一种提高星地数据传输效率的调制方式

丁 丹，谢 晴

(航天工程大学 电子与光学工程系，北京 101416)

0 引言

当前，卫星与地面站之间的数据传输大多采用传统QPSK体制，卫星过境过程中数据速率保持恒定，星地数传速率根据最低仰角即最差信道条件进行链路预算来设定，在卫星过境高仰角区产生的链路功率余量未能得到充分利用。针对此问题，文献[1-5]采用变速率传输策略，使得传输速率随着仰角的升高而增加，提高了链路资源的利用率。在此基础上，文献[6]将时域变速率策略与空域多路复用策略相结合，进一步提升了单位时间内的星地遥感数据传输容量。

上述文献均是从传输策略着手，通过设计合理、高效的传输机制，从策略层的角度充分提高链路资源利用率。本文从调制方式[7-8]着手，设计具有较高功率效率和频谱效率的信号波形，从物理层的角度着手提高链路功率利用率，提出一种新型的SOQPSK[8-9]调制方式，以提高星地数据传输的效率。

1 系统设计

由于信道功率、频率均受限，星地数据传输需采用兼具功率效率和频谱效率的传输体制[10-13]，其核心是设计最小功率谱占有率的恒包络、连续相位调制方式。SOQPSK是一种连续相位调制方式，消除了传统遥感数传中QPSK信号的180°相位翻转。一方面，SOQPSK具有比常用的QPSK更低的带外频谱功率，对于单用户传输场合而言，可用更低的功率传输相同的数据；对于多用户传输场合而言，较低邻道干扰有利于更彻底地消除多用户间的干扰；另一方面，SOQPSK具有比QPSK更佳的恒包络特性，非常适合在功率资源受限的非线性卫星信道中传输，能够更充分地发挥星上功率放大器的能力。本文在普通SOQPSK的基础上进行改进，进一步提高功率效率和频谱效率，将其用于星地数据传输，如图1所示。

SOQPSK是一种连续相位调制(Continuous Phase Modulation，CPM)方式，其数学表达式为：

其中的相位表示为：

式中，αi为信息承载序列，为M进制符号，对于SOQPSK调制来说M=3，即αi∈-1，0，1(αi=0表示相位不变，αi为1或-1表示相位增长或者减小)；Tb是αi符号周期，也是比特间隔；h为调制指数，在SOQPSK中置为1/2；q(t)为相位脉冲函数，其形式定义为：

式中，g(τ)为频率脉冲，在[0，LTb]区间内非零；L为SOQPSK波形的相位约束长度。

2 改进的SOQPSK信号波形设计

为了进一步降低SOQPSK信号带外功率，本文对SOQPSK调制方式进行改进。改进型SOQPSK调制方式的频率脉冲选为升余弦函数，其表达式为gt=nt×wt，其中，

式中，n(t)是滚降系数为ρ的升余弦函数，在时间轴上是无限的；升余弦窗w(t)将频率脉冲限制在有限范围之内；A为归一化参数，使得单个频率脉冲引起的相位偏移为π/2。4个参数(T1，T2，B，ρ)根据不同的需要可有不同的赋值。3种SOQPSK改进型的参数设置如表1所示。

表1 改进型SOQPSK的参数设置

由于频率脉冲为升余弦函数，因此，符号周期内的相位变化不是线性的，且相位状态受多个波形影响，因此无法像传统SOQPSK那样直观描述相位状态转移情况；而正是由于这种非线性的相位变化，使得信号的带外泄露更少，-30 dB以下的带外性能得到明显改善。

3 改进SOQPSK解调方法

根据上述研究，改进SOQPSK每个比特周期内的波形均可对应1个I路波形和1个Q路波形，2个分量各有8种波形(基本为4个波形)。因此，最佳接收机设计如图2所示，即I路和Q路各4个匹配滤波器，每路滤波结果取正反2个值，最终获得I路和Q路各对应8个波形的匹配结果。

图2 改进SOQPSK的解调方法

这个结果与一对α值(αi，αi+1)相对应，而这对α值与原始比特流的对应关系则由传统SOQPSK的状态网格转移图确定。因此，从I路和Q路各对应8个波形的匹配结果到最终恢复原始比特流的过程可由4状态网格转移图的Viterbi译码完成。相比传统SOQPSK，由于改进型SOQPSK每个频率脉冲在多个比特周期内起作用，因此每个比特区间的波形为之前多个波形的时域叠加，因此要回溯多个周期波形进行Viterbi网格译码，解调复杂度更高些。

4 仿真分析

4. 1 改进SOQPSK调制波形分析

对传统SOQPSK和改进型SOQPSK进行仿真对比分析，涉及的参数如表1所示。传统SOQPSK和改进SOQPSK的频率脉冲波形如图3所示，从图3可以看出，在1 bit周期内，传统SOQPSK的频率脉冲幅度保持不变，而在比特周期外其幅度为0；改进SOQPSK的频率脉冲波形则呈现升余弦的形状，且在前后多个比特周期内起作用。

图3 频率脉冲波形对比

当加载比特信息时，传统SOQPSK和改进SOQPSK的瞬间频率偏移如图4所示，而其对应的波形相位轨迹如图5所示。

图4 瞬时频率偏移对比

图5 相位变化轨迹对比

对比图4和图5，由于传统SOQPSK的频率脉冲幅度在一个比特周期内保持不变，因此这期间对应的相位变化是线性的。相比之下，改进SOQPSK的频率脉冲幅度在多个比特周期内变化，因此这期间对应的相位变化是非线性的，从而使相位轨迹显得更加平滑。

图6对比了传统SOQPSK和改进SOQPSK信号的功率谱密度。可以看出，传统SOQPSK的功率谱密度在[-0. 5，0. 5]之外有较大的旁瓣，幅度超过-30 dB。相比之下，改进SOQPSK信号的带外频谱功率大大降低，从而改善了带外性能。究其原因，改进SOQPSK信号的相位变化更为平缓，因而抑制了带外泄露。

图6 改进SOQPSK与传统SOQPSK功率谱密度对比

4. 2 改进SOQPSK传输性能

首先分析AWGN信道下、无编码的SOQPSK调制的BER性能，然后将其与QPSK进行比较。对SOQPSK调制信号采用Viterbi解调时，解调性能与回溯深度有关。图7显示了回溯深度对改进SOQPSK信号的BER性能的影响。从图中可知，回溯深度为1(d=1)时系统性能很差，回溯深度越大(d越大)，BER性能越好。当回溯深度为5时，BER性能几乎达到了理论值。

图7 SOQPSK解调性能与回溯深度的关系

图8对比了3种调制方式的BER性能极限，分别是传统SOQPSK、改进SOQPSK和普通QPSK。从图中可知，改进SOQPSK的性能较传统SOQPSK差0. 4 dB左右，较QPSK的性能恶化约0. 8 dB。说明改进SOQPSK以较小的性能恶化代价换取了较大的频谱和功率效率提升。

图8 SOQPSK信号与QPSK信号的BER性能对比

5 结束语

改进SOQPSK采用升余弦函数作为频率脉冲，使得符号周期内的相位变化呈非线性，进一步压制了带外泄露，-30 dB以下的带外性能得到明显改善。对于单用户点对点传输模式而言，改进SOQPSK将信号功率集中在主瓣，降低了带外功率损失，提高了功率利用率；对多用户分频传输模式而言，改进SOQPSK带外功率低，多用户之间干扰降低，提升了整体传输效率。