基于偏移载波组合调制的卫星通信扩容设计与分析

魏海涛，鲍亚川，蔚保国

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081)

基于偏移载波组合调制的卫星通信扩容设计与分析

魏海涛1,2，鲍亚川1,2，蔚保国1,2

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081)

针对卫星通信系统应用中可能遇到的扩容问题进行了研究，提出了通过采用偏移载波的组合调制信号体制设计以提高卫星通信系统入站服务能力的基本思路和设想。基于新的设计方法，在保持已有系统和链路资源不变的情况下，可以实现系统入站服务能力的大幅度提高，仿真实验结果表明采用AltBOC与BPSK调制的组合方式可使入站能力提高100%，而采用BOC与BPSK调制的组合方式可以使入站服务能力提高66.35%。这种组合调制方式对未来卫星通信系统的设计与改进提供了新的途径和参考。

偏移载波调制；谱分离系数；等效载噪比；入站容量

0 引言

卫星通信系统的发展过程中往往都会面临这样一个问题，在系统设计建设之初受到各方面条件限制，以满足当时的用户数量和服务质量为目标建设的系统，随着国民经济社会的长期发展和用户数量的不断增长，服务能力将逐渐难以满足需求。此时基于现有系统设施和频带资源，仍然可以借助于采取新的信号体制设计手段，充分挖掘系统潜力，实现系统服务能力的倍增。

在扩频通信系统中，通信链路之间的互干扰，即多址干扰是影响系统性能和服务能力的重要因素[1-2]。在链路数目较多的情况下，多址干扰对于接收信号载噪比的影响十分明显，对于卫星通信入站这样的突发扩频通信方式，在众多用户同时入站时，中心站的信号接收解调将会面临压力，这也在一定程度上限制了卫星通信系统服务能力的提高[3-4]。

针对多址干扰的研究由来已久，众多多址干扰消除和抑制方法层出不穷，但要从本质上消除其影响，最理想的方式是采用合理的信号体制设计以降低影响[5-6]，多址干扰影响的降低将会带来更多的链路余量，进而提高系统服务能力。本文通过采用偏移载波调制组合使用降低用户入站信号间干扰，实现卫星通信入站能力的提高，经过理论和仿真分析，论证该方案的可行性和有效性。

1 偏移载波调制

随全球多个导航系统的建设而衍生出的导航信号兼容互操作一直是导航领域的研究热点，众多学者和科研工作者开展了大量相关研究，其中偏移载波调制技术作为最重要的发明和创新，对于导航信号频率兼容性的提高起到了至关重要的作用。目前众所周知的偏移载波调制技术包括BOC[7-8]、AltBOC[9-10]以及衍生的MBOC、CBOC、TD-AltBOC等[11]，并已在Galileo、北斗二代等系统中得到了应用。本文基于BOC[12-13]及AltBOC调制进行相关分析和论证[14]。

1.1 BOC调制

BOC调制是在BPSK的基础上增加了一级方波副载波调制。根据副载波类型不同，BOC信号可分为正弦型和余弦型，分别记为BOCs(m,n)和BOCc(m,n)，其中m=fsc/f0，n=fc/f0，在这里f0=1.02 MHz，fc和fsc分别是扩频码和副载波速率。

其基带信号表达式为：

(1)

其功率谱密度为：

(2)

1.2 AltBOC调制

AltBOC调制是将复数型方波与信号相乘，使得该信号的频谱分成两部分，它们分别偏移到中心零频的左右两侧。

由信号体制分析以及减少对现有出站信号影响考虑，采用恒包络AltBOC调制，其调制信号表达式为：

(3)

(4)

定义n为调制系数，一个伪码码片对应的副载波半个周期的数目，恒包络AltBOC调制的功率谱密度如式(5)所示。几种信号调制模式的归一化功率密度如图1所示。

(5)

图1 AltBOC、BOC功率谱密度图

2 频谱分离度分析

调制方式所导致的信号间的频谱分离性能可以用谱分离系数进行评估，谱分离系数定义为：

(6)

式中，βr为接收带宽，Gs(f)和GJ(f)分别为有用信号和干扰信号在各自的发射带宽内归一化的功率谱密度。

信号带宽取为8MHz为例，AltBOC及BOC的副载波频率fs及伪码频率fc需满足以下条件：

fs+fc≤βr。

(7)

原信号采用BPSK信号，扩展信号选取BOCs(2,2)和AltBOC(2,2)调制的谱分离系数如表1所示。

表1 几种调制方式的谱分离系数

由表1可知，AltBOC及BOC调制因为相对于BPSK频谱主瓣发生偏移，所以具有较好的谱分离性能，而AltBOC相对于BOCs又具有更好的谱分离增益。

由谱分离系数，可得到采用不同调制时信号的等效载噪比，对多址干扰进行量化分析和计算[15]。

(8)

现有卫星通信系统中心站接收信号解调门限往往为一个固定值，大多为40～50dBHz，当多址干扰导致的等效载噪比小于解调门限时，此时的入站用户数量可以认为达到了系统入站能力的理论极限。

3 入站容量计算方法

设卫星通信入站信号为突发信号，用户申请入站按泊松状态在地域上均匀分布,帧长时间内发生k次呼叫的概率为：

(9)

式中，λ为单位时间内的平均呼叫数，即呼叫率。

4 基于偏移载波调制的系统设计及容量分析

假设信号接收载噪比为55 dBHz，解调门限为45 dBHz，可计算得到若只采用BPSK调制方式的最多可同时入站用户数为104。

若入站信号采用BOCs(2,2)调制与BPSK调制相结合的方式，即部分用户采用BPSK调制，部分用户采用BOCs调制，此时接收信号等效载噪比为：

(10)

根据解调门限及式(10)可以联立方程：

(11)

式中，N1为BPSK调制用户数，N2为BOC调制用户数，由式(11)解得，可同时入站的BPSK调制用户数为56，BOC调制用户数为117，即理论最多可同时入站总用户数可达173，相比于单纯BPSK调制系统入站服务能力将提高66.35%。

调整BPSK用户数目，总的入站用户容量的变化趋势如图2所示。可以看出单纯使用BPSK调制可同时入站用户数为104，单独使用BOC调制可同时入站用户数为150，采用BOC+BPSK调制组合的方式，总用户数随BPSK用户比例会发生变化。

图2 采用BOC组合调制的入站服务能力变化曲线

若入站信号采用AltBOC(2,2)调制与BPSK调制相结合的方式，此时接收信号等效载噪比为：

(12)

根据解调门限及式(12)可以联立方程：

(13)

式中,N1为BPSK调制用户数，N2为AltBOC调制用户数，由式(13)解得，可同时入站的BPSK调制用户数为58，BOC调制用户数为150，即理论最多可同时入站总用户数可达208，相比于单纯BPSK调制入站容量将提高100%。

调整BPSK用户数目，采用AltBOC+BPSK调制组合方式，总的入站用户容量的变化趋势如图3所示。单独使用AltBOC调制可同时入站用户数为180，总入站用户容量最多时与上述计算结果一致。

图3 采用AltBOC组合调制的入站服务能力变化曲线

由仿真结果可见，由于AltBOC相比于BOCs调制具有更好的频谱分离度，因此在与BPSK的组合使用中，可以使多址干扰降得更低，同时也使得系统入站服务能力得到提高。

另外，也应该注意到要使这种组合调制方式最大限度地发挥作用，动态合理地调整分配采用每种调制方式的入站用户数目十分重要。对于采取这种调制方式组合模式的信号体制，入站策略和资源分配方式需要进一步深入的研究。

5 结束语

本文提出了基于偏移载波组合调制的卫星通信系统入站容量扩容方法，通过理论计算及仿真分析，验证了借助于BOC或者AltBOC调制与传统BPSK调制的组合使用，仅通过信号体制的优化设计，基于原有系统设备和频带资源，即可实现卫星通信系统入站容量和服务能力的大幅度提高。偏移载波调制的使用，本质上通过引入信号间频偏，提到了频谱利用效率，降低了信号间多址干扰，提高了接收信号的等效载噪比。基于偏移载波的组合调制信号体制设计可以应用于卫星通信系统扩容，也可以为其他卫星通信系统的扩容以及设计提供参考和依据。

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Design and Analysis of Satellite Communication Capacity Expansion Based on BOC Combined Modulation

WEI Hai-tao1,2,BAO Ya-chuan1,2,YU Bao-guo1,2

(1.The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China;2.State Key Laboratory of Satellite Navigation System and Equipment Technology,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Focused on the service capability expansion problem in satellite communication systems,a combined signal design method of binary offset carrier modulation is proposed.Compared with the common signal design,the inbound capability of satellite communication system can be improved with the new method without more wireless resource usage.The inbound capability can be improved by 100% by the combination of AltBOC and BPSK,and 66.35% by the combination of BOC and BPSK.The method provides a new approach and reference for the design and improvement of future satellite communication systems.

binary offset carrier modulation;spectrum separation coefficient;equivalent carrier noise rate;inbound capacity

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.01.03

魏海涛，鲍亚川，蔚保国.基于偏移载波组合调制的卫星通信扩容设计与分析[J].无线电通信技术,2017,43(1):11-14.

2016-10-21

中国电科航天信息应用技术重点实验室基金课题(EX156290055)；卫星导航系统与装备技术国家重点实验室专项课题

魏海涛(1979—)男，高级工程师，主要研究方向：信号与信息处理、卫星导航、阵列天线。鲍亚川 (1985—)，男，博士研究生，主要研究方向：卫星导航信号体制设计等。蔚保国(1966—)，男，博士，研究员，主要研究方向：卫星导航总体设计等。

TN914.5

A

1003-3114(2017)01-11-4