李泰立，王世練，賴鵬輝，陳煒宇

基于XTCQM的Alamouti-SOQPSK-TG遙測(cè)系統(tǒng)的高性能檢測(cè)

李泰立，王世練，賴鵬輝，陳煒宇

（國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院 長(zhǎng)沙 410073）

為了在降低Alamouti-SOQPSK-TG遙測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)算法復(fù)雜度的同時(shí)仍能具有較高的檢測(cè)性能，提出一種基于32波形互相關(guān)網(wǎng)格編碼正交調(diào)制（XTCQM）的低復(fù)雜度檢測(cè)算法。仿真結(jié)果表明，采用這種算法的Alamouti-SOQPSK-TG遙測(cè)系統(tǒng)可以解決“雙天線問(wèn)題”，能抵抗兩路信號(hào)在一個(gè)比特持續(xù)時(shí)間內(nèi)的延遲，相比8波形XTCQM，誤碼率為10–5時(shí)b/0可節(jié)省1.2dB。

連續(xù)相位調(diào)制；雙天線問(wèn)題；互相關(guān)網(wǎng)格編碼正交調(diào)制

引 言

成形偏移正交相移鍵控SOQPSK（Shaped OffsetQuadrature Phase Shift Keying）具有相位連續(xù)、包絡(luò)恒定、高功率效率以及高頻譜效率等諸多優(yōu)點(diǎn)，在遙測(cè)遙控、深空通信等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[1]。其部分響應(yīng)體制SOQPSK-TG是專為遙測(cè)設(shè)計(jì)的SOQPSK信號(hào)，SOQPSK在IRIG106標(biāo)準(zhǔn)中與FQPSK并稱為T(mén)ier-1信號(hào)[2]。

在遙測(cè)系統(tǒng)中，當(dāng)飛行器僅用一根天線時(shí)，其通信鏈路會(huì)因飛行器機(jī)動(dòng)而阻擋傳播路徑，解決的方法是使用兩根發(fā)射天線發(fā)射相同的信號(hào)，如此，即使一根天線的路徑被遮擋，另一路信號(hào)仍有可能被接收天線接收。但是當(dāng)兩根天線的信號(hào)同時(shí)被地面站接收時(shí)，兩路信號(hào)會(huì)相互干涉，即出現(xiàn)“雙天線”問(wèn)題。解決雙天線問(wèn)題的方法有三種，一是使用兩個(gè)不同的頻率來(lái)發(fā)射遙測(cè)信號(hào)，這樣會(huì)增加所需的帶寬，二是將兩個(gè)天線視為簡(jiǎn)單的天線陣列，并使用波束控制將遙測(cè)信號(hào)引導(dǎo)到地面站，該方法需要一些機(jī)制來(lái)通知飛行器測(cè)試地面站的位置，這樣做會(huì)增加檢測(cè)的復(fù)雜度，三是采用空時(shí)編碼STC（Space Time Coding）與遙測(cè)體制相結(jié)合[3]。空時(shí)編碼不僅能提供分集增益和編碼增益，還能用于克服信道衰落，這在飛行器處于近地環(huán)境時(shí)可以起到關(guān)鍵作用[4]。文獻(xiàn)[5]對(duì)Alamouti-SOQPSK-TG遙測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了全面的研究，并采用基于8波形互相關(guān)網(wǎng)格編碼正交調(diào)制XTCQM（Cross-correlated Trellis-coded QuadratureModulation）的低復(fù)雜度算法來(lái)降低檢測(cè)部分的復(fù)雜度。使用這種方法雖能大幅減少檢測(cè)狀態(tài)數(shù)[6]，但檢測(cè)性能較差。

因此，本文提出一種32波形XTCQM算法，該算法可以大大地提高系統(tǒng)的檢測(cè)性能，在誤碼率為10–5時(shí)實(shí)現(xiàn)了1.2dB的增益。跟原有系統(tǒng)相比，此算法的復(fù)雜度有所提高，在第3章有對(duì)復(fù)雜度的具體分析，然而此復(fù)雜度仍在可承受范圍內(nèi)。在要求可靠通信時(shí)，此算法能有效地提高系統(tǒng)的可靠性。

1 SOQPSK與Alamouti空時(shí)碼的聯(lián)合系統(tǒng)

SOQPSK-TG信號(hào)的表達(dá)式為

SOQPSK的預(yù)編碼狀態(tài)變量s可以表示為

表1 數(shù)據(jù)比特與相位狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系

遙測(cè)信道通?？山榧有愿咚拱自肼旳WGN（Additive White Gaussian Noise）信道[9]，經(jīng)過(guò)信道傳輸后，接收信號(hào)在基帶上可表示為

其中，h0和h1分別是兩路信號(hào)的信道響應(yīng)函數(shù)，和分別為在接收端兩路信號(hào)的延遲，f0代表本地載波頻率與實(shí)際載波頻率的差值，z(t)為零均值復(fù)高斯白噪聲，其功率譜密度為2N0。

對(duì)接收信號(hào)()進(jìn)行抗混疊濾波后以為周期進(jìn)行采樣，假設(shè)每比特采樣點(diǎn)數(shù)為整數(shù)，以b代表比特周期，則滿足

這樣，對(duì)接收信號(hào)的第個(gè)采樣點(diǎn)可表示為

表2 遙測(cè)系統(tǒng)中SOQPSK-TG的相位狀態(tài)與Alamouti空時(shí)編碼之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

因此發(fā)射序列可以通過(guò)下式估計(jì)得到

2 基于XTCQM的低復(fù)雜度檢測(cè)算法

其中，

采用文獻(xiàn)[10]描述的平均替代技術(shù)科將用于近似表示SOQPSK-TG信號(hào)的波形數(shù)目降到32個(gè)

在Alamouti編碼與SOQPSK-TG信號(hào)的遙測(cè)系統(tǒng)中，通常是逐碼塊譯碼，采用32波形XTCQM算法進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，對(duì)數(shù)似然函數(shù)可以表示為

當(dāng)前譯碼的第個(gè)碼塊所對(duì)應(yīng)的累積測(cè)度M的表達(dá)式為

將編號(hào)為的碼塊的觀察時(shí)間按比特?cái)?shù)量均分為兩個(gè)時(shí)間，則有

（b）當(dāng)時(shí)，關(guān)鍵比特與當(dāng)前碼塊波形的對(duì)應(yīng)關(guān)系

觀察圖2(b)可知，在0()中一個(gè)比特的波形觀察時(shí)間內(nèi)總會(huì)涉及1()中的兩個(gè)XTCQM波形符號(hào)，將1()中的兩個(gè)串聯(lián)的XTCQM符號(hào)定義為(以第一個(gè)串聯(lián)符號(hào)為例)

考慮到基于XTCQM模擬的波形與接收信號(hào)的波形采樣點(diǎn)有6的延遲，所以在計(jì)算分支度量D,l時(shí)需要加上，相應(yīng)的表達(dá)式為

檢測(cè)每個(gè)Alamouti碼塊時(shí)都將重復(fù)如圖3所示的三階狀態(tài)網(wǎng)格圖，圖中每個(gè)圓點(diǎn)都代表著上述檢測(cè)過(guò)程中涉及到的比特序列的值，將這些值定義為網(wǎng)格狀態(tài)，則初始的網(wǎng)格狀態(tài)數(shù)為16個(gè)，即與Alamouti碼塊包含的4個(gè)比特有關(guān)，而連接這些點(diǎn)的即為分支路徑。當(dāng)l=0時(shí)，由于Dk,0中所涉及的比特?cái)?shù)為9個(gè)，所以網(wǎng)格狀態(tài)數(shù)增長(zhǎng)到512個(gè)，同理根據(jù)定義Dk,1的比特?cái)?shù)為7個(gè)，因此下一階段的網(wǎng)格減少到128個(gè)狀態(tài)，需要注意的是在l=1這一階段后才會(huì)進(jìn)行判決，即通過(guò)尋找最小的度量來(lái)確定Alamouti碼塊的4比特信息。

結(jié)合式(9)和式(16)，可得檢測(cè)算法的判決表達(dá)式為

通過(guò)上述對(duì)檢測(cè)過(guò)程的描述可知，若采用32波形XTCQM算法，在第一階段其狀態(tài)網(wǎng)格將包含512種狀態(tài)，這意味著每個(gè)初始狀態(tài)將有32個(gè)分支，若采用8波形XTCQM算法，初始的16種網(wǎng)格狀態(tài)將在第一階段擴(kuò)展到32個(gè)，在=1的階段，本文提出的算法由于網(wǎng)格狀態(tài)數(shù)縮小為上一階段的四分之一，而8波形XTCQM算法會(huì)在=0的網(wǎng)格狀態(tài)上每個(gè)點(diǎn)各4個(gè)分支路徑，即網(wǎng)格狀態(tài)數(shù)增加至128個(gè)。最后在判決時(shí)，32波形XTCQM要從8個(gè)分支度量中取出最小值，與8波形XTCQM判決時(shí)需要對(duì)比的分支度量數(shù)相同。兩種算法的解調(diào)復(fù)雜度對(duì)比示于表3。

表3 基于8波形XTCQM、32波形XTCQM的檢測(cè)算法的復(fù)雜度對(duì)比

3 仿真分析

在仿真的過(guò)程中，兩根發(fā)射天線對(duì)接收天線均可見(jiàn)時(shí)，在軌飛行器與接收天線間的距離通常遠(yuǎn)大于兩根發(fā)射天線間的距離，因此可假設(shè)兩個(gè)子信道信道響應(yīng)0和1的幅值0=1=1，由于本文已經(jīng)假設(shè)了接收端能夠準(zhǔn)確估計(jì)出信道響應(yīng)，所以對(duì)信號(hào)檢測(cè)有影響的是兩路信號(hào)信道響應(yīng)的相角差，簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們將0和1分別表示為

圖4 Alamouti-SOQPSK-TG遙測(cè)系統(tǒng)與SOQPSK-TG遙測(cè)系統(tǒng)的誤比特率隨信道響應(yīng)的相位差θ變化關(guān)系

圖5 采用8波形XTCQM、32波形XTCQM的遙測(cè)系統(tǒng)的誤比特率隨信噪比變化關(guān)系

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種基于互相關(guān)網(wǎng)格編碼正交調(diào)制的Alamouti-SOQPSK-TG遙測(cè)系統(tǒng)的減狀態(tài)檢測(cè)方法，并對(duì)其誤碼性質(zhì)，抗延遲性和解決“雙天線問(wèn)題”的能力做出了仿真分析。仿真結(jié)果表明所提出的減狀態(tài)算法在Alamouti-SOQPSK-TG的遙測(cè)系統(tǒng)中能抵抗兩路信號(hào)相互干涉的問(wèn)題，32波形XTCQM相比于8波形XTCQM在誤碼率是10–5時(shí)b/0可節(jié)省1.2dB，且該方法在兩路信號(hào)不對(duì)齊的情況下依然可以正常工作。

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High-performance detection of alamouti-SOQPSK-TG telemetry system based on XTCQM

LI Taili, WANG Shilian, LAI Penghui, CHEN Weiyu

（College of Electronic Science, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China）

In order to reduce the complexity of the Alamouti-SOQPSK-TG joint system detection algorithm while ensuring high detection performance, this paper proposes the algorithm which is called 32 waveform cross-correlation trellis-coded quadrature modulation (XTCQM). The simulation shows that the Alamouti-SOQPSK-TG joint system with 32 waveform XTCQM can solve the “two antenna problem”. Using this algorithm can also resist the delay of two signals in one bit duration. The performance in terms of bit error rate of 32-waveform XTCQM is 1.2dB better than the low-complexity algorithm based on 8-waveform XTCQM when the bit error rate is 10–5.

Continuous phase modulation; Two antenna problem; Cross-correlated trellis-coded quadrature

TN919

A

CN11-1780(2019)03-0022-06

李泰立 1994年生，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代通信技術(shù)。

王世練 1976年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信對(duì)抗。

賴鵬輝 1994年生，碩士，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代通信技術(shù)。

陳煒宇 1996年生，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代通信技術(shù)。

2019-02-11

2019-04-30

Email:ycyk704@163.com

TEL:010-68382327 010-68382557