寬帶衛(wèi)星IP 通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)研究

蔣 銳，舒康寧，楊國(guó)彬，徐 非，余 珂

（云南省氣象信息中心，云南 昆明 650034）

由于寬帶衛(wèi)星IP 通信具有非線性、頻帶限制和多種衰減效應(yīng)，所以采用適當(dāng)?shù)恼{(diào)頻和解調(diào)方法來(lái)克服上述問(wèn)題顯得尤為必要。文獻(xiàn)[1]提出了一種Chirp-BOK 分?jǐn)?shù)域解調(diào)方法。該方法通過(guò)尖峰搜索-分?jǐn)?shù)域的非相關(guān)解調(diào)法，將定頻數(shù)據(jù)采集技術(shù)推廣到了局部最優(yōu)。將編碼的同步誤差歸結(jié)為Chirp信號(hào)的頻位偏差，從而達(dá)到了分?jǐn)?shù)域解調(diào)；文獻(xiàn)[2]提出了基于射頻數(shù)字化解調(diào)方法，該方法從數(shù)字信道分割和高速解調(diào)兩個(gè)角度出發(fā)，對(duì)L 波段的RF 數(shù)字接收器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并在可編程門(mén)陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）上實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信道的分割與解調(diào)。使用這兩種方法受到非線性信道影響，收斂速度較慢。因此，從信道非線性角度出發(fā)，提出了寬帶衛(wèi)星IP 通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)。

1 基于I/Q偏置通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)字調(diào)制

在寬帶衛(wèi)星IP 通信網(wǎng)絡(luò)中，通信通道的非線性特性，使其具有高帶寬、高非線性特性，從而降低了誤比特率和頻譜利用率[3]。這種波段限制效應(yīng)主要表現(xiàn)為：對(duì)頻段中的頻率成分進(jìn)行壓制，使得脈沖邊緣平滑、展寬，從而產(chǎn)生碼間互擾。若中頻濾波器的中心頻率不均勻，則在正交型時(shí)會(huì)引起各信道之間的干擾。利用I/Q 偏壓進(jìn)行數(shù)字式調(diào)制，可以防止I/Q 的線路經(jīng)過(guò)零點(diǎn)（星座圖的中心）[4]。利用振幅和相位（向量）的極坐標(biāo)來(lái)表達(dá)已調(diào)制的信號(hào)，因?yàn)槠渚哂懈叩念l譜利用率，因此被普遍應(yīng)用于數(shù)字通信。I/Q 調(diào)制采用了兩個(gè)載波，一個(gè)是同相（I）成分，另一個(gè)是具有90°相位偏置的正交型（Q）成分。I/Q最大的優(yōu)勢(shì)就是能輕易地將單一的信號(hào)組成一個(gè)復(fù)雜的組合信號(hào)形式，并將其分解成不同的信號(hào)。

在I/Q 曲線上，向量的改變可以用振幅、相位、頻率或這些指數(shù)結(jié)合來(lái)表示。這種振幅和相位的改變導(dǎo)致了各種調(diào)制方式的改變[5]。因?yàn)閿?shù)據(jù)是以二進(jìn)制傳送的，所以在星座圖上的點(diǎn)一定是2 的次方。星座圖表示正交振幅調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）的形式中有用的標(biāo)記，例如16-QAM，每個(gè)符號(hào)都表示四個(gè)二進(jìn)制的一種可能的結(jié)合。16-QAM 符號(hào)星座圖如圖1 所示。

圖1 16-QAM符號(hào)星座圖

對(duì)于解調(diào)星座點(diǎn)判決變量?i，可表示為：

式中，s表示判決星座點(diǎn)和接收星座點(diǎn)之間的歐氏距離；xi表示第i個(gè)星座點(diǎn)[6]。

在高速通信信號(hào)傳輸過(guò)程中，通過(guò)16-QAM 符號(hào)星座圖調(diào)制實(shí)現(xiàn)高速通信信號(hào)傳輸。為了使調(diào)制信號(hào)具有恒包絡(luò)特性[7-9]，接收端接收到判決信號(hào)后，分別與各路正交脈沖進(jìn)行運(yùn)算，獲取星座圖向量s，并將其與逆映射矩陣相乘，得到行向量：

式中，D表示逆映射矩陣[10]。從中選擇最大的行向量對(duì)應(yīng)星座圖向量，通過(guò)D獲取多進(jìn)制調(diào)制信號(hào)。

2 非線性通信信道數(shù)字解調(diào)技術(shù)

2.1 數(shù)字解調(diào)方案設(shè)計(jì)

調(diào)制碼元在高斯通道上傳送過(guò)程中，碼元的振幅與相位都存在一定的干擾。為了實(shí)現(xiàn)非線性通信信道數(shù)字解調(diào)，在按照通信原理基礎(chǔ)上采用LLR 算法來(lái)求解各接收碼元中各位元的對(duì)數(shù)似然比，而各接收到碼元?dú)w屬相應(yīng)的碼元概率如下：

式中，B表示接收方的碼元比特值；ci表示按星座圖分布的二元數(shù)列[11]；λ表示調(diào)制方差。設(shè)Fi=|B-ci|，那么經(jīng)過(guò)高斯信道傳輸后相應(yīng)的星座概率圖位對(duì)應(yīng)的對(duì)數(shù)似然比為：

式中，z0、z1分別表示16-QAM 符號(hào)星座坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制序列和8-QAM 符號(hào)星座坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制序列[12]。由于采用對(duì)數(shù)算法復(fù)雜度較高，所以為了避免計(jì)算每個(gè)比特對(duì)數(shù)似然值中的對(duì)數(shù)，對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。

在發(fā)射信號(hào)通過(guò)非線性功放時(shí)，會(huì)造成振幅畸變和相位畸變，尤其是星座圖調(diào)制時(shí)，會(huì)造成星座圖形的移動(dòng)和擴(kuò)散，嚴(yán)重地影響了接收端的判斷準(zhǔn)確性[13-14]。通過(guò)對(duì)信號(hào)的分析，提出了基于通道特征的解調(diào)方法，并采用改進(jìn)的星座圖進(jìn)行解調(diào)。

將調(diào)制信號(hào)z()t作為輸入信號(hào)，輸出信號(hào)可表示為：

式中，φi表示第i個(gè)無(wú)記憶多項(xiàng)式系數(shù)，t表示采樣周期。將估計(jì)信號(hào)序列經(jīng)過(guò)該公式后，可得到接收星座圖的星座點(diǎn)坐標(biāo)[15]。根據(jù)獲取的坐標(biāo)，可得到通信信道參數(shù)估計(jì)模型：

式中，qE表示星座圖向量矩陣；J表示待估計(jì)信道參數(shù)向量；σ表示高斯白噪聲經(jīng)過(guò)相關(guān)器后輸出的向量。使用最小二乘法估計(jì)信道參數(shù)向量J，由此得到的估計(jì)值為：

通信接收端接收到信道參數(shù)估計(jì)值后，及時(shí)修正原星座點(diǎn)集，獲取新的星座點(diǎn)，并將修正的星座圖進(jìn)行解調(diào)，能夠有效抵消信道非線性失真問(wèn)題。

2.2 四相移相鍵控解調(diào)差分檢測(cè)

寬帶衛(wèi)星IP 通信網(wǎng)絡(luò)輸出的信號(hào)，在任一個(gè)碼元寬度可表示為：

式中，VB表示碼元速率；N表示符號(hào)進(jìn)制數(shù)。該式在符號(hào)變換的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)90°或180°的突跳，造成了錯(cuò)誤速率的增加。尤其是寬帶衛(wèi)星IP 通信信道中受到多路徑傳播和屏蔽影響，錯(cuò)誤更加明顯。為了克服該問(wèn)題，使用了四相移相鍵控解調(diào)差分檢測(cè)方法，修正信號(hào)幅頻。

四相移相鍵控QPSK 的載波相位取值存在四種不同的數(shù)值。對(duì)于交錯(cuò)正交移相鍵控QPSK 的重要控制方式[16]，同相與正交兩個(gè)數(shù)據(jù)流，能夠通過(guò)時(shí)間流錯(cuò)開(kāi)獲取一個(gè)碼元間隔，通信數(shù)據(jù)流時(shí)間關(guān)系如圖2 所示。

圖2 通信數(shù)據(jù)流時(shí)間關(guān)系

經(jīng)過(guò)硬限幅后，在不加頻率成分情況下，信號(hào)頻譜中的低頻成分有輕微增大，并沒(méi)有去除濾波器帶寬限制，但是主脈沖的帶寬卻基本恢復(fù)到了濾波之前水平，從而達(dá)到了更平穩(wěn)的通信效果[17-18]。

3 解調(diào)性能實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證所提出寬帶衛(wèi)星IP 通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)的合理性，設(shè)計(jì)了解調(diào)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在不同信道環(huán)境下，將所提技術(shù)與文獻(xiàn)[1]Chirp-BOK 分?jǐn)?shù)域解調(diào)方法、文獻(xiàn)[2]射頻數(shù)字化解調(diào)方法解調(diào)性能進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 通信信道配置

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，配置了慢速、快速兩個(gè)通信信道，其中慢速通信信道主要用于傳輸非緊急的信息，快速通信信道主要用于傳輸十分緊急的信息。

1）慢速通信信道

對(duì)于慢速通信信道配置，采用的是預(yù)分配策略，通過(guò)空閑信道制定分配。慢速通信信道信號(hào)變化情況如圖3 所示。

圖3 慢速通信信道信號(hào)特性

由圖3 可知，慢速通信信道幅頻特性不會(huì)是一條直線，此時(shí)信道通過(guò)慢速通信信道產(chǎn)生失真現(xiàn)象，在1.5～2.5 Hz 幅頻時(shí)失真效果最差。

2）快速通信信道

對(duì)于快速通信信道配置，采用的是及早分配策略，根據(jù)業(yè)務(wù)的突發(fā)狀況，將信道資源進(jìn)行分配，以確保在合理的條件下進(jìn)行信道負(fù)荷分?jǐn)偂？焖偻ㄐ判诺佬盘?hào)變化情況如圖4 所示。

圖4 快速通信信道信號(hào)特性

由圖4 可知，快速通信信道幅頻特性不會(huì)是一條直線，此時(shí)信道通過(guò)快速通信信道產(chǎn)生失真現(xiàn)象，在0.7～1.1 Hz 幅頻時(shí)失真效果最差。

3.2 失真信號(hào)處理

分別使用Chirp-BOK 分?jǐn)?shù)域解調(diào)方法、射頻數(shù)字化解調(diào)方法和數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)對(duì)失真信號(hào)處理，處理結(jié)果如圖5 所示。

圖5 失真信號(hào)處理結(jié)果

由圖5（a）可知，使用Chirp-BOK 分?jǐn)?shù)域解調(diào)方法、射頻數(shù)字化解調(diào)方法在1.5～2.5 Hz 幅頻時(shí)出現(xiàn)不明顯失真效果，且信道信號(hào)曲線沒(méi)有趨于一條直線。使用數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)通過(guò)合理解調(diào)，使得信道信號(hào)曲線趨于一條直線。由圖5（b）可知，使用Chirp-BOK 分?jǐn)?shù)域解調(diào)方法、射頻數(shù)字化解調(diào)方法，雖然曲線波動(dòng)幅度相對(duì)之前較小，但是仍然沒(méi)有合理處理失真信號(hào)，達(dá)不到頻域均衡的目的。使用數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)通過(guò)合理解調(diào)，使得信道信號(hào)曲線趨于一條直線，達(dá)到頻域均衡的目的。

3.3 誤碼率實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

使用三種方法在不同信噪比下分析解調(diào)過(guò)程中的寬帶衛(wèi)星IP 通信誤碼率，對(duì)比結(jié)果如圖6 所示。

圖6 不同方法誤碼率實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由圖6 可知，隨著信噪比增加，三種方法誤碼率均處于下降趨勢(shì)，其中數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)誤碼率最低數(shù)值為10-5B，而其余兩種方法誤碼率均大于該值，說(shuō)明使用所研究技術(shù)通信信號(hào)誤碼率較低。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)衛(wèi)星與通信系統(tǒng)相互融入后，受到非線性通信信道影響，導(dǎo)致寬帶衛(wèi)星IP 通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)解調(diào)效果不佳。為此，提出了寬帶衛(wèi)星IP 通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)研究方法。該方法應(yīng)用星座圖向量方法減少了解調(diào)過(guò)程的時(shí)間復(fù)雜度，具有更高的實(shí)現(xiàn)效率。采用改進(jìn)的星座圖解調(diào)法對(duì)多維星座圖中的非線性畸變有很大的抑制作用，為了實(shí)現(xiàn)更大范圍的寬帶、高速衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。