（通信与信息系统专业论文）深空通信中的调制技术分析与研究.pdf

摘要 摘要 本文对带限和非线性的深空信道作了描述，在此基础上得出了深空通信信道 中选择调制技术的准则和依据。结合理论和实验仿真结果，分析讨论了深空通信 中的各种恒包络调制技术，对它们的调制原理，已调波包络，功率谱密度，误码 率性能，以及带限非线性信道对其功率谱的影响等方面都作了研究和比较。 特别研究了i j f - o q p s k 调制，它在消除码间干扰和定时抖动方面有很好的性 能并且有优良的旁瓣特性和抑制频谱扩展特性，但是有3 扭的包络起伏，在此基 础上研究了f q p s k 调制，并对其功率谱密度和误码率性能就行了仿真；同时研究 了s o q e s x 调制及其改进后的s o q p s k 调制，并对其功率谱密度进行了仿真。 关键字：深空通信，恒包络调制，f q p s k 调制，s o q p s k 调制 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec h a r m e lo fd e e ps p a c ec o m m u n i c a t i o ni sd e s c r i b e dt ob et h et y p i c a l b a n d - l i m i t e da n dn o n - l i n e a rc h a n n e l b a s i n go ni t ss p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c ，w eh a v et h e p r i n c i p l e st o s e l e c tat y p eo fm o d u l a t i o nt e c h n i q u e sf o rd e 印s p a c ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m s b yt h e o r ya n dp r a c t i c es i m u l a t i o n , s e v e r a lt y p e so fc o n s t a n te n v e l o p e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d ，i n c l u d i n gt h e i rm o d u l a t i o np r i n c i p l e ， t h em o d u l a t e dw a v ee n v e l o p e ，p o w e rs p e c t r u m sd e n s i t y , e r r o rb i tr a t ea n dt h ei n f l u e n c e o f t h eb a n d - l i m i t e da n dn o n - l i n e a rc h a n n e lo ni t sp o w e rs p e c t r u m s ，e r e e s p e c i a l l yw eh a v er e s e a r c h e dt h ei j f - o q p s km o d u l a t i o nt e c h n i q u e ，a n dt h e p e r f o r m a n c eo fi t si n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c ea n dt i m ej i t t e rf r e e ，a n di t ss t r o n g l y r e s i s t i n go fs p e c t r a l b u ti th a s3 d be n v e l o p eu n d u l a t i o n f q p s ka v o i d st h i sd e f e c t w e s i m u l a t ei t sp o w e rs p e c t r u m sd e n s i t ya n de r r o rb i tr a t e w ea l s or e s e a r c ht h e p e r f o r m a n c eo fs o q p s ka n di m p r o v e ds o q p s k m o d u l a t i o n k e yw o r d s ：d e 印s p a c ec o m m u n i c a t i o n ， c o n s t a n te n v e l o p em o d u l a t i o n ， f q p s k m o d u l a t i o n ， s o q p s km o d u l a t i o n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同 = 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名 谣必 日期逸丑2 ：z 星 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位沦文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属两安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名溢趁立 铷繇每物 日期递z 纽， f 1 期五堂21 第一章绪论 第一章绪论 1 1 深空通信概述 1 1 1 深空通信系统简介 深空通常是指距离地球2 0 0 万公里以外的空间，然而，我们以往的人造地球 卫星的通信距离通常为数百至数万公里。月球是地球的卫星，然而距地球约3 8 万 公里，实现月球与地球之间的通信所遇到的问题和我们通常所称的卫星通信有很 大的差别。至于地球与太阳系其它行星的距离都在数千万公里以上。我们将地球 与月球以及其它行星( 火、木、金等) 之间的通信称为深空通信。 对深空的探测和利用一直是人类的理想，自1 9 5 9 年1 月前苏联首次用月球- 1 号探测月球以来，世界上各国，特别是美国、俄罗斯和欧洲在深空探测和利用上 进行着激烈的竞争。要进行深空探测，除了探测器的发射、控制等技术，深空通 信( d e e ps p a c ec o m m u n i c a t i o n s ) 起着很关键的作用，它主要将探测器所获取的信 息传送到地面并对这些信息进行处理与分析。 为了研究人类生命科学和资源的开发利用，世界各国的深空探测都将重点放 在对火星和月球的探测上。我国已经制定了先进行月球探测，然后进行火星探测 的计划。由于火星距地球的距离达到数亿公里的数量级，因而研究火星一地球通 信的关键技术不仅对深空通信具有普遍意义，而且也可以应用于探月通信系统中。 1 2 2 国内外深空通信的现状和新发展 美国与欧空局合作于1 9 9 7 年1 0 月向相距约为1 5 亿公里的土星发射“卡西尼 一惠更斯”号土星探测器。惠更斯探测器于2 0 0 5 年1 月1 4 日在土卫六降落，1 月 1 5 日向地球传回约3 0 0 幅土卫六有关星貌的清晰图像，其图像尺寸为1 0 2 4 x1 0 2 4 ， 分辨率为4 0 米。火星是人类探索的重要行星，它与地球相距约6 0 0 0 万公里以上， 美国于2 0 0 3 年相继向火星发射“勇气号”和“机遇号”探测器，并分别于2 0 0 4 年1 月4 日和2 5 日到达火星，向地球传送回了清晰度很高的图像。 世界各国对深空探测的竞争随着科学技术的发展日益激烈。目前，除离地球最 远的冥王星外，人们对木、火、金、水、土、天王星和海王星等七个行星以及地 球的卫星月球都进行了探测。光对火星的探测，4 0 年来，前苏联( 俄罗斯) 、美国 和欧洲就进行过3 0 多次，这也表明了对火星探测的特殊重要性。 深空通信中调制技术的分析与研究 在深空探测与通信中，对月球的探测与通信具有很现实的意义，美、俄等国己 向月球发射过数十个月球探测器，欧空局、日本和印度等也都有月球探测计划， 都在朝着2 0 3 0 年建立月球站的方向努力。我国也将探月作为深空探测计划的第一 步，首先在2 0 0 7 年向月球发射绕月球的卫星进行环月探测，2 0 1 0 年实现月球软着 陆与月球探测，2 0 2 0 年实现月球探测并采样返回，经过“绕”，“落”、“回”三个 步骤，达到月球探测的研究目标，2 0 0 4 年国家己决定投资1 4 亿人民币进行“嫦娥” 工程，到2 0 0 4 年底己顺利完成初样调试工作。 对月球的探测除科学意义外，还有重要的经济意义。月球上有丰富的能源资 源，在地球上能源问题越来越变得严重的情况下，月球上的氦3 对世界各国都有 吸引力。据估计，地球上只有十几吨，而月球上有约五百万吨。按目前的能源需 求，美国每年有3 0 吨氦3 就够了，而我国8 吨就够了。通过分析从月球传送回来 的表面土壤的多光谱图像，可分析出氦3 的含量和存储位置。2 0 1 0 年发射的二期 探月卫星通信系统，将增加到8 至9 个干涉多光谱和可见光图像等的传输。因而 实现有效的深空通信有很重要的意义。 1 2 深空通信中的调制技术 众所周知，一个通信系统的质量，在很大程度上依赖于所采用的调制方式。 调制是为了使信号特性与信道特性相匹配，因此，调制方式的选择是由系统的信 道特性决定的，不同类型的信道特性要用不同类型的调制方式。 深空通信信道是典型的带限和非线性交参信道。收发两端的中频滤波器，使 得信道的通频带具有带限的特性，发射设备的高频功率放大器及转发器中的行波 管都是非线性部件，其输入输出特性是非线性的，而且具有幅相( a m p m ) 效应，即 当输入信号幅度变化时，能够转换为输出信号的相位变化。信号的带限是为了要 求所要发射的信号对邻近通道不能造成干扰( 邻道干扰) ，带限必然要滤除信号频谱 中的一部分带外能量，这有可能使得滤波后的信号发生畸变。而信号的非线性对 输入信号的特性提出更高的要求，这是因为当有包络起伏的信号经过非线性部件 处理后，会产生幅相转换口m e m ) 效应，从而引入相位噪声，产生频谱扩展，这对 下面将要讨论到的调相信号是十分有害的。 因此在深空通信系统中，对调制方式有如下要求： n 油于深空通信信道的非线性及4 膨喇应，要求调制后的波形尽量具有等 幅包络结构的特点，很少采用幅度变化的数字调制技术。 ( 2 1 在频域内，要求己调波具有良好的频谱特性。这就要求已调波具有最小的 第一章绪论 功率占有率。也就是说己调波的频谱要具有快速的高频滚降特性：此外，要求己 调波除主瓣外，有很小的旁瓣，而且最好主瓣宽度比较窄。这种信号经过滤波后， 能让主瓣无失真地通过。由于被滤除的旁瓣功率小，所以滤波器的输出信号( 即非 线性部件的输入信号) 的包络起伏是很小的，从而大大减少了4 膨黼换效应，当 然，频谱扩展也会随之减小。 m s k , g 粼1 j f - q p s i | ( c p m ( 连续相位调制) 和m h p m ( 多调制度调相) 等较新的 调制技术都属于恒包络调制方式，它们都有较高的频带利用率和功率利用率。在 这类调制技术中， 织p ，可实现更高的功率利用率。但a w 和 程护 4 接收机的实 现比较困难当前研究的目标是寻找降低复杂性的方法但又不过多地降低性能。 在面向未来深空通信的调制技术方面，c c s d s 建议了与深空网络b l o c kv 接 收机结构兼容的带宽有效调制技术。j p l 正在结合高性能纠错码( 如t u r b o - l i k e c o d e s , l d p c 码等) 研究适合于美国未来的高数据率( 1 0 1 0 0m b p s ) 深空探测任务 ( 如m r 0 ) 的调制方案【1 】，主要包括： 偏移q p s k ( o - q p s k ) ：由于相位约束，其峰值一平均功率l l ( p a p r ) 要小于b p s k 和标准q p s k 。采用矩形与平方根升余弦( s r r c ) 脉冲成形技术的o - q p s k 是当 前的研究重点。 预编码的g m s k ：预编码的目的是补偿m s k 型调制器内在的差分编码，从而可避 免原来发送端的差分编码与接收端的差分译码的组合所导致的调制解调系统功率 性能的降低。 z 把髓函c o d e d o q p s k ：通过采用两状态卷积编码器而在发送数据之间引入记忆，并 采用升余弦脉冲波形，可获得改进包络特性的o q p s k 信号。 f q p s k ：通过在同相与正交支路之间引入一个可控制的互相关和采用特定的信号 波形，其包络近似于恒定包络。f q p s k 调制器可以看作是一个1 6 状态的i - q 联 合t c m 调制器。为进一步提高带宽效率，正在积极研究具有较多小包络波动的带 宽有效t c m 技术 2 】。 从上述分析可见，深空通信中调制技术首先应具有较高的功率效率，然后才要求有较高 的带宽效率【3 】，其发展方向是最小功率谱占有率的( 准) 恒包络，连续相位调制技术。目前 的研究重点是在允许有较多小包络波动的条件下，研究功率与带宽有效调制技术。现有的研 究方法均是采用 q 两层t c m 调制器结构或采用基于复波形的单层t c m 结构，这样的结构 在传输速率的调整上缺乏灵活性，例如不能支持1 5b i t z s y m b o l 的非整数速率。采用多层t c m 结构，通过在每层使用不同码率的编码器可以达到速率可灵活调整的功率与带宽有效的调制。 1 3 本文的内容和安排 本文的研究内容包括五个部分：( 一) 研究了深空通信信道的特点及选择调制 4 深空通信中调制技术的分析与研究 技术的依据；( - - ) 分析了i j f 信号特点和对原始数据的i j f 编码；( 三) 分析比较 了深空通信中的现代恒包络调制技术；( 四) 分析研究了黜调制技术： ( 五) 分析研究了s o q p s k 及其改进后的调制技术。各章安排如下： 第一章总述了深空通信的现状和发展，介绍了深空通信中的调制技术； 第二章简单描述了深空通信信道的特点以及在深空通信中如何选择一种符合要 求的调制技术； 第三章分析比较了几种典型的现代恒包络调制技术； 第四章分析研究了i j f - o q p s k 和f q p s k 调制技术；研究了s o q p s k 及其改进 后的s o q p s k 调制技术： 第五章总结全文的工作，并指明了进一步的研究方向。 第二章深空通信信道的描述及其对调制技术的要求 第二章深空通信信道的描述及其对调制技术的要求 2 1 引言 传统的数字调制方式已不能满足要求，必须设法寻找一些新的调制方式，它 要求所产生的己调波形信号经过发端带限后，虽然仍能通过非线性部件，但是非 线性部件的输出信号只产生很小的频谱扩展。针对以上问题研究出来的调制技术 都有相似的特点，对于这些新的调制方式，我们称之为现代恒包络数字调制技术。 频移键控( 殿k ) 和相移键控( 船k ) 都属于恒包络数字调制方式，我们将在下一 章对他们进行讨论。 2 2 深空通信信道的特点 深空通信与一般的地面通信和卫星通信等有一些显著不同的特点： 1 距离远。月球距地球约3 8 万公里，火星距地球最近约有6 0 0 0 万公里，由于 地球与火星均绕太阳运动，火星与地球问的距离是变化的，当地球与火星处于太 阳的不同侧时，该距离远至4 亿公里。2 0 0 4 年美国火星探测器m a r se x p l o r a a o n r o v e r 办纪r j 通信系统的性能满足在这样遥远距离下进行通信的要求。其它行星 距地球大都在几亿公里以上。由于距离远，造成信噪比很低。 2 信道具有衰落特性。深空通信信道实际上是一个具有时变衰落特性的信道。 图2 7 是一个由美国j p l 提供的火星探测器通信系统接收端信噪比( 趴碾) 随时间 变化的波形。起伏达1 5 - 2 0 d n 。 3 时延大。地球到火星的距离在6 0 0 0 万公里以上，信号的传输至少要4 分钟 ( 距离最远时要2 2 分钟) 。 4 复杂的通信环境。在月球和其它行星上，其温度辐射和振动等环境e e 地面恶 劣和复杂得多，例如月球上的温度变化大，最低可达1 8 3 。c ，而最高可达1 2 7 0 c 。 火星的最低温度为1 3 2 。c ，木星1 4 0 。c 。 5 工作频率高，可用频带宽。以往的深空通信系统工作于s 和x 波段，为了提 高通信系统的增益和减小天线尺寸，新的系统将提高到k a 波段。我国的探月卫星 6 深空通信中调制技术的分析与研究 采用s 波段。m e r 火星探测器通信系统采用x 波段进行火星与地球的通信( 下行 8 4 3 9 g ，上行7 1 8 3 g ) 。 6 对探测器的功率要求很严格。由于探测器的能源主要靠太阳能帆板提供几十 瓦的功率，因而所采用的通信技术应考虑降低功耗。 根据以上这些特点，在深空透信系统中，除了增大地面天线面积和精确控制 天线波束，提高接收机的本振稳定度和相位调整精度，提高接收机低噪声放大器 的增益以及提高发射机功放的性能外，研究通信系统中图像信源压缩编码、信道 纠错编码、调制、通信网络系统以及通信系统仿真演示平台等关键技术对我国深 空通信系统的发展具有非常重要的意义。 2 3 深空通信对调制技术的要求 深空通信信道的基本特性是带限和非线性，从而在深空通信信道中选择一种 调制技术时，有些依据和原则。 2 3 1 深空通信信道对调制技术提出的要求 调制是为了使发送信号特性与信道特性相匹配，因此调制方式的选择是由系 统的信道特性决定的。在深空通信中，为了有效地利用空闯飞行器的功率，发送 信号功率放大器通常采用高功率非线性放大器( 尼阴) 。这样，由于深空信道的非 线性及a m p m 效应，要求调制后的信号波形的瞬时幅度波动要尽量小，因而应该 采用具有恒定包络( 或准恒定包络) 结构的调制方式，如p s k ，f s k 以及以此为 基础的其它调制方式【2 】。b p s k 调制以其较高的功率效率特性在早期的深空通信系 统中获得了广泛应用。 有关研究结果表明【l 】，使用非线性功率放大器和( 准) 恒定包络调制所得到 的性能增益要高于使用线性功率放大器和非恒定包络调制信号的增益。因此，我 们将集中研究恒包络连续相位调制技术和有较多小包络波动的带宽有效调制技 术。 另一方面，随着空间探测技术的发展，深空探测任务变得越来越复杂，需要 将大量的数据与图像信息实时传输到地面，这样就要求星( 或航天器) 上数传系 统的传输速率越来越高，从而射频频谱变得越来越拥挤。信息理论研究表明，使 用恒包络信号，当对其功率谱密度有约束时，系统的容量会减小。因此，需要研 究新的带宽有效调制技术来满足日益增长的对高数据速率的需求。具有较多小包 络波动的带宽有效t c m 技术为此提供了一条有效的解决途径，它配合高性能纠错 编码技术，可以同时提供较大的编码增益和带宽效率。 第二章深空通信信道的描述及其对调制技术的要求 2 3 2 深空通信中对调制技术的一般考虑 在深空通信中，选择一种调制方式时，除了要适应深空通信信道外，还要综合 考虑多方面的因素。如前所述，深空信道既是功率和带宽受限的信道，又是非线 性信道，加上通信容量的日益增加，射频频谱已非常拥挤，致使信道间相互干扰 相当突出，这不仅要求调制信号的频带尽可能集中，而且要求调制信号具有快速 高频滚降的频谱特性，即除主瓣外，只有很小的旁瓣甚至没有旁瓣，从而使调制 信号通过带限非线性处理后尽可能小的频谱扩展。因此a s k 及含有a s k 的混合 调制方式一般不宜采用，而采用恒包络调制。除此之外，还应考虑深空频带和功 率的有效利用：带限和延迟失真、邻道干扰和同信道干扰等的影响；同步电路的 设计；调制解调设备实现的难易程度。其中，针对不同的系统，如何选择一种适 当的调制方式，使之能很好的兼顾深空的频带利用率和功率利用率是十分重要的。 功率利用率( 即功率效率) 用误比特率& 达到某一规定值所需的最低归一化 信噪比( 即每比特信息能量e b 与单边噪声功率谱密度n 。之比e 。n 。) 来表示。误 比特 一定时，若所需要的信嗓比越低，则功率利用率就越高；若所需的信噪比 越高，则功率利用率就越低。 频带利用率( 即频带效率) 是指单位频带内允许传输的最高比特速率，单位 为( b s ) h z 或b ( s h z ) 。频带一定时，若能传输的比特速率越高，则频带利用率 就越高；能传输的比特速率越低，频带利用率就越低。在理论上，各种调制方式 的频带利用率都有一个极限。就一般情况而言，二相调制的频带利用率理论值为l ( b s ) h , 四相调制为2 ( b s ) 且m 进制p s k 为l 0 9 2 ( m ) ( b s ) h 。但是考虑到实 际滤波器的影响，实际频带利用率都会低于上述理论值。 在考虑许多实际问题时，一个指标的提高往往是以其它指标的降低为代价的， 各种指标不可能同时达到最佳，数字调制方式的选择正式如此。频带利用率的提 高，往往是以提高所需信噪比为代价换取的；反正，功率利用率的提高又是以频 带利用率的降低为代价的。因此，在选择调制方式时，应针对特定的深空通信系 统的特点，从功率利用率和频带利用率两方面权衡考虑。例如，对于功率受限系 统，应选择功率效率较高的调制方式，如b p s k ；对于频带受限的系统，则应选择 频谱效率较高的调制方式，如朋憨r 。在实际的通信应用中，评价一个调制解调技 术的优劣，除了已调波包络，频谱特性外，还要看它的频带利用率和功率利用率， 所谓先进的调制技术就是指在所需信噪比相等的条件下，可以获得较高的频带利 用率的调制方式。 深空通信中调制技术的分析与研究 2 4 功率有效和频谱有效的调制方式 根据调制生成信号的频谱和接收端满足某个n 值需要的e 。n 。值，可以将各 种调制方式分为频谱有效调制方式和功率有效调制方式。 2 4 。1 功率有效调制方式 功率有效调制方式可以用误码率性能心达到某数值时，所要求的载噪比 c n 值表示，也可以定义为达到某一n 值所要求的平均接收比特能量与噪声密度 之比，即定义为： p e = f ( e b n o ) 式( 1 - 1 ) 两个定义在噪声带宽等于信息比特速率时是一致的。e 。，n 。与c n 转换关系 为： e b n o = c n b = ( c n ) ( b ，f b ) 式( 1 - 2 ) 其中，b ，为接收机的噪声带宽，f b 为信息速率。对于加性白噪声信道来说， 如果使用某种调制技术，当e h n 。 1 4 d b 时，能使p e = 1 0 4 ，我们称这种调制方式 为功率有效调制技术。 在已经应用于深空通信系统中的若干种数字调制技术中，二进制或四进制调 制系统的功率效率要比“高进制”或“高态”( 八态，十六态等) 调制系统的功率 效率高。即使接收到的载波与噪声之比c n 相对较低，二进制或四态功率有效系 统能获得的误码率性能仍能令人满意。因此，如果采用二迸制或四态调制系统， 使用较小的地面站天线以及噪声系数较高的系统，就能得到相同的误码率性能。 属于这类调制方式的有b p s k ，q p s k ，m s k , s f s k 等等。其中除丑路k 外，其 余几种调制方式均属于两路正交调制方式。他们的共同点是：都是将数据分成奇 偶两路，分别进行调制，调之后再相加到一起。四态调制从理论上说数据传输速 率为二进制的两倍，在保持具有和二进制相近的功率效率的同时，提高了频带利 用率，是一种兼顾了功率和频带的折衷方案，但其带宽效率却不如高进制调制系 统的高。 2 4 2 频谱有效调制技术 频谱有效调制技术又叫带宽有效调制技术，它常以发送数据的比特秒赫兹 ( b s h z ) 来表示。定义为如果使用某种调制技术，传输效率大于2 ( b s h z ) ，则 称之为频谱有效调制技术。 目前，大部分正在运行中的深空通信系统都是功率受限系统，不适于那频谱 第二章深空通信信道的描述及其对调制技术的要求 9 效率大于2 ( b s h z ) 的调制技术，因为这些调制技术要获得相同的误码率性能p e 值，需要较高的每比特信号能量与噪声功率谱密度比( e 。n 。) ，这不利于节省功 率。 由于无线电频谱日趋拥挤，而通信业务，容量又不断增长，这产生了提高频 谱利用率的要求。此外，由于近年来功能更强大的微波高功率放大气设计方面的 进展以及新兴非线性调制技术的发明，新一代通信系统将有可能提供足够高的 “o 值以确保频谱有效的调制技术能得到广泛的应用。 2 5 小结 本章对深空通信信道的特点作出了分析讨论，指出它是属于典型的带限和非 线性变参信道。调制是为了使得信号特新和信道特性相匹配，不同类型的信道特 性要求选用不同的调制技术。针对深空通信信道带限和非线性的特点，在选择调 制技术时，要求已调波具有包络起伏小，频谱主瓣窄，高频滚降快等特点。此外， 还要考虑调制方式的功率利用率( 功率效率) 和频带利用率( 频谱效率) 的问题。 第三章现代恒包络调制技术 第三章现代恒包络调制技术 3 1 引言 我们在上一章已经提到过，由于深空通信信道中存在非线性和带限器件，它 会使得有包络起伏的己调波信号发生a m p m 效应，从而引起频谱扩展，使性能变 坏。所以在深空通信信道中无一例外的选择了包络恒定、相位连续的调制技术， 即所谓的恒包络调制技术。 5 0 年代末出现t - - 相相移键控( 麟) ，继而，为了提高信道的频带利用率， 在它的基础上提出了四相相移键控( q b s k ) 。这两种调制方式所产生的已调波， 在码元转换时刻( 即码元转换点) 上可能产生1 8 0 。的相位突变，致使频谱的高频 滚降缓慢，带外辐射大。为了消除1 8 0 。的相位突变，到6 0 年代末又在q p s k 基础 上提出了交错正交四相相移键控( o q p s k ) ，它虽然克服1 8 0 。的相位突变的问题， 但在码元转换点上仍然有9 0 。的相位突变，同样使得频谱高频不能很快地滚降。为 了彻底解决相位突变的问题，人们自然地会想到，相邻码元之间的相位变化不应 该瞬时地突变，而应该在一个码元时间内逐渐累积来完成，从而保持码元转换点 上相位连续。于是，各种相位连续的调制技术就纷纷出现。按照调制方式的相位 累积规律，首先出现的是直线型的，这就是7 0 年代初提出的最小频移键控( 朋s k ) 。 1 9 7 5 年又提出了相位累积规律为升余弦的，称为正弦频移键控( s f s k ) 。相继出 现的还有串行m s k 以及频移交错正交调制( f s o q ) ，后两种都可以看成是m s k 的改进型。 约在1 9 7 6 年，从理论和实践上比较完整地总结了m s k 这种调制方式。在此 基础上发现，对上述几种调制方式的相位特性的研究，仅局限于一个码元内进行， 这就大大限制了选择不同相位路径的可能性。因此，基于把相位特性的研究扩展 到几个码元内进行，在1 9 7 7 年提出了平滑调频( 巧m ) 调制方式。它是由相关编 码器和调频调制组成的。相关编码器改成输入数据的概率分布，从而改变基带信 号的频谱。1 9 7 9 年提出了采用高斯滤波器来代替t f m 中的相关编码器，从而构成 了高斯滤波( 调制前) 的最小频移键控( g m s k ) 。基于在几个码元内研究相位特 性，并对基带信号进行处理的观点，在8 0 年代推出了无码间干扰、无抖动的正交 四相相移键控调制技术( i j f - o q p s k ) ，我们将在下一章对它进行详细的讨论。 深空通信中调制技术的分析与研究 3 2 相位不连续的恒包络调制技术 3 2 1 二相相移键控( b p s k - b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ) 这是相移键控中最简单的形式，二进制序列数字信号“1 ”和“0 ”，分别采用 载波的相位“0 ”和“石”或“z 1 2 ”和“一z 2 ”两个离散值来表示。 数字上的时域标示式为： z ( t ) = a c o s c o e t + p ( t ) 式( 2 1 ) 式中p ( t ) 为“0 ”和“万”或“i f l 2 ”和“一z 2 ”，由数字信息比特的极性决 定。根据选用的参考相位标准不同，二进制相移键控可分为绝对相移键控和相对 相移键控两种。 1 绝对相移键控( b p s k ) 二进制数字相位调s t j ( b p s z o 中，载波的相位随调制信号1 或0 改变，通常用相 位0 和1 8 0 来分别表为1 或0 。二进制相移键控己调信号的时域表达式为： s ( t ) = 【a k g ( t k t b ) l c o s c 0 0 t 式( 2 - 2 ) 黼。= ：。簇嚣 2 p s k 言号的产生一般有直接调相法和相位选择法。直接调相法就是将双极性 不归零脉冲序列s ( t ) = a 。g ( t n t b ) 与载波c 0 8 t 相乘，它可以由平衡调制器来实 现。如图3 1 a 所示，相位选择法用数字基带信号按一定规律来选择相位的载波，原 理如图3 1 b 所示。 ( 1 ) 直接调相法 ( b ) 相位选择法 图3 1b p s k 信号产生方法 所以，剧l 然信号可以等效为双极性基带信号作用下的调幅信号，可用下式表示： e ( t ) = s ( t ) c o s c a o te ( t ) = s ( t ) c o s c o o t 式( 2 3 ) 第三章现代恒包络调制技术 其中，j 俐为双极性数字基带信号，可表示为： s ( t ) = a 。g ( t - n t b ) 删是被龇宽度为州揪铲 ! _ 。纂嚣 则可以得出，p m 的功率谱密度为： p n ( f ) = p s ( f + f o ) + p a f f o ) 】 若p = 0 5 ，并考虑g ( o ) = t b ，o ( f ) = t b s a ( w i t b ) ，上式变为 p c ( f ) = 粤 s a 2 ，r ( f + f o ) t b + s a 2 【石( f f o ) t b 】 一般m s k 都采用相干解调器进行解调，其原理图见图3 2 ： 式( 2 - 4 ) 式( 2 5 ) 式( 2 6 ) 图3 2 b p s k 的相干解调 带通滤波器输出表示为： y ( t ) = c o s ( 功o t + 吮) 式( 2 7 ) 式中丸为尉l 蛾信号的某一码元的初相。丸= 0 时，表示数字l 。与同步载波相乘 后，输出为： x ( ) = c o s ( 搬o t + 纯) 鲫( 喇2 主螂吮+ 言5 ( 2 c a o t + 丸 式( 2 8 ) 低通滤波器输出为： 抽样判决器的判决准则为： x ( t ) = l e o s 丸= 三吮：o 2 式( 2 9 ) 一= 1纯o 篙端撕为抽样蝴值 由于本地参考载波有0 ，万模糊度，因而解调得到的数字信号可能极性完全相 1 4 深空通信中调制技术的分析与研究 反、从而1 和0 倒置。这对于数字传输来说当然是不能允许的。所以，在实际中， 克服相位模糊度对相干解调影响的最常用而又有效的办法是，在调制器输入的数 字基带信号中采用差分编码。 2 相对相移键控( d e s k ) 或者称为二进制差分相移键控，它与b p s k 不同的是，它是通过前一个码元和 后一个码元的比较；利用前后码元间的载波相位差来传递数字信息。实现相对调 相的方法是，首先对数字基带信号进行差分编码，即由绝对码变为相对码，然后 再进行绝对调相。其调制原理框图见下图3 3 。 可见，d e s k 和b p s k 的不同之处只是多了一个差分编码器而已。 号 图3 3d e s k 调制框图 3 b p s k 和d e s k 的解调 绝对相移键控b p s k 的解调，不能采用分路滤波，包络检测等方法，只能用相 干解调的方法( 又称极性比较法) f 2 5 。解调是依据相干检测原理建立起来的。如 发端是二相绝对调相，其解调器如图所示，乘法器就是逻辑“与”，因此“与”门 可以作乘法器使用，积分器要求不高，可以用无源r c 积分器，多数采用由运算放 大器组成的有源积分器。此法存在相位模糊问题。如发端是二相相对调相调制， 收端解调有两类，收端解调有两类：一是：由于它是以前一个相邻符号的相位作 为现在观察的符号的参考相位，实现时，是把前一个符号延迟一个符号持续时间t ， 作为检测后一符号的参考相位，对后一符号进行检测，此法称差分相干检测。其 最大特点是不需要载波提出电路，此即d 船矗d 飚k 工作方式；另一方法，只是在 后面多加了一个差分译码器，此即q p s k - - c p s k 工作方式。这种方式的抗干扰能 力强些，但需要载波提取电路，只是在信噪比低的情况时使用 2 6 1 。 觥相干解调时，其误码率性能为： p e = 1 2 e r f 4 a 2 t b 2 n o ) 式( 2 1 0 ) s 为平均功率，s = a 2 2 毛= 每比特信号能量e b = ( a 2 2 ) t b 4d e s k 和b p s k 的功率谱密度 第三章现代恒包络调制技术 二相b p s k 和d p s k 已调信号可统一表示成： z ( t ) = d ( t ) a c o s c a , t 式( 2 1 1 ) 式中d ( t ) = 一l 数据为o ，概率p = 三 + l 数据为1 ，概率p = i 1 d 渺为独立等概率的随机二进制又极性非归零矩形脉冲序列，脉冲宽度为瓦，幅度 为i 。因此，b p s k 和d p s k 具有相同的功率谱密度，而且有： g ( 冈宅孚) 2 则可得到二相p s k 信号的功率谱密度为： g 伊( a 2 4 【g d ( i ) ( f c ) + g d m ( f + r e ) i ) 式( 2 1 2 ) 可见它没有线谱分量，只有连续谱。 3 2 2 四相相移键控( o p s k o u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g ) 1q p s k 调制原理 q p s k 正交相移键控，是多相相移键控( m p s k ) 中常用的一种，目前数字微 波或卫星数字通信最常用的一种载波传输方式。它是种恒包络调制技术，它所 携带的信息全部在相位上，无论幅度上的衰减和干扰多么严重，只要调制信号的 相位不发生错误，就不会造成信息丢失，因此q e s k 调制特别适合于衰减和噪声 十分严重的卫星信道 5 。理论分析和实验证明，在恒参信道下，q p s k 调制技术与 f s k ，2 p s _ k ，爿路调制技术相比较，不但抗干扰性能强，而且能更经济有效地利用 频带，适合回传通道的技术要求，因此应用广泛。 q p s k 是在保持系统占用带宽不变的前提下，增加信息的传输速率的一种调制 方式。即每传送一个符号( 口元) ，就传送两比特的数据，由此提高带宽的利用率。 可以表征为： 即，= 辱咧z 雄+ 半i = 1 , 2 , 3 , 4 我们把式( 3 2 6 ) 展开，则有： 即，= 辱 c o s 半 螂柑s m 半卜喇) 一4 ， 深空通信中调制技术的分析与研究 其中 卜庠c o s 爿 贴詹i n 半 在q p s k 系统中，载波相位共有四个可能的取值，对应于四个己调信号的矢量 图。 如图3 - 4 ( a ) 和图3 4 ( b ) 所示。分且称为署。q p s k 系统和三q p s k 系统。 v k 。、 八 + 4 5 1 k 刘1 - v 厂。 图3 4q p s k 信号矢量图 q p s k 调制是一种四相制的相位键控，每个码元包含两位二进制信息。它具有 4 种相位状态，对应于两位二迸制的4 组数据，即0 0 ，o l 、1 0 ，1 l 。它通过载波的 四种不同相位信息来表征传递数的字信息。输入的串行二进制序列经过串并变换 分成速率减半的i 路和q 路。经成形滤波后分别与c o s ( 2 z f o t )s i n ( 2 ：d o t ) 载波相乘， 最后把z 9 两路信号相加就得到q p s k 信号。q p s k 调制器的原理框图如图3 5 所 不 7 a c o s 2 u f d 竺夕 、 ；相 一 s 及力 图3 5q p s k 调制原理图 输入数据为0 ，l 双极性非归零码，数据流经串并变换后，分成两路a 。和b 。，变 换后为双比特码元。为了避免接收端的相位模糊，通常要在发送端加上差分编码， 使发送信息用相对码表示。经过差分编码后的数据用c n 和d 。表示差分编码的输入 第三章现代恒包络调制技术 1 7 输出关系可以表示为式( 2 - 1 ) 和式( 2 - 2 ) ： c 。= ( a 。o b 。0 。( n 1 ) ) + ( a 。0 b 。) ( b 。0 d ( 。一i ) ) d 。= ( a 。o b 。) ( b 。o d ( 。- 1 ) ) + ( a 。0 b 。x a 。0c ( 。_ 1 ) ) 式( 2 - 1 5 ) 式( 2 1 6 ) 式中：0 为模2 相加，( a 。，b 。) 表示当前输入信号，( c d ，d 。) 和( 。恤1 ) ，d 州) ) 分别表示当 前和前一位输出信号。经过差分编码后的两路信号分别去调制同相载波和正交载 波，得到q p s k 调制信号的同相支路i 和正交支路q ，相加后得到q p s k 调制信号。 即，q p s k 调制信号可以看作是两路正交的b p s k 信号之和。 q p s k 调制信号可以表示为： s 哗( t ) = g ( t k t , ) c o s ( c o o t + 仇) - - k 1 1 a k g ( t - k t , ) c o s c o , t - b k g ( t - k t , ) s i n c o o t r ( 2 - 1 7 ) 式中，g ( t ) 一为矩形脉冲，脉冲宽度等于码元周期； 吼一为受调相位，这里有4 种不同的相位取值( 4 5 。，1 3 5 。, 2 2 5 。, 3 1 5 。) ； 哎一为载波角频率；a k = c o s 仍k ；k = s i n e , k 双比特码元中两个信息比特a , b 通常按格雷编码排列，采用格雷编码的好处在 于相邻的双比特码元中两个信息比特a , b 只会有一个变化，从而消除了1 8 0 0 的相位 码元撤据漉i 路调制渡形 2 墓o 2 2 墨o 2 墓o z 哪跚删帅w w l f l ，0 5l 嘞0 60 6 。5 路擞据o 路调制波形 0o 5 0 路教据q p s k 输出波形 圈3 6 识蒲调制仿真结果 深空通信中调制技术的分析与研究 跃变。由于以前一码元信号相位代替了提取的基频相位，因而克服了标准振荡相位 的不确定性。上图给出了o ? s k 的，路和q 路调制波形和o p s k 输出波形： 2 麟k 调制性能及优缺点 q p s k 在光纤、卫星、微波等通信系统中被广泛采用，其较强的抗信号幅度失 真能力及合适的频谱传输效率，非常适用于卫星通信( 如欧洲的d 阻s ) ，是目前 卫星数字通信中最常用的一种数字调制方式，它是一种恒定包络的数字调制方式。 而且占用较少射频带宽，频带利用率高，抗干扰能力强。不过，这种调制方式却不 适合用于移动通信系统中，其原因： 1 带外辐射强。窄带移动通信系统对射频信号的带外辐射都有严格的要求， 专业模拟移动通信系统一般要求的邻道功率不大于一7 0 d b c ，如c p s 标准系统：数字 系统一般为一6 0 d b c ，如t e t r a 系统。o m k 信号频谱的滚降速度很慢，远达不到 要求。 2 不能使用非线性放大器。q p s k 信号中载波相位变化可以是o o ，9 0 0 ，1 8 0 0 ，2 7 0 * 中的任意一个，这样的信号在经过带通滤波器之后其包络就会出现起伏，特别是 相位产生1 8 0 。变化的地方，包络可以降到0 ，而当一个有着非恒定包络的带限线性 调制载波经过非线性放大后，其原已被滤掉或不存在的旁瓣就会被恢复，同时还 会产生同相、正交信号间的带内串扰。这将引起严重的邻道和同信道干扰。经过 非线性放大后系统的误码性能也会下降。这样一来，通过线性调制所获得的频谱 效率在经过非线性放大后就完全丧失了。 3 不能使用非相干解调。q p s k 是依靠载波的绝对相位来传递信息的，只能用 相干检测来进行解调，而不能使用非相干检测( 差分或鉴频器) 。这样系统难以快 速获得同步，抗衰落能力不强，同时系统设备复杂，成本高。 3 2 3 交错正交相移键控o q p s k ( o f f s e tq u a d r a t u r ep h a s es h i f t k e y i n g ) 交错正交相移键控( o q p s k ) 是继q p s k 之后发展起来的一种恒包络数字调制 技术，是o p s k 的一种改进形式。 与普通的q p s k 比较，交错正交相移键控的同相与正交数据流，在时间上相互 错开了一个码元间隔t b ( 即半个符号周期e = 2 t b ) ，而不像q p s k 那样，z q 两个数 据流在时间上是一致的( 即码元的沿是对齐的) 。o q p s k 信号中，( 同相) 、9 ( 正交