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

李泰立，王世練，賴鵬輝，陳煒宇

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

李泰立，王世練，賴鵬輝，陳煒宇

（國防科技大學電子科學學院 長沙 410073）

為了在降低Alamouti-SOQPSK-TG遙測系統(tǒng)檢測算法復(fù)雜度的同時仍能具有較高的檢測性能，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)雜度檢測算法。仿真結(jié)果表明，采用這種算法的Alamouti-SOQPSK-TG遙測系統(tǒng)可以解決“雙天線問題”，能抵抗兩路信號在一個比特持續(xù)時間內(nèi)的延遲，相比8波形XTCQM，誤碼率為10–5時b/0可節(jié)省1.2dB。

連續(xù)相位調(diào)制；雙天線問題；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，在遙測遙控、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是專為遙測設(shè)計的SOQPSK信號，SOQPSK在IRIG106標準中與FQPSK并稱為Tier-1信號[2]。

在遙測系統(tǒng)中，當飛行器僅用一根天線時，其通信鏈路會因飛行器機動而阻擋傳播路徑，解決的方法是使用兩根發(fā)射天線發(fā)射相同的信號，如此，即使一根天線的路徑被遮擋，另一路信號仍有可能被接收天線接收。但是當兩根天線的信號同時被地面站接收時，兩路信號會相互干涉，即出現(xiàn)“雙天線”問題。解決雙天線問題的方法有三種，一是使用兩個不同的頻率來發(fā)射遙測信號，這樣會增加所需的帶寬，二是將兩個天線視為簡單的天線陣列，并使用波束控制將遙測信號引導(dǎo)到地面站，該方法需要一些機制來通知飛行器測試地面站的位置，這樣做會增加檢測的復(fù)雜度，三是采用空時編碼STC（Space Time Coding）與遙測體制相結(jié)合[3]?？諘r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)境時可以起到關(guān)鍵作用[4]。文獻[5]對Alamouti-SOQPSK-TG遙測系統(tǒng)進行了全面的研究，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)雜度算法來降低檢測部分的復(fù)雜度。使用這種方法雖能大幅減少檢測狀態(tài)數(shù)[6]，但檢測性能較差。

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)的檢測性能，在誤碼率為10–5時實現(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，此算法能有效地提高系統(tǒng)的可靠性。

1 SOQPSK與Alamouti空時碼的聯(lián)合系統(tǒng)

SOQPSK-TG信號的表達式為

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)對應(yīng)關(guān)系

遙測信道通常可建模為加性高斯白噪聲AWGN（Additive White Gaussian Noise）信道[9]，經(jīng)過信道傳輸后，接收信號在基帶上可表示為

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

對接收信號()進行抗混疊濾波后以為周期進行采樣，假設(shè)每比特采樣點數(shù)為整數(shù)，以b代表比特周期，則滿足

這樣，對接收信號的第個采樣點可表示為

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

因此發(fā)射序列可以通過下式估計得到

2 基于XTCQM的低復(fù)雜度檢測算法

其中，

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

在Alamouti編碼與SOQPSK-TG信號的遙測系統(tǒng)中，通常是逐碼塊譯碼，采用32波形XTCQM算法進行檢測時，對數(shù)似然函數(shù)可以表示為

當前譯碼的第個碼塊所對應(yīng)的累積測度M的表達式為

將編號為的碼塊的觀察時間按比特數(shù)量均分為兩個時間，則有

（b）當時，關(guān)鍵比特與當前碼塊波形的對應(yīng)關(guān)系

觀察圖2(b)可知，在0()中一個比特的波形觀察時間內(nèi)總會涉及1()中的兩個XTCQM波形符號，將1()中的兩個串聯(lián)的XTCQM符號定義為(以第一個串聯(lián)符號為例)

考慮到基于XTCQM模擬的波形與接收信號的波形采樣點有6的延遲，所以在計算分支度量D,l時需要加上，相應(yīng)的表達式為

檢測每個Alamouti碼塊時都將重復(fù)如圖3所示的三階狀態(tài)網(wǎng)格圖，圖中每個圓點都代表著上述檢測過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，即與Alamouti碼塊包含的4個比特有關(guān)，而連接這些點的即為分支路徑。當l=0時，由于Dk,0中所涉及的比特數(shù)為9個，所以網(wǎng)格狀態(tài)數(shù)增長到512個，同理根據(jù)定義Dk,1的比特數(shù)為7個，因此下一階段的網(wǎng)格減少到128個狀態(tài)，需要注意的是在l=1這一階段后才會進行判決，即通過尋找最小的度量來確定Alamouti碼塊的4比特信息。

結(jié)合式(9)和式(16)，可得檢測算法的判決表達式為

通過上述對檢測過程的描述可知，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)，這意味著每個初始狀態(tài)將有32個分支，若采用8波形XTCQM算法，初始的16種網(wǎng)格狀態(tài)將在第一階段擴展到32個，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算法會在=0的網(wǎng)格狀態(tài)上每個點各4個分支路徑，即網(wǎng)格狀態(tài)數(shù)增加至128個。最后在判決時，32波形XTCQM要從8個分支度量中取出最小值，與8波形XTCQM判決時需要對比的分支度量數(shù)相同。兩種算法的解調(diào)復(fù)雜度對比示于表3。

表3 基于8波形XTCQM、32波形XTCQM的檢測算法的復(fù)雜度對比

3 仿真分析

在仿真的過程中，兩根發(fā)射天線對接收天線均可見時，在軌飛行器與接收天線間的距離通常遠大于兩根發(fā)射天線間的距離，因此可假設(shè)兩個子信道信道響應(yīng)0和1的幅值0=1=1，由于本文已經(jīng)假設(shè)了接收端能夠準確估計出信道響應(yīng)，所以對信號檢測有影響的是兩路信號信道響應(yīng)的相角差，簡單起見，我們將0和1分別表示為

圖4 Alamouti-SOQPSK-TG遙測系統(tǒng)與SOQPSK-TG遙測系統(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的遙測系統(tǒng)的誤比特率隨信噪比變化關(guān)系

4 結(jié)束語

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遙測系統(tǒng)的減狀態(tài)檢測方法，并對其誤碼性質(zhì)，抗延遲性和解決“雙天線問題”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的遙測系統(tǒng)中能抵抗兩路信號相互干涉的問題，32波形XTCQM相比于8波形XTCQM在誤碼率是10–5時b/0可節(jié)省1.2dB，且該方法在兩路信號不對齊的情況下依然可以正常工作。

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[2] RANGE C C. Telemetry Standards, IRIG Standard 106-17[S]. 2017.

[3] RICE M, PALMER J, LAVIN C, et al. Space-time coding for aeronautical telemetry: Part I—estimators[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2017:1–1.

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[5] RICE M, NELSON T, PALMER J, et al. Space-time coding for aeronautical telemetry: Part II—decoder and system performance[J]. IEEE Transactions on Aerospace & Electronic Systems, 2017, 53(4):1732–1754.

[6] NELSON T, PERRINS E, RICE M. A unified perspective on ARTM tier I waveforms - Part II: common detectors[C]// Military Communications Conference. 2005.

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[8] RICE M, GAGAKUMA E. Approximate MLSE equalization of SOQPSK-TG in aeronautical telemetry[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2018:1–1.

[9] RICE M, DYE R, WELLING K. Narrowband channel model for aeronautical telemetry[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 2000, 36(4):1371–1376.

[10] NELSON T, PERRINS E, RICE M. Near optimal common detection techniques for shaped offset QPSK and Feher’s QPSK[J]. IEEE Transactions on Communications, 2008, 56(5):724–735.

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，主要研究方向為現(xiàn)代通信技術(shù)。

王世練 1976年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為無線通信對抗。

賴鵬輝 1994年生，碩士，主要研究方向為現(xiàn)代通信技術(shù)。

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

2019-02-11

2019-04-30

Email:ycyk704@163.com

TEL:010-68382327 010-68382557