黃　莉

(廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司　廣州　510663)

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2M態(tài)TCM8PSK設(shè)計(jì)及在超短波通信系統(tǒng)的應(yīng)用*

黃莉

(廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司廣州510663)

摘要介紹了32態(tài)、64態(tài)的TCM8PSK網(wǎng)格編碼調(diào)制的最優(yōu)卷積編碼器和狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，并對4態(tài)、8態(tài)和16態(tài)TCM8PSK的誤碼率性能及實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度進(jìn)行分析對比，仿真結(jié)果表明，采用8態(tài)的TCM8PSK更能滿足某超短波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，并給出8態(tài)TCM8PSK在該系統(tǒng)物理信道的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞網(wǎng)格編碼調(diào)制; 8PSK; 編碼增益; 超短波

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1　引言

TCM是一種編碼調(diào)制結(jié)合的方式，稱為網(wǎng)格編碼調(diào)制，其最大的特點(diǎn)就是在不需要增加任何帶寬下仍能獲得較為可觀的編碼增益。TCM8PSK的應(yīng)用優(yōu)于分組碼和卷積碼，它在提供可觀編碼增益和高速率傳輸下不需要額外擴(kuò)展傳輸帶寬。理論上分析，實(shí)現(xiàn)TCM編碼調(diào)制的狀態(tài)數(shù)越多，得到的編碼增益會(huì)越大，隨之而來是譯碼計(jì)算量的增加。在實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)中，需要對編碼增益和計(jì)算復(fù)雜度進(jìn)行權(quán)衡。本文給出了2M態(tài)TCM-8PSK高速數(shù)字編碼調(diào)制的設(shè)計(jì)方法和性能對比，并給出在某UHF通信系統(tǒng)上的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

2　TCM8PSK編譯碼實(shí)現(xiàn)

2.1誤碼率與編碼增益

數(shù)字通信系統(tǒng)，在已知系統(tǒng)帶寬、信道性能時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)期望能最大化傳輸比特速率、最小化誤比特率，最小化比特能量與噪聲功率譜密度之比Eb/N0，同時(shí)盡量降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性和計(jì)算量。建立系統(tǒng)模型仿真分析，分析MPSK信號的誤比特碼率曲線，可知誤碼率量級一致時(shí)，8PSK比QPSK的誤碼率高，QPSK比BPSK的誤碼率高。

當(dāng)QPSK速率不能滿足系統(tǒng)要求，8PSK性能達(dá)不到期望時(shí)，可通過TCM編碼增大星座點(diǎn)的歐氏距離dfree以獲得編碼增益。TCM的歐氏距離計(jì)算參考資料[1]。理論分析，2M態(tài)的TCM8PSK相對QPSK獲得的漸進(jìn)編碼增益Gp值如表1。

表1　TCM8PSK網(wǎng)格編碼理論極限編碼增益

漸進(jìn)編碼增益Gp表示當(dāng)誤碼率很低(<10-8)且相同誤碼率下，8態(tài)的TCM8PSK網(wǎng)格編碼信噪比比QPSK低3.6dB，具有更好性能。為了給實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)提供參考價(jià)值，掌握TCM8PSK編碼在不同信噪比下的Gp，采用蒙特卡羅仿真法在Matlab平臺上進(jìn)行仿真測試。

2.2TCM狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣與編碼器設(shè)計(jì)

(1)

基于16狀態(tài)，32狀態(tài)，64狀態(tài)TCM8PSK的監(jiān)督矩陣H(D)和生成矩陣G(D)設(shè)計(jì)如下：

(2)

根據(jù)式(2)，可構(gòu)建32態(tài)、64態(tài)的卷積碼編碼器，編碼器設(shè)計(jì)如下圖1。

圖1　32態(tài)TCM8PSK編碼器設(shè)計(jì)

圖2　64態(tài)TCM8PSK編碼器設(shè)計(jì)

利用上述編碼器，可推算出32態(tài)、64態(tài)的TCM狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣如下。利用該編碼器或狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣可指導(dǎo)通信系統(tǒng)調(diào)制編碼模塊的開發(fā)。

32態(tài)狀態(tài)圖矩陣：

[0 4 2 6; 1 5 3 7; 0 4 2 6; 1 5 3 7; 2 6 0 4; 3 7 1 5; 2 6 0 4; 3 7 1 5; 4 0 6 2; 5 1 7 3; 4 0 6 2; 5 1 7 3; 6 2 4 0; 7 3 5 1; 6 2 4 0; 7 3 5 1; 2 6 0 4; 3 7 1 5; 2 6 0 4; 3 7 1 5; 0 4 2 6; 1 5 3 7; 0 4 2 6; 1 5 3 7; 6 2 4 0; 7 3 5 1; 6 2 4 0; 7 3 5 1; 4 0 6 2; 5 1 7 3; 4 0 6 2; 5 1 7 3 ]

64態(tài)狀態(tài)圖矩陣：

[0 4 2 6; 0 4 2 6; 4 0 6 2; 4 0 6 2; 1 5 3 7; 1 5 3 7; 5 1 7 3; 5 1 7 3; 4 0 6 2; 4 0 6 2; 0 4 2 6; 0 4 2 6; 5 1 7 3; 5 1 7 3; 1 5 3 7; 1 5 3 7; 3 7 1 5; 3 7 1 5; 7 3 5 1; 7 3 5 1; 2 6 0 4; 2 6 0 4; 6 2 4 0; 6 2 4 0; 7 3 5 1; 7 3 5 1; 3 7 1 5; 3 7 1 5; 6 2 4 0; 6 2 4 0; 2 6 0 4; 2 6 0 4; 2 6 0 4; 2 6 0 4; 6 2 4 0; 6 2 4 0; 3 7 1 5; 3 7 1 5; 7 3 5 1; 7 3 5 1; 6 2 4 0; 6 2 4 0; 2 6 0 4; 2 6 0 4; 7 3 5 1; 7 3 5 1; 3 7 1 5; 3 7 1 5; 1 5 3 7; 1 5 3 7; 5 1 7 3; 5 1 7 3; 0 4 2 6; 0 4 2 6; 4 0 6 2; 4 0 6 2; 5 1 7 3; 5 1 7 3; 1 5 3 7; 1 5 3 7; 4 0 6 2; 4 0 6 2; 0 4 2 6; 0 4 2 6 ]

3　仿真與分析

對于2M態(tài)TCM8PSK的性能，首先與QPSK誤比特率進(jìn)行比較。圖3給出8態(tài)TCM8PSK與QPSK在白噪聲環(huán)境下的誤比特率曲線，易見誤比特率Pb在1e-6量級時(shí)，TCM8PSK獲得約3.2dB的增益，與表1提供的理論極限編碼增益3.6dB接近。

接著，仿真在白噪聲環(huán)境下，對4態(tài)、8態(tài)、16態(tài)TCM8PSK的誤比特率曲線圖，見圖4。在1e-5誤比特率量級時(shí)，在高信噪比下，8態(tài)TCM比4態(tài)多獲得0.5dB的編碼增益，接近表1的理論值；比較8態(tài)與16態(tài)TCM誤比特率曲線，編碼增益低于0.5dB，與表1的理論值0.5dB接近?？梢?，隨著態(tài)數(shù)的增加，編碼增益的提升已經(jīng)很小。

圖3　8態(tài)TCM8PSK與QPSK誤比特率Pb曲線

圖4　4態(tài)/8態(tài)/16態(tài)TCM8PSK的誤比特率曲線

從計(jì)算量分析，最優(yōu)4態(tài)TCM編碼網(wǎng)格圖在編碼狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程中，4態(tài)的TCM轉(zhuǎn)移圖每發(fā)展或追溯一個(gè)狀態(tài)均存在4組并行路徑，并行路徑的存在將會(huì)增加譯碼過程中的碼元判斷條件，譯碼周期時(shí)間加長。容易驗(yàn)證，譯碼時(shí)，當(dāng)前每一狀態(tài)轉(zhuǎn)移到前一狀態(tài)時(shí)均需映射兩個(gè)可能碼元，為從這2個(gè)碼元中選出正確碼元，需將再次進(jìn)行條件判別，增加了計(jì)算量和譯碼復(fù)雜度。

經(jīng)過上述性能和計(jì)算復(fù)雜度的分析，雖然高狀態(tài)數(shù)會(huì)給編碼增益帶來改善，但隨著狀態(tài)數(shù)的增加，編碼增益提高已經(jīng)十分平緩，且導(dǎo)致編譯碼復(fù)雜度呈指數(shù)型上升。為滿足實(shí)時(shí)超短波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，需要在性能與實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度中權(quán)衡。

4　在超短波通信系統(tǒng)的應(yīng)用

作為某超短波通信系統(tǒng)骨干節(jié)點(diǎn)的高速波形，按協(xié)議層次可分為基帶物理層、媒體接入層、邏輯鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、IO接口模塊等。其中，基帶物理層完成信道編解碼、基帶調(diào)制解調(diào)、中頻數(shù)字處理、同步、均衡、模擬前端等環(huán)節(jié)。該超短波通信系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)框圖如圖5所示，其中基帶物理層各功能模塊，包括TCM8PSK調(diào)制編碼模塊在TI公司的TMS320C6416DSP芯片上實(shí)現(xiàn)，該芯片能提供高性能的實(shí)時(shí)信號處理能力。

通過上文對2M態(tài)TCM8PSK的性能和復(fù)雜度分析，本通信系統(tǒng)采用8態(tài)的編碼方式。8態(tài)TCM8PSK網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制與RS碼組合，具有一定糾錯(cuò)、抗干擾、較高傳輸速率能力。其中，TCM8PSK模塊在物理層信號生成流程中的位置見下圖6。

圖5　某超短波通信系統(tǒng)分層設(shè)計(jì)框圖

圖6　物理波形信號生成流程

5　結(jié)語

本文以某超短波通信系統(tǒng)高速波形設(shè)計(jì)為契

機(jī)，對TCM8PSK這種具有較高性能的編碼調(diào)制信號進(jìn)行了分析研究。同時(shí)給出基于32態(tài)、64態(tài)的TCM8PSK編碼器及狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的設(shè)計(jì)。通過Matlab仿真，分析2M態(tài)TCM8PSK編碼增益隨著M值增加但增加變緩，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度呈指數(shù)增長。最后，在編碼增益與實(shí)現(xiàn)中權(quán)衡，采用基于8態(tài)的TCM8PSK調(diào)制編碼方式并應(yīng)用于超短波通信系統(tǒng)中。

參 考 文 獻(xiàn)

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*收稿日期：2015年10月8日,修回日期：2015年11月27日

作者簡介：黃莉，女，碩士，工程師，研究方向：無線通信波形技術(shù)。

中圖分類號TN91

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.04.018

Design of and Application 2Mstate TCM8PSK in VHF Communication System

HUANG Li

(Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company, Guangzhou510663)

AbstractThe optimal convoluted code machine and state-transfer matrix base on 32-state and 64-state TCM8PSK are introduced. The bit error rate and complexity property among 4-state, 8-state, 16-state TCM8PSK are analyzed. Simulation results show that 8-state TCM8PSK is suitable for giving more coding gain and less complexity in certain VHF wireless communications system. The application of 8-state TCM8PSK is introduced in physicschannel of VHF communications system.

Key WordsTCM, 8PSK, coding gain, VHF