高效调制技术在航空卫星宽带通信传输系统中的应用研究*

李作坤,潘亚汉，尚 斌

(1.解放军理工大学 通信工程学院，江苏 南京 210007；2.南京电讯技术研究所，江苏 南京 210007)



高效调制技术在航空卫星宽带通信传输系统中的应用研究*

李作坤1,潘亚汉2，尚 斌1

(1.解放军理工大学 通信工程学院，江苏 南京 210007；2.南京电讯技术研究所，江苏 南京 210007)

现代航空卫星宽带通信中，随着各种技术的快速发展，乘客用户对视频会议、图像和语音高效传输及网络宽带多媒体应用等服务的需求愈加强烈，如何在机载带宽资源有限的情况下满足这些需求成为各服务提供商研究的重点。其中，改进或研究更高效的调制解调技术对于提高数据传输效率具有重要意义。针对高阶幅度相位联合键控调制方式(APSK)进行研究，分析了这种技术的基本调制解调原理并推导了其理论误码率公式，然后分别在加性高斯白噪声(AWGN)和实际机载航空环境的瑞利信道下进行性能仿真。仿真结果表明，这种新技术相比QAM有一定的性能改善，而且通过在航空环境下与自适应均衡技术的结合应用可以很好地抵抗多径衰落。

高效调制技术；航空卫星宽带通信；64APSK；性能分析；自适应均衡

0 引 言

航空卫星通信系统是卫星通信系统的一个重要发展方向，在实现乘客的电话服务、邮件发送、机上实时数据传输以及提供诸如视频会议和网络接入的宽带多媒体服务方面具有十分广泛的需求[1]；另外，飞机上安装的有效载荷也可广泛应用于航空探测、空中测量、海洋研究、航海布置、灾害观测及预警、电子侦察以及电子干扰等。因此，研制满足这些需求的设备和技术是航空公司和航空制造厂商需要优先考虑的，航空卫星宽带通信中实现越来越高速的数据传输成为当前技术研究的一大趋势。

机遇与挑战并存，实现航空卫星数据的高速传输当然还有很多问题和困难需要克服。尽管航空卫星通信在可操作性和覆盖面上比地面卫星通信有更大的优势，但它与地面或海上卫星移动通信相比还有很明显的差异[2]，比如：(1)飞机的快速移动会引起多普勒效应，多普勒频移较大；(2)机载站的等效全向辐射功率(EIRP)受到限制，主要是机载站上高功率放大器的天线和输出功率的增益受限；(3)多径衰落现象比较严重。所以，随着实现现代高速数据传输所需花费的增加，机载服务提供商在维持盈利的情况下如何以最低成本来克服这些困难成为一个重要挑战和课题[3]。

众所周知，卫星功率有限、高速业务传输与移动站的低天线增益之间的矛盾十分明显。新技术的研究和应用可以极大满足需求并解决矛盾及问题。比如，可以采用改善传输系统、增大天线尺寸和发射功率，优化卫星功率利用率、通信业务分配，改变或优化比特交织、频率校正、调制方式和调制信号识别[4]等方法。但其中只有优化调制方式是最有效、也最经济合理的，本文基于这一目的，研究一种新的高效调制技术，并对其在不同条件下的性能进行理论研究和仿真分析。

1 航空卫星通信关键技术及应用

航空卫星通信系统通过卫星来进行高速数据传输，基本框图如图1所示。此系统由机载设备、卫星、地面站、网络以及地面控制系统等组成。一般情况下，Ku波段的同步卫星有很好的传输能力，但花费也很高。现如随着传输系统传输量的急剧增加，航空卫星通信系统可以用更大尺寸的天线来接收信号。但出于飞机自身所限以及经济因素，这种方法的可行性并不高。

图1 航空卫星通信系统基本框图

图2是机载卫星信号传输的系统框图。图中表明了信号经由编码、调制、上变频、功率放大等传到卫星，也展现了卫星上的信号经过接收、低噪放、下变频、解调、解码等回传给机载设备的过程。用户通过自己的便携式设备可以接入飞机网络服务。如何增加飞机上的数据传输速率和吞吐能力由调制方式和网络接入方法决定。

综上所述，改进调制方式将成为一种现实可行的办法。正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)作为一种高效的数字调制方式，频谱利用率很高，在大中型容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星数字通信等领域被广泛应用[5]，尤其适用于频带资源有限的场合。QAM星座图一般采用矩形和十字形，但实际上采用边界更接近圆形的星形更好。

随着数字宽带卫星业务的增大和系统容量的扩展，频带资源进一步紧张，频带效益要求越来越高，同时较高频谱效率的调制方案要求更高的信噪比，传统的矩形QAM星座图的幅度和相位过多，且通过卫星非线性转发器时，部分点偏离饱和点较大，功率效益不高，非线性失真的影响比较严重。本文采用的APSK(幅度相位联合键控)调制方式结合了PSK与QAM的特点，星座图上有多层同心圆，每层上的信号点均匀的分布，而且为降低误码率并充分利用星座信号平面，外圆的信号点数大于内圆的。这种调制方式比同进制的PSK多了些振幅，但降低了误码率；比QAM少了些振幅和相位，同时各信号点的最小相位差也比方形星座的QAM大，所以允许有较大的相位抖动，增加了抗干扰能力。图3是16APSK和某种64APSK星座图的比较。

图3 16APSK与64APSK的星座图

传统航空中应用的DVB-S2技术支持QPSK、 8PSK、16APSK 及 32APSK等调制方法[6]。最新的基于64APSK的高效调制技术相对于DVB-S2有非常高的性能提升，把它应用在航空领域也将大大减小天线尺寸，在相同信噪比下将达到相对更高的数据传输速率[7]。在结合16QAM、16APSK以及对比64QAM调制方式的基础上主要研究64APSK的性能，并对其在航空卫星宽带通信环境下的应用情况进行进一步仿真分析。

2 64APSK的误码性能研究

2.1 在AWGN下的误码率

由于星座图类似，仅是高阶调制方式比低阶调制方式多几层同心圆的信号点，所以64APSK与16APSK误码率公式的推演过程相同。主要基于16APSK的误码率推导过程来讨论64APSK的误码率性能。

首先对16APSK的误码率公式进行推导[8]。总的误码率公式如下：

(1)

(2)

dij代表Si与Sj的欧几里得距离，N0为噪声谱密度。接下来在16APSK的星座图上作研究，如图4所示。

图4 16APSK星座分析图

图中的各扇形区域表示接收此区域中信号点的正确判决域。由图可知，对于16APSK，由于每一个圆上的所有信号点的误码率相同，公式(1)可以表示为：

(3)

为了应用公式(2)，需要知道各信号点之间的欧几里得距离，如下所示：

(4)

(5)

(6)

γ3=R4/R1。在本式中假设R1=1，则γ1、γ2、γ3分别是2.75、4.52和6.3。上述64APSK误码率公式再经过信噪比和比特信噪比的关系转换，得到误码率与比特信噪比的关系曲线如图6中的实线(误码率理论上界)所示。然后利用MATLAB软件对64APSK进行仿真。系统仿真的基本流程如图5所示[9]。

图5 APSK系统仿真框图

用均匀随机数发生器产生一个共有64种可能的信息符号序列。这些信息符号映射为相应的信号点，如图3的右侧图所示。用两个噪声随机数发生器产生噪声分量[nc,ns]，判决器选择最接近向量r的APSK星座图点。最后计数器记录序列中判决到的符号错误数。图6给出了不同信噪比下传输1 000 000个符号的误码率仿真图。从图中可以看出，同信噪比下，仿真得到的误码率小于由公式得到的理论误码率上界。

图6 64APSK信噪比与误码率关系曲线图

在高斯白噪声下，对比低阶16APSK来讨论64APSK调制技术的性能。如图7所示，从图中可以看出，当误码率低于10-5时，16APSK与64APSK之间的信噪比差值在7～8 dB左右。另外，本图是在发送功率和传输速率相同的前提下仿真出的结果，所以从图中曲线还可以看出，当保持误码率Pe和信息传输速率不变时，随着进制M的增大，需要使比特信噪比Eb/N0增大，即需要增大发送功率，但是需要的传输带宽降低了，也即用增大功率换取了节省带宽[10]。

图7 16APSK与64APSK的误码率对比图

在平均功率相同条件下，经过换算得出64QAM最小欧式距离和64APSK最内层半径的关系后，通过对比两者的误码率来讨论不同调制方式的性能，如图8所示。从图中可以看出在信噪比相同时，64APSK的误码率比64QAM的误码率小、性能好，最大相差3 dB左右, 当信噪比大于21 dB后，信噪比成为主要影响误码率性能的因素，所以不同调制方式的误码率趋于相同。另外，64APSK更易于对转发器的非线性进行补偿，适应线性特性相对不好的卫星传输信道，能获得更高的频谱利用率。

图8 64QAM与64APSK的误码率对比图

2.2 在瑞利信道下的误码性能

由于这种新的调制技术应用于航空卫星宽带通信中，在航空中存在机身反射、大气反射等多种信号反射路径，所以需要研究在实际多径衰落情况下这种调制的性能，即在瑞利信道下的性能，仿真结果如图9所示。图中主要对64APSK调制方式分别经过加性高斯白噪声和瑞利信道时的误码率进行了对比分析。

图9 多径瑞利信道下的误码率对比图

从图中可以看出多径衰落下，在信噪比低于11 dB左右时，在瑞利信道下的误码性能要略好于在高斯白噪声干扰下的误码性能，但误码率仍在10-1以上，但是当信噪比高于11 dB后，在瑞利衰落信道下的误码性能随着信噪比的加大开始越来越严重恶化，比如在误码率为10-5时，相对于AWGN已经有10 dB的误码性能损失，大约有30%～40%的衰落，而且路径越多，恶化程度越明显。实际中的信道多径衰落是不可避免的，所以在航空环境中，为了减少多径衰落的影响，需要采用有效的抗多径措施。

3 抗多径技术

从上节仿真中可以看出，多径衰落对接收信号的影响十分严重，所以只有在接收设备采取一定的抗多径技术才能真正保证航空卫星宽带通信的通信质量。相关的抗多径技术有多种，本文主要采用自适应均衡技术来抗多径衰落。采用常用的最小均方(LMS)横向滤波器来组成自适应均衡器。由于符号干扰中有同相也有正交分量，设计了一个由11阶复数线性横向滤波器和采用训练序列的抽头系数更新模块组成的均衡器，如图10所示。x(k)为均衡器输入向量，w(k)为抽头系数向量，d(k)为期望估计向量，y(k)为均衡器输出向量。

图10 自适应均衡器示意框图

图11 采用自适应均衡后的误码率对比图

用MATLAB对上面的均衡器进行仿真时，采用瑞利信道，设置码元速率为2 400波特，信号源和上一节的相同，为均匀随机数发生器，产生一个共有64种可能的信息符号序列；设置的步长为0.000 3，均衡器抽头系数为11，所有的抽头初始值为0，只有第六个中心抽头的值为0.3+j·0。然后在瑞利信道下传播时，仿真后得到的误码率关系如图11所示。相比图9，从图中可以看出，采用这种技术后的误码性能有了明显改善，可以和AWGN下的性能相比拟，说明结合相关的自适应均衡抗多径衰落技术后可以使64APSK调制技术更好的应用在航空卫星宽带通信中。

4 结 语

基于64APSK的高效调制技术以其能充分利用频谱资源的优势，在未来的航空卫星宽带通信、机载高速率数据传输以及其它相关领域中有着广阔的发展前景。本文在介绍这项先进技术的广泛需求和关键技术后，首先对理论误码率公式进行了推导，然后通过对比的方法，分别对其在AWGN信道和实际应用在航空机载环境中的性能进行仿真和分析讨论，最后应用自适应均衡器来改善传输时的误码性能。研究表明这项技术相比同进制的QAM调制方式有了一定的误码率性能提高和改善，虽然在瑞利信道中传输时会有很大衰落，但是通过应用自适应均衡抗多径衰落技术可以很好地改善实际航空机载环境下的传输质量。综上所述，这项技术能够在相对更低的信噪比下达到更高的数据传输速率，也将进一步为节省卫星通信带宽、提升卫星容量做出更大的贡献。

[1] Werner M, Holzbock M.System Design for Aeronautical Broadband Satellite Communications, IEEE International conference on communications, vol. 5, pp. 2994-2998,2002.

[2] 曹显祥,陈光仁. 关于发展我国航空卫星通信的思考.全国微波通信技术研讨会,1999. CAO Xian-xiang, CHEN Guang-ren. Consideration about Developing Aeronautical Satellite Communication of China. The Microwave Communication Technology Seminar,1999.

[3] Company briefings: NovelSat’s NS 3TMSatellite Modulation Technology is Spurring Strong Interest in the Industry [and is] Appropriate for our Customers to Incorporate, 2012.

[4] 郭娟娟，尹洪东，姜璐等.利用高阶累积量实现数字调制信号的识别[J].通信技术，2014，47(11):1255-1260. GUO Juan-juan, YIN Hong-dong, JIANG Lu, et al. Recognition of Digital Modulation Signals via High-Order Cumulants[J]. Communications Technology, 2014，47(11):1255-1260.

[5] 庄宁,于宏毅,杨珂. 十字形QAM信号的符号错误率计算方法. 计算机工程, TN911.72，No. 13, Vol.37, July 2011. ZHUANG Ning, YU Hong-yi, YANG Ke. Symbol Error Ratio Computation Method for Cross QAM Signals. Computer Engineering, TN911.72，No. 13, Vol.37, July 2011.

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[7] 金惠羡，陆卫强，范宏斌等.“新一代调制标准(NS3)的应用介绍”，卫星电视与宽带多媒体，Vol. 20, 2013. JIN Hui-xian, LU Wei-qiang, FAN Hong-bin,et al.The Application of a New Generation of Modulation Standard (NS3). Satellite TV and Broadband Multimedia, Vol. 20, 2013.

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[9] 王立宁，乐光新，詹菲. MATLAB与通信仿真，人民邮电出版社，2000. WANG Li-ning, LE Guang-xin, ZHAN Fei. MATLAB and Communication Simulation, The People’s Posts and Telecommunications Press, 2000.

[10] 樊昌信，曹丽娜. 通信原理(第六版)，国防工业出版社, 2008. FAN Chang-xin, CAO Li-na. Principles of Communications (sixth edition), National Defense Industry Press, 2008.

Application of High-Efficient Modulation Technology in Aeronautical Satellite Broadband Transmission System

LI Zuo-kun1， PAN Ya-han2， SHANG Bin1

(1.Institute of Communication Engineering, PLA University of Science & Technology,Nanjing Jiangsu 210007,China;2.Nanjing Telecommunication Technology Institute, Nanjing Jiangsu 210007, China)

With the rapid development of various technologies,in modern aeronautical satellite broadband communication,passengers’ demands for service of video conference, high-efficient transmission of pictures and voice, broadband multimedia application and so on become even stronger,and how to meet these requirements in the condition of limited airborne bandwidth resources thus becomes the hot research topic of various services providers. Among these, to improve and develop more efficient modulation technology has important significance in raising the efficiency of data transmission. This paper discusses APSK (Amplitude Phase Shift Keying) modulation, analyzes the basic modulation principle of this technology and derives the theoretical error probability formula. Then, the simulation on performance of 64APSK in AWGN (Additive White Gaussian Noise) and Rayleigh channel of practical airborne communication environment is done. Simulation results indicate that this novel technology enjoys better performance as compared with QAM, and would fairly resist multipath fading when combined with adaptive equalization technology in airborne environment.

high-efficient modulation technology; aeronautical satellite broadband communication; 64APSK; performance analysis; adaptive equalization

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.05.005

2015-02-04；

2015-04-14 Received date:2015-02-04；Revised date：2015-04-14

国家海洋局海洋公益重大科研专项基金(No.201005001-8)

Foundation Item:Ocean Public Welfare Scientific Research Project, State Oceanic Administration, PRC(No.201005001-8)

TN918

A

1002-0802(2015)05-0530-06

李作坤(1989—)，男，硕士研究生，主要研究方向为天基信息系统；

潘亚汉(1962—)，男，博士，研究员，主要研究方向为天基信息系统；

尚 斌(1983—)，男，硕士研究生，主要研究方向为卫星通信。