《電子技術(shù)應(yīng)用》
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衛(wèi)星通信中調(diào)制解調(diào)性能的研究
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第8期
劉 澤，蘇開榮，姜玉潔，陳 洋，王 珊
重慶郵電大學(xué) 移動通信重慶市重點實驗室，重慶400065
摘要： 衛(wèi)星通信系統(tǒng)中常用的調(diào)制方式主要是PSK及其改進(jìn)方式，解調(diào)采用相干解調(diào)。針對復(fù)雜多變的衛(wèi)星信道環(huán)境，在對π/4-BPSK、π/4-QPSK原理分析的基礎(chǔ)上，引入一種新的調(diào)制方式π/4-CQPSK，并對這些調(diào)制方式進(jìn)行比較分析。在解調(diào)時采用差分解調(diào)而不是傳統(tǒng)的相干解調(diào)。最后，在特有的衛(wèi)星信道條件下，仿真分析了上述調(diào)制解調(diào)方式性能。
中圖分類號： TN911.3
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.08.024

中文引用格式： 劉澤，蘇開榮，姜玉潔，等. 衛(wèi)星通信中調(diào)制解調(diào)性能的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(8)：83-85，89.
英文引用格式： Liu Ze，Su Kairong，Jiang Yujie，et al. Research on the performance of modulation and demodulation in satellite communication system[J].Application of Electronic Technique，2015，41(8)：83-85，89.
Research on the performance of modulation and demodulation in satellite communication system
Liu Ze，Su Kairong，Jiang Yujie，Chen Yang，Wang Shan
Key Lab of Mobile Communication Technology, Chongqing University of Post and Telecommunications，Chongqing 400065，China
Abstract： The modulation methods commonly used in satellite communications systems are PSK and its improved versions. According to the complex and variable satellite communication environment, the paper compares the π/4-CQPSK, π/4-BPSK, and π/4-QPSK modulation methods after describing their principles. Using differential demodulation but not coherent demodulation, the performance of π/4-CQPSK, π/4-BPSK, and π/4-QPSK modulations is simulated and compared on Lutz satellite channel condition.
Key words : satellite communications；π/4-CQPSK；modulation and demodulation；bit error rate

    

0 引言

    衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)能夠支持用戶通信終端在任何地方任何時間實現(xiàn)相互通信，它是移動通信和衛(wèi)星通信技術(shù)相互結(jié)合、促進(jìn)、發(fā)展的一個產(chǎn)物[1]。由于陸地移動通信系統(tǒng)是不可能覆蓋到地球上所有區(qū)域的[2]，衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)以其獨特的通信方式和技術(shù)特點，為偏遠(yuǎn)、人煙稀少地區(qū)用戶和應(yīng)急救災(zāi)通信等領(lǐng)域提供良好的服務(wù)。

    GEO(Geostationary Earth Orbit) Mobile Radio interface是利用地球同步軌道衛(wèi)星來完成移動衛(wèi)星服務(wù)的。該系統(tǒng)是地面上GMS蜂窩系統(tǒng)的擴(kuò)展，能夠提供與GSM相似的服務(wù)，是地面蜂窩系統(tǒng)的補(bǔ)充[3]。

    衛(wèi)星通信系統(tǒng)中常用PSK（Phase-ShiftKeying）及其改進(jìn)的調(diào)制方式來提高頻譜利用率和數(shù)據(jù)傳輸速率。為了降低調(diào)制信號的峰均比，選擇在下行鏈路調(diào)制之前,用復(fù)擾碼對擴(kuò)頻后基帶信號進(jìn)行加擾,這種復(fù)擾碼加QPSK的調(diào)制方法被稱為CQPSK調(diào)制。

1 常用的QPSK調(diào)制解調(diào)

    通常說的數(shù)字調(diào)相（PSK）是利用數(shù)字基帶信號來完成對載波的相位控制，是一種恒包絡(luò)的調(diào)制方式。利用PSK調(diào)制主要是為了節(jié)省頻譜資源，達(dá)到頻率高效利用的目的[4]。對于一個已調(diào)波而言，其相位路徑起著決定性的作用，決定著已調(diào)波的頻譜特性。通過對已調(diào)波相位路徑的改善可以推動相位調(diào)制技術(shù)的不斷發(fā)展。從最初的二相相移鍵控（BPSK）到四相相移鍵控（QPSK）以及許多PSK的演進(jìn)方式的出現(xiàn)，它們的目的都是為了提高信道頻帶利用率，使高頻譜快速滾降，避免頻帶外面噪聲的干擾。QPSK調(diào)制的實現(xiàn)方法有相位選擇和正交調(diào)制法。

    （1）相位選擇法

    圖1是QPSK信號的產(chǎn)生原理框圖[5]。四路載波同時送入邏輯選相電路中，然后通過帶通濾波器輸出相應(yīng)信號。

tx4-t1.gif

    （2）正交調(diào)制法

    圖2是π/4-QPSK的產(chǎn)生原理框圖。其中a、b都是單極性，兩路脈沖信號通過極性變換，0對應(yīng)1、1對應(yīng)-1，變成雙極性二電平信號I(t)和Q(t)后進(jìn)入兩個平衡調(diào)制器，同相支路和正交支路分別獨立地進(jìn)行調(diào)制，然后把兩路信號加起來得到已調(diào)信號。

tx4-t2.gif

2 π/4-CQPSK調(diào)制與解調(diào)原理

    為了在PSK的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力[6，7]，在衛(wèi)星通信中引入π/4-CQPSK，它采用復(fù)擾碼加擾和差分解調(diào)。

2.1 復(fù)擾碼加擾原理

    加擾過程如圖3所示。

tx4-t3.gif

    根據(jù)圖3可知：

tx4-gs1-3.gif

    由式(3)可得加擾電路如圖4所示。

tx4-t4.gif

    由圖5，解擾過程可以表示為：

    tx4-gs4-s1.gif

    tx4-gs4.gif

其中I′(n)、Q′(n)分別代表解擾以后I、Q兩路的信號，PNiL(n)、PNqL(n)分別代表接收端本地產(chǎn)生的擾碼序列，Imr(n)、Qmr(n)分別代表I、Q兩路的解擾器輸入信號。由式(4)可得：

tx4-gs5-8.giftx4-gs5-8.gif

    由式(5)、式(6)可以得到復(fù)擾碼的解擾電路如圖5所示。

tx4-t5.gif

2.2 差分解調(diào)

    對于π/4-CQPSK，通常采用的解調(diào)方式是相干解調(diào)，但在復(fù)雜多變的衛(wèi)星信道下，存在各種各樣的多徑衰落和噪聲，相干解調(diào)的性能會大大降低。同時，相干解調(diào)搜索載波需要的時間較長，不適用于解調(diào)效率要求高的系統(tǒng)。

    差分解調(diào)是非相干解調(diào)中的一種，在普通信道下誤碼率性能不如相干解調(diào)，但差分解調(diào)對于衰落型信道特別適用[8]，在衰落信道下它具有很好的抗衰落特性，其誤碼性能反而比相干解調(diào)好很多。差分解調(diào)能夠快速地恢復(fù)載波數(shù)據(jù)，而且實現(xiàn)簡單，為系統(tǒng)節(jié)約了很多不必要的開銷。

3 仿真設(shè)計與結(jié)果分析

3.1 仿真場景設(shè)置

    仿真參數(shù)如表1所示。在仿真中，由于針對地球同步軌道衛(wèi)星，對于相對移動速度較小的地面終端，忽略多普勒頻移的影響。

tx4-b1.gif

3.2 仿真結(jié)果與分析

    這里主要對比不同調(diào)制方法對系統(tǒng)誤碼率（BER）的影響大小。因為衛(wèi)星信號在傳播過程中，在大氣層以外的外層空間中，傳輸信道與高斯(AWGN)信道近似，而在大氣層以內(nèi)會受到很多干擾，所以選取衛(wèi)星信道Lutz。本文分別在AWGN信道和Lutz信道下，對π/4-BPSK、π/4-QPSK和π/4-CQPSK進(jìn)行對比，分析出這幾種調(diào)制方式對系統(tǒng)誤碼率的影響，解調(diào)方式采用差分解調(diào)。

    由圖6，可以發(fā)現(xiàn)π/4-CQPSK在信號調(diào)制前加入復(fù)擾碼進(jìn)行加擾之后，解調(diào)端得到的解調(diào)信號誤碼率明顯下降。在相同的誤碼率情況下，同π/4-QPSK相比，π/4-CQPSK的增益為3 dB左右。

tx4-t6.gif

    由圖7可以看出，在系統(tǒng)信噪比超過5.5 dB時，π/4-CQPSK的誤碼率已經(jīng)比π/4-BPSK要小，而且頻帶利用率是其2倍。

tx4-t7.gif

    圖8是在衛(wèi)星信道Lutz下對π/4-BPSK與π/4-CQPSK誤碼率進(jìn)行比較，如圖所示，兩種調(diào)制方式的誤碼率都隨著信噪比的增大而減小，π/4-CQPSK的減小趨勢更為明顯，在信噪比大于7 dB時，π/4-CQPSK誤碼率性能優(yōu)于π/4-BPSK。

tx4-t8.gif

    最后，在Lutz衛(wèi)星信道下，對比π/4-QPSK與π/4-CQPSK的誤碼率性能。由圖9可以看出，隨著信噪比的增大，兩種調(diào)制方式的系統(tǒng)誤碼率都呈下降趨勢。信噪比較小時，它們的誤碼率相差不大，隨著信噪比增大，π/4-QPSK誤碼率平穩(wěn)下降，而π/4-CQPSK下降趨勢明顯。

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4 結(jié)束語

    本文以GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在高斯信道模型和衛(wèi)星信道模型Lutz下對適用于衛(wèi)星通信的調(diào)制解調(diào)方式做了仿真分析。分析表明，π/4-cqpsk以其獨有的復(fù)擾碼加擾技術(shù)可以減小系統(tǒng)誤碼率。

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