2M态TCM8PSK设计及在超短波通信系统的应用*

黄　莉

(广州海格通信集团股份有限公司　广州　510663)



2M态TCM8PSK设计及在超短波通信系统的应用*

黄莉

(广州海格通信集团股份有限公司广州510663)

摘要介绍了32态、64态的TCM8PSK网格编码调制的最优卷积编码器和状态转移矩阵，并对4态、8态和16态TCM8PSK的误码率性能及实现复杂度进行分析对比，仿真结果表明，采用8态的TCM8PSK更能满足某超短波通信系统设计需求，并给出8态TCM8PSK在该系统物理信道的应用。

关键词网格编码调制; 8PSK; 编码增益; 超短波

Class Number

1　引言

TCM是一种编码调制结合的方式，称为网格编码调制，其最大的特点就是在不需要增加任何带宽下仍能获得较为可观的编码增益。TCM8PSK的应用优于分组码和卷积码，它在提供可观编码增益和高速率传输下不需要额外扩展传输带宽。理论上分析，实现TCM编码调制的状态数越多，得到的编码增益会越大，随之而来是译码计算量的增加。在实时通信系统中，需要对编码增益和计算复杂度进行权衡。本文给出了2M态TCM-8PSK高速数字编码调制的设计方法和性能对比，并给出在某UHF通信系统上的设计应用。

2　TCM8PSK编译码实现

2.1误码率与编码增益

数字通信系统，在已知系统带宽、信道性能时，系统设计期望能最大化传输比特速率、最小化误比特率，最小化比特能量与噪声功率谱密度之比Eb/N0，同时尽量降低系统实现复杂性和计算量。建立系统模型仿真分析，分析MPSK信号的误比特码率曲线，可知误码率量级一致时，8PSK比QPSK的误码率高，QPSK比BPSK的误码率高。

当QPSK速率不能满足系统要求，8PSK性能达不到期望时，可通过TCM编码增大星座点的欧氏距离dfree以获得编码增益。TCM的欧氏距离计算参考资料[1]。理论分析，2M态的TCM8PSK相对QPSK获得的渐进编码增益Gp值如表1。

表1　TCM8PSK网格编码理论极限编码增益

渐进编码增益Gp表示当误码率很低(<10-8)且相同误码率下，8态的TCM8PSK网格编码信噪比比QPSK低3.6dB，具有更好性能。为了给实际应用系统提供参考价值，掌握TCM8PSK编码在不同信噪比下的Gp，采用蒙特卡罗仿真法在Matlab平台上进行仿真测试。

2.2TCM状态转移矩阵与编码器设计

(1)

基于16状态，32状态，64状态TCM8PSK的监督矩阵H(D)和生成矩阵G(D)设计如下：

(2)

根据式(2)，可构建32态、64态的卷积码编码器，编码器设计如下图1。

图1　32态TCM8PSK编码器设计

图2　64态TCM8PSK编码器设计

利用上述编码器，可推算出32态、64态的TCM状态转移矩阵如下。利用该编码器或状态转移矩阵可指导通信系统调制编码模块的开发。

32态状态图矩阵：

[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态状态图矩阵：

[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　仿真与分析

对于2M态TCM8PSK的性能，首先与QPSK误比特率进行比较。图3给出8态TCM8PSK与QPSK在白噪声环境下的误比特率曲线，易见误比特率Pb在1e-6量级时，TCM8PSK获得约3.2dB的增益，与表1提供的理论极限编码增益3.6dB接近。

接着，仿真在白噪声环境下，对4态、8态、16态TCM8PSK的误比特率曲线图，见图4。在1e-5误比特率量级时，在高信噪比下，8态TCM比4态多获得0.5dB的编码增益，接近表1的理论值；比较8态与16态TCM误比特率曲线，编码增益低于0.5dB，与表1的理论值0.5dB接近。可见，随着态数的增加，编码增益的提升已经很小。

图3　8态TCM8PSK与QPSK误比特率Pb曲线

图4　4态/8态/16态TCM8PSK的误比特率曲线

从计算量分析，最优4态TCM编码网格图在编码状态转移过程中，4态的TCM转移图每发展或追溯一个状态均存在4组并行路径，并行路径的存在将会增加译码过程中的码元判断条件，译码周期时间加长。容易验证，译码时，当前每一状态转移到前一状态时均需映射两个可能码元，为从这2个码元中选出正确码元，需将再次进行条件判别，增加了计算量和译码复杂度。

经过上述性能和计算复杂度的分析，虽然高状态数会给编码增益带来改善，但随着状态数的增加，编码增益提高已经十分平缓，且导致编译码复杂度呈指数型上升。为满足实时超短波通信系统设计要求，需要在性能与实现复杂度中权衡。

4　在超短波通信系统的应用

作为某超短波通信系统骨干节点的高速波形，按协议层次可分为基带物理层、媒体接入层、逻辑链路层、网络层、IO接口模块等。其中，基带物理层完成信道编解码、基带调制解调、中频数字处理、同步、均衡、模拟前端等环节。该超短波通信系统模块设计框图如图5所示，其中基带物理层各功能模块，包括TCM8PSK调制编码模块在TI公司的TMS320C6416DSP芯片上实现，该芯片能提供高性能的实时信号处理能力。

通过上文对2M态TCM8PSK的性能和复杂度分析，本通信系统采用8态的编码方式。8态TCM8PSK网络编码调制与RS码组合，具有一定纠错、抗干扰、较高传输速率能力。其中，TCM8PSK模块在物理层信号生成流程中的位置见下图6。

图5　某超短波通信系统分层设计框图

图6　物理波形信号生成流程

5　结语

本文以某超短波通信系统高速波形设计为契

机，对TCM8PSK这种具有较高性能的编码调制信号进行了分析研究。同时给出基于32态、64态的TCM8PSK编码器及状态转移矩阵的设计。通过Matlab仿真，分析2M态TCM8PSK编码增益随着M值增加但增加变缓，但实现复杂度呈指数增长。最后，在编码增益与实现中权衡，采用基于8态的TCM8PSK调制编码方式并应用于超短波通信系统中。

参 考 文 献

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[4] 宋祖顺.现代通信原理[M].北京:电子工业出版社,2001.

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*收稿日期：2015年10月8日,修回日期：2015年11月27日

作者简介：黄莉，女，硕士，工程师，研究方向：无线通信波形技术。

中图分类号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