江 洁,张风源,陈 劼,林闽佳
(上海航天电子技术研究所,上海 201109)
电波主要是在自由空间传播,信道参数较稳定,信道的主要干扰是加性高斯白噪声。在此恒参信道中,用相移键控(PSK)调制方式可获得最佳的接收性能,并能有效利用卫星频带,因此在现发射机设计中正交相移键控(QPSK)调制方式得到了广泛应用。偏移正交相移键控(OQPSK)的实现难度与QPSK相同,但OQPSK的非线性抑制能力更好,目前已成为卫星数据多通道并行下传方案中的主要调制方式。
OQPSK调制技术已较成熟,相关研究文献并不多,分析基带数据流对调制影响则更少。目前,卫星研制中多次出现了传输频谱畸变等现象。与典型调制频谱相比,畸变频谱信号主包络在固定位置出现明显凹陷,工程中多用增加扰码长度选取特定码片临时解决,未见相关文献对此现象进行研究。为在工程实践中更好地使用OQPSK调制技术,本文对基带数据加扰方式与OQPSK调制频谱变化进行了研究。
数传系统主要完成星上各载荷遥感数据的接收、格式化编排、数据复接、加扰、数据存储、调制、放大、滤波等处理后通过天线下传信号。数传链路模型如图1所示,帧格式如图2所示[1-2]。
图1 数传链路模型Fig.1 Model of data transmission chain
载荷数据进入数传系统后先进行复接和组帧,按图2中的帧格式要求进行数据编码处理。数据编码处理并不改变虚拟信道数据单元(VCDU)数据单元中的数据,只是生成了编码校验符。同时,为避免数据出现全“0”、全“1”长码,数据处理器要求对复接后的数据进行加扰,方法是使数据帧除帧头外的每位与一个标准的伪随机序列异或。在接收端,同一序列与所接收的数据帧异或,以去除随机图型,恢复原数据。可发现,一旦确定了加扰方式,每帧都会用相同的伪随机序列序列进行加扰处理。
经数据处理后的载荷数据送至调制发射模块进行OQPSK调制。按现有卫星应用方式进行划分,数据处理有主要以下两种。
a)合路加扰
各接口数据关系如图3所示。
卫星数传系统中,该组帧方式是一种常见的数据处理方式:载荷数据送入数据处理器后,处理器对数据进行复接和组帧;组帧后的数据以帧为单位进行编码、加扰;对数据流按bit进行串、并转换成2路数据分别送至OQPSK调制的I、Q路输入端。此组帧加扰方式既可保证I、Q每路数据的随机性,又能保证I、Q两路数据间关系的随机性。
b)IQ分路加扰
各接口数据关系如图4所示。
IQ分路组帧是近年来国内新采用的一种数据处理方式,载荷数据送入数据处理器后,针对调制器的输入数据流为两路(I、Q路)的特点,对这两路数据流分别进行组帧、加扰。其特点是I、Q两路数据具独立性,信号解调后,可对其中一路数据直接进行相关分析和使用。此组帧加扰方式可保证I、Q每路数据的随机性,但由于每帧数据的编码加扰方式相同,如I、Q两路间的数据相似或相同,经编码加扰,两路数据间的相对关系并未发生明显变化。
图2 数传帧格式Fig.2 Data transmission frame format
图3 IQ合路加扰帧格式Fig.2 Frame format of IQ collective framing
图4 IQ分路加扰帧格式Fig.4 Frame format of IQ respective framing
由上述分析可知:因载荷数据的组帧方式固定,每帧数据的编码、加扰方式相同,I、Q两路分别经相同的编码加扰后,两路数据间的相对关系无明显变化。载荷数据,单载荷的高低位数据分组产生的I、Q,或多路载荷数据分别独立组帧,都存在I、Q两路数据间随机性不强,数据具相似性,甚至出现大量长0、长1的缺点。
OQPSK调制所需数据为双极性信号(数据“1”用“1”表示,数据“0”用“-1”表示)。设I路数据序列为I(n),Q路数据序列为Q(n),IQ分路组帧后加扰的设计方案无法避免数据流出现长段I(n)=Q(n)或I(n)=-Q(n)。
OQPSK 调制原理如图5所示[3-5]。图中:延迟Ts/2电路是为保证I、Q两个支路码元偏移0.5个码元周期。低通滤波器(LPF)作用是对基带信号进行限带处理,带通滤波器(BPF)的作用是形成OQPSK信号的频谱形状,保持包络恒定。
图5 OQPSK调制器原理Fig.5 Principle of OQPSK modulation
OQPSK信号可表示为
式中:I(t),Q(t)分别为序列I(n),Q(n)的时域表示;ωc为载波频率。
为更清楚地表示调制后的时域波形相位的变化,本文定义载波频率ωc=2/Ts,此处Ts为I、Q 路信号单个码元周期。该定义不影响仿真分析的有效性,分析结果普遍适于其他载波频率。
两路数据及调制后的仿真结果如图6所示。
QPSK信号两路正交的信号为码元同步,OQPSK调制中将正交路信号偏移Ts/2,目的是消除QPSK调制中已调信号突然相移180°的现象,每隔Ts/2信号相位只可能发生±90°的变化。因而星座图中信号点沿正方形四边移动,如图7所示。
图6 OQPSK调制时域仿真结果Fig.6 Timing simulation of OQPSK modulation
图7 OQPSK相位转移Fig.7 Phase transferring of OQPSK modulation
当I(t)=Q(t)时,两路数据及其调制后的时序仿真结果如图8、9所示。由图9可知:当I、Q两路数据一致时,由调制后时域波形可看出载波频率的相位变化始终为-π/2,此时OQPSK调制的相位转移始终向逆时针方向移动。
图8 I、Q数据相同时OQPSK调制时域仿真结果Fig.8 Timing simulation and OQPSK modulation with same I/Q
图9 I、Q数据相同时OQPSK调制相位转移Fig.9 Phase transferring of OQPSK modulation with same I/Q
当I(t)=-Q(t)时,两路数据及其调制后的时序仿真结果如图10、11所示。由图11可知:当I、Q两路数据相反时,由调制后时域波形可看出载波频率的相位变化始终为π/2,此时OQPSK调制的相位转移始终向顺时针方向移动。
OQPSK调制信号的时域表达式为
图10 I、Q数据相反时OQPSK调制时域仿真结果Fig.10 Timing simulation of OQPSK modulation with inverse I/Q
图11 I、Q数据相反时OQPSK调制相位转移Fig.11 Phase transferring of OQPSK modulation with inverse I/Q
式中:σ(ω)为单位冲激函数。
OQPSK调制信号的频域表达式为
OQPSK调制信号的频域表达式可简化为
图12H1(jω),H2(jω)频域图Fig.12 Frequency domain ofH1(jω)andH2(jω)
假设I路(或Q路)信号的频谱经ωc的载波搬移后得到FI(jω)如图13(a)所示,经 OQPSK 调制后频谱如图13(c)所示。由图可知:当OQPSK调制的I、Q两路信号相同时,相当于将I路信号的频谱进行了H1(jω)频域的滤波后再将频谱搬移到载波频率ωc。调制后的信号频谱发生畸变,与典型的调制频谱相比,信号主包络频谱在偏离载波频率-π/Ts附近出现明显凹陷。
当I(t)=-Q(t)时,其 OQPSK调制信号的频域表达式可简化为
此时,OQPSK调制后的频谱相当于将I路信号的频谱进行了H2(jω)频谱的滤波后再将频谱搬移到载波频率ωc。调制后的信号频谱发生畸变,与典型的调制频谱相比,信号主包络频谱在偏离载波频率+π/Ts附近出现明显凹陷。
由于PN序列的随机性,仿真中采用两路相同的PN15序列代替I(t),Q(t)序列进行仿真分析,这样可模拟I、Q两路数据自身具有良好的随机性,但两路间存在相关性。两路相同的PN15码分别通过I、Q两路送至OQPSK调制,得到频谱图如图14所示。
图13 IQ数据相同时OQPSK调制信号频谱Fig.13 Frequency spectrum of OQPSK modulation with the same I/Q
图14 I、Q数据相同时OQPSK调制频域仿真图Fig.14 Frequency domain simulation of OQPSK modulation with same I/Q
由图14可知:当I、Q数据为相同的PN序列时,经OQPSK调制后频谱图是将PN序列的频域经H1(jω)频谱的滤波后的频谱平移到载波频率上。OQPSK调制后频谱在偏离载波频率-π/Ts附近出现明显衰减。
同样,当I(t)=-Q(t)时,即2路相反的PN15码分别通过I、Q两路送至OQPSK调制,所得频谱图如图15所示。由图15可知:当I、Q数据为相反的PN序列时,经过OQPSK调制后频谱图是将PN序列的频域经过H2(jω)频谱滤波后的频谱平移到载波频率上。OQPSK调制后频谱在偏离载波频率+π/Ts附近出现明显衰减。
图15 I、Q数据相反时OQPSK调制频域仿真结果Fig.15 Frequency domain simulation of OQPSK modulation with inverse I/Q
对仿真所示的PN码调制信号频谱图进行了实际的验证测试,两路相同或相反的PN15序列通过调制发射机的I、Q路进行OQPSK调制,在数传通信链路中通过调制发射机的输出端进行频谱测量,设定信道带宽112.5MHz,频谱图如图16所示。相关性,分析了载荷数据分I、Q路组帧后对
按CCSDS标准,加扰方式是按帧进行,I、Q数据合路组帧后,I、Q数据交替与1个标准的伪随机序列相异或。这种数据流设计模型中,每路的规律性被打破,同时两路间的规律性也被打破。单独的I路或单独的Q路解决了出现长“0”、长“1”码问题,同时降低了I,Q数据间的相关性。此时,OQPSK调制的相位转移图沿正方形四边移动。I、Q数据分路组帧后,仅仅解决了两路输入中每路的随机性,两路间的相关性未改变,在目标数据相似或没有良好的随机性情况下,相位转移图常有规律地向某方向移动,在频谱上表现为频谱失真。
由仿真和实测的频谱图(如图17所示)可知:I、Q数据合路组帧既可保证每路数据的随机性,又能实现两路数据间相对关系的随机性,频谱包络平滑完整,没出现凹陷或凸出的频点,适于数传通信链路的数据传输。针对I、Q分路组帧时的频谱变形问题,目前提出了一种新的解决方案:I、Q分路组帧后采用不同的伪随机码序列进行加扰,从而破坏I、Q两路数据原本的自相关特性,达到与I、Q路数据合路组帧同样的传输效果。不同的加扰方式出现两个问题:一是数据接收端用不同的解扰方式对其进行解扰,设备不具通用性,二是为实现较好的信道传输效果需对两种伪随机码的选择进行分析。
图16 I、Q数据相同或相反时OQPSK调制后频谱实测对比Fig.16 Contrast of OQPSK modulation frequency spectrum between same and inverse I/Q
图17 IQ不同加扰方式后的频谱实测对比Fig.17 Contrast of frequency spectrum among different way of scrambling
本文根据OQPSK调制输入信号I、Q路数据的OQPSK调制信号的影响。研究结果表明:在OQPSK调制方式下,仅保证I、Q两路数据自身的随机性并不够,I、Q两路数据间随机性不足,会严重影响信号的传输质量,这种影响的特征是调制频谱在偏离载波频率±π/Ts附近出现明显的衰减。
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