（通信与信息系统专业论文）基于qotdm卫星下行链路传输研究.pdf

摘要 准正交时分复用( q o t d m ) 技术是连续波时分复用( c w t d m ) 技术实现的 一种方式，它能够将多路带限信号的采样样点复接成一路信号在一条连续信道中 可靠传输。该技术使得f d m a q o t d m 卫星通信体制的实现成为可能。这种卫星 通信体制不但能大大降低星上处理设备的复杂度和功耗，而且可提高系统的灵活 性，使得其卫星通信链路类似于“透明 的传输链路。 本文以f d m a q o t d m 体制卫星通信系统为背景，主要研究了基于q o t d m 技术卫星下行链路传输系统的结构设计以及其中的关键技术，如样点定时同步、 信道均衡等。主要贡献包括以下几个方面： 1 对q o t d m 的基本原理和关键技术进行了深入研究，提出了一种实现 f d m a q o t d m 体制卫星通信系统下行链路的设计方案。 2 对f d m a j q o t d m 系统的样点定时同步进行了深入的研究，针对星上发送 端和地面接收端部分不同的样点定时同步精度要求，提出了两种不同的定 时同步处理方法。 3 对f d m a q o t d m 系统的信道估计和信道均衡技术进行了研究，提出了一 种新的信道估计方法提取信道信息，并在此基础上设计出了一种修正的判 决反馈均衡器实现对信道的均衡处理。 关键词：q o t d m样点定时同步信道估计信道均衡 a b s t r a c t q u a s i - o r t h o g o n a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x ( q o t d m ) i so n eo ft h em e t h o d st o r e a l i z ec o n t i n u o u sw a v et i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x ( c w t d m ) i tc a ns o l v et h ep r o b l e m o fr e l i a b l yt r a n s m i t t i n gm u l t i p l ec o n t i n u o u ss i g n a l si nac o n t i n u o u sc h a n n e lb ym e a n so f t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g i tm a k e si tp o s s i b l et or e a l i z et h es a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m sb a s e do no n b o a r df d m a q o t d mc o n v e r s i o n n l i sk i n do fs a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sc a nn o to n l yr e d u c et h ec o m p l e x i t yo fo n b o a r dp r o c e s s i n g e q u i p m e n ta n di t sp o w e rc o n s u m p t i o n ，b u ta l s oi n c r e a s et h ea p p l i c a t i o nf l e x i b i l i t yo f t h e s y s t e m s ，m a k i n ga l lt h ec o m m u n i c a t i o nl i n k ss e e mt ob e t r a n s p a r e n t ”c h a n n e l s o nt h eb a s i so ft h eo n b o a r df d m a q o t d mc o n v e r s i o ns a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m s ，t h i st h e s i sp u t st h ee m p h a s i so nt h ea r c h i t e c t u r ea n dk e yt e c h n o l o g i e so ft h e d o w n l i n kp a r tw h i c hi sb a s e do nt h eq o t d m t r a n s m i t t i n gt e c h n o l o g y , s u c ha ss a m p l e t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na n dc h a n n e le q u a l i z a t i o n t h ea u t h o r sm a i nc o n t r i b u t i o n sa r e a s f o l l o w s ： 1 t h r o u g ha n a l y s i so fb a s i cp r i n c i p l e sa n dk e yt e c h n o l o g i e so ft h eq o t d m ，a d o w n l i n ks c h e m ei sp r o p o s e dt or e a l i z et h es a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sb a s e d o no n b o a r df d m a q o t d mc o n v e r s i o n 2 b ya n a l y z i n gs a m p l et i m i n gs y n c h r o n i z a t i o no ft h eo n b o a r df d m a q o t d m c o n v e r s i o ns a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，i n c l u d i n go n b o a r dt r a n s m i t t i n ga n d r e c e i v i n go nt h ee a r t h ，t w od i f f e r e n tm e t h o d so ft i m i n gs y n c h r o n i z a t i o np r o c e s s i n g i sp r o p o s e d ，w h i c hc a n s a t i s f yt h e i rd i f f e r e n tp r e c i s i o nr e q u e s t s 3 b a s e do nr e s e a r c h e so ft h ec h a n n e le s t i m a t i o na n de q u a l i z a t i o no ft h eo n b o a r d f d m a q o t d mc o n v e r s i o ns a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，an e wc h a n n e l e s t i m a t i o ns c h e m ei sp r o p o s e d a n df u r t h e rm o r e ，am o d i f i e dd e c i s i o n f e e d b a c k e q u a l i z a t i o na l g o r i t h mi sa l s od e v e l o p e d k e y w o r d s ：q o t d m s a m p l et i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n c h a n n e le s t i m a t i o n c h a n n e le q u a l i z a t i o n 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 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。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已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：二粪互象苹- 日期她 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论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。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一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，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期孚繇王l 一 日期迹：主：! z 第一章绪论 第一童绪论 1 1 研究工作背景和意义 自从二十世纪六十年代第一颗商用通信卫星上天，卫星通信正式进入了类社 会，它以通信距离远、覆盖面积广、通信容量大、传输质量高、组网方便、费用 与通信距离无关、不受地理环境限制等优点，成为现代通信的重要手段之一，并 将在实现全球个人通信的过程中发挥无可替代的作用。 常用的卫星通信体制有两种：f d m a s c p c 和t d m a t d m 。两种体制各有优 缺点：f d m a s c p c 系统的优点是地面站发送简单、接收设备较为简单，不需同步 系统，其缺点是转发器设备的非线性会使多载波信号产生互调干扰，因此其用户 容量不能过大，并且数据吞吐率会随用户容量急剧下降；t d m a t d m 中任意时刻 的下行信号中都只有一个载波，不存在上述问题，因此用户容量大，信道利用率 高，但是其同步系统复杂，且各站发送的峰值功率与平均功率的比值较大，因此 要求较大的上行e i r p ，使地面站设备的复杂度和成本都相对较高。 f d m a t d m h 卫星通信体制可以将上述两种体制的优点进行互补，上行采用 频分多址接入，在星上将f d m a 信号进行频分分路和解调译码，并重新复接为 t d m 信号向下传输。这种体制既能克服多载波互调干扰现象，又能回避t d m a 体 制所需的复杂而昂贵的地面站设备，大幅度降低地面站设备的成本。但是由于其 在星上进行了数字化的分路和解调等再生处理，使得整个系统的灵活性较差：如 果路数较多，带宽较宽，则星上设备的复杂度和功耗也会很高。 针对上述问题，易克初教授的中国发明专利( “带限信号时分复用传输方法【2 p 和“准正交时分复用传输方法p j ，) 提出了一种新的c w t d m ( 连续波时分复用) 传输技术，并用于构成一种新的f d m a c w t d m 1 1 】卫星通信体制。 按复接方式分，连续波时分复用技术可以分为：分帧交织连续波时分复用【6 】 和样点交织连续波时分复用。本文研究的重点是样点交织连续波时分复用传输技 术。与传统的时分复用( t d m ) 方法相比，样点交织连续波时分复用传输技术是 将多路带限连续信号经a d 变换、时分复接、平方根升余弦低通滤波和d a 变换 形成单路模拟信号后通过连续波信道传输。由于样点交织连续波时分复用的传输 波形具有近似时域正交的特性，根据时频对偶原理以及o f d m 传输技术，我们将 样点交织的连续波时分复用简称为q o t d m ( 准正交时分复用) 。文献 4 提出了 一种实现q o t d m 传输技术的方法。该方法直接用以两倍符号速率采样的多路频 带受限连续信号的所有样点进行样点交织时分复接，这样接收端时分分接后的信 2 基于q o t d m 卫星下行链路传输研究 号依然可以保持完整的发送端各路信号的成形波形。然而分析可知，将各路信号 的所有采样样点转发出去会导致下行传输带宽是上行总带宽的两倍。由于通常情 况下对于单路连续信号采样的同步定时精度要求很低，只需达到0 5 个采样间隔 即可，因此对于数字数据信号的传输，如果在星上首先对各路带限信号正交下变 频后的复包络进行码元的粗同步定时后，将各路信号先下采样至符号速率后再进 行复接，这时这种上、下行带宽不对称的影响就可以避免，增加的处理模块只会 使星上处理的复杂度稍微增加。本文研究的主要是这种基于一倍符号速率的样点 交织的q o t d m 传输技术，用于构成f d m a j q o t d m 卫星通信体制。当然，在某 些情况下对于星上处理复杂度要求较高而对下行带宽不做限制时，也可以使用文 献 4 】提出的复接方式实现q o t d m ，本文提出的q o t d m 传输技术地面接收端处 理方案对文献【4 】提出的复接方式可以兼容。 f d m a j q r o t d m 体制利用星上处理技术，对上行的f d m a 信号进行f f t 频分 分路【l2 1 、样点定时同步、下采样、时分复接、附加帧同步信息以及平方根升余弦 成形等处理后，经d a 变换和上变频直接下行发送，避免了星上进行的多载波信 号的解调、纠错译码和再编码及调制处理，大大降低了星上设备的复杂度和功耗， 同时提高了信道应用的灵活性。此外，q o t d m 传输技术直接操作各路信号的样点 序列实现时分复接，通过a d 、d a 实现模数和数模的转换，因此它的频带利用 率与常规的t d m 技术一样高，但它能从根本上克服了f d m a t d m 体制复杂度高、 灵活性差的缺点。同时由于星上处理复杂度的降低，使得该体制更易于与其它星 上抗干扰技术和电路交换技术相结合，构成具有很强抗f t 扰能力的宽带大容量 v s a t ( 甚小口径终端) 卫星通信系统。 1 2 国内外研究现状和趋势 星上处理、交换和星际连接功能是卫星通信适应未来信息网络发展的基本要 求。传统的卫星转发器，不论是早期采用的二次变频方案，还是目前大多数卫星 采用的一次变频方案，其根本特点都是星上非再生处理的所谓“透明”转发式中 继。随着大量“宽带传输业务、i p 业务、个人通信漫游业务需求的出现，卫星 星上处理和交换技术越来越多地被用在转发器的设计中，其典型的代表有美国的 a c t s 卫星、t h r u y a 卫星以及在印尼的a s e s 亚洲蜂窝移动卫星等。为减少星 上处理的复杂度，在设计一个卫星通信系统时，就需要对复杂度进行合理的分配， 把一些不必要的复杂度从星上转移到地面来，例如采用星上不解调，地面进行解 调的方法，这也正是f d m a c w t d m 卫星体制出现的根本思路和根本出发点。 实际上，在参考文献 5 】中已经阐述过q o t d m ( 样点交织c w t d m ) 的基本 原理，并己在核磁共振c t 成像仪中得到了成功的应用，但在无线信道中实现这种 第一章绪论 传输方式还存在着两个难题，这就是：1 ) 要求信道特性严格服从奈奎斯特第一准 则，稍有偏差都会引入严重的信道间干扰和信号波形的失真，因此需要设计出非 常好的信道均衡器进行补偿。2 ) 要求接收端采用精度非常高的帧同步和样点定时 同步技术，才能使接收端的信号完好的分离，稍有偏差都会引起子信道之间的泄 漏。这两个难题也是本文研究的重点。 1 3 本文的主要研究工作及章节安排 本文的主要研究工作是f d m a q o t d m 系统的关键环节一一基于q o t d m 传 输技术的卫星通信下行链路设计。它包括星上对上行f d m a 信号频分分路后的样 点定时同步、组帧、成形等星上发送端部分及整个地面接收端部分。在专利“准正 交时分复用传输方法”的基础上，本文以同步轨道地球卫星为背景，对q o t d m 应 用于卫星下行链路传输技术进行了深入的研究。 理论上，正交时分复用( o t d m ) 来源于目前熟知的正交频分复用( o f d m ) 。 它像正交频分复用一样，也是通过信号波形之间的正交性实现信号的传输和分离， 达到多路信号共享一条物理信道的目的，只是它是通过时域样点成形波形之间的 正交性实现的。由于o f d m 通过时域的矩形窗函数的截取实现频域s i n c 函数的平 移正交，这种方式是物理可实现的，但是反过来要实现时域的s i n c 函数的平移正 交，就需要在频率域进行矩形窗函数的截取，等效于实现理想的低通滤波器，很 显然，这在物理上是不可实现的，只能通过近似的频率域近似截取实现时域波形 的准正交，因此把以这种方式实现的信道复用称为准正交时分复用( q o t d m ) 。 它需要接收端精确的抽样才能正确地恢复出各路信号，抽样位置的任何偏差都会 引入很大的干扰，严重影响系统的性能。所以q o t d m 技术对于样点定时同步的 性能要求是很苛刻的，尤其是对于存在多径衰落的无线信道来说，不仅需要高精 度的样点定时同步，还需要非常好的信道均衡技术才能真正地避免信道间干扰， 因此，实现高精度的样点定时同步和信道均衡是本文研究的重点。 本文主要研究了f d m a q o t d m 体制卫星通信系统下行链路的q o t d m 传输 技术，并对整个系统的可行性加以仿真验证。主要工作包括以下几个方面： 1 对q o t d m 的基本原理和关键技术进行了深入研究的基础上，提出了一种 实现f d m a q o t d m 体制卫星通信系统下行链路的设计方案，包括星上发送端部 分和地面接收端部分的总体结构和各个模块的设计方案，并用m a t l a b 工具进行 了仿真，验证和评估了系统的性能 2 对f d m a q o t d m 系统的样点定时同步进行了深入的研究，针对星上发送 端和地面接收端部分不同的定时同步精度要求，以尽可能减少系统的复杂度为前 提，对它们进行了不同的定时同步处理。对于星上发送端的粗定时同步部分，采 4 基于q o t d m 卫星下行链路传输研究 用了复杂度较低的基于g a r d n e r 算法定时误差检测；对于地面接收端的高精度的定 时同步部分，则采用了基于同步序列相关峰的定时误差检测。在样点的定时恢复 上，分别采用了基于不同群延迟量的多相滤波器组重新采样法。 3 对f d m a q o t d m 系统的信道估计和信道均衡技术进行了研究。根据下行 链路的帧结构和所选用的同步序列的特点，提出了一种新的信道估计方法提取信 道信息，并在此基础上设计出了一种修正的判决反馈均衡器，以便利用提取出的 信道信息快速的初始化均衡器，达到使均衡器快速收敛的目的。仿真研究表明， 这种信道估计和均衡算法可以达到良好的信道均衡效果。 本文的章节安排如下： 第一章，介绍了q o t d m 传输技术的主要研究背景、相关研究工作的国内外 发展动态以及研究工作概要。 第二章，介绍了q o t d m 传输技术基本原理，分析了f d m a q o t d m 多址 复用卫星通信体制的基本结构，包括f d m a q o t d m 系统星上发送部分和地面接 收端的组成模块。首先给出了f d m a q o t d m 系统星上发送部分和地面接收端的 结构框图，然后介绍了q o t d m 传输技术应用于卫星下行链路的工作原理和关键 技术，最后详细讨论了星上发送部分和地面接收端中的各个模块的设计方案。 第三章，介绍了f d m a q o t d m 系统的样点定时同步技术。重点介绍了星上 发送部分的g a r d n e r 定时误差检测、地面接收端基于同步序列相关峰的定时误差 检测和基于多相滤波器组重新采样实现的定时恢复技术。 第四章，介绍了f d m a q o t d m 系统地面接收端的信道均衡技术。首先根据 下行链路的数据帧结构，提出了一种新的信道估计方式；然后讨论了传统的判决 反馈均衡器和自适应l m s 算法，在此基础上设计出了一种基于自适应l m s 算法 的修正判决反馈均衡器，并给出了相应的理论推导和仿真结果。 第二章f d m a q o t d m 卫星通信体制中的准正交时分复用 第二章f d m a q o t d m 卫星通信体制中的准正交时分复用 2 1q o t d m 传输技术的基本原理 在讨论q o t d m 之前，有必要先简单介绍一下正交频分复用 7 1 ( o f d m ) 的基 本原理，o f d m 是一种载波频谱相互重叠的多载波调制技术( m c m ) ，其基本思 路是将一路高速串行传输的数据流经过串并变换，变换成n 路低速并行的子数据 流，然后将其分别调制到n 个相互正交的子载波上。设每个o f d m 调制符号的周 期为t ，则调制后的合路信号的频谱可以看作周期为t 的矩形脉冲的频谱与一组 位于各个子载波上的函数的艿卷积，矩形脉冲的频谱幅值为s i n e ( i t ) 函数，其频谱 如图2 1 所示，两个相同的s i n e 函数之间进行了一定量的平移，使得一个s i n e 的 中点位于另一个s i n e 函数的零点上，这正好满足了s i n e 函数的平移正交性，因此 两个s i n e 函数的内积为零，实现了任意两个子载波的正交。接收端利用这种子载 波的正交性提取出每一个子载波频率的符号而不受其它路子载波的影响。这种调 制方式除具有传统m c m 调制的诸多优点外，硬件实现复杂度较低，因为它可以 采用带有循环前缀的f f t 算法高效地实现，此外还具有较高的频谱利用率，其频 谱利用率可以达到o 8 波特h z 。 根据傅立叶变换时域频域对偶的原理，一个时域为方波的信号，其频域的频 谱函数是一个s i n e 函数；反过来，一个频域为理想的低通滤波器，它在时域的冲 击响应为一个s i n e 函数。如果将o f d m 频域的正交性搬移到时域来，利用时域 s i n e 函数的正交性实现信号波形的重叠传输就可得到o t d m ，理论上它可以达到 比o f d m 更好的性能。然而，如上面傅立叶变换的时频对偶原理所述，要实现s i n e 函数的时域传输，需要实现频域的理想低通滤波，它不像时域矩形窗函数的截取 那么简单，实际上是不可能实现的。如果采用频域升余弦特性的有限长度冲激响 应滤波器代替s i n e 函数，虽然它只具有近似的平移正交性，但是其复接信号仍然 可以通过适当位置的采样，实现各路信号的无失真分接，这就是准正交的时分复 用( q o t d m ，q u a s i o r t h o g o n a l t i m e - d i v i s i o n - m u l t i p l e x i n g ) 。同时，由图2 1 可 以看出，o f d m 符号的频域实际上是满足奈奎斯特准则的，即多个子信道频谱间 不存在相互干扰，映射到时域来看，时域满足奈奎斯特准则的信道其传输的波形 同样具有正交性，而满足这种要求的波形除了s i n e 函数波形外，还包括频域升余 弦滚降函数、频域直线滚降函数等波形，利用它们实现q o t d m 时，除了脉冲成 形后的成形波形不同外，系统的其它后续处理完全相同。本论文的后续讨论中， 一律选择比较常用的频域升余弦滚降函数作为脉冲成形函数，实现传输波形的时 6 基于q o t d m 卫星下行链路传输研究 域准正交。 图2 1o f d m 信号频谱 基于q o t d m 的连续波时分复用技术的基本原理可以这样描述：如果将n 路 带宽为b 赫兹的基带调制的复包络连续信号峭j 时分复接为一路连续信号在一条连 续信道中传输，则发送端可先以至少2 b 赫兹【9 j ( 为分析方便，本文选用2 b 赫兹) 的采样速率对这n 路信号分别采样；然后对这n 路样点序列分别进行样点定时同 步和下采样处理，下采样至调制符号速率后进行时分交织复接，得到一路样点交 织的数字序列；在该序列的适当位置插入同步序列，将该数字序列通过一个符合 奈奎斯特第一准则的频域升余弦低通滤波器滤波，再通过d a 变换和低通平滑滤 波，就得到一个准正交时分复接信号。然后将此信号通过连续信道传输。接收端 对接收到的信号进行采样和分接，只要采样速率及采样位置与发送端一致，就可 以无失真地恢复出各路信号的样点序列，并进而判决解调出相应的发送数据。 直接操作各路信号的样点序列实现q o t d m 复接虽然很简单，但当它通过无 线信道后，要将它们无失真的分开就十分困难了。首先，它要求整个信道特性要 完全符合奈奎斯特第一准则，稍有偏差就会引入信道之间的相互串扰和信号波形 的失真，因此需要采用性能非常好的信道均衡技术进行补偿。其次，接收端要采 用精度非常高的帧同步和样点定时同步技术，才能使各路信号完好地分开，稍有 偏差就会引入子信道间的泄漏。这两个难题也正是本论文研究的重点。 2 2f d m a q o t d m 卫星通信体制的基本原理 卫星通信常用的三种多址接入方式为频分多址( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 1 0 】，这三种多址接入方式各有自己的优缺点。基于f d m a 第二章f d m a q o t d m 甲星通信体制中的准正交时分复用 7 的透明转发器虽然可以简化地面站发送机及同步系统，但是由于卫星信道功率与 频带的受限性，星上转发器的非线性会产生多载波互调干扰，最终导致总的数据 吞吐率急剧下降。由于t d m a 的每一时隙均是单载波信号，所以星上透明转发器 不存在上述的多载波互调干扰问题，但是t d m a 要求严格的帧同步和很大的上行 峰值e i r p ，使得地面站系统的复杂度要远远高于f d m a 系统。 上世纪八十年代提出了f d m a t d m 多址复用卫星通信体制。这种体制上行 以f d m a 方式接入，在星上完成对信号的解调、译码等再生处理后，再以t d m 复用方式转发出去。它把f d m a 和t d m 优点结合起来，同时克服了二者的缺点， 信道利用率高，地面站成本很低，特别适合于构成v s a t 网状网。但是这种体制 之所以至今没有得到广泛的应用，是因为它存在如下两个严重的缺点：1 ) 由于需 要在星上进行频分分路和多载波解调、译码等再牛处理，因而星上设备的复杂度 很高。2 ) 由于地面站只能按照顾固定的调制方式进行发送，因而系统的灵活性受 到限制。 基于中国发明专利【2 】【3 j 实现的连续波时分复用技术( c w t d m ) ，不借助数字 调制解调技术，直接对信号的采样值进行处理，将多个带限连续信号的采样样点 进行时分复接，合成一路高速信号在一条连续信道中进行传输。文献 6 提出了一 种通过分帧叠接相加的方式实现连续波时分复用的方法，并在此基础上提出了 f d m a c w t d m 多址复用卫星通信体制。它对m 路带限连续信号进行a d 变换， 并利用梯形窗截取各路样点序列划分为子帧单元，然后对各个子帧单元进行叠接 相加，最后加上帧头发送出去。这种方式由于在复接时各路信号存在部分相互叠 加，导至许多数据都是重复传输的无用数据，因而难免会造成一定的浪费，使得 帧效率较低。文献 4 】提出的样点交织方式直接对各路带限信号的单个样点进行交 织，并在帧中均匀插入很少的同步序列组帧、成形后发送出去。这种方式虽然解 决了分帧交织中出现的帧效率低的问题，但是由于为了保留完整的连续信号的波 形信息，a d 的采样速率至少为奈奎斯特速率，则下行信道带宽至少是上行信道 总带宽的两倍，对于数字数据的传输来说这种复接方式的信道利用率降低了一半。 如果将a d 变换后的样点先进行定时同步处理后，再下采样至符号速率，然后将 下采样后的样点按上述方式交织复用，便解决了上述信道利用率低的问题。为了 避免信道间干扰，组帧成形时帧中各个样点的成形波形间需要尽可能满足正交关 系，因此也称这种复接方式为q o t d m 。基于这种方式提出的f d m a q o t d m 卫 星通信体制既能克服上述f d m a t d m 体制的缺点，又能实现很高的信道利用率， 因此具有很好的应用前景。f d m a q o t d m 卫星通信体星上处理部分的基本原理 框图如图2 2 所示。接收信号首先通过正交下变频及2 倍符号速率的a d 变换后 变为基带复包络数字信号，经过多相阵列f f t 频分分路、2 ：1 下采样、t d m 复接、 成形，然后将成形后的信号通过a d 变换和正交上变频发送出去。 8 基于q o t d m 卫星下行链路传输研究 图2 2f d m a q o t d m 体制星上处理系统 f d m a q o t d m 系统地面发送端与常规的f d m a 系统完全相同，但是地面接 收端需要增加一个q o t d m 分解模块，其基本原理框图如图2 3 所示。正交下变频 得到的基带复包络信号通过a d 转换器完成采样和数字化处理后，进入q o t d m 分接模块，在帧同步信息下恢复为与发送端对应的多路基带信号符号速率的样值 序列，然后分别完成解调和译码等处理。 图2 3f d m a q o t d m 体制地面接收端处理系统 由图2 2 、2 3 可知，f d m a q o t d m 系统星上对信号的非再牛处理与发送端 所进行的编码和调制方式无关，因此使得整个系统实现了信号的完全“透明”转 发，不但增加了系统的灵活性，而且大大降低了系统的复杂度和功耗。 综上所述，f d m a q o t d m 体制是一种切实、可行的卫星通信新体制。对于 信号来说，整个系统被划分成了m 条透明的连续信道，每条信道中的信号可以是 任意形式的连续信号，如任意种调制方式的调制信号、跳扩频信号等。整个系统 的关键技术是准正交时分复用技术。 第二章f d m a q o t d m 卫星通信体制中的准正交时分复用 9 2 3f d m a q o t d m 系统星上发送端设计 2 3 1 星上发送端的总体结构 设系统的上行f d m a 信号由n 个频带的用户信号组成，则星上转发器的 q o t d m 系统发送部分就由n 个样点定时同步模块、n 个2 ：1 下采样模块、一个样 点交织时分复接单元、一个同步序列产生单元、两个1 ：2 的采样速率提升单元、两 个平方根升余弦成形滤波器、两个d a 变换器、两个低通滤波器和一个正交上变 频器构成，其结构如图2 4 所示。 图2 4f d m a q o t d m 系统星上发送端原理框图 图中所示传输的n 路离散样点序列，是对n 路带限信号进行2 倍符号速率采 样的样点序列，一般情况下，这n 路带限信号可以是任意调制方式的数字调制信 号的低通等效形式【8 】。当使用实数调制如b p s k 调制时，q 路信号为零。各路样点 序列经过样点定时同步和2 ：1 下采样处理后，恢复到原始的调制符号传输速率，然 后经过平方根升余弦成形、正交上变频发送出去，这样就可以避免下行的发送带 宽远大于上行总带宽，上下行带宽不对称的后果。当然，在某些情况下如果对下 行的发送带宽不做限制，则完全可以省略各路信号的样点定时同步和2 ：1 下采样处 理模块，将各路带限信号的所有采样样点全部交织转发出去，这对于大容量的卫 星转发系统也可以节省很大的星上处理资源。 由于本系统中有两处用到了样点定时同步，包括上述星上发送部分和地面接 收部分。为讨论方便，关于样点定时同步的内容统一放到第三章。下面详细介绍 一下q o t d m 复接技术 1 0 基于q o t d m 卫星下行链路传输研究 2 3 2q o t d m 复接技术 假设需要对路( 以n = 2 8 为例) 带限连续信号进行复接，每路信号均为带 宽为召赫兹的基带调制复包络信号 s i ( t ) = s i l ( f ) + 枣( f ) ，i = 1 ，2 ，) ，那么将它们 进行样点交织时分复接的基本步骤如下： 1 ) 输入端先以z 的采样速率对各路基带复包络信号进行采样，z 满足采样定 n t 9 1 要求，本文中取z = 2 b 。 2 ) 将步骤1 ) 中的每一路采样信号 墨( ，z ) = s u ( n ) + j 宰s i 0 ) ，i = 1 ，2 ，) 分别进 行一次样点定时同步处理，然后通过2 ：1 下采样，选取脉冲波形的最佳采样样点送 入样点交织时分复接单元。 3 ) 轮流选取送入样点交织时分复接单元的路样点序列，实现样点交织时分 复接。然后在这个复数样点中均匀插入m 个已知序列作为同步序列，这里能 被m 整除。以n = 2 8 ，m = 4 为例，则在这个样点序列中每隔7 个样点插入一 个同步序列组成一个复接帧，相邻帧中所插入的同步序列的符号可以相反，间隔 一帧的两个帧中所插入的同步序列相同，具体插法在下文给出。复接帧的结构如 图2 5 所示， 其中信号 s i ( n ) = s ：( 珂) + 掌s l o ( n ) ，i = l ，2 ，n ) 为对信号 s i ( n ) = s i t ( n ) + ，木s i 0 ( 以) ，i = 1 ，2 ，n ) 进行样点定时同步和下采样处理后的样点序 列， s y n ( i ) ，i = 1 ，2 ，3 ，4 ) 复同步序列。每次按固定顺序构造复接帧并连续排列下去， 就形成了一个样点速率为( m + 归的样点序列。 围亟蕊亟匾园 图2 5 样点交织时分复接帧结构 4 ) 在上述的速率为( m + 归的样点序列中每两个样点间插入一个零值样 点，将其样点速率提高一倍，得到一个速率为2 ( m + 归的样点序列。然后用一 个带宽比( + m ) 曰2 稍宽的平方根升余弦滚降滤波器( 具体带宽由其滚降系数口 确定) 对这个信号的实部、虚部分别进行滤波，然后对实部、虚部分别进行d a 变换和平滑滤波，就得到了准正交时分复用( q o t d m ) 信号的基带复包络信号。 第二章f d m a q o t d m 卫星通信体制中的准正交时分复用 1 1 最后通过正交上变频搬移到射频发送出去。 2 3 3 同步序列的设计 在上述的q o t d m 复接过程中插入的同步序列是一个周期为2 m 的复数样点 序列，它不但是系统的同步序列，而且又用作信道特性估计的训练序列。因此， 它除了具有优良的自相关性外，还应具有在低复杂度要求下完成信道估计的特性。 一般的伪随机序列，如r a 序列、m 序列等f 1 0 1 ，它们的自相关函数总存在一些旁瓣， 导致相关峰功率的泄漏，同时，进行信道估计时也需要进行大量的统计，算法的 复杂度较高。通过综合仿真分析，本文选用格雷互补序列为基础构造同步序列。 格雷互补序列是一类具有优良自相关特性的伪随机序列，其定义如下：长为 的一对序列4 ，盈，如果它们的自相关函数的和除了零位移外，其余都为零，那 么这一对序列为格雷互补序列。 c ：奉q + 蔓宰叉= 2 三嚷 嚷= l ，：i 吕 c 2 一， 以一组码长为8 的格雷互补序列为例，格雷互补序列中一组序列的自相关函 数的峰值等于这个序列中码子的个数，最大旁瓣值大约为峰值的5 0 ，当两组相 关值相加以后，旁瓣完全抵消掉了，峰值增加为原来的2 倍。如图2 6 、2 7 、2 8 所示。 图2 6 第一组码相关值图2 7 第二组码相关值 1 2 基于q o t d m 卫星下行链路传输研究 n o 丽a l i z e df r e q u e n c y0 c l 馆抵狮蝴 图2 8 两组码相关值之和 图2 9 同步序歹0 频谱 将上述格雷互补序列插入到交织数据中组帧时，等效于构造一个周期为的二 进制伪随机序列，其自相关函数是每隔个点出现一个相关峰，按照前面的组帧方 式来看，正好每一个复接帧出现一个相关峰，满足系统同步的要求，其频谱图如 图2 9 所示。由图可以发现，同步序列的频谱在零频处也存在较大的频谱分量，而 基带信号的能量主要集中在零频附近。由于信号经过信道传输后，本来在时域相 互分离的同步序列的波形与信号波形会产生一定程度的重叠，因此，为了更准确 地取信道信息，尽量减少数据对相关值的影响，可以将同步序列的频谱搬离零频 处。而信号频谱的搬移，只需要在时域乘以频移因子e - y 妒n 即可。假设既( 疗) ( 本文 中为格雷互补序列) 为原周期为的二进制伪随机序列，p ( n ) 为频谱搬移后的二 进制伪随机序列，我们采用如下的方式构造p ( 刀) ： p ( ，z ) ： 荔东g m o t o o 北d 2 d l ) 一n 竺：d 北2 l d ) 乱l 以= o ，1 ，栅 ( 2 2 ) p ) 5 1 ( ( 一三) ，( 砌。 肛u l 一 u z 由式( 2 2 ) 可知，新构造的序列其周期为2 三的二进制伪随机序列，其每个周期 的后一部分码子是前一部分码子的反相，这种正负交替就可以实现频谱的非零频 搬移，其成形后的频谱图如图2 1 0 所示。它可以均匀的插入到一个或两个帧中。 由此在接收端构成的同步匹配滤波器是一个梳状滤波器，其频谱特性如图2 1 1 所 示，通过时、频域的相关匹配和梳状滤波，可以达到实现系统的同步和信道信息 提取的目的。为讨论方便，本文将原始格雷互补序列的一个码字均匀插入到每一 帧中去，而不进行如上所述的搬移处理。 第二章f d m a q o t d m 卫星通信体制中的准正交时分复用 。 1 ：j- - + l 、。一 ”、，+ _ ，。_ 一 j 一 。0 j。+。j 。 岫目呻唧忸醋酬恻两唧扣幽喇 图21 0 构造同步序列频谱幽21 1 同步匹配滤波嚣额谱特性 2 3 4 星上发送端成形滤波器的设计 上述复接过程中的步骤4 ) 对复接信号的每两个样点之间插入一个零值样点， 使信号采样牢提高了一倍，这样会使其频谱产生镜像分量，用带宽为( _ v + m ) b 2 的滤波器对插零后的信号进行低通滤波虑除镜像分量，使其时域信号得到平滑。 同时，由于本系统是对下采样至符号速率的样点进行复接，在理想定时同步下， 这种方式等效于直接对各路的基带调制符号进行复接，经过实际信道传输后，样 点之间就会产牛串扰和泄漏从而造成各信道之间的串扰。这种串扰与数字调制 符号的码问串扰是相同的。将从发送端复接样点序列的输出位置到接收端进行时 分分接之前位置看作一条离散信道的话，如果要避免码间干扰那么这条信道应 满足奈奎斯特第一准则，这在时域等效于对复接样点进行脉冲幅度调制或者称为 正交幅度调制，此时时域也实现了调制波形的正交性。因此，这条信道总的时域 特性只要具有频域升余弦滚降函数的时域特性，就可以使接收端的样点波形之间 具有近似的时域正交性。频域升余弦滚降函数的时域和频域的表达式分别如式 ( 2 3 ) 、( 2 4 ) 所示。 h ( t ) = _ s m 万( z t t ) i e o s 石( z a i 矿t t ) ( 2 - 3 )| t1 4 。| 。r 日f 曲= t o h ( 1 - a ) z 扣如五t 亍z 硼丁( 1 - e 2 ) z 1 叫c 旦半 ( 2 川 0 悱丁( 1 + a ) 2 r 图2 1 2 复接帧通过成形滤波器后的频谱 第二章f d m a q o t d m 卫星通信体制中的准正交时分复用 1 5 2 4f d m a q o t d m 系统地面接收端设计 2 4 1 接收端总体结构 f d m a q o t d m 系统地面接收部分由一个正交下变频器、一个a d 变换器、 一个系数可变的信道匹配滤波器、频偏纠正环路、帧同步环路、信道估计器、自 适应信道均衡器、2 ：1 下采样器及时分分接单元组成，其总体结构如图2 1 3 所示。 图2 1 3f d m a q o t d m 系统地面接收端原理框图 星上发射给下行链路的信号经过连续信道传输后到达接收端，首先经过正交 下变频和奈奎斯特速率的a d 采样等数字化处理后，变成一个“零中频”的复数 字信号( 也即基带信号的复包络) 样点序列。然后将该样点序列通过一个系数可 变的信道匹配滤波器，该匹配滤波与同步定时剩余误差估计、环路滤波器等单元 组成一个高精度帧同步和样点定时同步环路，除了完成信道的匹配滤波外，还用 于实现高精度的帧同步和样点定时同步，同步定时剩余误差估计单元的输出调整 同步匹配滤波器的系数。接着将信道匹配滤波的输出信号送入频偏纠正环路中完 成载波频偏的纠正。频偏纠正后的信号分成两路输出：一路送入帧同步码匹配滤 波器处理，其输出的同步序列的相关值分成两路，分别送入同步环和信道估计器， 1 6 基于q o t d mp 星下行链路传输研究 前者用于实现帧同步的捕获、跟踪及失步切换、同步定时剩余误差估计等功能， 后者用于进行信道估计，提取信道的冲击响应；另一路经缓存后进入信道均衡器， 消除信道多径等因素引入的码间干扰，均衡器系数的初始化通过信道估计器的输 出及伪随机序列的训练完成。均衡后的信号经过2 ：1 下采样后进入时分分接单元， 由时分分接单元完成样点交织的时分分接，最终恢复出路数字样点序列。根据 样点交织复接的两种实现方式，这路样点序列要么为发送端各路调制符号成形 波形的2 倍符号速率的采样样点序列，要么等效于发送端各路信号的基带数字调 制符号，根据具体情况，在对分接后的各路信号进行处理，恢复出原来的路数 据信息。 由上面的信号处理流程可以看出，整个接收端由五大模块组成，即正交下变 频和a d