一種提高星地?cái)?shù)據(jù)傳輸效率的調(diào)制方式

丁 丹，謝 晴

(航天工程大學(xué) 電子與光學(xué)工程系，北京 101416)

0 引言

當(dāng)前，衛(wèi)星與地面站之間的數(shù)據(jù)傳輸大多采用傳統(tǒng)QPSK體制，衛(wèi)星過境過程中數(shù)據(jù)速率保持恒定，星地?cái)?shù)傳速率根據(jù)最低仰角即最差信道條件進(jìn)行鏈路預(yù)算來設(shè)定，在衛(wèi)星過境高仰角區(qū)產(chǎn)生的鏈路功率余量未能得到充分利用。針對(duì)此問題，文獻(xiàn)[1-5]采用變速率傳輸策略，使得傳輸速率隨著仰角的升高而增加，提高了鏈路資源的利用率。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[6]將時(shí)域變速率策略與空域多路復(fù)用策略相結(jié)合，進(jìn)一步提升了單位時(shí)間內(nèi)的星地遙感數(shù)據(jù)傳輸容量。

上述文獻(xiàn)均是從傳輸策略著手，通過設(shè)計(jì)合理、高效的傳輸機(jī)制，從策略層的角度充分提高鏈路資源利用率。本文從調(diào)制方式[7-8]著手，設(shè)計(jì)具有較高功率效率和頻譜效率的信號(hào)波形，從物理層的角度著手提高鏈路功率利用率，提出一種新型的SOQPSK[8-9]調(diào)制方式，以提高星地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于信道功率、頻率均受限，星地?cái)?shù)據(jù)傳輸需采用兼具功率效率和頻譜效率的傳輸體制[10-13]，其核心是設(shè)計(jì)最小功率譜占有率的恒包絡(luò)、連續(xù)相位調(diào)制方式。SOQPSK是一種連續(xù)相位調(diào)制方式，消除了傳統(tǒng)遙感數(shù)傳中QPSK信號(hào)的180°相位翻轉(zhuǎn)。一方面，SOQPSK具有比常用的QPSK更低的帶外頻譜功率，對(duì)于單用戶傳輸場合而言，可用更低的功率傳輸相同的數(shù)據(jù)；對(duì)于多用戶傳輸場合而言，較低鄰道干擾有利于更徹底地消除多用戶間的干擾；另一方面，SOQPSK具有比QPSK更佳的恒包絡(luò)特性，非常適合在功率資源受限的非線性衛(wèi)星信道中傳輸，能夠更充分地發(fā)揮星上功率放大器的能力。本文在普通SOQPSK的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步提高功率效率和頻譜效率，將其用于星地?cái)?shù)據(jù)傳輸，如圖1所示。

SOQPSK是一種連續(xù)相位調(diào)制(Continuous Phase Modulation，CPM)方式，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中的相位表示為：

式中，αi為信息承載序列，為M進(jìn)制符號(hào)，對(duì)于SOQPSK調(diào)制來說M=3，即αi∈-1，0，1(αi=0表示相位不變，αi為1或-1表示相位增長或者減小)；Tb是αi符號(hào)周期，也是比特間隔；h為調(diào)制指數(shù)，在SOQPSK中置為1/2；q(t)為相位脈沖函數(shù)，其形式定義為：

式中，g(τ)為頻率脈沖，在[0，LTb]區(qū)間內(nèi)非零；L為SOQPSK波形的相位約束長度。

2 改進(jìn)的SOQPSK信號(hào)波形設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步降低SOQPSK信號(hào)帶外功率，本文對(duì)SOQPSK調(diào)制方式進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)型SOQPSK調(diào)制方式的頻率脈沖選為升余弦函數(shù)，其表達(dá)式為gt=nt×wt，其中，

式中，n(t)是滾降系數(shù)為ρ的升余弦函數(shù)，在時(shí)間軸上是無限的；升余弦窗w(t)將頻率脈沖限制在有限范圍之內(nèi)；A為歸一化參數(shù)，使得單個(gè)頻率脈沖引起的相位偏移為π/2。4個(gè)參數(shù)(T1，T2，B，ρ)根據(jù)不同的需要可有不同的賦值。3種SOQPSK改進(jìn)型的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 改進(jìn)型SOQPSK的參數(shù)設(shè)置

由于頻率脈沖為升余弦函數(shù)，因此，符號(hào)周期內(nèi)的相位變化不是線性的，且相位狀態(tài)受多個(gè)波形影響，因此無法像傳統(tǒng)SOQPSK那樣直觀描述相位狀態(tài)轉(zhuǎn)移情況；而正是由于這種非線性的相位變化，使得信號(hào)的帶外泄露更少，-30 dB以下的帶外性能得到明顯改善。

3 改進(jìn)SOQPSK解調(diào)方法

根據(jù)上述研究，改進(jìn)SOQPSK每個(gè)比特周期內(nèi)的波形均可對(duì)應(yīng)1個(gè)I路波形和1個(gè)Q路波形，2個(gè)分量各有8種波形(基本為4個(gè)波形)。因此，最佳接收機(jī)設(shè)計(jì)如圖2所示，即I路和Q路各4個(gè)匹配濾波器，每路濾波結(jié)果取正反2個(gè)值，最終獲得I路和Q路各對(duì)應(yīng)8個(gè)波形的匹配結(jié)果。

圖2 改進(jìn)SOQPSK的解調(diào)方法

這個(gè)結(jié)果與一對(duì)α值(αi，αi+1)相對(duì)應(yīng)，而這對(duì)α值與原始比特流的對(duì)應(yīng)關(guān)系則由傳統(tǒng)SOQPSK的狀態(tài)網(wǎng)格轉(zhuǎn)移圖確定。因此，從I路和Q路各對(duì)應(yīng)8個(gè)波形的匹配結(jié)果到最終恢復(fù)原始比特流的過程可由4狀態(tài)網(wǎng)格轉(zhuǎn)移圖的Viterbi譯碼完成。相比傳統(tǒng)SOQPSK，由于改進(jìn)型SOQPSK每個(gè)頻率脈沖在多個(gè)比特周期內(nèi)起作用，因此每個(gè)比特區(qū)間的波形為之前多個(gè)波形的時(shí)域疊加，因此要回溯多個(gè)周期波形進(jìn)行Viterbi網(wǎng)格譯碼，解調(diào)復(fù)雜度更高些。

4 仿真分析

4. 1 改進(jìn)SOQPSK調(diào)制波形分析

對(duì)傳統(tǒng)SOQPSK和改進(jìn)型SOQPSK進(jìn)行仿真對(duì)比分析，涉及的參數(shù)如表1所示。傳統(tǒng)SOQPSK和改進(jìn)SOQPSK的頻率脈沖波形如圖3所示，從圖3可以看出，在1 bit周期內(nèi)，傳統(tǒng)SOQPSK的頻率脈沖幅度保持不變，而在比特周期外其幅度為0；改進(jìn)SOQPSK的頻率脈沖波形則呈現(xiàn)升余弦的形狀，且在前后多個(gè)比特周期內(nèi)起作用。

圖3 頻率脈沖波形對(duì)比

當(dāng)加載比特信息時(shí)，傳統(tǒng)SOQPSK和改進(jìn)SOQPSK的瞬間頻率偏移如圖4所示，而其對(duì)應(yīng)的波形相位軌跡如圖5所示。

圖4 瞬時(shí)頻率偏移對(duì)比

圖5 相位變化軌跡對(duì)比

對(duì)比圖4和圖5，由于傳統(tǒng)SOQPSK的頻率脈沖幅度在一個(gè)比特周期內(nèi)保持不變，因此這期間對(duì)應(yīng)的相位變化是線性的。相比之下，改進(jìn)SOQPSK的頻率脈沖幅度在多個(gè)比特周期內(nèi)變化，因此這期間對(duì)應(yīng)的相位變化是非線性的，從而使相位軌跡顯得更加平滑。

圖6對(duì)比了傳統(tǒng)SOQPSK和改進(jìn)SOQPSK信號(hào)的功率譜密度。可以看出，傳統(tǒng)SOQPSK的功率譜密度在[-0. 5，0. 5]之外有較大的旁瓣，幅度超過-30 dB。相比之下，改進(jìn)SOQPSK信號(hào)的帶外頻譜功率大大降低，從而改善了帶外性能。究其原因，改進(jìn)SOQPSK信號(hào)的相位變化更為平緩，因而抑制了帶外泄露。

圖6 改進(jìn)SOQPSK與傳統(tǒng)SOQPSK功率譜密度對(duì)比

4. 2 改進(jìn)SOQPSK傳輸性能

首先分析AWGN信道下、無編碼的SOQPSK調(diào)制的BER性能，然后將其與QPSK進(jìn)行比較。對(duì)SOQPSK調(diào)制信號(hào)采用Viterbi解調(diào)時(shí)，解調(diào)性能與回溯深度有關(guān)。圖7顯示了回溯深度對(duì)改進(jìn)SOQPSK信號(hào)的BER性能的影響。從圖中可知，回溯深度為1(d=1)時(shí)系統(tǒng)性能很差，回溯深度越大(d越大)，BER性能越好。當(dāng)回溯深度為5時(shí)，BER性能幾乎達(dá)到了理論值。

圖7 SOQPSK解調(diào)性能與回溯深度的關(guān)系

圖8對(duì)比了3種調(diào)制方式的BER性能極限，分別是傳統(tǒng)SOQPSK、改進(jìn)SOQPSK和普通QPSK。從圖中可知，改進(jìn)SOQPSK的性能較傳統(tǒng)SOQPSK差0. 4 dB左右，較QPSK的性能惡化約0. 8 dB。說明改進(jìn)SOQPSK以較小的性能惡化代價(jià)換取了較大的頻譜和功率效率提升。

圖8 SOQPSK信號(hào)與QPSK信號(hào)的BER性能對(duì)比

5 結(jié)束語

改進(jìn)SOQPSK采用升余弦函數(shù)作為頻率脈沖，使得符號(hào)周期內(nèi)的相位變化呈非線性，進(jìn)一步壓制了帶外泄露，-30 dB以下的帶外性能得到明顯改善。對(duì)于單用戶點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸模式而言，改進(jìn)SOQPSK將信號(hào)功率集中在主瓣，降低了帶外功率損失，提高了功率利用率；對(duì)多用戶分頻傳輸模式而言，改進(jìn)SOQPSK帶外功率低，多用戶之間干擾降低，提升了整體傳輸效率。