(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

1 引 言

在移动通信领域，随着通信信息量的不断增大，通信系统需要的带宽越来越宽，频率资源日趋紧张。为了解决带宽有限的矛盾，一方面将通信频段不断向更高频率延伸，另一方面也不断努力提高频谱的利用率。而在载波频率较高时发送信号功率放大器通常采用高功率非线性放大器，并且由于信道的非线性及 AM/PM 效应，只有采用具有恒定包络或准恒定包络结构的调制方式，才能有效利用功放的发射功率。传统相移键控(PSK) 调制技术本身是恒包络的，但这类调制技术的信号频谱太宽，需要经过带通滤波限带，限带后的PSK信号已经不能保持恒包络。连续相位调制技术(CPM)[1-2]和FQPSK[3-4]等调制技术可以在时域信号上取得恒定包络或准恒定包络的同时在频谱上具有良好的特性，在深空通信中得到了广泛应用。但是在空地通信和空空通信领域，通信的收发平台间存在较大的不确定相对运动，多普勒频移导致的频偏和相位变化对相干解调影响明显，尤其在信噪比较低时，需要发送较多的导频信号来实现多普勒频率和初始相位估计，这种方式在突发通信中会大大降低有效通信速率。另一种解决方法是采用非相干解调，对于PSK、MSK调制方式来说比较容易实现，但CPM、FQPSK等调制技术在调制中要对前后发送的信息符号作相关处理，进行差分调制和解调都比较困难和复杂，且性能并不理想[5-6]。

本文提出了一种符号内连续相位差分相移键控(ISCP-DPSK)的调制解调方法。在信号调制中，不同的比特信息由符号内相位变化的累积量表示，接收端则通过积累一个符号内的相位变化累积量来实现信号解调，和码元符号的绝对相位无关。这种设计的优点在于：一是符号间相位为连续变化，使信号有良好的功率谱；二是使发射信号为准恒包络，可以采用高功率非线性放大器；三是避免了初相、多普勒频移等引起的符号间相位变化对信号解调的影响，适合应用于高速运动平台间的突发通信。

2 ISCP-DPSK信号调制

由于基带信号集合设计和调制中每个符号所携带的比特数有一一对应的关系，为了叙述方便，调制解调方法的描述中都以每个符号携带2 bit数据为例。ISCP-DPSK 调制中信号的调制过程如图1所示，输入数据为转换后的并行2 bit数据流，开关控制逻辑单元根据输入的发送比特信息和状态存储器中的状态信息，在基带信号集合中选择对应的基带信号作为输出信号并更新存储器中的状态值。图中输入比特数据、基带信号和状态转移的关系如表1所示，表中项目为“输出基带信号/对应输入比特”。表1中状态数目由每个符号携带的比特数决定，当比特数为x时，需要在星座图中设置2x个状态，如图2所示。

表1 基带信号选择逻辑关系

(a)状态1到其它状态的轨迹

(b)状态2到其它状态的轨迹

(c)状态3到其它状态的轨迹

(d)状态4到其它状态的轨迹

图2中，状态表示为星座图上某一固定位置，任意两状态间的转移用对应的某一确定基带信号表示。信号总是从一个状态转移到一个状态，包括从一个状态到自身状态的转移，表现为一个固定点。所有图中的轨迹构成基带信号集合。

图中基带信号集合包含有16种复信号，分别表示为[S0,S1,S3,…，S15]，且：

(1)

(2)

(3)

(4)

3 ISCP-DPSK信号解调

假设系统已经利用同步符号实现了位同步，对接收到的基带信号，在一个符号持续时间内计算相位变化的累积量，并和标准相位变化累积量作比较，计算接收符号对应每一种可能发送比特的概率，选取概率最大的发送比特为当前接收信号的解码信息输出。符号内的相位变化累积量由下式计算：

(5)

式中，Ts为一个符号的持续时间，s(t)为一个符号持续时间内的基带接收信号。接收信号属于某一发送比特的概率值由下式计算：

Pr=e-|φ-φi|

(6)

式中，φi为发送第i种比特信息时所选择的基带信号所对应的标准相位变化累积量，该数值可以由下式预先计算存储：

(7)

式中，Si(t)为发送第i种比特信息时所选择的基带信号。基带信号集中的信号只有4种不同的标准相位变化累积量，和不同的发送比特信息形成一一对应，其关系如表2所示。

表2 发送比特和相位变化累积量的对应关系

4 性能仿真分析

在对ISCP-DPSK调制信号进行仿真分析时，调制信号的每个符号设置为分别携带2 bit和1 bit信息，分别记为ISCP-D4PSK和ISCP-D2PSK，和传统的QPSK、BPSK信号进行了仿真对比。图3比较了ISCP-D4PSK和QPSK调制信号的功率谱密度。由图可见， ISCP-D4PSK已调信号的功率谱密度性能比较优越，其主瓣较窄，与QPSK基本一致，但副瓣滚降很快。当以信号99%的能量来定义信号的有效带宽时，ISCP-D4PSK调制信号的归一化带宽约为0.9，而QPSK约为5.6。因此在相同的带宽上，ISCP-DPSK调制有较高的频谱利用率。而在时域上，ISCP-DPSK已调制信号的幅度波动约为0.04 dB，因此射频功放可以工作在非线性饱和区域，和工作在线性区域的功放相比约有3 dB的优势。

图3 ISCP-D4PSK和QPSK的功率谱密度比较

图4比较了ISCP-D2PSK、ISCP-D4PSK和BPSK、DBPSK、QPSK、DQPSK调制信号的误比特性能。可以看出，ISCP-D2PSK、ISCP-D4PSK的性能略好于对应的DBPSK和DQPSK调制，而比对应的BPSK和QPSK分别相差1.5 dB和2.8 dB。考虑到通信平台中存在较大相对运动时，BPSK和QPSK的相关解码需要额外的导频信号来进行载波同步和相位估计，而在突发通信中，导频信号较短，载波同步和相位估计的精度较差[7]，实际上要求信道具有更高的信噪比。

图4 ISCP-DPSK和各种PSK调制的BER性能比较

图5考察了信道中有多普勒频移影响时系统的BER性能。仿真中比较了信道中有无多普勒效应时系统的解码性能，当信道存在多普勒效应时，所叠加的多普勒频移为基带信号符号率的1%。由图5可以看出，ISCP-DPSK调制对频移引起的相位变化不敏感。

图5 多普勒频移下ISCP-DPSK的BER性能

5 结 论

本文针对发射功率受限的通信系统提出了一种符号内连续相位差分相移键控调制解调方法。该方法通过对基带信号波形和选择逻辑的联合设计，使调制信号的相位光滑连续，在频域上获得快速频谱滚降特性的同时保证了时域信号为准恒包络。而在接收端，由于调制信号的解调仅需要考察符号内的相位变化累积量，和信号的绝对相位没有关系，因此对多普勒频移、本振频偏和信道等引起的相位变化不敏感，非常适用于功放功率有限、频谱利用率要求较高、存在较大多普勒频移的通信系统。

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