朱詩兵，徐華正，李長青

(中國人民解放軍裝備學院 信息裝備系，北京　101416)

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【信息科學與控制工程】

一種16APSK信號的載波恢復方案設計

朱詩兵，徐華正，李長青

(中國人民解放軍裝備學院 信息裝備系，北京101416)

針對多幅度高階APSK信號對多普勒頻偏的敏感性和載波恢復算法的復雜性，為了探索適用于APSK的載波恢復方案，借鑒高階QAM調(diào)制系統(tǒng)的載波恢復算法，提出了一種對16APSK信號三次方非線性變換后聯(lián)合使用極性判決算法和面向判決算法的載波恢復方案；仿真結(jié)果表明：該方案頻偏捕獲范圍大，能達到系統(tǒng)符號率的5.4%，穩(wěn)態(tài)抖動方差較小為0.6，具有較強的實用價值。

幅相鍵控；載波恢復；極性判決；面向判決

隨著衛(wèi)星用戶的增多以及衛(wèi)星通信業(yè)務的拓展，為了高效傳輸數(shù)據(jù)，需要在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中采用高階調(diào)制方式。幅相聯(lián)合鍵控[1](APSK，AmplitudeandPhaseShiftKeying)和正交幅度調(diào)制(QAM，QuadratureAmplitudeModulation)是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中兩種常見的高階幅度相位聯(lián)合調(diào)制技術(shù)，利用幅度和相位攜帶有效信息，頻譜利用率高。相較QAM而言，APSK因其獨特的星座結(jié)構(gòu)和較少的幅度變化，帶來快速滾降的高頻特性，經(jīng)過非線性信道后不易產(chǎn)生頻譜擴展，更適合在帶寬功率雙受限的衛(wèi)星信道下進行高效數(shù)據(jù)傳輸[2]。

載波恢復模塊是通信系統(tǒng)中的核心部分，其性能好壞直接決定著本地接收機能否實現(xiàn)正確的解調(diào)，高階調(diào)制信號受多普勒頻偏的影響較大，加之星座點之間的最小距離很小，使得載波恢復算法較為復雜。QAM常用的載波恢復算法有掃頻算法、極性判決算法、面向判決算法(DD，Decision-Directed)[3]。掃頻算法具有較大的頻偏捕獲范圍，性能好壞取決于掃頻范圍和掃頻步長等參數(shù)的設置。極性判決算法有較強的頻偏捕獲能力和同步速度，DD算法具有良好的穩(wěn)態(tài)跟蹤性能。所以在實際應用中，通常采用掃頻算法或者極性判決算法完成頻偏的粗捕獲，然后轉(zhuǎn)入DD算法完成頻偏的細跟蹤[4]。

鑒于APSK和QAM星座上的相似性，本文借鑒QAM載波恢復算法，仿真QAM調(diào)制中常用載波恢復算法在APSK調(diào)制下的適用性，根據(jù)仿真結(jié)果，設計一種適用于APSK的載波恢復方案，要求該方案既能捕獲較大的頻偏，又能進行穩(wěn)定的跟蹤。

1　算法原理

1.1DD算法

DD算法基本思想是[5]：將接收到信號根據(jù)臨近原則判決到最近星座點上，然后比較實際星座點與理想星座點之間的相位誤差，將此誤差值作為環(huán)路濾波器的輸入。其實現(xiàn)框圖如圖1。

圖1　DD算法實現(xiàn)原理框圖

假設輸入信號r(n)已經(jīng)經(jīng)過AGC增益控制、定時同步和均衡等處理，r(n)與本地載波信號相乘產(chǎn)生基帶相干解調(diào)信號q(n)=I(n)+jQ(n)，經(jīng)過逐電平判決得到q′(n)=I′(n)+jQ′(n)。鑒相器的輸出為

(1)

在不考慮噪聲的情況下

(2)

將式(2)代入式(1)，得到：

(3)

當2π(f1-f2)Ts+θ-θ′很小時

(4)

這也就決定著DD算法只能捕獲較小的頻偏，誤差信號送入鎖相環(huán)路，經(jīng)過環(huán)路濾波器處理后驅(qū)動數(shù)控振蕩器，這樣就形成了一個反饋環(huán)路。

1.2極性判決算法

為了克服DD算法頻偏捕獲范圍小的缺點，有學者針對高階QAM調(diào)制提出一種能夠提高頻偏捕獲范圍，而且能更好適應高階QAM調(diào)制方式的極性判決算法[6-7]。高階QAM極性判決算法實現(xiàn)原理如圖2所示。

圖2　高階QAM極性判決算法實現(xiàn)原理框圖

與DD算法不同，極性判決算法先經(jīng)過功率檢測，使功率較大的星座點通過并確定它的極性，將其判決為對應象限對角線上功率相同的點，其后處理過程與DD算法類似。極性判決算法的功率檢測門限可以有多個，具體門限數(shù)值的選擇根據(jù)信噪比和星座圖特點決定。由于極性判決算法功率門限從小到大設置，開始工作時，門限較低有較多的星座點參與判決，相應的此時設置較大的環(huán)路帶寬以便于捕獲大頻偏，然后逐步提高檢測門限，同時減小環(huán)路帶寬，這種門限逐步遞增方式能夠保證環(huán)路逐步穩(wěn)定。

復基帶信號表示：

(5)

經(jīng)過極性判決后的信號表示：

(6)

則有：

(7)

與DD算法相比，極性判決算法有更大的頻偏捕獲范圍，但穩(wěn)態(tài)抖動方差也更大。

2　方案設計與仿真

對于16APSK調(diào)制，可以分解為內(nèi)圓QPSK和外圓12PSK調(diào)制，按照極性判決算法原理，將外圓12個星座點都判決到其所在象限對角線上時會引起較大的誤差，而且APSK調(diào)制方式幅度變化較少，不利于門限檢測算法區(qū)分星座點，所以針對矩形QAM調(diào)制提出的極性判決算法不能很好的適應圓形APSK調(diào)制。但是當對16APSK原始星座進行三次方非線性處理后，星座發(fā)生了較大變化，其變換結(jié)果如圖3。

如圖3所示，經(jīng)過三次方非線性變換之后，16APSK星座內(nèi)圓QPSK收縮成幅度更小的QPSK，而外圓12PSK則向外擴張，其映射形式也為QPSK。經(jīng)過處理，16APSK信號轉(zhuǎn)化為兩個幅度不同的QPSK調(diào)制信號，內(nèi)圓星座點幅度很小(0.12)，處理時可以忽略不計，剩下幅度更大的外圓QPSK星座可以完美適用極性判決算法。

圖3　16APSK三次方變換后星座圖

圖4　極性判決算法收斂后星座圖及糾偏曲線

考慮極性判決算法具有較強的頻偏捕獲能力但跟蹤性能較差，DD算法具有較好的穩(wěn)態(tài)跟蹤性能但是頻偏捕獲范圍較小，綜合考慮兩種算法優(yōu)缺點，設計出一種聯(lián)合極性判決算法和DD算法的載波同步算法，其實現(xiàn)原理如圖5所示。

圖5　載波同步算法方案

如圖5所示，模式控制模塊通過檢測環(huán)路工作狀態(tài)決定采用何種同步算法。一般地，先使極性判決算法工作以捕獲較大的頻偏，待環(huán)路穩(wěn)定以后轉(zhuǎn)入DD算法進行殘余載波偏差的繼續(xù)校正。由于極性判決算法穩(wěn)態(tài)抖動方差要比DD算法的大，故可以檢測環(huán)路中頻偏誤差估計值的抖動方差來判斷是否進行模式切換。除了檢測均方差以外，還可以采用簡便的時間切換策略。圖6仿真了信噪比SNR=15 dB、頻偏為30 K時的糾偏性能曲線，其他仿真參數(shù)不變，采用時間切換策略即在10 000個同步點時從極性判決算法切換到DD算法。

從仿真結(jié)果可以看出，極性判決算法經(jīng)過3 000個點調(diào)整鎖定了30 K的頻偏，環(huán)路進入穩(wěn)定狀態(tài)，抖動方差較大(1.9)；在10 000點時，環(huán)路進入DD算法工作模式，經(jīng)過短暫的調(diào)整，環(huán)路進入穩(wěn)定狀態(tài)，抖動方差為0.6。兩種同步算法穩(wěn)定后的收斂星座圖如圖6(c)、圖6(d)，極性判決算法由于穩(wěn)態(tài)方差較大，收斂后星座圖比較分散，部分判決點會出現(xiàn)誤判。DD算法具有良好的穩(wěn)態(tài)跟蹤性能，收斂后星座圖較集中，清晰易判決。

3　結(jié)束語

針對16APSK信號，借鑒QAM調(diào)制載波恢復算法，設計出一種對APSK信號三次方后聯(lián)合使用極性判決算法和DD算法的載波恢復方案。該方案正常工作的信噪比要求不高，且能在頻偏捕獲范圍、捕獲速度和穩(wěn)態(tài)抖動方差等性能指標上取得一個較好的折衷，仿真結(jié)果表明在15 dB的信噪比條件下，最大頻偏捕獲范圍能達到符號率的5.4%，環(huán)路穩(wěn)態(tài)抖動方差僅為0.6。

圖6　載波同步環(huán)路性能仿真

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(責任編輯楊繼森)

DesignofCarrierRecoverySchemeBasedon16APSKSignals

ZHUShi-bing，XUHua-zheng，LIChang-qing

(DepartmentofInformationEquipment,AcademyofEquipmentofPLA,Beijing101416,China)

AimingatthesensitivityofDopplerfrequencyoffsetandthecomplexityofcarrierrecoveryformulti-levelhighorderAPSKsignals,usingcarrierrecoveryalgorithmbasedonhigherorderQAMmodulationsystemforreference,aschemewhichappliedpolaritydecisionalgorithmanddecision-directedalgorithmtogetherafterthecubic16APSKsignalswasproposedinordertoseekthecarrierrecoveryscheme.Thesimulationresultsshowthattheschemecanachievethehighest5.4%symbolratefrequencyoffsetrangeandthesmallersteady-statejittersvarianceof0.6,whichhasastrongpracticalvalue.

APSK;carrierrecovery;polaritydecision;decision-directed

2016-03-18；

2016-04-10

朱詩兵(1969—)，男，博士，教授，主要從事通信與信息網(wǎng)絡研究。

10.11809/scbgxb2016.09.018

format:ZHUShi-bing，XUHua-zheng，LIChang-qing.DesignofCarrierRecoverySchemeBasedon16APSKSignals[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(9):75-78.

TN914

A

2096-2304(2016)09-0075-04

本文引用格式：朱詩兵，徐華正，李長青.一種16APSK信號的載波恢復方案設計[J].兵器裝備工程學報，2016(9):75-78.