深空通信中結合位置與相位信息的調制方法

郝博 曹星雯 王登峰 王曉亮 胡錦濤

(1.空間電子信息技術研究院,西安 710100;2.中國信息通信研究院,北京 100191)

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深空通信中結合位置與相位信息的調制方法

郝博1曹星雯2王登峰1王曉亮1胡錦濤1

(1.空間電子信息技術研究院,西安 710100;2.中國信息通信研究院,北京 100191)

隨著人類空間探測的距離越來越遠,傳統的相移鍵控 (Phase-Shift Keying, PSK)調制信息傳輸方式面臨著發端功率受限、收端解調門限高的挑戰. 結合遠距離光學通信中常用的位置調制,提出了一種深空通信中基于位置信息的PSK調制方法,并給出了收發機的實現框圖. 理論分析與仿真結果均表明,該調制方法與傳統PSK調制相比具有解調門限低的特點,同等發射功率下,可為深空通信帶來更遠的傳輸距離以及更好的傳輸質量.

深空通信;相移鍵控;脈沖位置調制;低信噪比

DOI 10.13443/j.cjors.2015102001

引 言

隨著空間探索的不斷深入,低信噪比環境下的無線通信需求不斷增長. 目前,各國航天器主要采用二進制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying,BPSK)或正交相移鍵控(QuadraturePhaseShiftKeying,QPSK)調制實現遠距離的空間可靠通信[1]. 低階相移鍵控(Phase Shift Keying,PSK)具有接收靈敏度高、抗噪性能好的特點[2],但面對以木衛二、冥王星為目標的超長距離深空探測時[3],PSK調制依然面臨著發射功率受限、接收解調門限高的問題. 脈沖位置調制(Pulse Position Modulation,PPM)將n比特信息轉化為單一脈沖信號,并映射至2n個時隙組成的時間段上的某一個時隙處,接收機通過檢測脈沖出現的位置從而實現信息的解調[4]. PPM作為一種非相干解調方法,具有發射功率低、復雜度低的特點,在傳感器網絡、遠距離光學通信等功率受限的系統中得以廣泛應用[5-6]. 但隨著通信距離的增大,為滿足接收門限,同等發射功率下PPM需要更大的時隙參數N,這會引起傳輸效率的降低,進而使得深空應用環境下的通信容量十分有限.

針對深空環境信噪比低,發射功率受限的應用特點,本文提出一種基于位置信息的PSK調制方法. 該方法通過PSK結合PPM構建正交信號,在同等信號帶寬與傳輸速率下,降低了每比特信號解調所需的信噪比門限.

1 所提模型

(1)

式中: p(t)為寬度為一個符號周期Ts的矩形脈沖; Es為單位符號的信號能量,即0≤t≤Ts時間間隔內的信號能量; fc為載波頻率; φk為第k個符號的相位.

發射機的功率在深空環境下受到較大限制,由式(1)可知,PSK調制的信號具有恒模特性,因此有利于發射機功放線性區間的設置,進而提高發射機的功率效率[7]. 同時,PSK信號還具有載頻單一、調制與解調復雜度低的特點,這些特點都有助于其在深空環境下的應用,典型的BPSK信號波形如圖1所示.

接收機通過對不同相位信號的解調提取信息,但在深空遠距離通信中,由于接收信噪比的降低會引起相位解調錯誤. 借鑒光學通信系統中常用的PPM調制,本文將位置信息作為一個新的維度引入傳統PSK調制. 該方法通過相位-位置的聯合調制構建一種低復雜度的正交信號,在保證傳輸速率的情況下,降低所需誤碼率下的接收解調門限,以更好適應深空通信發射功率受限、傳輸距離遠的應用場景.

圖1 調制后BPSK信號波形示意

所提基于位置的PSK調制信號第k個符號t時刻的波形sk(t)可表示為

(2)

式中: hk(N,t)為N個時隙位置調制的開關函數,其表達式為

hk(N,t)= p(t-kNTs-nBkTs),

0≤n≤N-1,

(3)

Bk為信息比特流映射的用于調制脈沖位置的符號向量.N時隙的位置調制信號波形如圖2所示.

圖2 N時隙的位置調制信號波形示意

特別地,考慮深空通信中常用的BPSK調制,即φk∈{0,π},在保證其傳輸速率不變的前提下,采用時隙N=2的位置調制,則式(2)可寫為

(4)

圖3 基于位置的BPSK信號波形示意

2 調制解調系統設計

本章給出所提基于位置的PSK調制方法的發射機與接收機設計框圖,并對接收機的解調算法進行分析.

2.1 發射機設計

如圖4所示,首先根據N時隙的脈沖位置調制將輸入的信息比特流分組,并生成對應的位置信息Bk與相位信息φk,將它們分別調制后通過簡單的開關電路實現耦合,最后通過功放將調制后的信號放大并發送.

圖4 基于位置的PSK調制發射機設計

2.2 接收機設計

針對基于位置的PSK調制信號,接收端首先采用相干接收的方式恢復信息. 所收信號先與本地載波fc相乘后再經過低通濾波,接著通過定時采樣進行抽樣判決提取所攜帶的相位信息. 與傳統PSK相干解調器不同,所提接收機增加了位置信息提取的模塊,針對抽樣判決后恢復的相位信息進一步提取位置信息. 所提接收機設計框圖如圖5所示.

圖5 基于位置的PSK調制接收機設計

采用位置調制后的PSK信號會出現不連續的情況,如圖3所示,不利于載波恢復時鎖相環的相差跟蹤,可通過增加訓練序列的方式進行輔助鎖定[8].

3 誤碼率性能

所提基于位置的PSK調制將位置信息作為一個新的調制維度與傳統PSK調制相結合,在同等傳輸速率下,提高了PSK調制符號的發射功率,從而在接收端帶來更低的解調門限.

以圖3所示的基于時隙N=2的BPSK調制為例進行誤碼率分析. 當采用相干解調接收時,傳統BPSK調制的誤碼率可寫為[2]

(5)

式中: Eb為單位比特的能量(BPSK中有Es=Eb); n0為噪聲功率譜密度.

另一方面,加入N=2的位置信息后,每一個調制后的BPSK信號相當于攜帶2比特信息,與一個QPSK符號相當. 因此,所提方法的誤碼率Pb理論上與BPSK調制相同,并可被寫為

(6)

式中: Es=2Eb,即每一調制后BPSK的符號包含兩比特信息.

式(5)及式(6)的理論誤碼率表明,當加入位置維度的調制后,所調信號的誤碼率會有較大改善. 例如,在10-5誤碼率下所提方法較傳統BPSK調制信噪比改善約2.8dB. 因此在深空通信時,同等發射功率和誤碼性能指標下會帶來更遠的通信距離.

4 仿真結果

對所提基于位置的PSK調制方案的誤碼率(BitErrorRate,BER)性能進行仿真. 仿真所用參數見表1.

表1 仿真參數

結合深空通信的背景,仿真中傳輸信息的比特速率1/Ts為500kHz,載波頻率fc使用L頻段1.55GHz,采用時隙N=2的基于位置的BPSK調制. 接收機同步方案參照深空通信中常使用的自相關性能良好的PN序列[9]. 在實現幀同步與載波同步的同時,PN序列采用Gardner算法輔助進行接收機定時時鐘的恢復,以實現對位置信息的準確提取[8].

考慮到深空通信的信道特性,仿真信道主要采用加性高斯白噪聲(AdditiveWhiteGaussianNoise,AWGN)信道和變參加性高斯白噪聲(VariableParametersAdditiveWhiteGaussianNoise,VPAWGN)信道[10-11],其中多徑參數設為兩條,時延擴展為4μs,副徑與主徑功率差10dB. 仿真得到的不同信噪比下的系統誤碼曲線如圖6所示.

所提基于位置信息的BPSK調制較傳統BPSK調制在10-5誤碼率處的信噪比改善2.8dB,與理論分析相符. 所提系統與理論值存在約0.2dB的誤差,主要是由于非理想同步引起的定時誤差造成的. 在多徑信道中,10-5誤碼率處較AWGN信道下惡化4dB,但所提方法仍較傳統BPSK方法改善約2.5dB,可在深空通信環境中同等發射功率和誤碼性能下帶來更遠的傳輸距離.

圖6 不同信道下的BER性能曲線

需要注意的是:所提基于位置信息的PSK調制方法的傳輸效率在只有兩個時隙時和傳統BPSK相同;當有更多位置可選時,與PPM調制類似,在取得更好信息傳輸質量的同時,傳輸效率會逐漸降低[11].

5 結 論

隨著各國深空探測的距離越來越遠,傳統PSK調制結合相干解調的信息傳輸方式面臨著發端功率受限、收端解調門限高的挑戰. 本文結合遠距離光學通信中常用的位置調制,提出了一種基于位置信息的PSK調制方式. 與傳統PSK調制相比,該調制具有解調門限低的特點,同等發射功率和誤碼性能下,可為深空通信帶來更遠的傳輸距離.

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郝博 (1984-),男,陜西人,空間電子信息技術研究院(航天科技集團第五研究院西安分院)工程師,研究方向為空間通信與導航定位一體化設計、激光星間鏈路設計.

曹星雯 (1985-),女,陜西人,中國信息通信研究院工程師,研究方向為專用通信中的信息交換理論、應急通信中的信號調制與設計.

王登峰 (1979-),男,陜西人,空間電子信息技術研究院(航天科技集團第五研究院西安分院)高級工程師,研究方向為空間微波高精度測量.

王曉亮 (1981-),男,河南人,空間電子信息技術研究院(航天科技集團第五研究院西安分院)高級工程師,研究方向為深空導航與定位.

胡錦濤 (1983-),男,陜西人,空間電子信息技術研究院(航天科技集團第五研究院西安分院)工程師,研究方向為空間通信編碼理論.

A combined modulation method of position and phase information for deep space communication

HAO Bo1CAO Xingwen2WANG Dengfeng1WANG Xiaoliang1HU Jintao1

(1.AcademyofSpaceElectronicInformationTechnology,Xi’an710100,China; 2.ChinaAcademyofInformationandTelecommunicationResearch,Beijing100191,China)

With the increasing distance of human space exploration, the traditional information transmission mode of phase shift keying(PSK) modulation is faced with challenges such as the limited transmission power at the transmitter and the high demodulation threshold at the receiver. On the basis of the position modulation commonly used in long-distance optical communication, this paper proposes a PSK modulation method based on position information for deep space communication. Block diagrams of the transceiver realization are also presented. Both theoretical analysis and simulation results show that the proposed modulation method has the characteristics of low demodulation threshold compared with the traditional PSK modulation, which can bring about further transmission distance and better transmission quality for the deep space communication.

deep space communication; phase shift keying; pulse position modulation; low signal-to-noise ratio

10.13443/j.cjors.2015102001

2015-10-20

國家自然科學基金(No.91438107)

TN945+.4

A

1005-0388(2016)04-0720-05

張時生 (1984-),男,江西人,92038部隊助理工程師, 主要從事短波通信及對抗方面的研究工作.

郝博, 曹星雯, 王登峰, 等. 深空通信中結合位置與相位信息的調制方法[J]. 電波科學學報,2016,31(4):720-724.

HAO B, CAO X W, WANG D F, et al. A combined modulation method of position and phase information for deep space communication [J]. Chinese journal of radio science,2016,31(4):720-724.(in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015102001

聯系人： 郝博 E-mail: bo.hao@foxmail.com