一種提高星地數據傳輸效率的調制方式

丁 丹，謝 晴

(航天工程大學 電子與光學工程系，北京 101416)

0 引言

當前，衛星與地面站之間的數據傳輸大多采用傳統QPSK體制，衛星過境過程中數據速率保持恒定，星地數傳速率根據最低仰角即最差信道條件進行鏈路預算來設定，在衛星過境高仰角區產生的鏈路功率余量未能得到充分利用。針對此問題，文獻[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。在此基礎上，文獻[6]將時域變速率策略與空域多路復用策略相結合，進一步提升了單位時間內的星地遙感數據傳輸容量。

上述文獻均是從傳輸策略著手，通過設計合理、高效的傳輸機制，從策略層的角度充分提高鏈路資源利用率。本文從調制方式[7-8]著手，設計具有較高功率效率和頻譜效率的信號波形，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]調制方式，以提高星地數據傳輸的效率。

1 系統設計

由于信道功率、頻率均受限，星地數據傳輸需采用兼具功率效率和頻譜效率的傳輸體制[10-13]，其核心是設計最小功率譜占有率的恒包絡、連續相位調制方式。SOQPSK是一種連續相位調制方式，消除了傳統遙感數傳中QPSK信號的180°相位翻轉。一方面，SOQPSK具有比常用的QPSK更低的帶外頻譜功率，對于單用戶傳輸場合而言，可用更低的功率傳輸相同的數據；對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更佳的恒包絡特性，非常適合在功率資源受限的非線性衛星信道中傳輸，能夠更充分地發揮星上功率放大器的能力。本文在普通SOQPSK的基礎上進行改進，進一步提高功率效率和頻譜效率，將其用于星地數據傳輸，如圖1所示。

SOQPSK是一種連續相位調制(Continuous Phase Modulation，CPM)方式，其數學表達式為：

其中的相位表示為：

式中，αi為信息承載序列，為M進制符號，對于SOQPSK調制來說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符號周期，也是比特間隔；h為調制指數，在SOQPSK中置為1/2；q(t)為相位脈沖函數，其形式定義為：

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

2 改進的SOQPSK信號波形設計

為了進一步降低SOQPSK信號帶外功率，本文對SOQPSK調制方式進行改進。改進型SOQPSK調制方式的頻率脈沖選為升余弦函數，其表達式為gt=nt×wt，其中，

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

表1 改進型SOQPSK的參數設置

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

3 改進SOQPSK解調方法

根據上述研究，改進SOQPSK每個比特周期內的波形均可對應1個I路波形和1個Q路波形，2個分量各有8種波形(基本為4個波形)。因此，最佳接收機設計如圖2所示，即I路和Q路各4個匹配濾波器，每路濾波結果取正反2個值，最終獲得I路和Q路各對應8個波形的匹配結果。

圖2 改進SOQPSK的解調方法

這個結果與一對α值(αi，αi+1)相對應，而這對α值與原始比特流的對應關系則由傳統SOQPSK的狀態網格轉移圖確定。因此，從I路和Q路各對應8個波形的匹配結果到最終恢復原始比特流的過程可由4狀態網格轉移圖的Viterbi譯碼完成。相比傳統SOQPSK，由于改進型SOQPSK每個頻率脈沖在多個比特周期內起作用，因此每個比特區間的波形為之前多個波形的時域疊加，因此要回溯多個周期波形進行Viterbi網格譯碼，解調復雜度更高些。

4 仿真分析

4. 1 改進SOQPSK調制波形分析

對傳統SOQPSK和改進型SOQPSK進行仿真對比分析，涉及的參數如表1所示。傳統SOQPSK和改進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，傳統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SOQPSK的頻率脈沖波形則呈現升余弦的形狀，且在前后多個比特周期內起作用。

圖3 頻率脈沖波形對比

當加載比特信息時，傳統SOQPSK和改進SOQPSK的瞬間頻率偏移如圖4所示，而其對應的波形相位軌跡如圖5所示。

圖4 瞬時頻率偏移對比

圖5 相位變化軌跡對比

對比圖4和圖5，由于傳統SOQPSK的頻率脈沖幅度在一個比特周期內保持不變，因此這期間對應的相位變化是線性的。相比之下，改進SOQPSK的頻率脈沖幅度在多個比特周期內變化，因此這期間對應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對比了傳統SOQPSK和改進SOQPSK信號的功率譜密度。可以看出，傳統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SOQPSK信號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SOQPSK信號的相位變化更為平緩，因而抑制了帶外泄露。

圖6 改進SOQPSK與傳統SOQPSK功率譜密度對比

4. 2 改進SOQPSK傳輸性能

首先分析AWGN信道下、無編碼的SOQPSK調制的BER性能，然后將其與QPSK進行比較。對SOQPSK調制信號采用Viterbi解調時，解調性能與回溯深度有關。圖7顯示了回溯深度對改進SOQPSK信號的BER性能的影響。從圖中可知，回溯深度為1(d=1)時系統性能很差，回溯深度越大(d越大)，BER性能越好。當回溯深度為5時，BER性能幾乎達到了理論值。

圖7 SOQPSK解調性能與回溯深度的關系

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

圖8 SOQPSK信號與QPSK信號的BER性能對比

5 結束語

改進SOQPSK采用升余弦函數作為頻率脈沖，使得符號周期內的相位變化呈非線性，進一步壓制了帶外泄露，-30 dB以下的帶外性能得到明顯改善。對于單用戶點對點傳輸模式而言，改進SOQPSK將信號功率集中在主瓣，降低了帶外功率損失，提高了功率利用率；對多用戶分頻傳輸模式而言，改進SOQPSK帶外功率低，多用戶之間干擾降低，提升了整體傳輸效率。