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      一種快速同步統(tǒng)計高階調(diào)制下PN 碼誤碼率的方法?

      2019-07-31 09:55:10
      計算機與數(shù)字工程 2019年7期
      關(guān)鍵詞:星座圖誤碼誤碼率

      蘭 霞 張 波

      (中國西南電子技術(shù)研究所 成都 610036)

      1 引言

      數(shù)字通信系統(tǒng)具有強抗干擾能力、遠(yuǎn)距離的高質(zhì)量傳輸,且便于與計算機技術(shù)相結(jié)合,已成為現(xiàn)代通信系統(tǒng)中最主要的通信方式[1~2]。在通信傳輸過程中,數(shù)字信號會受到外界的干擾[3],無論是各種噪聲源、碼間干擾、電磁設(shè)備干擾、傳輸設(shè)備故障等,都有可能使傳輸?shù)男盘柊l(fā)生畸變。當(dāng)受到的干擾或信號畸變達(dá)到一定程度時,就會產(chǎn)生差錯。在數(shù)據(jù)通信中,如果發(fā)送的信號是“1”,而接收到的信號卻是“0”,即通信系統(tǒng)運行時接收到的數(shù)據(jù)信號與發(fā)送出的數(shù)字信號之間的某些比特發(fā)生了差錯,這就是“誤碼”。因此,誤碼的產(chǎn)生是由于在信號傳輸中,衰變改變了信號的電壓,致使信號在傳輸中遭到破壞,產(chǎn)生誤碼。在一定時間內(nèi)收到的數(shù)字信號中發(fā)生差錯的比特數(shù)與同一時間所收到的數(shù)字信號的總比特數(shù)之比,就叫做“誤碼率”,也可以叫做“誤比特率”。誤碼率(Bit Error Ratio,BER)是衡量數(shù)據(jù)在規(guī)定時間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸精確性的指標(biāo),評價通信系統(tǒng)可靠性的重要性能指標(biāo)[4]。對不同的系統(tǒng)有不同的誤碼要求,各種不同規(guī)格的設(shè)備,均有嚴(yán)格的誤碼率定義。

      用來評估傳輸鏈路的質(zhì)量和收發(fā)設(shè)備處理性能的誤碼率統(tǒng)計電路在數(shù)字通信傳輸領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前的誤碼率統(tǒng)計中最常用的方式是采用 PN7、PN9、PN10、PN11、PN12、PN15、PN23、PN31 等隨機序列進行誤碼率統(tǒng)計。在誤碼率統(tǒng)計過程中隨機序列的隨機性越好,與真實的數(shù)據(jù)傳輸過程越接近,越能夠客觀地反映整個數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的情況,因此長周期的PN 碼在誤碼率統(tǒng)計中的應(yīng)用越來越多。用長周期的PN碼進行誤碼率統(tǒng)計存在的主要問題是同步時間過長,這是由于在進行誤碼率統(tǒng)計時,首先需要把解調(diào)數(shù)據(jù)與接收端產(chǎn)生出的作為標(biāo)準(zhǔn)比對模板的PN 碼的相位對齊,而當(dāng)PN碼的周期很長時,例如PN31 的周期為231-1,如果傳輸速率為100M,其周期超過了21s,當(dāng)數(shù)據(jù)速率更低時周期更長,這就會導(dǎo)致在進行誤碼率統(tǒng)計時同步時間很長,使整個誤碼率統(tǒng)計的時間大大增加,嚴(yán)重影響測試效率,失去了實時檢測通信系統(tǒng)鏈路質(zhì)量的意義。另外,對于高階調(diào)制信號而言,不能夠直接將解調(diào)數(shù)據(jù)輸入PN 碼發(fā)生器產(chǎn)生PN碼進行誤碼比對,因為解調(diào)之后的數(shù)據(jù)只有IQ 兩路數(shù)據(jù)信息,需要對解調(diào)數(shù)據(jù)解相位模糊得到軟輸出數(shù)據(jù),才能進行PN 碼誤碼比對,否則,不能生成正確的PN碼序列。

      針對目前高階調(diào)制方式下不能夠直接將解調(diào)數(shù)據(jù)進行PN 碼誤碼比對,且誤碼率統(tǒng)計過程中采用長周期PN 碼進行誤碼率統(tǒng)計時同步時間長、占用資源多的問題,本文結(jié)合解相位模糊得到的軟輸出數(shù)據(jù),提供一種能夠顯著減少PN 碼同步所需的硬件資源、并且同步時間不受PN 碼周期影響的快速同步統(tǒng)計PN碼誤碼率的方法。該方法用于數(shù)傳設(shè)備中實時檢測與統(tǒng)計誤碼率,更加方便、快捷、直觀地了解數(shù)據(jù)鏈的情況與信道的質(zhì)量,便于工程實現(xiàn)。

      2 快速同步統(tǒng)計高階調(diào)制方式下PN碼誤碼率的方法

      2.1 8PSK/16APSK/16QAM高階調(diào)制方式

      隨著數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展和海量衛(wèi)星數(shù)據(jù)的傳輸需求,對于通信系統(tǒng)的高速率傳輸需求十分迫切,然而,每個通信設(shè)備的可用帶寬越來越少,頻譜資源變得極為寶貴[5~8]。8PSK/16APSK/16QAM 是常用的信號高階調(diào)制方式,采用這些調(diào)制方式可以有效提高帶寬和頻譜的利用率[9~14]。

      在DVB-S2 衛(wèi)星電視標(biāo)準(zhǔn)中,8PSK 調(diào)制方式的星座圖如圖1所示。

      圖1 8PSK調(diào)制信號星座圖

      8PSK 調(diào)制方式的星座圖在一個復(fù)平面單位圓上面等間隔分為8個點,初始相位為0時,它的信號表示方法如式(1):

      16APSK 調(diào)制方式的星座圖是兩個同心圓,星座圖如圖2所示。它的調(diào)制信號可以表示為

      其中,K 表示同心圓的個數(shù),即2;rk表示第k 個同心圓的半徑;nk為第k 個圓周的信號點數(shù);ik第k個圓周上的一個點;θk為第k 個圓周上信號點的初始相位。

      圖2 16APSK調(diào)制信號星座圖

      16QAM 是一種正交幅度調(diào)制方式,它的一般表達(dá)式為

      調(diào)制表達(dá)式中的振幅 Am和Bm可以表示為Am=dmA,Bm=emA,其中A 是固定的振幅,(dm,em)決定調(diào)制信號16QAM 在星座圖中的坐標(biāo)點,方形星座圖如圖3所示。

      通過上述星座圖可以看到,采用8PSK/16APSK/16QAM 高階調(diào)制方式,每一個符號可以攜帶更多的比特信息,可以滿足海量衛(wèi)星數(shù)據(jù)的傳輸需求,在帶寬有限的條件下,利用高階調(diào)制方式能夠傳輸更多的數(shù)據(jù)信息量,資源利用率大大地提高。

      圖3 16QAM調(diào)制信號星座圖

      2.2 PN碼

      PN碼又稱PN序列,它是由下述多項式 f(x)描述線性反饋移位寄存器的輸出序列[15~16]:

      在式(4)中 ci=1 表示 xi存在,否則 ci=0 ,ci的取值決定著移位寄存器的反饋結(jié)構(gòu)。因此,一個PN 序列是由PN 碼多項式和初相(寄存器初始狀態(tài))唯一決定了。PN 序列的最大長度序列的時鐘周期滿足:

      如PN7 序列最大的時鐘周期為127,即經(jīng)過127 個時鐘周期之后,寄存器又重復(fù)前面的序列。PN 序列多項式確定之后,初相不相同,PN 序列的開始位置不同,代表著不同的PN 序列,但是,它們的循環(huán)周期都是127 長度,如圖4 所示兩個不同初相的PN序列。

      圖4 兩個不同的初相的PN7序列

      在利用PN碼進行數(shù)傳設(shè)備誤碼率統(tǒng)計時所選擇的PN碼序列是事先確定的,因此該PN碼的生成多項式是已知的,即PN序列的周期長度已經(jīng)固定,要進行誤碼率統(tǒng)計需要把解調(diào)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)PN序列進行對比,而在進行對比前需要把解調(diào)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)的PN序列的相位對齊。

      鑒于PN 序列的周期性特性,可以通過從解調(diào)數(shù)據(jù)中提取初相置入PN 碼產(chǎn)生器就能夠使PN 碼產(chǎn)生起產(chǎn)生出的PN碼的相位與解調(diào)數(shù)據(jù)的相位對齊,從而能夠開始進行誤碼率統(tǒng)計,使整個誤碼率統(tǒng)計的時間大大減少,顯著提高測試效率。

      2.3 快速同步統(tǒng)計高階調(diào)制方式下PN碼誤碼率

      在8PSK/16APSK/16QAM 高階調(diào)制方式下,不能夠像QPSK 調(diào)制方式下直接將解調(diào)的IQ 數(shù)據(jù)提取置入PN碼產(chǎn)生器產(chǎn)生PN序列,通過上述分析可以知道,高階調(diào)制方式存在著多種相位模糊,需要將解調(diào)數(shù)據(jù)解相位模糊之后的解映射數(shù)據(jù)送入PN碼產(chǎn)生模塊進行PN碼的產(chǎn)生。

      解模糊狀態(tài)和PN生成模塊進行誤碼比對是息息相關(guān)的,如果解相位模糊狀態(tài)不正確,即不是正確的相位映射調(diào)制方式(如圖1、2、3 所示的星座圖映射),在同一星座圖狀態(tài)維持時間內(nèi),PN 碼比對模塊是不可能進行正確的誤碼比對。因此,該方法在PN 碼誤碼比對模塊給出了一個PN 碼是否同步的標(biāo)志輸入給解模糊狀態(tài)模塊,若PN 碼誤碼比對模塊的誤碼率小于1e-1,則保持該同步狀態(tài),若PN碼誤碼比對模塊的誤碼率大于1e-1,則進行相位旋轉(zhuǎn),即旋轉(zhuǎn)星座圖,再進行PN 碼誤碼比對,直至PN 碼誤碼比對模塊的誤碼率小于1e-1,具體實現(xiàn)流程圖如圖5所示。

      圖5 快速同步統(tǒng)計高階調(diào)制方式下PN碼誤碼率統(tǒng)計流程圖

      從圖5 中可以看到,該方法包括解相位模糊模塊、數(shù)據(jù)延遲模塊、誤碼率統(tǒng)計模塊、誤碼率統(tǒng)計結(jié)果判斷模塊和數(shù)據(jù)延遲模塊、誤碼率統(tǒng)計模塊上并行處理的初相提取模塊、PN 碼產(chǎn)生模塊,其中,來自數(shù)傳設(shè)備的解調(diào)數(shù)據(jù)通過解相位模糊之后得到解映射數(shù)據(jù),通過初相提取模塊,實時截取與PN碼多項式長度相同的數(shù)據(jù),作為PN 碼產(chǎn)生器的初相置入PN 碼產(chǎn)生模塊,PN 碼產(chǎn)生模塊根據(jù)輸入的PN 碼生成多項式,并在接收到初相提取模塊送來的初相數(shù)據(jù)后產(chǎn)生出PN 碼,與延遲的數(shù)據(jù)進行PN碼誤碼比對。解映射數(shù)據(jù)在送給初相提取模塊的同時送給數(shù)據(jù)延遲模塊,數(shù)據(jù)延遲模塊對接收到的解調(diào)數(shù)據(jù)進行延遲,使延遲后接收的解調(diào)數(shù)據(jù)與PN 碼產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的PN 碼完全對齊。對于不同的PN 碼,由于處理流程相同,延遲長度是固定的,并且是保持不變的,即不同的PN 碼誤碼比對周期相同,不會因為PN 序列的周期長而導(dǎo)致誤碼比對的時間周期變長。誤碼率統(tǒng)計模塊以PN碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的PN 碼為模板,統(tǒng)計數(shù)據(jù)延遲模塊延遲后的數(shù)據(jù)的誤碼率,統(tǒng)計數(shù)量以1000 個比特計,把統(tǒng)計結(jié)果送入誤碼率統(tǒng)計結(jié)果判斷模塊,誤碼率統(tǒng)計結(jié)果判斷模塊對接收到的誤碼率統(tǒng)計結(jié)果進行判斷,如果誤碼率大于1.0e-1,則認(rèn)為初相提取模塊本次從解映射后數(shù)據(jù)中提取的PN 碼初相中存在誤碼,此時誤碼率統(tǒng)計結(jié)果判斷模塊輸出誤碼率統(tǒng)計失敗標(biāo)志,送給初相提取模塊;初相提取模塊根據(jù)接收到的誤碼率統(tǒng)計失敗標(biāo)志重新從解映射數(shù)據(jù)中提取PN 碼初相置入PN 碼產(chǎn)生器,送給PN 碼產(chǎn)生模塊產(chǎn)生相應(yīng)的PN碼,再送入誤碼率統(tǒng)計模塊,開始下一輪誤碼率統(tǒng)計,誤碼率統(tǒng)計模塊把誤碼率統(tǒng)計結(jié)果送給誤碼率統(tǒng)計結(jié)果判斷模塊,重復(fù)上述判斷過程。當(dāng)誤碼率統(tǒng)計結(jié)果判斷到誤碼率小于1.0e-1,則認(rèn)為初相提取模塊從解映射數(shù)據(jù)中提取出的PN碼初相中不存在誤碼,本次統(tǒng)計有效,則繼續(xù)進行誤碼率統(tǒng)計。誤碼率統(tǒng)計結(jié)果判斷模塊接收到統(tǒng)計停止信號后結(jié)束本次統(tǒng)計,誤碼率統(tǒng)計結(jié)果判斷模塊接收到重新啟動信號后重新開始一輪誤碼率統(tǒng)計過程。

      圖5 中可以看到,同步標(biāo)志控制著解相位模糊模塊的相位旋轉(zhuǎn)狀態(tài),同一個相位旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下,PN碼誤碼比對模塊進行誤碼率統(tǒng)計;當(dāng)不滿足誤碼統(tǒng)計條件,則需要解相位模塊進行相位旋轉(zhuǎn),具體旋轉(zhuǎn)方法如式(6)(8PSK調(diào)制方式):

      由于解調(diào)導(dǎo)致數(shù)據(jù)存在相位模糊,并且該模糊狀態(tài)是未知的,因此,對于8PSK 調(diào)制方式下,相位模糊存在8 種模糊狀態(tài),當(dāng)不同步標(biāo)志出現(xiàn)時,將數(shù)據(jù)相乘一個復(fù)數(shù),tk不同取值代表了不同的旋轉(zhuǎn)狀態(tài),對于其他高階調(diào)制方式而言,只是相位旋轉(zhuǎn)狀態(tài)變化而已,相乘復(fù)數(shù)發(fā)生變化,處理流程不會發(fā)生改變。如16APSK 調(diào)制方式具體旋轉(zhuǎn)方法如式(7):

      此外,對于QPSK 調(diào)制方式而言,就不需要解相位模糊模塊,可以直接利用PN 碼誤碼產(chǎn)生模塊產(chǎn)生PN序列,然后進行PN碼誤碼統(tǒng)計。

      總之,本文提出的快速同步統(tǒng)計高階調(diào)制方式下PN 碼誤碼率的方法,在PN 碼誤碼比對模塊,不會因為PN 序列的周期長(如PN31)而增加任何硬件資源和同步時間,能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)傳設(shè)備中實時檢測與統(tǒng)計誤碼率,更加方便快捷直觀地了解數(shù)據(jù)鏈的情況與信道的質(zhì)量,便于工程設(shè)計的實現(xiàn),適用于高速數(shù)傳設(shè)備。

      3 仿真實驗與分析

      3.1 時間分析

      隨機序列的隨機性越好真實的數(shù)據(jù)傳輸過程越接近,在誤碼率統(tǒng)計過程中與越能夠客觀地反應(yīng)傳輸鏈路的情況,因此,長周期的PN碼序列在誤碼率統(tǒng)計中的應(yīng)用越來越多。但是,用長周期的PN碼進行誤碼率統(tǒng)計存在的主要問題是同步時間過長,這是由于在進行誤碼率統(tǒng)計時,首先需要把解調(diào)數(shù)據(jù)與接收端產(chǎn)生出的作為標(biāo)準(zhǔn)比對模板的PN碼的相位對齊,而當(dāng)PN 碼的周期很長時,例如PN31 的周期為231-1,如果傳輸速率為100M,其周期超過了21s,當(dāng)數(shù)據(jù)速率更低時周期更長。

      然而,本文提出的方法不會因PN 碼周期不同而需要不同的同步時間,長周期PN31 也用相同的時間。PN 碼誤碼率統(tǒng)計模塊的同步時間不受PN碼周期的影響,不論PN碼周期多長,單次同步時間都少于10 個時鐘周期,如果傳輸速率為100M,其周期小于0.1μs,當(dāng)傳輸速率為100M 時,與原始的同步時間比較如表1,從表1可以看出,本文提出的方法大大縮短了同步時間,提高了運算效率,利于工程實現(xiàn)。

      表1 傳輸速率為100M時PN31碼同步時間比較

      3.2 工程實現(xiàn)

      圖6 8PSK調(diào)制方式下PN碼誤碼率統(tǒng)計曲線

      本文提出的方法已經(jīng)被應(yīng)用在工程項目中,如圖6 是某個工程項目的實時誤碼率檢測結(jié)果,在不同的信噪比下的8PSK 調(diào)制方式下PN 誤碼率統(tǒng)計值。根據(jù)圖6 的統(tǒng)計分析,可以實時了解信道傳輸質(zhì)量,便于工程中的任務(wù)分析與執(zhí)行。

      4 結(jié)語

      本文提出了一種快速同步統(tǒng)計8PSK/16APSK/16QAM 高階調(diào)制方式下PN 碼誤碼率的方法,仿真實驗結(jié)果表明,該方法用于數(shù)傳設(shè)備中實時檢測與統(tǒng)計誤碼率,更加方便快捷直觀地了解數(shù)據(jù)鏈的情況與信道的質(zhì)量。該方法能夠顯著減少PN碼同步所需的硬件資源,并且同步時間不受PN 碼周期影響,便于工程的實現(xiàn)。

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