AQPSK調(diào)制系統(tǒng)中一種自動(dòng)頻偏糾正算法

許哲，康永

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

AQPSK調(diào)制（自適應(yīng)多用戶高階調(diào)制，Adaptive QPSK）是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中常見的調(diào)制方式之一，其調(diào)制星座圖如圖1所示。

AQPSK通信系統(tǒng)具有較高的頻譜利用率和功率利用率，相比QPSK調(diào)制，AQPSK調(diào)制相位翻轉(zhuǎn)僅限于3π/8的整數(shù)倍，沒有因相位突變引起的包絡(luò)起伏，功率放大器的非線性對(duì)其性能影響較小，通過帶限、非線性信道時(shí)頻譜擴(kuò)散比傳統(tǒng)QPSK調(diào)制小，提高了頻譜利用率和功率利用率[1]，AQPSK調(diào)制已經(jīng)成為GSM標(biāo)準(zhǔn)里GERAN的R9技術(shù)規(guī)范中新技術(shù) VAMOS的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制方式[2]。QPSK調(diào)制和AQPSK調(diào)制的相位翻轉(zhuǎn)圖如圖2所示。從圖中可以看出，傳統(tǒng)的QPSK調(diào)制信號(hào)的相位變化過相位圖中心點(diǎn)，而AQPSK調(diào)制信號(hào)相位變化不過相位圖中心點(diǎn)，與之對(duì)應(yīng)，調(diào)制信號(hào)則沒有極性翻轉(zhuǎn)和頻譜擴(kuò)散，具有更好的工程化特性。

AQPSK通信系統(tǒng)中，載頻同步是系統(tǒng)魯棒性的必要條件之一，同時(shí)也是衡量接收機(jī)性能好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)。由于移動(dòng)通信系統(tǒng)中接收機(jī)的移動(dòng)速度較快（如典型的 RA120信道，移動(dòng)臺(tái)速度在120km/h，以及典型的高鐵信道，移動(dòng)臺(tái)速度可以達(dá)到 300 km/h），以及受到地形條件的干擾，移動(dòng)臺(tái)的載頻經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生漂移。如何克服移動(dòng)臺(tái)的頻率漂移是移動(dòng)通信系統(tǒng)工程中最重要的問題之一[3]。

圖1 AQPSK調(diào)制星座圖

圖2 AQPSK/QPSK信號(hào)相位變化比較圖

1 系統(tǒng)描述

本文以AQPSK調(diào)制系統(tǒng)為例，AFC環(huán)路的一般流程如圖3所示[4]。

圖3中，r為接收信號(hào)，為經(jīng)過頻偏補(bǔ)償?shù)慕邮招盘?hào)，Δf為殘留頻偏的估計(jì)結(jié)果，Δf′為經(jīng)過濾波的殘留頻偏估計(jì)結(jié)果。AFC環(huán)路中包含的頻偏補(bǔ)償模塊負(fù)責(zé)根據(jù)頻偏估計(jì)模塊的結(jié)果對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行頻偏補(bǔ)償。通常情況下頻偏估計(jì)的結(jié)果會(huì)經(jīng)過一個(gè)濾波器以保持頻偏估計(jì)結(jié)果的穩(wěn)定性，如果頻偏估計(jì)的結(jié)果可靠，整個(gè) AFC環(huán)路就可以正常工作。但是，在極端惡劣的信道條件下，頻偏估計(jì)的結(jié)果很難保證精度，而這些不可靠的頻偏估計(jì)結(jié)果會(huì)導(dǎo)致整個(gè) AFC環(huán)路不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致頻偏擴(kuò)大，而更大的頻偏會(huì)產(chǎn)生更大的頻偏估計(jì)誤差，最終導(dǎo)致AFC環(huán)路崩潰。

圖3 自動(dòng)頻偏補(bǔ)償（AFC）流程框圖

本文提出一種新的狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)加入 AFC環(huán)路中，新的AFC環(huán)路如圖4所示。圖4狀態(tài)機(jī)控制（state machine control，SMC）模塊在濾波模塊之后，處理濾波模塊的輸出Δf′，經(jīng)過SMC模塊的處理后得到殘留頻偏Δf′′。SMC模塊的狀態(tài)機(jī)控制原理如圖5所示。

圖4中的狀態(tài)機(jī)控制狀態(tài)一共有4種，狀態(tài)機(jī)的 4種狀態(tài)轉(zhuǎn)化由頻率漂移指標(biāo)（frequency drift indicator，F(xiàn)DI）和劣質(zhì)信號(hào)指標(biāo)（bad quality indicator,BQI）觸發(fā)。FDI與接收機(jī)接收信號(hào)譯碼后的CRC校驗(yàn)譯碼比特的誤碼率、接收信號(hào)質(zhì)量、FOE結(jié)果相關(guān)，F(xiàn)DI指示頻偏補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果是否有效、殘留頻偏的大小，如式1所示：

圖4 新的AFC流程框圖

圖5 狀態(tài)機(jī)控制狀態(tài)圖

其中，RCRC為CRC校驗(yàn)位的質(zhì)量參數(shù)，代表接收信號(hào)CRC校驗(yàn)比特的正確率；BQI與信號(hào)質(zhì)量有關(guān)，指示經(jīng)過頻偏補(bǔ)償后的信號(hào)質(zhì)量的好壞；FOE即頻偏估計(jì)結(jié)果。BQI的計(jì)算如式2所示：

式中，qual為接收信號(hào)譯碼后的信息比特正確率，如果頻偏補(bǔ)償不能完全去除載波中的頻偏，則qual的值會(huì)變小，反之qual會(huì)變大，因此qual也可以用來檢驗(yàn)頻偏補(bǔ)償是否有效。由于qual的計(jì)算是一幀一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行，因此為了讓 AFC更加穩(wěn)定，會(huì)將若干幀的qual進(jìn)行平均后再送入狀態(tài)機(jī)，如用m代表數(shù)據(jù)幀數(shù)，qual的均值計(jì)算方法如式3所示。

圖4中的狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程為：

（1）當(dāng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈路層檢測(cè)到接收信號(hào)不連續(xù)，比如MS正在進(jìn)行小區(qū)切換或者建立通信，MS將狀態(tài)機(jī)設(shè)置為初始化模式，MS清空所有寄存器和有關(guān) AFC環(huán)路的計(jì)算結(jié)果，完成初始化后，MS自動(dòng)進(jìn)入正常頻偏糾正狀態(tài)；

（2）在頻偏糾正狀態(tài)，MS對(duì)頻偏進(jìn)行估計(jì)，采用積極的方式對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行頻偏補(bǔ)償，如果FDI指示頻偏補(bǔ)償有效，且殘留頻偏很小，MS進(jìn)入無漂移的穩(wěn)定狀態(tài)，在穩(wěn)定狀態(tài)里，MS的頻偏補(bǔ)償采用更加溫和的方式進(jìn)行；

（3）在穩(wěn)定狀態(tài)里，如果FDI指示頻偏補(bǔ)償效果不足，殘留頻偏變大，則MS進(jìn)入頻偏糾正狀態(tài)，重新采用積極的方式進(jìn)行頻偏補(bǔ)償；

（4）在頻偏糾正狀態(tài)，如果BQI指示經(jīng)過頻偏補(bǔ)償后的信號(hào)質(zhì)量仍然很差，這種情況可能是由于AFC環(huán)路崩潰或者AFC環(huán)路的工作不正常造成的，此時(shí)MS進(jìn)入鎖死狀態(tài)。在鎖死狀態(tài)MS采用與頻偏糾正狀態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)完全不同的頻偏補(bǔ)償方式進(jìn)行頻偏補(bǔ)償，比如采用晶振的溫度測(cè)量結(jié)果對(duì)頻偏進(jìn)行補(bǔ)償，如果頻偏補(bǔ)償結(jié)果有效，則 MS重新返回頻偏糾正狀態(tài)，否則在滿足掉話的條件時(shí)，MS就會(huì)出現(xiàn)掉話，且狀態(tài)機(jī)返回初始狀態(tài)。

在本文提出的 AFC環(huán)路中，頻偏補(bǔ)償不是由FOE結(jié)果直接進(jìn)行，而是加入一個(gè)狀態(tài)機(jī)完成，由狀態(tài)機(jī)通過FOE和其它的參數(shù)共同改進(jìn)AFC環(huán)路的性能。狀態(tài)機(jī)中定義一組量化參數(shù) [α1,α2,α3]，α1、α2、α3指示在狀態(tài)機(jī)的不同狀態(tài)，采用積極的頻偏補(bǔ)償、溫和的頻偏補(bǔ)償、特殊的頻偏補(bǔ)償方式中的哪一種方式進(jìn)行AFC。描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程時(shí)還需再定義兩個(gè)閾值，THRneutral和THRdrift，由這兩個(gè)閾值，可以定義qual、FDI、BQI之間的關(guān)系為：

如果mean_qual≥THRneutral，可以確定：FDI=0；

如果mean_qual≥THRneutral，可以確定：FDI=0；

如果THRdrift＜mean_qual＜THRneutral，可以確定：FDI=1；

如果mean_qual≤THRdrift，可以確定：BFI=1,否則BFI=0。

狀態(tài)機(jī)的工作規(guī)則如下：

當(dāng)mean_qual≥THRneutral,狀態(tài)機(jī)在穩(wěn)定狀態(tài)，頻偏估計(jì)結(jié)果的量化參數(shù)為1α；

當(dāng)THRdrift＜mean_qual＜THRneutral,狀態(tài)機(jī)在頻偏糾正狀態(tài),頻偏估計(jì)結(jié)果的量化參數(shù)為2α;

當(dāng)mean_qual≤THRdrift,狀態(tài)機(jī)在鎖死狀態(tài),頻偏估計(jì)結(jié)果的量化參數(shù)為3α。

2 仿真結(jié)果

采用圖3中的AFC環(huán)路進(jìn)行仿真，仿真條件如表1所示。

表1 仿真條件

圖6為采用傳統(tǒng)頻偏補(bǔ)償算法的仿真結(jié)果圖。從圖6中可以看出，圖中eq_qual表示根據(jù)接收信號(hào)得到的qual值，F(xiàn)req error表示人為加入固定頻率漂移后的載波頻率，afc value代表AFC環(huán)路對(duì)頻偏進(jìn)行補(bǔ)償后接收機(jī)的載波頻率，理論上afc value曲線應(yīng)“圍繞”并伴隨Freq error曲線運(yùn)動(dòng)，但是在經(jīng)過一段時(shí)間后，兩幅圖中的afc value曲線都偏離Freq error直線，隨著afc value曲線距離Freq error直線越來越遠(yuǎn)，信號(hào)eq_qual質(zhì)量也在下降，并進(jìn)一步影響AFC工作效果，導(dǎo)致afc value曲線加快偏移Freq error直線，并最終導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

圖7所示為采用新的AFC環(huán)路的頻偏補(bǔ)償結(jié)果，從圖中可以看出，新的狀態(tài)機(jī)的引入，在頻偏補(bǔ)償效果出現(xiàn)偏差時(shí)，能夠自動(dòng)改變頻偏補(bǔ)償?shù)姆绞?，以不同的量化參?shù)來對(duì)應(yīng)不同的狀態(tài)，特別是在圖7（b）中，即使在系統(tǒng)eq_qual質(zhì)量下降，導(dǎo)致頻偏估計(jì)結(jié)果出現(xiàn)較大偏差時(shí)，經(jīng)過一段時(shí)間的調(diào)整，狀態(tài)機(jī)仍然能夠?qū)⑾到y(tǒng)頻偏鎖定，圖中的系統(tǒng)載波頻率始終能夠鎖定加入固定頻率漂移的載波頻率。

3 結(jié)論

本文重點(diǎn)介紹了移動(dòng)通信系統(tǒng)中一種新的自動(dòng)頻偏補(bǔ)償算法，即在傳統(tǒng)的 AFC環(huán)路中引入一個(gè)狀態(tài)機(jī)對(duì)頻偏補(bǔ)償算法的效果和狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并根據(jù)頻偏補(bǔ)償效果實(shí)時(shí)對(duì) AFC環(huán)路的工作方式進(jìn)行修正。本文以AQPSK調(diào)制系統(tǒng)為例，通過仿真實(shí)驗(yàn)表明，新的 AFC算法對(duì)惡劣情況下的頻偏補(bǔ)償相對(duì)于傳統(tǒng) AFC算法具有更好的補(bǔ)償效果，可以抵抗更強(qiáng)的頻率漂移。

圖6 傳統(tǒng)AFC環(huán)路頻偏補(bǔ)償效果

圖7 新的AFC環(huán)路頻偏補(bǔ)償效果

[1]丁強(qiáng),劉云宏,吳玉成.P/4-QPSK基帶查分解調(diào)的頻偏補(bǔ)償方案[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007(15).

[2]GSM specification (GSM 05.04)[J].ICS,1994.

[3]Liu CL ,Djen WS ,Feher K.A Low-cost Dual-mode Noncoherent Receiver with Robust Frequency-offset Com-pensation[C].Vehicular Technology Conference,1993 IEEE 43rd,1993:412-415.

[4]M.K.Simon,S.M.Hinedi,W.C.Lindsey.Digital Communication Techniques [M].Upper Saddle River:Prentice Hall,1995.