浅谈高效数字调制技术及其DSP实现

　　0 引 言

　　2l世纪以来，随着人类探索外太空活动的深入，深空探测正逐步成为航天活动的新热点。1998年，美国国家航空航天局(NASA)在加州理工学院的喷气推进实验室(JPL)成立了深空通信和导航系统精英中心(DESCANSO)。DESCANSO负责管理和促进深空探测对通信和导航技术需求的创新和改革。中国走向深空探索的步是2007年的探月工程计划——嫦娥奔月，它的成功标志着我国深空探测的开始，也是未来进行更远深空探测的必然要求。因而研究深空测控通信技术就显得非常重要。

　　随着日益增加的通信容量，数据速率不断增长，射频频谱变得越来越拥挤，所用带宽越来越宽，使得信道间的相互干扰相当突出。在这种情况下，一种高带宽效率数字调制方法应运而生——FQPSK。它具有调制信号的频带集中，旁瓣滚降快，包络恒定的特性。另外还介绍了网格编码调制(TCM)技术，它是近年发展起来的一种解决通信系统有效性与可靠性的方案。它可以在不降低有效信息传输速率、不增加信号带宽的情况下，获得明显的编码增益。因此特别适合在带宽受限的信道中进行信息传输。

　　1 FQPSK体制

    FQPSK是针对高频谱效率和高功率效率要求产生的一种调制方式。分析了其调制原理，和体制性能，与其他体制作了简单比较，并针对解调结合现有算法，提出了载波同步和定时同步的实现。其中位定时与载波频偏的联合估计基于高速样点法，而初始相位差的估计通过非线性变换并取模实现。计算机仿真结果表明，该方法是可行的，适合DSP实现。

　　FQPSK调制的关键在于除了对数字信号进行IJF编码外，还在其后增加了一个交叉相关的运算单元，以减少其包络起伏。原理图如图1所示。

　　1．1 IJF编码原理

　　在数字传输系统中，与误码率有直接关系的是接收信号在取样点上的值与理想值的偏差。若排除噪声的影响，则误差主要来源于传输过程中的码间干扰和取样点的定时抖动。在实际工程系统中，用奈奎斯特脉冲代表随机二进制数据，他的主瓣占2b宽度。由于奈奎斯特脉冲拖尾的存在，使得合成波形的过零点向左或右偏移，产生定时抖动。另外，拖尾还会造成波形的幅度起伏，使误码率提高。IJF编码的特点是采用一种新的基带成形脉冲——时限双码元间隔脉冲，因其不存在振荡尾巴，从而消除了码间干扰和定时抖动。　　

    实现IJF编码的方法有脉冲叠加法、横向滤波器法和非线性滤波器法等几种。非线性滤波器法实质上是一种分段合成IJF波形的方法。成型后的UF编码波形仅由以下4种波形合成：即±So和±Se，其中So，Se波形如图2所示。

　　实现时根据输入的前一时刻和当前时刻码元关系来确定该时刻的编码输出：

　　IJF编码结果如图3所示。

　　1．2 互相关及DSP实现

　　经IJF编码输出的波形有3 dB的包络起伏，然后通过互相关来消除包络起伏。具体相关过程是将I路和Q路的两个码元符号在每半个符号间隔内进行如下相关运算：

　　(1)I路信号为零时，Q路信号为峰值。

　　(2)1路信号为非零时，Q路信号值衰减到A

　　(3)Q路信号为零时，I路信号为峰值。

　　(4)Q路信号为非零时，I路信号值衰减到A。

　　当时，其包络起伏接近0 dB，这种使信号幅度包络恒定的方法是一种人为的拼凑方法，无法从原理上做到包络恒定，而仅仅能达到某种程度的近似的包络恒定。

　　在工程实践中，使用了TI公司的TMS320C6711芯片。该芯片基于超长指令字的体系结构，非常适合于高强度的数学运算。C6711既能进行定点处理也能进行浮点处理。

　　在DSP实现时，按文献的方法先将8种波形数据制表，然后进行逐符号映射，计算波形编号，得到地址，寻址波形表，输出波形。交叉相关后波形如图4所示。

　　FQPSK调制所具有的频带集中、包络恒定的特性可使得调制信号通过带限和非线性处理后有尽可能小的频谱扩展，其优良的频谱特性与目前射频谱资源紧张的形势相顺应。TCM在不增加带宽和降低信息速率的条件下，可以提高整个系统的可靠性，尤其适合于在功率和频率受限的信道中使用。而基于网格编码调制的Viterbi译码算法具有较强的检错和纠错能力。从TCM技术中可以看出：通过系统内部的组合优化，可以使系统的整体性能得到极大的提高。