孫雪峰， 王志有， 宋　銳， 夏國江

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所， 北京 100076)

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新型航天遙測信號調(diào)制解調(diào)技術(shù)

孫雪峰， 王志有， 宋銳， 夏國江

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所， 北京 100076)

摘要:隨著我國大型運載火箭的發(fā)展， 其遙測數(shù)據(jù)容量和傳輸碼速率的提高致使頻帶占有率大幅提升. 針對頻譜資源越來越緊張的問題， 本文將OQPSK、 FQPSK和GMSK三種具有代表性的高效調(diào)制方式作為研究對象， 通過Matlab仿真得到了它們的頻譜圖和誤比特率曲線， 并從頻譜效率、 誤比特率、 實現(xiàn)難度和技術(shù)成熟度等方面進行對比分析， 得出了較適合航天遙測未來發(fā)展的調(diào)制解調(diào)技術(shù).

關(guān)鍵詞:運載火箭； 遙測信號； 頻帶利用率； 調(diào)制解調(diào)方式

0引言

由于我國運載火箭測控系統(tǒng)傳輸碼率低， 且所需無線信道個數(shù)比較少， 因此PCM-FM頻譜利用效率一般能夠滿足使用要求， 故我國航天運載器遙測系統(tǒng)采用的是PCM-FM傳輸體制. 然而， 隨著運載火箭飛行試驗任務(wù)復(fù)雜程度地提高以及未來重型運載火箭等更大型航天運載器的出現(xiàn)， 遙測參數(shù)數(shù)量將急劇增加， 測量精度要求將顯著提高， 圖像測量還需要滿足實時高速、 高分辨率的需求， 導(dǎo)致傳輸碼速率隨之大幅度提高， 如30 Mbps～50 Mbps， 故高傳輸速率必將成為未來運載器遙測發(fā)展的新趨勢. 隨著數(shù)傳系統(tǒng)的傳輸速率越來越高， 需要的帶寬也不斷增加， 從而使數(shù)傳射頻頻譜變得越來越“擁擠”， 導(dǎo)致頻譜資源變得極其緊張， 甚至各測控信號之間嚴重互相干擾， 故提高頻譜利用率顯得尤為重要. 然而， 運載火箭發(fā)射機的功率受限， 不能以犧牲功率來提高頻帶的利用率. 針對航天運載器遙測數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c， 根據(jù)IRIG-106標準和CCSDS標準推薦的幾種調(diào)制體制， 選取FQPSK、 OQPSK和GMSK這3種具有代表性的調(diào)制技術(shù)作為研究對象， 通過與目前使用的調(diào)制方式進行理論對比， 并進行仿真分析， 了解這3種調(diào)制方式的特點和適用性， 為未來運載火箭遙測領(lǐng)域采用新的調(diào)制體制奠定基礎(chǔ).

1調(diào)制方式理論分析

1.1PCM-FM與BPSK調(diào)制

目前， 運載火箭地基遙測使用的調(diào)制方式為PCM-FM， 天基測控使用的調(diào)制方式是BPSK.

假設(shè)PCM-FM 的調(diào)制指數(shù)為β， 基帶信號的帶寬為W，W可以近似用符號速率Rs來表示， 則根據(jù)Carson公式可以得到調(diào)頻信號的帶寬為[1]

(1)

圖 1　　PCM-FM Carson定理計算帶寬和99%功率帶寬比較Fig.1　Comparion between bandwidth of PCM-FM Carsontheorem calculated and 99% power

顯然調(diào)頻信號的帶寬與符號速率的取值有關(guān)， 符號速率越高則所需要的傳輸頻帶越寬. 根據(jù)國內(nèi)外遙測標準， PCM-FM的調(diào)制指數(shù)選為0.7， 按照Carson定理計算出的帶寬為3.4Rs. 根據(jù)99%功率帶寬理論， 如果調(diào)制前不采用預(yù)調(diào)濾波器， 最大頻偏為Δf=0.35Rs， 則99%功率帶寬等于1.78Rs， 如圖 1 所示[2].

在目前頻譜資源緊張的情況下其占用的帶寬還是較寬， 而且隨著符號速率的增加所需頻帶成倍增加.

BPSK同PCM-FM的頻帶相差不大， 但是BPSK的頻帶利用率要高， BPSK的頻帶寬度近似為

(2)

采用相同的相干解調(diào)方法， BPSK的誤比特率如式(3)所示. 其中，r為接收機解調(diào)器輸入信號的信噪比[3].

(3)

1.2偏置正交相移鍵控(OQPSK)

OQPSK信號形式可以表示為

(4)

線性系統(tǒng)內(nèi)， OQPSK信號的功率譜與QPSK的相同， 有較高的頻譜利用率. 當(dāng)碼元等概率出現(xiàn)時， OQPSK信號的等效基帶功率譜表達式為

(5)

OQPSK信號的功率譜是BPSK的二倍.

OQPSK調(diào)制信號可以通過兩路相干解調(diào)方式進行解調(diào). 在線性條件下誤比特率與BPSK相同[5]， OQPSK調(diào)制信號的誤比特率為Pc.

1.3FQPSK調(diào)制

FQPSK[6]是Feher發(fā)明的一種改進型交叉相關(guān)相移鍵控體制， 為準恒包絡(luò)調(diào)制方式. 其形成原理如圖 2 所示.

圖 2　FQPSK調(diào)制原理圖Fig.2　FQPSK modulation Schematic

FQPSK在OQPSK的基礎(chǔ)上增加了IJF信號編碼器和交叉互相關(guān)運算， 使得包絡(luò)更加恒定， 對非線性的抗性增強， 頻帶利用率更高.

FQPSK調(diào)制方式中增加的IJF編碼和交叉互相關(guān)運算， 可以直接解釋為FQPSK在每半個符號間隔內(nèi)對IJF編碼器輸出對進行的互相關(guān)操作， 變形為在每個符號間隔內(nèi)直接對I和Q輸入數(shù)據(jù)序列進行一次映射.

FQPSK半符號間隔映射是在IJF-OQPSK方式下的I、Q兩路信道中各加入1個數(shù)量受控的互相關(guān)量， 以減少包絡(luò)起伏， 這種方式通過相關(guān)因子A來控制相關(guān)量的大小， 具體相關(guān)過程是將I相和Q相2個碼元符號在每半個符號間隔內(nèi)進行相關(guān)運算， 運算過程為[7]：

1)I路信號為零時，Q路信號為最大峰值信號；

3) Q路信號為零時， I路信號為最大峰值信號；

數(shù)據(jù)流NRZ碼通過串并聯(lián)變換， 得到I,Q兩路信號， 經(jīng)過FQPSK的半符號間隔映射， 再經(jīng)過中頻調(diào)制后可以得到FQPSK調(diào)制信號. 從形成過程我們可以看出， FQPSK調(diào)制信號的公式很難給出， 將通過仿真對其進行研究和說明.

FQPSK可以通過OQPSK接收機和平均匹配濾波器接收機和網(wǎng)格編碼接收機進行解調(diào).

1.4高斯最小頻移鍵控(GMSK)調(diào)制

GMSK是一種典型的連續(xù)相位恒定包絡(luò)數(shù)字調(diào)制(CMP)方式.

圖 3　GMSK的調(diào)制原理框圖Fig.3　GMSK modulation diagram

高斯最小頻移鍵控是基于高斯型低通濾波器的最小頻移鍵控， 即在MSK調(diào)制前加入預(yù)調(diào)制高斯濾波器， 用高斯低通濾波器對NRZ矩形波形進行濾波， 得到一種新型的基帶波形， 然后再進行MSK調(diào)制. GMSK的調(diào)制原理如圖 3 所示.

其中， 高斯低通濾波器的傳輸函數(shù)和沖擊響應(yīng)分別為[8]

(6)

式中：α是與H(f)的3 dB帶寬B有關(guān)的參數(shù)， 即B是H(f)的3 dB帶寬， 并且有

(7)

矩形脈沖寬度為Tb的單位矩形脈沖通過高斯濾波器產(chǎn)生的脈沖響應(yīng)為

(8)

再經(jīng)過MSK調(diào)制， 得到GMSK調(diào)制信號的表達式為[9]

(9)

GMSK調(diào)制信號可以通過維特比接收機進行解調(diào)， 也可以通過1 bit或者2 bit接收機進行解調(diào)恢復(fù).

2仿真和性能對比

圖 4　OQPSK的歸一化頻譜圖Fig.4　OQPSK normalized spectrum

使用Matlab2010b模擬運載火箭實際遙測過程， 對OQPSK, FQPSK與GMSK 3種調(diào)制方式進行仿真. 其中PCM(NRZ)碼速率為Rs=2 Mbps， 中頻調(diào)制頻率為f=70 MHz， 信道條件為線性加性高斯白噪聲信道， 得到的OQPSK, FQPSK與GMSK的歸一化基帶信號頻譜圖如圖 4～圖 6 所示.

從圖4中可以看出， OQPSK的主瓣下降了12 dB， 它的能量主要集中在主瓣內(nèi). 通過計算可知當(dāng)OQPSK基帶濾波使用6階貝塞爾BTs=0.5時， 它的帶寬約為1.4 倍的碼速率.

從FQPSK調(diào)制信號的歸一化頻譜圖中可以看出， FQPSK調(diào)制信號的頻譜主瓣滾降達到了40 dB～50 dB. 通過計算可得到其主瓣的寬度約為0.78倍的碼速率.

圖 5　FQPSK的歸一化頻譜圖Fig.5　FQPSK Normalized spectrum

圖 6　BTb=0.5時GMSK的歸一化頻譜圖Fig.6　GMSK normalized spectrum (BTb=0.5)

將圖 4～圖 6 的OQPSK, FQPSK與GMSK的歸一化頻譜圖與圖 1 比較可以看出， OQPSK, FQPSK與GMSK的頻譜滾降速度很快， OQPSK在第3個旁瓣時已經(jīng)下降了20 dB， FQPSK與GMSK的頻譜則很快下降到-60 dB. 主副瓣比很大， 能量集中在主瓣中， 所以它們的頻帶利用率比較高； 并且在非線性條件下， 由于OQPSK、 GMSK與FQPSK調(diào)制信號為恒包絡(luò)、 準恒包絡(luò)信號， 信號幅度起伏小， 其包絡(luò)經(jīng)過限幅放大后的頻帶范圍也要小， 所以性能更加優(yōu)良.

在可靠性方面， 與數(shù)字調(diào)制的單支路BPSK相比， OQPSK相當(dāng)于兩路BPSK， 所以它們的誤比特率一樣. 圖 7為3種調(diào)制方式的誤比特率對比曲線， 其中， 圖 7(a) 中GMSK的BTb值為0.5， 圖7(b) 中GMSK的BTb值為0.25. 從仿真結(jié)果可以得出BTb=0.5時, GMSK的誤比特率與OQPSK的誤比特率近似相等， 比FQPSK的誤比特率小；BTb=0.25時, GMSK的誤比特率略高于OQPSK， 與FQPSK誤比特率相等. 然而， 它們的誤比特率都很小， 說明具有很高的可靠性.

圖 7　誤比特率對比曲線Fig.7　BER contrast curves

幾種調(diào)制方式的頻譜效率和誤比特率為10-5時信噪比的對比結(jié)果如表 1 所示. 根據(jù)飛行試驗仿真， PCM-FM誤比特率BER=10-4時， 所需信噪比為11.1 dB.

表 1　幾種調(diào)制方式頻譜效率和誤比特率的對比

3幾種調(diào)制方式的比較

通過理論與仿真分析可以得出， 目前使用的PCM-FM與BPSK調(diào)制方式的頻帶效率和誤比特率都比較低， 不再滿足快速發(fā)展的運載火箭信息傳輸?shù)囊? 為了得到更適合的調(diào)制方式， 我們對本文中提到的幾種調(diào)制方式進行了5個方面的對比， 如表 2 所示.

從表 2 可以看到在頻譜效率方面， 從仿真分析和理論研究可以得出如表 1 中所示的結(jié)果， PCM-FM與BPSK的頻譜效率最低， OQPSK是BPSK的二倍， FQPSK比OQPSK與GMSK的頻譜效率都高. 這里的FQPSK是不加濾波器的情況， 而FQPSK-B作為FQPSK的一種變形， 其頻譜效率比FQPSK的效率還要高. 從誤比特率方面考慮， 誤比特率從低到高的順序是 BPSK，OQPSK，GMSK，F(xiàn)QPSK. 從仿真分析可以看出， 當(dāng)使用維特比接收機時，BTb=0.5的GMSK與OQPSK的誤比特率近似相等. GMSK調(diào)制信號隨著BTb較小誤碼地增加， 頻譜效率也增加， 實際上是以誤碼的增加來獲得頻譜效率的增加， 當(dāng)BTb=0.25時誤碼與FQPSK相同， 而頻譜效率還是低于FQPSK.

表 2　幾種調(diào)制方式的對比分析

實現(xiàn)難度方面， 因為OQPSK提出較早， 而且簡單， 所以實現(xiàn)難度不大， 技術(shù)成熟， 但是在非線性時， OQPSK相干解調(diào)存在著相位模糊的問題， 造成誤碼增加， 這是它的一個劣勢； GMSK作為CPM的一種有著眾多優(yōu)點， 并且已經(jīng)被應(yīng)用在GSM移動通信中， 技術(shù)成熟， 并且從頻譜效率和誤碼率等方面考慮， 性能較優(yōu)， 但是GMSK引入了碼間串?dāng)_， 作為部分響應(yīng)調(diào)制方式， 頻率變化緩慢， 同步困難， 算法復(fù)雜， 還需要進行進一步的研究改善. 相比之下， FQPSK雖然目前沒有被國家進行實際的使用， 但已經(jīng)過了許多次的仿真， 而且IJF編碼和交叉互相關(guān)運算使用FPGA容易實現(xiàn)， 復(fù)雜度不是很高； 其次， FQPSK作為一種標準同時被列在IRIG和CCSDS中， 也說明它的優(yōu)勢； 同時， FQPSK的變形較多， 未來發(fā)展空間比較大. 從多方面考慮， FQPSK是較為理想的運載火箭未來遙測系統(tǒng)調(diào)制方式的發(fā)展對象.

4結(jié)束語

運載火箭信息傳輸?shù)念l帶利用率是現(xiàn)代遙測數(shù)據(jù)傳輸必須關(guān)注的問題. 本文介紹了OQPSK、 FQPSK和GMSK 3種高效的調(diào)制方式， 通過仿真得到3種調(diào)制方式的頻譜曲線與誤比特率曲線， 可以看出它們是比FCM-FM更高效的適合運載火箭信息傳輸?shù)恼{(diào)制方式. 通過對比分析得出FQPSK優(yōu)點比較多， 頻譜效率很高， 誤碼率低， 較容易實現(xiàn)， 因此， FQPSK作為未來運載火箭遙測系統(tǒng)調(diào)制方式的發(fā)展對象的可行性比較大.

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New Modulation and Demodulation Techniques of Spacecraft Telemetry Signal

SUN Xuefeng, WANG Zhiyou, SONG Rui, XIA Guojiang

(Beijing Institute of Aerospace Systems Engineering, Beijing 100076, China)

Abstract:The increasing of transmission capacity and data rate result in a dramatically increasing of the bandwidth utilizationwith the development of the large-scale launch vehicles., For the strained spectrum resources problems, three representative efficient modulation schemes(OQPSK, FQPSK and GMSK) were researched to replace the PCM-FM and BPSK modulation mode which are currently used. The spectrums and BER curves were figured out through the matlab simulation. the most suitable modem technology for the future large-scale launch vehicles telemetry was got through comparing the spectrum efficiency, BER, the realize difficulty, technical maturity and other aspects.

Key words:launch vehicle; telemetry; bandwidth utilization; modulation mode

中圖分類號:TN941.4

文獻標識碼:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.01.007

作者簡介：孫雪峰(1989-)， 男， 碩士生， 主要從事無線通信技術(shù)的研究.

收稿日期:2015-09-05

文章編號:1671-7449(2016)01-0034-06