一種衛星數傳通信頻譜異常分析*

江　潔,陳　劼,鐘　鳴

(上海航天電子技術研究所，上海 201109)

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一種衛星數傳通信頻譜異常分析*

江潔,陳劼,鐘鳴

(上海航天電子技術研究所，上海 201109)

修回日期：2015-06-11Received date:2015-03-03；Revised date：2015-06-11

摘要：優秀的數傳通信鏈路設計應該能夠適應各種情況下的數據傳輸，某衛星數傳分系統在設計初期，發現調制后的頻譜異常，分析了特殊情況下數據流設計對偏移正交相移鍵控(OQPSK)調制信號的影響，找出了衛星數傳鏈路頻譜異常的原因。重點分析特殊情況下的輸入數據和數據基帶處理中組幀加擾方式對OQPSK調制信號星座圖和頻譜產生的影響，提出適合數傳通信鏈路設計的建議。

關鍵詞：數據流設計；頻譜變形；OQPSK調制

0引言

由于電波主要是在自由空間傳播，信道參數比較穩定，信道的主要干擾是加性高斯白噪聲。在這樣的恒參信道中，采用相移鍵控(PSK)調制方式可以獲得最佳的接收性能，而且能有效利用衛星頻帶，偏移正交相移鍵控(Offset Quadrature Phase Shift Keying,OQPSK)是一種恒包絡調制技術，其頻譜特性好，具有非常高的頻譜利用率和功率利用率，目前已經成為衛星數據多通道并行下傳方案中的主要調制方式之一。

某衛星數傳分系統在設計初期的測試中，發現OQPSK調制后頻譜測試發生畸變，畸變頻譜與典型調制頻譜相比，信號主包絡在固定位置出現明顯的凹陷，目前工程中多采用增加擾碼長度選取特定碼片來臨時解決此問題，且沒有相關文獻對此現象進行研究。本文針對該畸變原因進行分析和研究，并給出適合數傳通信鏈路設計的建議。目前尚無文獻對此類現象進行研究。

1OQPSK調制異常現象

數傳系統主要完成星上各載荷遙感數據的接收、格式化編排、數據復接、加擾、數據存儲、調制、放大、濾波等處理后通過天線下傳信號。

圖1數傳鏈路模型

幀格式如圖2[1]所示。載荷數據進入數傳系統后首先對數據進行復接和組幀，按照圖2中的幀格式要求進行數據編碼處理。數據編碼處理并不改變VCDU數據單元里的數據，只是生成了編碼校驗符。同時，為了避免數據出現全“0”、全“1”長碼，數據處理器要求對復接后的數據進行加擾，其方法是使數據幀除幀頭之外的每一位與一個標準的偽隨機序列相異或。在接收端，同一序列與所接收的數據幀異或，以去除隨機圖型，恢復原數據。

圖2數傳幀格式

如圖1所示，載荷數據經過數據處理后送往調制發射，各接口數據關系如圖3所示。

圖3　IQ分路加擾幀格式

IQ分路組幀是近年來國內新采用的一種數據處理方式，載荷數據送入數據處理器后，針對調制器的輸入數據流為兩路(I路、Q路)的特點，對這兩路數據流分別進行組幀、加擾。其特點是I、Q兩路數據具有獨立性，信號解調后，可以對其中一路數據直接進行相關分析和使用。

調制后的信號頻譜在信號主包絡在固定位置出現明顯的凹陷，信道帶寬112.5MHz，頻譜圖如圖4所示：

圖4OQPSK調制后畸變頻譜圖

2頻譜畸變原因分析

2.1OQPSK調制模型

OQPSK調制的原理框圖如圖4[2]所示：

圖5　OQPSK調制器原理框圖

圖中延遲Ts/2電路為了保證I、Q兩個支路碼元偏移半個碼元周期。低通濾波器(LPF)的作用是對基帶信號進行限帶處理，帶通濾波器(BPF)的作用是形成OQPSK信號的頻譜形狀，保持包絡恒定。

OQPSK信號可表示為：

fOQPSK(t)=I(t)cos(ωct)+Q(t)sin(ωct)

(1)

其中，I(t)、Q(t)為序列I(n)、Q(n)的時域表示，ωc為載波頻率。

為了更清楚的示意調制后的時域波形相位的變化情況，這里定義載波頻率ωc=2/Ts，Ts為I、Q路信號單個碼元周期。該定義不影響仿真分析的有效性，其分析結果普遍適用其它載波頻率情況。

QPSK信號兩路正交的信號是碼元同步的，而OQPSK調制中將正交路信號偏移Ts/2，其目的是消除QPSK調制中已調信號突然相移180°的現象，每隔Ts/2信號相位只可能發生±90°的變化。因而星座圖中信號點沿正方形四邊移動，如圖6所示。

圖6OQPSK相位轉移圖

其中：

(3)

(4)

式中，g(t)為單個矩形脈沖，脈寬為單個碼源周期(即Ts)；且：

(5)

(6)

(7)

2.2機理分析

調制輸入信號I(t)、Q(t)在數據處理過程中采用分路組幀、加擾方式，此組幀加擾方式下I(t)、Q(t)分別表示載荷兩路獨立的輸出數據。在實際測試和引用過程中， I(t)、Q(t)分別表示載荷從不同通道獲取的同一目標數據，兩路數據具有相似性。在測試過程中不失一般性，設I(t)= Q(t)，此時兩路數據及其調制后的相位轉移圖如圖7所示。

圖7I、Q數據相同時OQPSK調制相位轉移圖

由圖7可以看出，當I、Q兩路數據一致時，由調制后時域波形可以看出，載波頻率的相位變化始終是-π/2，此時，OQPSK調制的相位轉移始終向逆時針方向移動，OQPSK調制信號的時域表達式為：

(8)

此時，如果I(t)=Q(t)，則Q(t)=(t-Ts/2)，其中,I(t)的頻域用FI(jω)來表示。

I(t)-jQ(t)、I(t)+jQ(t)的頻域表達式為：

(9)

(10)

(11)

(12)

OQPSK調制信號的頻域表達式為：

(13)

式中：

(14)

(15)

H1(jω)和H2(jω)的圖形如圖8所示。

圖8　H1(jω)和H2(jω)頻域圖

OQPSK調制信號的頻域表達式可簡化為：

(16)

假設I路(或Q路)信號的頻譜經過ωc的載波搬移后得到FI(jω)如圖9(a)所示，經過OQPSK調制后，頻譜如9(c)所示。可以看出，當OQPSK調制的I、Q兩路信號相同時，相當于將I路信號的頻譜進行了H1(jω)頻域的濾波后再將頻譜搬移到載波頻率ωc。調制后的信號頻譜發生畸變，與典型的調制頻譜相比，信號主包絡頻譜在偏離載波頻率-π/Ts附近出現明顯的凹陷。

(a)FI[j(ω+ωc)]

(b)HI[j(ω+ωc)]

(c)FOQPSK(jω)

2.3仿真分析

由于PN序列的隨機性較好，仿真中采用兩路相同的PN15序列代替I(t)和Q(t)序列進行仿真分析，這樣可以模擬I、Q兩路數據自身具有良好的隨機性，但兩路之間有存在相關性。兩路相同的PN15碼分別通過I、Q兩路送至OQPSK調制，得到頻譜圖如圖10。

圖10I、Q數據相同時OQPSK調制頻域仿真圖

由圖10所示的頻域仿真圖可以看出：當I、Q數據為相同的PN序列時，經過OQPSK調制后頻譜圖是將PN序列的頻域經過H1(jω)頻譜的濾波后的頻譜平移到載波頻率上。OQPSK調制后頻譜在偏離載波頻率-π/Ts附近出現明顯的衰減。

2.4結論

通過上述分析可知，由于載荷數據的組幀方式固定，每一幀數據的編碼、加擾方式相同， I、Q兩路分別經過相同的編碼加擾可以保證I、Q兩路數據每一路數據的隨機性，但由于每一幀數據的編碼加擾方式相同，如果I、Q兩路之間的數據相似或相同，經過編碼加擾，兩路數據之間的相對關系并沒有發生明顯變化。

分析結果表明，在OQPSK調制方式下，僅僅保證I、Q兩路數據自身的隨機性是不夠的，I、Q兩路數據之間隨機性不足，會嚴重影響信號的傳輸質量，這種影響的特征是調制頻譜在偏離載波頻率 附近出現明顯的衰減。

3改進措施

由于型譜畸變的原因在于I、Q數據分路組幀加擾造成兩路數據之間的隨機性不足，將I、Q數據合路加擾可以避免兩路數據之間的隨機性不足。IQ合路加擾幀格式如圖11所示。

圖11　IQ合路加擾幀格式

上述組幀方式在衛星數傳系統中是一種常見的數據處理方式，載荷數據送入數據處理器后，處理器對數據進行復接和組幀；組幀后的數據以幀為單位進行編碼、加擾；然后對數據流按bit進行串、并轉換成2路數據分別送至OQPSK調制的I路和Q路輸入端；。

此組幀加擾方式既可以保證I、Q兩路輸入數據每一路數據具有隨機特性，又可以保證I、Q兩路數據之間的關系具有隨機特性。

仿真測試中仍然采用相同的PN15序列通過串并變換為2路輸入數據作為I、Q兩路輸入數據，仿真測試結果如圖12所示。通過仿真和實測結果可以看出，I、Q合路加擾后的頻譜主包絡平滑，無畸變現象發生。

圖12IQ合路加擾方式后的頻譜仿真實測對比

按照CCSDS標準，加擾方式是按幀進行的，I、Q數據合路組幀后，I、Q數據交替與一個標準的偽隨機序列相異或，這種數據流設計模型下，每一路的規律性被打破，同時兩路之間的規律性也被打破。單獨的I路或是單獨的Q路解決了出現長“0”、長“1”碼的問題，同時I路和Q數據之間的相關性降低。此時，OQPSK調制的相位轉移圖沿正方形四邊移動。而I、Q數據分路組幀后，僅僅解決了兩路輸入中每一路的隨機性，兩路之間的相關性沒有改變，在目標數據相似或是沒有良好的隨機性的情況下，相位轉移圖往往是有規律的向某一方向移動。在頻譜上表現為頻譜失真。當I、Q數據合路組幀既可以保證每一路數據的隨機性，也可以實現兩路數據之間相對關系的隨機性，頻譜包絡平滑完整，沒有出現凹陷或凸出的頻點，適合數傳通信鏈路的數據傳輸。

4結語

文中I、Q數據合路組幀經OQPSK調制后頻譜包絡平滑完整，無頻譜變形，適合數傳通信鏈路各種情況下的數據傳輸。而針對I、Q分路組幀產生的頻譜變形問題，目前提出了一種新的解決方案，即I、Q分別采用不同的偽隨機碼本進行加擾，從而破壞I、Q兩路數據原本的自相關特性。不同的加擾碼本帶來兩方面的問題：一是數據接收端需用對應的碼本對其進行解擾，設備不具有通用性；二是兩種偽隨機碼本該如何選擇才能達到較好的信道傳輸效果，需要進行進一步的分析。

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江潔(1985—)，女，碩士，工程師，主要研究方向為衛星數據處理、調制發射技術；

陳劼(1984—)，男，本科，工程師，主要研究方向為衛星數據編碼、調制發射技術；

鐘鳴(1977—)，男，碩士，研究員，主要研究方向為衛星數據傳輸系統方案設計。

Abnormity Analysis of Frequency Spectrum in

Satellite Data Transmission Communication

JIANG Jie, CHEN Jie, ZHONG Ming

(Shanghai Institute Aerospace Electronic Technology, Shanghai 201109, China)

Abstract：Excellently designed data transmission chain should be seasoned to any data transmission under various situations. The initial design of a satellite data transmission subsystem indicates the abnormity of frequency spectrum after OQPSK modulation, and the effect analysis of data stream design on OQPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying) modulating signal in special conditions, reveals the reason for frequency spectrum abnormity of satellite data transmission. This paper emphatically discusses the effect of framing scrambling on OQPSK modulating signal constellation and frequency spectrum in data input and data baseband processing,and gives the suggestions suitable for the design of data transmission communication chain.

Key words：data stream design; frequency spectrum distortion; OQPSK modulation

作者簡介：

中圖分類號：

文獻標志碼：A

文章編號：1002-0802(2015)07-0784-06

收稿日期：*2015-03-03；

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.07.007