宽带卫星IP 通信网络中数字调制解调技术研究

蒋 锐，舒康宁，杨国彬，徐 非，余 珂

（云南省气象信息中心，云南 昆明 650034）

由于宽带卫星IP 通信具有非线性、频带限制和多种衰减效应，所以采用适当的调频和解调方法来克服上述问题显得尤为必要。文献[1]提出了一种Chirp-BOK 分数域解调方法。该方法通过尖峰搜索-分数域的非相关解调法，将定频数据采集技术推广到了局部最优。将编码的同步误差归结为Chirp信号的频位偏差，从而达到了分数域解调；文献[2]提出了基于射频数字化解调方法，该方法从数字信道分割和高速解调两个角度出发，对L 波段的RF 数字接收器进行了设计，并在可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）上实现了数字信道的分割与解调。使用这两种方法受到非线性信道影响，收敛速度较慢。因此，从信道非线性角度出发，提出了宽带卫星IP 通信网络中数字调制解调技术。

1 基于I/Q偏置通信网络数字调制

在宽带卫星IP 通信网络中，通信通道的非线性特性，使其具有高带宽、高非线性特性，从而降低了误比特率和频谱利用率[3]。这种波段限制效应主要表现为：对频段中的频率成分进行压制，使得脉冲边缘平滑、展宽，从而产生码间互扰。若中频滤波器的中心频率不均匀，则在正交型时会引起各信道之间的干扰。利用I/Q 偏压进行数字式调制，可以防止I/Q 的线路经过零点（星座图的中心）[4]。利用振幅和相位（向量）的极坐标来表达已调制的信号，因为其具有高的频谱利用率，因此被普遍应用于数字通信。I/Q 调制采用了两个载波，一个是同相（I）成分，另一个是具有90°相位偏置的正交型（Q）成分。I/Q最大的优势就是能轻易地将单一的信号组成一个复杂的组合信号形式，并将其分解成不同的信号。

在I/Q 曲线上，向量的改变可以用振幅、相位、频率或这些指数结合来表示。这种振幅和相位的改变导致了各种调制方式的改变[5]。因为数据是以二进制传送的，所以在星座图上的点一定是2 的次方。星座图表示正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）的形式中有用的标记，例如16-QAM，每个符号都表示四个二进制的一种可能的结合。16-QAM 符号星座图如图1 所示。

图1 16-QAM符号星座图

对于解调星座点判决变量ςi，可表示为：

式中，s表示判决星座点和接收星座点之间的欧氏距离；xi表示第i个星座点[6]。

在高速通信信号传输过程中，通过16-QAM 符号星座图调制实现高速通信信号传输。为了使调制信号具有恒包络特性[7-9]，接收端接收到判决信号后，分别与各路正交脉冲进行运算，获取星座图向量s，并将其与逆映射矩阵相乘，得到行向量：

式中，D表示逆映射矩阵[10]。从中选择最大的行向量对应星座图向量，通过D获取多进制调制信号。

2 非线性通信信道数字解调技术

2.1 数字解调方案设计

调制码元在高斯通道上传送过程中，码元的振幅与相位都存在一定的干扰。为了实现非线性通信信道数字解调，在按照通信原理基础上采用LLR 算法来求解各接收码元中各位元的对数似然比，而各接收到码元归属相应的码元概率如下：

式中，B表示接收方的码元比特值；ci表示按星座图分布的二元数列[11]；λ表示调制方差。设Fi=|B-ci|，那么经过高斯信道传输后相应的星座概率图位对应的对数似然比为：

式中，z0、z1分别表示16-QAM 符号星座坐标对应的二进制序列和8-QAM 符号星座坐标对应的二进制序列[12]。由于采用对数算法复杂度较高，所以为了避免计算每个比特对数似然值中的对数，对其进行简化计算。

在发射信号通过非线性功放时，会造成振幅畸变和相位畸变，尤其是星座图调制时，会造成星座图形的移动和扩散，严重地影响了接收端的判断准确性[13-14]。通过对信号的分析，提出了基于通道特征的解调方法，并采用改进的星座图进行解调。

将调制信号z()t作为输入信号，输出信号可表示为：

式中，φi表示第i个无记忆多项式系数，t表示采样周期。将估计信号序列经过该公式后，可得到接收星座图的星座点坐标[15]。根据获取的坐标，可得到通信信道参数估计模型：

式中，qE表示星座图向量矩阵；J表示待估计信道参数向量；σ表示高斯白噪声经过相关器后输出的向量。使用最小二乘法估计信道参数向量J，由此得到的估计值为：

通信接收端接收到信道参数估计值后，及时修正原星座点集，获取新的星座点，并将修正的星座图进行解调，能够有效抵消信道非线性失真问题。

2.2 四相移相键控解调差分检测

宽带卫星IP 通信网络输出的信号，在任一个码元宽度可表示为：

式中，VB表示码元速率；N表示符号进制数。该式在符号变换的时候会出现90°或180°的突跳，造成了错误速率的增加。尤其是宽带卫星IP 通信信道中受到多路径传播和屏蔽影响，错误更加明显。为了克服该问题，使用了四相移相键控解调差分检测方法，修正信号幅频。

四相移相键控QPSK 的载波相位取值存在四种不同的数值。对于交错正交移相键控QPSK 的重要控制方式[16]，同相与正交两个数据流，能够通过时间流错开获取一个码元间隔，通信数据流时间关系如图2 所示。

图2 通信数据流时间关系

经过硬限幅后，在不加频率成分情况下，信号频谱中的低频成分有轻微增大，并没有去除滤波器带宽限制，但是主脉冲的带宽却基本恢复到了滤波之前水平，从而达到了更平稳的通信效果[17-18]。

3 解调性能实验分析

为验证所提出宽带卫星IP 通信网络数字调制解调技术的合理性，设计了解调性能对比实验。在不同信道环境下，将所提技术与文献[1]Chirp-BOK 分数域解调方法、文献[2]射频数字化解调方法解调性能进行对比分析。

3.1 通信信道配置

在实验过程中，配置了慢速、快速两个通信信道，其中慢速通信信道主要用于传输非紧急的信息，快速通信信道主要用于传输十分紧急的信息。

1）慢速通信信道

对于慢速通信信道配置，采用的是预分配策略，通过空闲信道制定分配。慢速通信信道信号变化情况如图3 所示。

图3 慢速通信信道信号特性

由图3 可知，慢速通信信道幅频特性不会是一条直线，此时信道通过慢速通信信道产生失真现象，在1.5～2.5 Hz 幅频时失真效果最差。

2）快速通信信道

对于快速通信信道配置，采用的是及早分配策略，根据业务的突发状况，将信道资源进行分配，以确保在合理的条件下进行信道负荷分摊。快速通信信道信号变化情况如图4 所示。

图4 快速通信信道信号特性

由图4 可知，快速通信信道幅频特性不会是一条直线，此时信道通过快速通信信道产生失真现象，在0.7～1.1 Hz 幅频时失真效果最差。

3.2 失真信号处理

分别使用Chirp-BOK 分数域解调方法、射频数字化解调方法和数字调制解调技术对失真信号处理，处理结果如图5 所示。

图5 失真信号处理结果

由图5（a）可知，使用Chirp-BOK 分数域解调方法、射频数字化解调方法在1.5～2.5 Hz 幅频时出现不明显失真效果，且信道信号曲线没有趋于一条直线。使用数字调制解调技术通过合理解调，使得信道信号曲线趋于一条直线。由图5（b）可知，使用Chirp-BOK 分数域解调方法、射频数字化解调方法，虽然曲线波动幅度相对之前较小，但是仍然没有合理处理失真信号，达不到频域均衡的目的。使用数字调制解调技术通过合理解调，使得信道信号曲线趋于一条直线，达到频域均衡的目的。

3.3 误码率实验结果分析

使用三种方法在不同信噪比下分析解调过程中的宽带卫星IP 通信误码率，对比结果如图6 所示。

图6 不同方法误码率实验结果分析

由图6 可知，随着信噪比增加，三种方法误码率均处于下降趋势，其中数字调制解调技术误码率最低数值为10-5B，而其余两种方法误码率均大于该值，说明使用所研究技术通信信号误码率较低。

4 结束语

当卫星与通信系统相互融入后，受到非线性通信信道影响，导致宽带卫星IP 通信网络信号解调效果不佳。为此，提出了宽带卫星IP 通信网络中数字调制解调技术研究方法。该方法应用星座图向量方法减少了解调过程的时间复杂度，具有更高的实现效率。采用改进的星座图解调法对多维星座图中的非线性畸变有很大的抑制作用，为了实现更大范围的宽带、高速卫星通信技术的发展奠定了基础。