測距數傳一體化調制解調技術

石立國，王竹剛，熊蔚明，候鴻杰

（1.中國科學院空間科學與應用研究中心 北京 100190；2.中國科學院大學 北京 100190）

測距數傳一體化調制解調技術

石立國1，2，王竹剛2，熊蔚明2，候鴻杰1，2

（1.中國科學院空間科學與應用研究中心 北京 100190；2.中國科學院大學 北京 100190）

實現小衛星編隊飛行，在測定小衛星之間的距離的同時，還必須進行星間科學實驗數據的交換。為了盡可能降低設備復雜度，本文研究了一種測距、數傳一體化調制方式的調制解調原理，通過Simulink仿真分析得到了GMSK+PN信號在不同測距調制度條件下的數傳誤碼率。經過分析GMSK+PN信號的特性，給出了GMSK+PN信號的信道估計方法和一種有效的測距、數傳一體化解調算法。

高斯最小頻移鍵控；偽碼測距；信噪比；誤碼率

編隊飛行的微小衛星具有體積小、功耗低、周期短等優點［1］，而實現編隊飛行需要有測量星間距離、姿態的測量系統和進行星間數據交換的通信系統［2］。為了減小微小衛星測控系統的體積和重量，使用一套設備完成測距和數傳兩大功能，是非常有必要的。

隨著航天技術的飛速發展，人們對深空探測中通信鏈路的吞吐量、低信噪比條件下的測距精度有了更進一步的要求，常規的S頻段統一測控系統（Unified S-Band System，USB）已不能夠滿足要求。偽碼測距以其測量精度較高及捕獲時間短、能夠適應低信噪比情況下的測距要求和設備相對簡單等優點，成為了航天測控領域研究的熱點。2009年3月，CCSDS建議使用 Tausworthe復合碼作為偽碼測距的偽隨機碼。Tausworthe復合碼適合用于深空測距和近地測距，具有測距捕獲時間短、硬件實現復雜度低、測距精度相對較高的特點，并且Tausworthe復合碼與每個子碼也具有良好的互相關和自相關特性，是深空測控系統數字應答機的主要研究和發展方向。

由于現在空間業務的增加，通信容量急劇增長，星載數據調制方式為了適應非線性功放的特性、降低信號解調門限，不宜選擇高階信號調制方式。同時，發射信號功率譜還必須符合空間頻率協調組（SFCG）、國際電信聯盟（ITU）等管理機構的規定。所以，要求星載設備采用的調制方式產生的信號頻譜擴展最小化，使其具有恒包絡及高頻帶效率的特性。高斯最小偏移鍵控 （Gaussian Minimum Shift Keying，GMSK）是連續相位調制方式，它采用高斯濾波器對輸入的數據進行預濾波，平滑了相位軌跡，已調信號具有旁瓣衰減快、頻譜緊湊、帶寬效率高的特點，并且信號是恒包絡的。

基于GMSK+PN體制的測距與數傳聯合技術［3］，兼有兩者的特點，因此對GMSK聯合Tausworthe測距碼的研究是非常有意義的。在偽碼測距系統中，偽碼的直流分量對測距信號的功率以及對載波的捕獲有著重要的影響。平衡碼T4B（平衡4倍加權Tausworthe碼）和T2B（平衡2倍加權Tausworthe碼）的直流分量都非常的小。文中對GMSK聯合Tausworthe碼的調制解調方式進行了研究，并通過Simulink對這種同時傳輸高碼率數傳和測距信息的信號進行了仿真和特性分析。

1 GMSK+PN調制技術

基于GMSK+PN的調制體制、能夠同時傳輸數傳和測距信息的系統框圖如圖1所示。

圖1 系統調制框圖Fig.1 Modulation system block diagram

偽碼數據經過電平轉換和半正弦濾波后，乘以偽碼調制度因數得到偽碼測距信號相位；數傳數據經過預編碼、電平轉換、高斯濾波和積分器后，得到GMSK相位；偽碼相位和GMSK相位再經過相位調制，即可得到GMSK+PN調制信號［4］：

由GMSK調制原理可以得到：

式（2）中，an表示雙極性非歸零基帶數據，g（t）是高斯濾波沖擊響應，其表達式為：

式（3）中，B為高斯脈沖的3 dB帶寬，BTb為時間帶寬乘積，一般取值為0.25（近地）或0.5（深空）。BTb決定了GMSK調制的帶寬效率。Tb為數傳信號碼元周期。

偽碼測距信號表達式為：

2 GMSK+PN解調技術

2.1 GMSK解調

一般地，空間通信系統的信道是加性高斯噪聲信道。這種情況下，GMSK信號的相干解調比非相干解調有更好的誤碼性能。在GMSK的相干解調方案中，有基于Viterbi檢測和基于勞倫分解［5］兩種方法。基于Viterbi檢測的方法可以得到較好的誤碼性能，但是實現起來非常復雜。而基于勞倫分解近似的相干解調方法，復雜度比Viterbi檢測小很多，容易實現，并且誤碼率不會有太大降低。因此本文擬采用基于勞倫分解近似的相干解調。

勞倫提出了一種用多個相移調幅脈沖（AMP）流疊加來表示CPM（連續相位調制），可以把GMSK調制信號看成是多個振幅/相位調制脈沖流的疊加，如式（6）所示，其中Ck（t）是第k 個AMP流的等效脈沖波形。對于BTb=0.5的GMSK信號（適用于深空），僅用第一個脈沖分量表示就可以達到足夠的精度。對于BTb=0.25的情況（適用于近地），只用第一個分量性能會稍差一些。這時可以在兩個支路上分別加一個維納均衡器，提高性能。

GMSK的勞倫分解近似具有基帶成形OQPSK的信號形式，這也就是為什么OQPSK解調器可以用于GMSK解調的原因［6］。在正交的各信道上脈沖互相疊加，兩路錯開Tb，實際的符號速率Ts=2Tb，基于以上分析，可以得出GMSK基于勞倫分解近似的相干解調原理如圖2所示，圖中C0（t）的框圖表示只與AMP第一分量匹配的濾波器［7］。圖3給出了GMSK解調在不同測距調制度條件下的誤碼率曲線。可以看出隨著測距調制度的增大，數傳信號的誤碼率也會相應變大。

圖2 GMSK解調框圖Fig.2 GMSK demodulation block diagram

圖3 GMSK+PN解調誤碼率曲線Fig.3 GMSK+PN demodulation BER curve

2.2 GMSK、PN信號分離

因為基帶的GMSK數據信號（所代表的相位）和PN測距信號（所代表的相位）在時域上是相加的，所以，如果得到其中的任何一種信號，就可以由復合與某一種“再生”的信號復相關，即可得到另一種信號。因為按照常規，GMSK信號在復合信號中所占的能量比例很大。所以，可以直接在已調載波信號上解調，得到GMSK基帶信號。再由GMSK信號的基帶再調制得到的相位，與輸入信號進行復相關，即可得到單獨的PN偽碼測距信號。

2.3 PN信號捕獲、跟蹤

T2B碼或T4B碼是Tausworthe類型的復合偽碼，可以采用特定的捕獲方法來捕獲這種復合結構偽碼信號的相位，只需找到各個子碼的相位，即可復現Tausworthe碼。Tausworthe碼的串行捕獲由5個相關支路組成（其中C1碼為碼鐘分量，直接通過鎖相環路進行跟蹤）。Tausworthe碼的各個子碼采用并行捕獲的方案。

Tausworthe碼的跟蹤擬采用CTL（Chip Tracking Loop）結構，這種結構是DTTL（Data Transition Tracking Loop）同相/中相定時算法的一種變形形式。同相/中相算法是一種以閉環方式工作的同步算法，該環路同時利用同相與中相信道兩者的信息來判斷定時誤差的大小和極性。碼跟蹤環是一種改進的同相/中相環路，將同相/中相積分環路輸出的鑒相誤差進行碼片的累加，解決低信噪比下的信號跟蹤問題。

3 GMSK+PN信號信道估計

由于GMSK+PN信號既包括數傳信號，又包括偽碼測距信號，無法直接進行信噪比估計。而GMSK+PN信號的結構非常特殊，在數傳信號的基礎上，直接加入了偽碼測距信號（作為數傳信號的相位抖動存在），故可以采用逐層簡化的方式，將GMSK+PN信號分解為若干層。本文采取反推的方法，先估計出PN信號中C1子碼分量的信噪比，即可以通過PN信號與C1子碼分量的功率分配，得到PN信號的信噪比。進而，通過GMSK+PN信號的能量分配，得到整個GMSK+PN信號的信噪比。這種新的信噪比估計算法，可以大大降低GMSK+PN信號的信噪比計算的復雜度。通過Simulink搭建仿真模型，取采樣率為fs=100 MHz，偽碼速率為fc=2 MHz，測距調制度md=0.2 rad，再生偽碼采用T4B，測得信噪比估計值如圖4所示。經過仿真可以發現，信噪比估計值與實際值非常吻合，誤差在0.5 dB以下。參與計算的碼片數在大于1 000時，信噪比估計值基本穩定實際值附近。

4 結 論

文中研究了一種同時滿足高碼率數據傳輸和高精度測距要求的基于GMSK+PN體制的測距與數傳技術，通過Simulink對信號頻譜與能量分配進行了仿真分析，推薦在捕獲時間要求不高的系統中，優先選擇T4B碼，并給出了GMSK+PN在不同參數條件下的數傳信號誤碼率和加性高斯白噪聲信道中基帶GMSK+PN信號的信噪比估計算法。作為一種通信和測距一體化的調制技術，GMSK+PN具有恒包絡、頻譜利用率高的優勢。

圖4 信噪比估計值與估計碼片數關系Fig.4 Relationship between estimated SNR and estimate chip number

［1］劉應剛，周依林.微小衛星測控數傳一體化發射機數字基帶設計［J］.遙測遙控，2010（2）:40-46.

［2］羅續成.編隊飛行航天器測量通信一體化系統的交互鏈路技術［J］.遙測遙控，2007（11）:102-107.

［3］Sessler G，Vassallo E，Calzolari G P，et al.GMSK/PN for high rate telemetry and high accuracy ranging of Lagrange and Mars missions［C］.13th AIAA International Conference on Space Operations，SpaceOps，2014.

［4］Orr R S，Divsalar D.Combined GMSK modulation and PN ranging for communications and navigation［C］//Aerospace Conference，IEEE，2008:1-18.

［5］Laurent P.Exact and approximate construction of digital phase modulations by superposition of amplitude modulated pulses（AMP）［J］.Communications，IEEE Transactions on，1986，34（2）:150-160.

［6］Simon M K.高帶寬效率數字調制及其在深空通信中的應用［M］.北京：清華大學出版社，2006.

［7］Sessler G，Abello R，James N，et al.GMSK demodulator implementation for ESA deep-space missions［J］.Proceedings of the IEEE，2007，95（11）:2132-2141.

Modem technology for integrated ranging and telecommunication system

SHI Li-guo1，2，WANG Zhu-gang2，XIONG Wei-ming2，HOU Hong-jie1，2
（1.Center for Space Science and Applied Research of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

For the small satellites formation flying，the distance between satellites must be determined and an adequate intersatellites communication medium must be used to transmit the science data.In order to minimize device complexity，this paper studied a system capable of simultaneously transmitting high rate telecommunication and ranging.through simulations by Simulink in different ranging modulation index，obtained the bit error rate of telecommunication data.By analyzing the characteristics of GMSK+PN signal，an effective demodulation scheme for GMSK+PN is developed by this paper.

Gaussian minimum shift keying；pseudo-noise ranging；signal to noise ratio；bit error rate

TN927+.2

A

1674－6236（2016）04-0001-03

2015-06-24 稿件編號：201506218

國家863計劃資助項目（Y28021A220）

石立國（1984—），男，山東臨清人，博士研究生。研究方向：信號與信息處理、信號檢測與估計。