In this thesis, we propose new modulation and demodulation techniques for Feher patented quadrature phase shift keying (FQPSK) signals based on the continuous phase modulation (CPM) interpretation of FQPSK signals. It results from the quasi-constant amplitude and continuous phase characteristics of FQPSK-B signals.
First, a new class of non-coherent detection techniques for FQPSK systems is proposed and studied. Non-coherent demodulation enables much faster synchronization and re-synchronization as well as it offers advantages for relatively low bit rate and large Doppler shift or phase noise controlled system environments than coherent demodulation. The theoretical concepts of the described non-coherent detection techniques are based on the instantaneous frequency or phase transition characteristics of FQPSK-B signals. These are accomplished by Limiter-Discriminator (LD), Limiter-Discriminator followed by Integrate-and-Dump (LD I&D) or differential detection methods. We derive the bit error rate (BER) expression for the LD I&D followed by symbol-by-symbol decision, which shows excellent agreement with simulation result. It is shown that significant BER performance improvements can be obtained by increasing the received signal’s observation time over multi-symbols as well as by adopting trellis-demodulation. While the FQPSK transmitted signal is not trellis coded, its trellis coded interpretation based on CPM interpretation of FQPSK signals leads to trellis demodulation. Simulation result shows that a $BER=$10^{-4}$ can be obtained for an $E_b/N_0=12.7dB$. Furthermore, it is shown that the maximum likelihood sequence detection (MLSD) with multiple differential detection can achieve the BER=$10^{-4}$ at $E_b/N_0=11.5dB$, which is only 2.4dB worse than 9.1dB ever reported for coherent MLSD of FQPSK signals.
Second, we propose the FM-VCO (CPM) modulation architecture of FQPSK-B signals. Based on the fact that FQPSK-B signal has quasi-constant amplitude and continuous phase characteristics, it is shown that it can indeed be generated by the CPM schemes. For example, FQPSK-B signal can fully be generated in existing FM based transmitter system with modulation index of 0.5. Furthermore, we propose a premodulation filter and alternating change monitor differential encoder (ACMDE) to be fully compatible with I/Q modulated FQPSK-B signal, allowing direct symbol-by-symbol detection without any special decoding schemes inherent in all CPM schemes. The power spectral density and eye-diagram of CPM generated FQPSK-B signal are practically the same as the I/Q modulated FQPSK-B signal. It is further found that the BER performance of coherent detection and non-coherent detection of CPM generated FQPSK-B signal are almost same as the I/Q modulated FQPSK-B.
Notice that the non-coherent detection based receiver and FM-VCO modulation based transmitter enable FQPSK-B MODEM to have ‘backward compatibility’ with the existing telemetry system.
Additionally, the convolutional codes based error correction code (ECC) for FQPSK-B are designed and analyzed, which is based on the CPM characteristics of FQPSK-B signals. Euclidean distance characteristics of FQPSK-B signal are used for ECC design. Using the phase difference characteristics of FQPSK-B modulation, it is shown that the convolutional code of maximum free distance is optimal for FQPSK-B modulation.
본 논문에서는 최근에 통신 표준으로 채택된 Feher patented quadrature phase shift keying (FQPSK-B) 변조에 대한 새로운 변조 및 검파 방법을 제안하고자 한다. 새로운 변,복조 방법은 기존에 위상 변이 변조(PSK)로 해석되었던 FQPSK-B 신호에 대한 새롭게 제안한 연속 위상 변조 (CPM) 해석을 바탕으로 한다. FQPSK-B 신호의 CPM 해석은 FQPSK-B의 아-정진폭 특성과 연속 위상 변화 특성을 이용한다.
제안된 개념의 첫번째로서, FQPSK 변조를 위한 비동기 검파 방법을 제안하고 성능을 분석한다. 비동기 검파는 큰 도플러 효과와 페이딩이 있는 환경에서 동기 검파에 비해서 빠른 초기 동기 및 재동기 특성을 가지고 있다. 제안된 비동기 검파의 이론적 개념은 FQPSK 신호의 순간 주파수 및 위상 변화 특성에 바탕을 둔다. 검파 방법으로는 주파수 변별기 (LD, LD I&D), 그리고 차동 검파 등이 사용될 수 있다. 특히, 주파수 변별기를 이용한 심볼 검파 방법에 대한 비트 오율을 수치적으로 해석해, 모의 실험 결과와 잘 일치함을 보인다. 한편, 여러 심볼 구간동안 관찰하고 격자 검파(trellis decoding)을 하여 비트 오율을 향상시킬 수 있음을 보인다. 비록 FQPSK 송신기에 격자 부호기가 사용되지 않아도, FQPSK 신호의 CPM 특성이 격자 검파를 가능하게 한다. 모의 실험 결과 중에는 $10^{-4}$의 비트 오율을 약 12.7dB의 비트 에너지 대 잡음비 ($E_b/N_0$) 에서 획득할 수 있음을 보인다. 더욱이, 다중 차동 검파기와 최대 근사열 검파기를 이용하여 $10^{-4}$의 비트 오율을 약 11.5dB의 비트 에너지 대 잡음비 ($E_b/N_0$) 에서 획득할 수 있음을 보인다. 그런데, 이 성능은 지금까지 보고된 FQPSK의 동기 최대 근사열 복호기의 성능인 9.1dB에서 단지 2.4dB만이 열화된 것이다.
제안된 개념의 두번째로서, FQPSK-B 신호를 FM-VCO 변조기로 생성하는 방법을 제안한다. FQPSK-B 신호를 생성하기 위한 FM-VCO 변조기의 변조 상수는 0.5임을 보인다. 기존의 직교 위상 변조된 FQPSK-B 신호와 동일하게 하기 위한 차동 부호기 (ACMDE)와 전변조 여파기 (premodulation filter)를 제안한다. 모의 실험을 통해서 FM-VCO 변조된 FQPSK-B 신호의 전력 스펙트럼과 아이 다이어그램이 직교 변조된 FQPSK-B 신호와 거의 일치함을 보인다. 또한, 동기 검파와 비동기 검파 성능도 거의 일치함을 보인다.
제안된 비동기 검파 방법과 FM-VCO 변조 방법은 FQPSK-B 변.복조 방법이 기존에 사용되고 있는 원격 측정 시스템과 하향 호환성을 가지게 함으로서, FQPSK-B 변.복조 방법이 다양한 분야에서 사용될 수 있도록 한다.
추가적으로, FQPSK-B 변조의 CPM 해석을 활용하여 최적의 길쌈 부호 코드를 설계하고 분석한다. 특히, FQPSK-B 신호의 Euclidean distance 특성이 부호화 코드의 설계에 사용된다. 모의 실험과 분석을 통해서 최소 Hamming distance가 최대인 길쌈부호가 FQPSK-B 변조에 최적임을 보인다. 여기에는 CPM 해석을 이용한 위상 차이 특성이 사용된다.
