卫星通信中的高阶调制技术研究

张曼倩，刘 健，杨 博，邹光南

（航天恒星科技有限公司 北京 100086）

卫星通信系统对地面通信系统有着补充的作用，在一些紧急的灾害、战争情况下尤为重要。卫星移动通信系统在过去的十年里与地面移动通信系统共同发展，已有显著的进步。GMR-1系列协议和DVB系列协议是卫星通信领域比较成熟的两个协议，它们随着地面通信系统的演进分别发布了新版本，如GMR-1由早期的GMR-1 Release1[1]发展到GMR-1 Release2[2]和 GMR-1 Release3[3]，而 DVB[4]协 议 也 发 展 到DVB-S2[5]和 DVB-RCS2[6]。

由于卫星传输信道的频带资源总是有限的，因此提高传输效率是卫星通信系统所追求的最重要的指标之一。多进制数字调制是高阶调制技术，但其抗加性噪声能力不及二进制数字调制，且随着进制数增大，误码率上升，所以卫星通信实际应用中多用四相和八相调制。但是，随着接收机性能愈趋稳定，设备复杂性问题迎刃而解，高阶调制技术大力发展起来，如MQAM、MPSK以及MAPSK等。

本文首先对GMR-1和DVB最新版本协议中的高阶调制技术进行总结，然后研究了卫星衰落信道模型，最后基于MATLAB平台仿真了各高阶调制技术在莱斯信道和高斯白噪信道下的误码率性能曲线，通过对仿真结果的对比分析，可得到高阶调制信号在误码率性能及受信道衰落影响方面的相关结论。

1 卫星通信协议高阶调制技术

目前大多数卫星通信系统仍然采用的是QPSK调制方式。世界上的一些国际卫星通信系统、地区卫星通信系统、军用卫星通信系统以及一些低轨道卫星通信系统都采用的是调制方式为QPSK，GMR-1 Release1和第一代卫星数字广播标准DVB-S中采用的也是QPSK的调制方式。然而为了支持大容量的视频和互联网业务、进一步提高宽带卫星通信系统的频带利用率、增加系统容量，新版的卫星通信协议中提出了各种高阶的调制方式，并已在一些卫星系统中得到应用，例如加拿大Telesat电信卫星使用了8PSK传输电视信号，海事卫星Inmarsat BGAN系统使用了16APSK的调制方式。

GMR-1 3G标准支持多种调制方式，使系统根据当前链路情况灵活调整无线资源分配，进一步提高通信速率和系统容量，并为高速率的分组数据业务信道新增了16APSK和32APSK的调制方式。DVB-S2标准推荐使用8PSK、16APSK和 32APSK调制方式，DVB-RCS2标准推荐使用 8PSK、16QAM，并沿用了DVB-S2中的16APSK和32APSK。

综上 ，GMR-1 3G、DVB-S2、DVB-RCS2、BGAN 等都采用了MQAM、MAPSK的调制技术，对应的进制数M的取值通常是16和32。下面分别对QAM和APSK的调制原理进行描述。

1.1QAM调制方式

QAM被称为正交幅度调制，是由两个正交载波的多电平振幅键控信号叠加而成的。以16QAM为例，信号波形的二维矢量表示为：

式中，aic和ais是一组相互独立的离散电平的集合。

矩形QAM星座具有实现简单的特点，其星座映射如图1所示。MQAM调制方式可以提高频率利用率，且在相同进制、相同平均发射功率条件下，MQAM比MPSK的误码率更低。但在卫星信道环境下，由于MQAM是矩形星座，信号具有多个幅度，在通过卫星转发器时，功率效益不高，且存在着对饱和状态放大器引起的非线性失真非常敏感的问题。特别在卫星移动通信系统中，由于终端-卫星相对移动产生较大的多普勒效应，通常不建议QAM调制方式，而通常使用QPSK或APSK调制方式。

图1 16-QAM星座映射图Fig.1 16-QAM constellation mapping

1.2 APSK调制方式

APSK是一种利用载波幅度和相位同时承载信息的混合调制方式。APSK是QAM和PSK之间一个很好的折衷，其误码性能接近QAM，抗非线性性能接近PSK，非常适合于卫星信道。

已有文献中的APSK星座结构有很多，但DVB-S2和GMR-1 3G标准中，16APSK星座选择4+12型结构，32APSK星座选择4+12+16型结构，主要原因是这两种星座可以提高功率效率，而频谱效率接近16QAM和32QAM，比较容易实现信号的调制与解调。另外，APSK不像一般的其他星座那样固定不变，而是针对不同的频谱效率有不同的相对半径，实际需要从欧氏距离最小化、信道容量最大化来考虑相对半径与相对相位的选择[8]。

图2显示了4-12型的16-APSK调制信号的星座，该星座图由2个同心圆组成，每个圆上等间隔均匀分布PSK星座点。

信号星座点的表达式为：

图2 16-APSK星座映射图Fig.2 16-APSK constellation mapping

其中，r1、r2是指内圆和外圆的半径，θ1、θ2是指内外两个圆上星座点的初相。

32APSK与16APSK调制类似，由3个同心圆组成，4-12-16型的32APSK星座如图3所示。

图3 32-APSK星座映射图Fig.3 32-APSK constellation mapping

GMR-1 3G[9]和 DVB-S2[5]分别针对自身系统定义了16APSK和32APSK的相对半径和相对相位，分别如表1、表2和表3所示。DVB-S2中的APSK相对半径参数值是基于频谱效率和编码效率的变化而变化。

表1 GMR-1 3G中APSK调制参数Tab.1 APSK modulation parameters of GMR-1 3G

表2 DVB-S2中16-APSK调制参数Tab.2 16-APSK modulation parameters of DVB-S2

由于卫星信道中HPA非线性的存在，卫星信道的调制星座需要尽量减少信号幅度的起伏。因此，星座形状呈圆形、圆周个数少的APSK成为极具潜力的一种调制方式。APSK比QAM更适于在卫星信道上实现变速率调制，很适合卫星信道特点以及业务的需要。

表3 DVB-S2中32APSK调制参数Tab.3 32-APSK modulation parameters of DVB-S2

2 卫星信道模型

卫星信道下，用户接收到的信号中包含直射成分和多径成分，多径成分的相关累加和具有等强度和随机相位的特征。GMR-1协议的附录[1]中给出了卫星信道模型，如图4所示。

将输入信号乘以一个固定的增益，再乘以一个复杂的瑞利（Rayleigh）衰落增益，构成信号路径的多径成分。多径成分与信号直射成分相加形成一个莱斯（Rician）衰落信号。噪声样本用于产生所需的，再加到莱斯衰落信号上。需要注意多径成分功率参与每比特能量的计算过程，并决定了噪声样本的功率大小。

图4 卫星信道模型Fig.4 Satellite channel model

输入信号的直射成分与多径成分的功率之比即莱斯衰落因子。多径成分的相关累加和具有等强度和随机相位的特征，可以得到Rayleigh衰落过程的经典多普勒频谱，再与直射成分相加构成莱斯衰落。莱斯衰落的频谱以线性值表示（不以dB为单位），表示式如下，衰落因子由下式得到：

其中，信号总功率是1+1/K，直射成分功率是1。

Rayleigh衰落生成器基于Jake模型，整体上看是多个正弦波的叠加，以模拟接收机来自不同方向的多普勒频移的散射效应。

Rician衰落信号的幅度r（t）服从 Rician分布，相位服从（0.2π）的均匀分布。

其中，K为Rician因子，即直射分量功率与多径分量功率之比指主信号幅度的峰值，接收信号的包络r（t）的概率密度函数分布随K的变化而不同。信道的衰落特性随K的不同而变化，当K=0时，Rician分布转化为Raileigh分布。

3 仿真分析

仿真采用蒙特卡罗方法，在每一种信噪比时循环计算10 000包数据的误比特数并统计。

1）AWGN信道各调制信号的误码率曲线对比

图 5显示了 8PSK、16QAM、16APSK、32APSK 调制信号在AWGN信道下的SNR-BER曲线。

观察可知：

①在同样的信噪比条件下，星座点数最少的8PSK误码率最小，星座点数最多的32APSK误码率最大；

②16QAM与16APSK曲线近似重合，证明了APSK的误码率性能接近QAM的特点。

图5 各调制信号在AWGN信道下的误码率曲线Fig.5 The BER curve of modulation signals under AWGN channel

2）Rician-K信道各调制信号的误码率曲线对比

图 6显示了 8PSK、16QAM、16APSK、32APSK 调制信号在Rician-K（K=5）信道下的SNR-BER曲线。

观察并与图5对比可知：

①整体的误码率性能与AWGN信道基本一致；

②8PSK信号的误码率性能受Rician信道影响最小，而32APSK信号的误码率性能受Rician信道影响最大，如误码率为10-4时所需的SNR比AWGN信道恶化了3 dB；

③16APSK的误码率性能仍然接近16QAM，两者性能之差略大于AWGN信道条件。

3）Rician-K信道衰落因子K值分析

图7和图8分别显示了16QAM信号和16APSK信号在不同K值的Rician-K信道下的误码率曲线，并给出了AWGN信道误码率曲线作为参照。

观察可得：

①衰落因子K值越小，多径干扰越大，会导致误码率性能降低；

②相同的信噪比条件下，随着K值的增加，Rician信道误码率逐渐向AWGN信道误码率逼近；

图6 各调制信号在Rician-K信道下的误码率曲线Fig.6 The BER curve of modulation signals under Rician-K channel

图7 不同K值下的16-QAM误码率曲线Fig.7 The BER curve of 16-QAM signal under Rician-K channel（different K values）

图8 不同K值下的16APSK误码率曲线Fig.8 The BER curve of 16-APSK signal under Rician-K channel（different K values）

③K值较低时，16QAM信号比16APSK信号更容易受到多径干扰；

④随着信噪比的升高，Rician信道与AWGN信道的误码率性能差异越来越大，因此算法仿真中卫星信道不能简单的采用AWGN信道进行模拟，需要结合实际分析。

4 结束语

文中针对卫星通信系统物理层的高阶调制技术进行了研究，总结了GMR-1 3G和DVB-S2/RCS2中所建议的调制策略，分析了16QAM、16APSK、32APSK的调制原理，通过MATLAB仿真得到了各调制信号的误码率性能，仿真结果显示了进制数的增加和卫星衰落信道都会对高阶调制技术的误码率性能造成一定程度的影响。

随着卫星通信系统的终端设备处理能力的提升，如改善滤波器性能使带外噪声降低，提高晶振精度使时钟频率更加精确，为卫星通信系统在硬件实现方面提供了客观条件。另外，通过对卫星通信系统的编码、信道均衡等环节中的算法进行改进，也可以提升整个通信系统的误码率性能，从而使系统既有较高的带宽利用率又有较优的误码率性能。因此，高阶调制技术将是未来卫星通信极具潜力的研究方向。

[1]ETSI， TS 101 376 V1， GEO-Mobile Radio Interface Specifications（Release 1） [S].2005.

[2]ETSI， TS 101 376 V2， GEO-Mobile Radio Interface Specifications（Release 2） [S].2005.

[3]ETSI， TS 101 376 V3，GEO-Mobile Radio Interface Specifications（Release 3） [S].2011.

[4]ETSI， EN 301 790 V1，4，1， Digital Video Broadcasting（DVB）； Interaction channel for satellite distribution systems[S].2005.

[5]ETSI， EN 302 307 V1，2，1， Digital Video Broadcasting（DVB）；Second generation framing structure， channel coding and modulation systems for Broadcasting，Interactive Services，News Gathering and other broadband satellite applications （DVB-S2）[S].2009.

[6]ETSI， DigitalVideo Broadcasting （DVB）； Second Generation DVB Interactive Satellite System （DVB-RCS2）[S].2013.

[7]ETSI， EN 302 583 V1，1，1，Digital Video Broadcasting（DVB）； Framing structure， channel coding and modulation for Satellite services to handheld devices （SH）below 3GHz[S].2007.

[8]刘志新，雷菁，雍玲．卫星信道中APSK星座的优化设计[J]．上海航天，2006（5）：33-37．LIU Zhi-xin，LEI Jing，YONG Ling.Optimal design of APSK constellation for satellite channel[J].Aerospace Shanghai，2006（5）：33-37.

[9]ETSI， TS 101 376-5-4 V3，2，1，GEO-Mobile Radio Interface Specifications （Release 3）； Third Generation Satellite Packet Radio Service；Part 5:Radio interface physical layer specifications； Sub-part 4:Modulation；GMR-1 3G 45，004[S].2011.