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一种新型的移动卫星通信调制
Xie Zhidong Bian Dongming Hu Jing Sun Qian
(Institute of Communication Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)
摘要
由于功率和带宽资源的限制，设计高性能的移动卫星通信系统是一个具有挑战性的问题。本文通过重新定义波形改进了费赫尔正交相移键控（FQPSK）。新型的FQPSK由于其恒包络特性可以用来提高卫星移动通信的功率效率和频谱效率。研究表明，在AWGN信道中改进的FQPSK表现优于传统的FQPSK对高功率放大器的非线性特性免疫。最后，本文分析了平坦衰落和多径衰落对改进调制性能的影响。
关键词：卫星移动通信；调制；费赫尔正交相移键控；衰落
CLC index TN927
DOI 10.1007/s11767-011-0583-z
一、引言
卫星移动通信系统同时受功率和频率限制[1-3]。由于功率效率和带宽效率的限制，设计高性能的移动卫星通信系统是一个具有挑战性的问题。在选择移动卫星通信的调制方案时考虑的最重要因素是：
由于移动终端的高功率放大器（HPA）引起的非线性特性；
海上、陆地运输和航空环境上的多径衰落；
对于每条信道上链路预算的有效全向辐射功率（EIRP）的限制；
邻近信道干扰（ACI）和共信道干扰（CCI）；
相位噪声；
低延时限制；
因此，在移动卫星通信中，迫切需要具有高频谱效率和抗振幅非线性的调制方法。费赫尔正交相移键控（FQPSK）[4,5]是有K.Feher提出的，这是一种准恒包络调制方式，可用于卫星移动通信中。然而，FQPSK的包络起伏至少达到0.18 dB，参考文献[4]指出了一个新的增强的FQPSK（EFQPSK）其频谱滚降率有所提高。然而，包络起伏变得比以前更糟，导致它对HPA的影响更敏感。参考文献[6]提出了一种改进的恒包络的FQPSK，但顾及不到功率谱密度（PSD）和误码率性能。文献[7]中我们提出了一个初步的版本的恒包络EFQPSK。然而，本文中我们将提出可以进一步提高其误码率性能的方案。
为了通过非线性放大器达到更好的BER性能，还具有良好的频谱利用率，本文通过重新定义FQPSK波形函数，将FQPSK转变成一个严格恒包络调制方式。采用新的波形函数的FQPSK不仅提高了带宽效率，而且提高了功率效率。由于恒包络，改进的FQPSK免疫于HPA对误码性能的影响。在非线性放大器中，改进的FQPSK误比特性能优于FQPSK超过1分贝。最后经验证，改进后的FQPSK相位误差鲁棒性比传统的FQPSK更强大。
论文的其余部分组织如下。第二节提出了一种新的移动卫星通信调制。在第三节中给出了这种新型调制的性能分析和仿真，最后第四节得出结论。
二．一种新型的移动卫星通信调制
1.FQPSK的数学模型
FQPSK的基带信号主要是由16个子波构成的，。这些波形在参考文献[4]中都有所描述，每个波形都只对应一个符号区间。在每个时间区间中，总有一个特定的波形被选用于I通道，另一个特定的波形被选用于Q通道。I和Q通道波形的选择取决于该信道最近数据传输情况以及其他信道最近几次连续传输情况。I通道基带信号在第k个信号区间表示为，波形标号i由下式可得：
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（1） |
其中表示第k通道比特数据。同理，Q通道基带信号在第k个信号区间表示为，j可由下式得：
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（2） |
传输信号的复包络为
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（3） |
其中和只表示在区间。包络为
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（4） |
接收信号的复包络为，其中表示加性高斯白噪声。
- FQPSK中的新波形
FQPSK被认为是准恒包络调制方式，也就是说它不是严格的恒包络。为了不影响调制信号的功率谱分布以及在保证基带效率的同时增强功率效率，信号不应在任何地方存在斜率不连续。所以我们需要能够修改波形以获得恒定包络信号。因此我们重新定义信号如式（5）：
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（5） |
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其中且。当且仅当q为偶数时，调制信号包络将严格保持恒定。功率谱密度PSD和误比特率BER都和q的取值有关，q越大，BER表现更优然而PSD会更差。在接下来的研究中，我们折中设q为6。
我们将采用了新型波形的改进的FQPSK称为恒包络增强型FQPSK，简称CEEFQPSK。图1展现了FQPSK和CEEFQPSK包络起伏的比对，可以看出，CEEFQPSK是一种严格恒包络调制方式，而FQPSK存在包络起伏。
三、性能分析与仿真
有不少对FQPSK检波的方案，包括信号注意检波器和优化检波器。CEEFQPSK是有FQPSK衍变而来的，所以，也可以使用维特比算法（VA）对其解调。为了验证CEEFQPSK的性能，我们对CEEFQPSK和FQPSK进行了几组比较。需要注意的是，在本文以下部分采用的性能指标是根据文献[4]提出的。
- 非线性高功率放大器中的BER性能
这里我们采用文献[13]中描述的HPA模型，其AM/AM和AM/PM影响如下：
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（6） |
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接收信号可以表示为：
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（7） |
其中，。我们知道，HPA诱导I信道和Q信道之间的干扰，从而降低系统的误码率性能。见图2说明了HAP对误码性能的影响。图中分别显示了由Iamp;D接收器和VA检波的CEEFQPSK在经过和不经过HPA情况下的BER曲线。同时用以与FQPSK曲线进行比较。首先，我们可以很明确地看出，无论采用什么样的检波器，CEEFQPSK都能很明显地提高BER性能。当采用Iamp;D检波器时，CEEFQPSK的表现优于FQPSK至少1dB。其次，HPA对于FQPSK的性能影响是很严重的，而对于CEEFQPSK则是可忽略的。存在非线性放大器时，采用VA或者Iamp;D接收器时CEEFQPSK的性能表现分别优于FQPSK1dB和1.5dB。
- 平坦衰落信道中的性能分析
移动卫星通信的信道衰落特性可以用统计表示法来描述。瑞利分布是用来描述扩散分量的模型。信道复系数的概率密度函数如下：
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（8） |
接收信号的包络R为：
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（9） |
莱斯分布是用来描述非阴影分量的模型。它可以表示为一个常数和一系列散射点源的总和。信道复系数的概率密度函数如下：
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（10） |
接收信号的包络R为：
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（11） |
其中代表莱斯因子，表示视距信号功率与散射信号的平均功率的比值。
平坦衰落信道中CEEFQPSK和FQPSK的BER性能分别由图3和图4表示。从波形可以看出，瑞利衰落信道中CEEFQPSK和FQPSK表现相近。但是在莱斯衰落信道中CEEFQPSK的性能远远优于FQPSK。
图1. FQPSK和CEEFQPSK的波形和包络
图2. 有无HPA时FQPSK和CEEFQPSK的BER性能曲线
图3. 瑞利衰落信道中FQPSK和CEEFQPSK的BER曲线
图4. 莱斯衰落信道中FQPSK和CEEFQPSK的BER曲线
- 频率选择性多径信道中的性能分析
我们采用文献[14]中描述的频率选择性多径信道，其脉冲响应为：
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（12） |
等式（12）右边的第二和第三部分表示两条多径反射信号，其复振幅分别为和，延迟分别为和。
FQPSK的复基带信号可以表示为：
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（13） |
当式（13）表示的FQPSK信号通过式（12）表示的信道时，接收信号可以表示为：
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（14） |
其中表示加性热噪声，其模型可以用一个复数域的高斯随机过程表示，实部和虚部过程都是均值为0，功率谱密度为。
采用Iamp;D检测：
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（15） |
检测滤波器的同相分量可以表示为：
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（16） |
其中
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（17） |
是检测滤波器对脉冲成型的响应，，而
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（18） |
是同相噪声分量经过检测滤波器的输出。
同理，检测滤波器输出的正交分量可以表示为
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（19） |
其中
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（20） |
BER是多径参数，，和的函数。这些参数的平均值，由文献[14]可知：
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（21） |
在一个信道参数为，，以及的多径信道中，传输速率为10Mbit/s的CEEFQPSK信号的BER如图5所示。FQPSK的BER性能也被表现在图中用于比较。多径干扰导致性能大量损失。
图5. 10Mbit/s CEEFQPSK的Eb/N0-BER曲线
因为在确定由多径干扰产生的谱零点的位置时占主导位置，对的取值见图6。此时，。我们可以发现每次取最小值时，。
四、总结
FQPSK是深空通信中最有前途的调制技术，并已被CCSDS[15]推荐。然而，FQPSK调制信号的包络是非恒定的，并且其功率效率依旧可以提高。本文提出的CEEFQPSK是绝对恒包络调制方式，在保证带宽效率的同时提高了功率效率。经验证，在AWGN和频率选择性衰落信道中，CEEFQPSK的BER性能都优于FQPSK。
致谢
作者想感谢匿名审稿人的建设性意见和问题，大大提高了文章的价值。
参考文献
[1] D. Roddy. Satell
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资料编号：[152214]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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