衛(wèi)星通信中的高階調(diào)制技術(shù)研究

張曼倩，劉 健，楊 博，鄒光南

（航天恒星科技有限公司 北京 100086）

衛(wèi)星通信系統(tǒng)對地面通信系統(tǒng)有著補充的作用，在一些緊急的災(zāi)害、戰(zhàn)爭情況下尤為重要。衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)在過去的十年里與地面移動通信系統(tǒng)共同發(fā)展，已有顯著的進步。GMR-1系列協(xié)議和DVB系列協(xié)議是衛(wèi)星通信領(lǐng)域比較成熟的兩個協(xié)議，它們隨著地面通信系統(tǒng)的演進分別發(fā)布了新版本，如GMR-1由早期的GMR-1 Release1[1]發(fā)展到GMR-1 Release2[2]和 GMR-1 Release3[3]，而 DVB[4]協(xié) 議 也 發(fā) 展 到DVB-S2[5]和 DVB-RCS2[6]。

由于衛(wèi)星傳輸信道的頻帶資源總是有限的，因此提高傳輸效率是衛(wèi)星通信系統(tǒng)所追求的最重要的指標之一。多進制數(shù)字調(diào)制是高階調(diào)制技術(shù)，但其抗加性噪聲能力不及二進制數(shù)字調(diào)制，且隨著進制數(shù)增大，誤碼率上升，所以衛(wèi)星通信實際應(yīng)用中多用四相和八相調(diào)制。但是，隨著接收機性能愈趨穩(wěn)定，設(shè)備復(fù)雜性問題迎刃而解，高階調(diào)制技術(shù)大力發(fā)展起來，如MQAM、MPSK以及MAPSK等。

本文首先對GMR-1和DVB最新版本協(xié)議中的高階調(diào)制技術(shù)進行總結(jié)，然后研究了衛(wèi)星衰落信道模型，最后基于MATLAB平臺仿真了各高階調(diào)制技術(shù)在萊斯信道和高斯白噪信道下的誤碼率性能曲線，通過對仿真結(jié)果的對比分析，可得到高階調(diào)制信號在誤碼率性能及受信道衰落影響方面的相關(guān)結(jié)論。

1 衛(wèi)星通信協(xié)議高階調(diào)制技術(shù)

目前大多數(shù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)仍然采用的是QPSK調(diào)制方式。世界上的一些國際衛(wèi)星通信系統(tǒng)、地區(qū)衛(wèi)星通信系統(tǒng)、軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng)以及一些低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)都采用的是調(diào)制方式為QPSK，GMR-1 Release1和第一代衛(wèi)星數(shù)字廣播標準DVB-S中采用的也是QPSK的調(diào)制方式。然而為了支持大容量的視頻和互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)、進一步提高寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的頻帶利用率、增加系統(tǒng)容量，新版的衛(wèi)星通信協(xié)議中提出了各種高階的調(diào)制方式，并已在一些衛(wèi)星系統(tǒng)中得到應(yīng)用，例如加拿大Telesat電信衛(wèi)星使用了8PSK傳輸電視信號，海事衛(wèi)星Inmarsat BGAN系統(tǒng)使用了16APSK的調(diào)制方式。

GMR-1 3G標準支持多種調(diào)制方式，使系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前鏈路情況靈活調(diào)整無線資源分配，進一步提高通信速率和系統(tǒng)容量，并為高速率的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道新增了16APSK和32APSK的調(diào)制方式。DVB-S2標準推薦使用8PSK、16APSK和 32APSK調(diào)制方式，DVB-RCS2標準推薦使用 8PSK、16QAM，并沿用了DVB-S2中的16APSK和32APSK。

綜上 ，GMR-1 3G、DVB-S2、DVB-RCS2、BGAN 等都采用了MQAM、MAPSK的調(diào)制技術(shù)，對應(yīng)的進制數(shù)M的取值通常是16和32。下面分別對QAM和APSK的調(diào)制原理進行描述。

1.1QAM調(diào)制方式

QAM被稱為正交幅度調(diào)制，是由兩個正交載波的多電平振幅鍵控信號疊加而成的。以16QAM為例，信號波形的二維矢量表示為：

式中，aic和ais是一組相互獨立的離散電平的集合。

矩形QAM星座具有實現(xiàn)簡單的特點，其星座映射如圖1所示。MQAM調(diào)制方式可以提高頻率利用率，且在相同進制、相同平均發(fā)射功率條件下，MQAM比MPSK的誤碼率更低。但在衛(wèi)星信道環(huán)境下，由于MQAM是矩形星座，信號具有多個幅度，在通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器時，功率效益不高，且存在著對飽和狀態(tài)放大器引起的非線性失真非常敏感的問題。特別在衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，由于終端-衛(wèi)星相對移動產(chǎn)生較大的多普勒效應(yīng)，通常不建議QAM調(diào)制方式，而通常使用QPSK或APSK調(diào)制方式。

圖1 16-QAM星座映射圖Fig.1 16-QAM constellation mapping

1.2 APSK調(diào)制方式

APSK是一種利用載波幅度和相位同時承載信息的混合調(diào)制方式。APSK是QAM和PSK之間一個很好的折衷，其誤碼性能接近QAM，抗非線性性能接近PSK，非常適合于衛(wèi)星信道。

已有文獻中的APSK星座結(jié)構(gòu)有很多，但DVB-S2和GMR-1 3G標準中，16APSK星座選擇4+12型結(jié)構(gòu)，32APSK星座選擇4+12+16型結(jié)構(gòu)，主要原因是這兩種星座可以提高功率效率，而頻譜效率接近16QAM和32QAM，比較容易實現(xiàn)信號的調(diào)制與解調(diào)。另外，APSK不像一般的其他星座那樣固定不變，而是針對不同的頻譜效率有不同的相對半徑，實際需要從歐氏距離最小化、信道容量最大化來考慮相對半徑與相對相位的選擇[8]。

圖2顯示了4-12型的16-APSK調(diào)制信號的星座，該星座圖由2個同心圓組成，每個圓上等間隔均勻分布PSK星座點。

信號星座點的表達式為：

圖2 16-APSK星座映射圖Fig.2 16-APSK constellation mapping

其中，r1、r2是指內(nèi)圓和外圓的半徑，θ1、θ2是指內(nèi)外兩個圓上星座點的初相。

32APSK與16APSK調(diào)制類似，由3個同心圓組成，4-12-16型的32APSK星座如圖3所示。

圖3 32-APSK星座映射圖Fig.3 32-APSK constellation mapping

GMR-1 3G[9]和 DVB-S2[5]分別針對自身系統(tǒng)定義了16APSK和32APSK的相對半徑和相對相位，分別如表1、表2和表3所示。DVB-S2中的APSK相對半徑參數(shù)值是基于頻譜效率和編碼效率的變化而變化。

表1 GMR-1 3G中APSK調(diào)制參數(shù)Tab.1 APSK modulation parameters of GMR-1 3G

表2 DVB-S2中16-APSK調(diào)制參數(shù)Tab.2 16-APSK modulation parameters of DVB-S2

由于衛(wèi)星信道中HPA非線性的存在，衛(wèi)星信道的調(diào)制星座需要盡量減少信號幅度的起伏。因此，星座形狀呈圓形、圓周個數(shù)少的APSK成為極具潛力的一種調(diào)制方式。APSK比QAM更適于在衛(wèi)星信道上實現(xiàn)變速率調(diào)制，很適合衛(wèi)星信道特點以及業(yè)務(wù)的需要。

表3 DVB-S2中32APSK調(diào)制參數(shù)Tab.3 32-APSK modulation parameters of DVB-S2

2 衛(wèi)星信道模型

衛(wèi)星信道下，用戶接收到的信號中包含直射成分和多徑成分，多徑成分的相關(guān)累加和具有等強度和隨機相位的特征。GMR-1協(xié)議的附錄[1]中給出了衛(wèi)星信道模型，如圖4所示。

將輸入信號乘以一個固定的增益，再乘以一個復(fù)雜的瑞利（Rayleigh）衰落增益，構(gòu)成信號路徑的多徑成分。多徑成分與信號直射成分相加形成一個萊斯（Rician）衰落信號。噪聲樣本用于產(chǎn)生所需的，再加到萊斯衰落信號上。需要注意多徑成分功率參與每比特能量的計算過程，并決定了噪聲樣本的功率大小。

圖4 衛(wèi)星信道模型Fig.4 Satellite channel model

輸入信號的直射成分與多徑成分的功率之比即萊斯衰落因子。多徑成分的相關(guān)累加和具有等強度和隨機相位的特征，可以得到Rayleigh衰落過程的經(jīng)典多普勒頻譜，再與直射成分相加構(gòu)成萊斯衰落。萊斯衰落的頻譜以線性值表示（不以dB為單位），表示式如下，衰落因子由下式得到：

其中，信號總功率是1+1/K，直射成分功率是1。

Rayleigh衰落生成器基于Jake模型，整體上看是多個正弦波的疊加，以模擬接收機來自不同方向的多普勒頻移的散射效應(yīng)。

Rician衰落信號的幅度r（t）服從 Rician分布，相位服從（0.2π）的均勻分布。

其中，K為Rician因子，即直射分量功率與多徑分量功率之比指主信號幅度的峰值，接收信號的包絡(luò)r（t）的概率密度函數(shù)分布隨K的變化而不同。信道的衰落特性隨K的不同而變化，當(dāng)K=0時，Rician分布轉(zhuǎn)化為Raileigh分布。

3 仿真分析

仿真采用蒙特卡羅方法，在每一種信噪比時循環(huán)計算10 000包數(shù)據(jù)的誤比特數(shù)并統(tǒng)計。

1）AWGN信道各調(diào)制信號的誤碼率曲線對比

圖 5顯示了 8PSK、16QAM、16APSK、32APSK 調(diào)制信號在AWGN信道下的SNR-BER曲線。

觀察可知：

①在同樣的信噪比條件下，星座點數(shù)最少的8PSK誤碼率最小，星座點數(shù)最多的32APSK誤碼率最大；

②16QAM與16APSK曲線近似重合，證明了APSK的誤碼率性能接近QAM的特點。

圖5 各調(diào)制信號在AWGN信道下的誤碼率曲線Fig.5 The BER curve of modulation signals under AWGN channel

2）Rician-K信道各調(diào)制信號的誤碼率曲線對比

圖 6顯示了 8PSK、16QAM、16APSK、32APSK 調(diào)制信號在Rician-K（K=5）信道下的SNR-BER曲線。

觀察并與圖5對比可知：

①整體的誤碼率性能與AWGN信道基本一致；

②8PSK信號的誤碼率性能受Rician信道影響最小，而32APSK信號的誤碼率性能受Rician信道影響最大，如誤碼率為10-4時所需的SNR比AWGN信道惡化了3 dB；

③16APSK的誤碼率性能仍然接近16QAM，兩者性能之差略大于AWGN信道條件。

3）Rician-K信道衰落因子K值分析

圖7和圖8分別顯示了16QAM信號和16APSK信號在不同K值的Rician-K信道下的誤碼率曲線，并給出了AWGN信道誤碼率曲線作為參照。

觀察可得：

①衰落因子K值越小，多徑干擾越大，會導(dǎo)致誤碼率性能降低；

②相同的信噪比條件下，隨著K值的增加，Rician信道誤碼率逐漸向AWGN信道誤碼率逼近；

圖6 各調(diào)制信號在Rician-K信道下的誤碼率曲線Fig.6 The BER curve of modulation signals under Rician-K channel

圖7 不同K值下的16-QAM誤碼率曲線Fig.7 The BER curve of 16-QAM signal under Rician-K channel（different K values）

圖8 不同K值下的16APSK誤碼率曲線Fig.8 The BER curve of 16-APSK signal under Rician-K channel（different K values）

③K值較低時，16QAM信號比16APSK信號更容易受到多徑干擾；

④隨著信噪比的升高，Rician信道與AWGN信道的誤碼率性能差異越來越大，因此算法仿真中衛(wèi)星信道不能簡單的采用AWGN信道進行模擬，需要結(jié)合實際分析。

4 結(jié)束語

文中針對衛(wèi)星通信系統(tǒng)物理層的高階調(diào)制技術(shù)進行了研究，總結(jié)了GMR-1 3G和DVB-S2/RCS2中所建議的調(diào)制策略，分析了16QAM、16APSK、32APSK的調(diào)制原理，通過MATLAB仿真得到了各調(diào)制信號的誤碼率性能，仿真結(jié)果顯示了進制數(shù)的增加和衛(wèi)星衰落信道都會對高階調(diào)制技術(shù)的誤碼率性能造成一定程度的影響。

隨著衛(wèi)星通信系統(tǒng)的終端設(shè)備處理能力的提升，如改善濾波器性能使帶外噪聲降低，提高晶振精度使時鐘頻率更加精確，為衛(wèi)星通信系統(tǒng)在硬件實現(xiàn)方面提供了客觀條件。另外，通過對衛(wèi)星通信系統(tǒng)的編碼、信道均衡等環(huán)節(jié)中的算法進行改進，也可以提升整個通信系統(tǒng)的誤碼率性能，從而使系統(tǒng)既有較高的帶寬利用率又有較優(yōu)的誤碼率性能。因此，高階調(diào)制技術(shù)將是未來衛(wèi)星通信極具潛力的研究方向。

[1]ETSI， TS 101 376 V1， GEO-Mobile Radio Interface Specifications（Release 1） [S].2005.

[2]ETSI， TS 101 376 V2， GEO-Mobile Radio Interface Specifications（Release 2） [S].2005.

[3]ETSI， TS 101 376 V3，GEO-Mobile Radio Interface Specifications（Release 3） [S].2011.

[4]ETSI， EN 301 790 V1，4，1， Digital Video Broadcasting（DVB）； Interaction channel for satellite distribution systems[S].2005.

[5]ETSI， EN 302 307 V1，2，1， Digital Video Broadcasting（DVB）；Second generation framing structure， channel coding and modulation systems for Broadcasting，Interactive Services，News Gathering and other broadband satellite applications （DVB-S2）[S].2009.

[6]ETSI， DigitalVideo Broadcasting （DVB）； Second Generation DVB Interactive Satellite System （DVB-RCS2）[S].2013.

[7]ETSI， EN 302 583 V1，1，1，Digital Video Broadcasting（DVB）； Framing structure， channel coding and modulation for Satellite services to handheld devices （SH）below 3GHz[S].2007.

[8]劉志新，雷菁，雍玲．衛(wèi)星信道中APSK星座的優(yōu)化設(shè)計[J]．上海航天，2006（5）：33-37．LIU Zhi-xin，LEI Jing，YONG Ling.Optimal design of APSK constellation for satellite channel[J].Aerospace Shanghai，2006（5）：33-37.

[9]ETSI， TS 101 376-5-4 V3，2，1，GEO-Mobile Radio Interface Specifications （Release 3）； Third Generation Satellite Packet Radio Service；Part 5:Radio interface physical layer specifications； Sub-part 4:Modulation；GMR-1 3G 45，004[S].2011.