示。圖中包含了通過(guò)AWGN信道的理想無(wú)相位模糊情況下QPSK系統(tǒng)的誤比特率，非相干解調(diào)DQPSK系統(tǒng)的誤比特率，相干解調(diào)DQPSK系統(tǒng)的誤比特率，基于獨(dú)特碼檢測(cè)QPSK系統(tǒng)的誤比特率。本實(shí)驗(yàn)假設(shè)接收端能夠準(zhǔn)確判斷每次發(fā)送數(shù)據(jù)的到來(lái)和進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。仿真采用100次數(shù)據(jù)傳輸，每次10 000 b的數(shù)據(jù)進(jìn)行，獨(dú)特碼的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為同向和正交支路各32 b［7］。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，基于獨(dú)特碼檢測(cè)的QPSK系統(tǒng)既能有效克服相位模糊，并且這種方法較DQPSK系統(tǒng)的誤碼率更低，在較高信噪比的條件下十分接近理想無(wú)相位模糊QPSK系統(tǒng)的誤碼率。

在考慮實(shí)際問(wèn)題時(shí)，一方面，短獨(dú)特碼雖然在傳輸中出現(xiàn)差錯(cuò)的概率較小，但其不利于獨(dú)特碼的識(shí)別與兩正交支路間獨(dú)特碼的區(qū)分。另一方面，隨著獨(dú)特碼的加長(zhǎng)，獨(dú)特碼的識(shí)別更加容易，但獨(dú)特碼的開(kāi)銷(xiāo)加大，降低了系統(tǒng)的有效性，更為嚴(yán)重的是其在傳輸中出現(xiàn)差錯(cuò)的概率也會(huì)相應(yīng)增加，導(dǎo)致一次數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率也相應(yīng)增加。這要求對(duì)獨(dú)特碼進(jìn)行抗誤碼編碼，或者在接收端獨(dú)特碼檢測(cè)器的各相關(guān)器中設(shè)定閾值(本仿真中閾值設(shè)定為0.8)，當(dāng)相關(guān)函數(shù)值大于指定閾值時(shí)，其相關(guān)器才進(jìn)行相應(yīng)的輸出。從仿真結(jié)果可以看出相關(guān)函數(shù)閾值判決法可以有效減輕信道誤碼對(duì)相位模糊判決的影響，提高系統(tǒng)可靠性。

綜上所述，在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)，要綜合考慮，結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)際測(cè)試，在系統(tǒng)可靠性和有效性間求取最佳的折衷方案。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)分析QPSK,16QAM,16APSK系統(tǒng)所存在相位模糊問(wèn)題，并給出了各自基于獨(dú)特碼檢測(cè)的解決方法。從而實(shí)現(xiàn)了在不使用差分編碼調(diào)制的情況下，克服相位模糊，提高了通信系統(tǒng)的可靠性和有效性。

文中基于獨(dú)特碼檢測(cè)來(lái)解決相位模糊的方法不僅限于以上3種系統(tǒng)，還可以廣泛應(yīng)用于采用相干正交支路解調(diào)的其他相位調(diào)制通信系統(tǒng)(如64QAM等)。

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作者簡(jiǎn)介 王 岳 男，1984年出生，天津市人，碩士研究生。主要從事衛(wèi)星通信方向的研究。

熊蔚明 男，1963年出生，北京市人，研究員。主要從事空間通信系統(tǒng)方向的研究。