魏海濤，鮑亞川，蔚保國

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.衛(wèi)星導航系統(tǒng)與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081)

基于偏移載波組合調制的衛(wèi)星通信擴容設計與分析

魏海濤1,2，鮑亞川1,2，蔚保國1,2

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.衛(wèi)星導航系統(tǒng)與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081)

針對衛(wèi)星通信系統(tǒng)應用中可能遇到的擴容問題進行了研究，提出了通過采用偏移載波的組合調制信號體制設計以提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)入站服務能力的基本思路和設想?；谛碌脑O計方法，在保持已有系統(tǒng)和鏈路資源不變的情況下，可以實現系統(tǒng)入站服務能力的大幅度提高，仿真實驗結果表明采用AltBOC與BPSK調制的組合方式可使入站能力提高100%，而采用BOC與BPSK調制的組合方式可以使入站服務能力提高66.35%。這種組合調制方式對未來衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設計與改進提供了新的途徑和參考。

偏移載波調制；譜分離系數；等效載噪比；入站容量

0 引言

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展過程中往往都會面臨這樣一個問題，在系統(tǒng)設計建設之初受到各方面條件限制，以滿足當時的用戶數量和服務質量為目標建設的系統(tǒng)，隨著國民經濟社會的長期發(fā)展和用戶數量的不斷增長，服務能力將逐漸難以滿足需求。此時基于現有系統(tǒng)設施和頻帶資源，仍然可以借助于采取新的信號體制設計手段，充分挖掘系統(tǒng)潛力，實現系統(tǒng)服務能力的倍增。

在擴頻通信系統(tǒng)中，通信鏈路之間的互干擾，即多址干擾是影響系統(tǒng)性能和服務能力的重要因素[1-2]。在鏈路數目較多的情況下，多址干擾對于接收信號載噪比的影響十分明顯，對于衛(wèi)星通信入站這樣的突發(fā)擴頻通信方式，在眾多用戶同時入站時，中心站的信號接收解調將會面臨壓力，這也在一定程度上限制了衛(wèi)星通信系統(tǒng)服務能力的提高[3-4]。

針對多址干擾的研究由來已久，眾多多址干擾消除和抑制方法層出不窮，但要從本質上消除其影響，最理想的方式是采用合理的信號體制設計以降低影響[5-6]，多址干擾影響的降低將會帶來更多的鏈路余量，進而提高系統(tǒng)服務能力。本文通過采用偏移載波調制組合使用降低用戶入站信號間干擾，實現衛(wèi)星通信入站能力的提高，經過理論和仿真分析，論證該方案的可行性和有效性。

1 偏移載波調制

隨全球多個導航系統(tǒng)的建設而衍生出的導航信號兼容互操作一直是導航領域的研究熱點，眾多學者和科研工作者開展了大量相關研究，其中偏移載波調制技術作為最重要的發(fā)明和創(chuàng)新，對于導航信號頻率兼容性的提高起到了至關重要的作用。目前眾所周知的偏移載波調制技術包括BOC[7-8]、AltBOC[9-10]以及衍生的MBOC、CBOC、TD-AltBOC等[11]，并已在Galileo、北斗二代等系統(tǒng)中得到了應用。本文基于BOC[12-13]及AltBOC調制進行相關分析和論證[14]。

1.1 BOC調制

BOC調制是在BPSK的基礎上增加了一級方波副載波調制。根據副載波類型不同，BOC信號可分為正弦型和余弦型，分別記為BOCs(m,n)和BOCc(m,n)，其中m=fsc/f0，n=fc/f0，在這里f0=1.02 MHz，fc和fsc分別是擴頻碼和副載波速率。

其基帶信號表達式為：

(1)

其功率譜密度為：

(2)

1.2 AltBOC調制

AltBOC調制是將復數型方波與信號相乘，使得該信號的頻譜分成兩部分，它們分別偏移到中心零頻的左右兩側。

由信號體制分析以及減少對現有出站信號影響考慮，采用恒包絡AltBOC調制，其調制信號表達式為：

(3)

(4)

定義n為調制系數，一個偽碼碼片對應的副載波半個周期的數目，恒包絡AltBOC調制的功率譜密度如式(5)所示。幾種信號調制模式的歸一化功率密度如圖1所示。

(5)

圖1 AltBOC、BOC功率譜密度圖

2 頻譜分離度分析

調制方式所導致的信號間的頻譜分離性能可以用譜分離系數進行評估，譜分離系數定義為：

(6)

式中，βr為接收帶寬，Gs(f)和GJ(f)分別為有用信號和干擾信號在各自的發(fā)射帶寬內歸一化的功率譜密度。

信號帶寬取為8MHz為例，AltBOC及BOC的副載波頻率fs及偽碼頻率fc需滿足以下條件：

fs+fc≤βr。

(7)

原信號采用BPSK信號，擴展信號選取BOCs(2,2)和AltBOC(2,2)調制的譜分離系數如表1所示。

表1 幾種調制方式的譜分離系數

由表1可知，AltBOC及BOC調制因為相對于BPSK頻譜主瓣發(fā)生偏移，所以具有較好的譜分離性能，而AltBOC相對于BOCs又具有更好的譜分離增益。

由譜分離系數，可得到采用不同調制時信號的等效載噪比，對多址干擾進行量化分析和計算[15]。

(8)

現有衛(wèi)星通信系統(tǒng)中心站接收信號解調門限往往為一個固定值，大多為40～50dBHz，當多址干擾導致的等效載噪比小于解調門限時，此時的入站用戶數量可以認為達到了系統(tǒng)入站能力的理論極限。

3 入站容量計算方法

設衛(wèi)星通信入站信號為突發(fā)信號，用戶申請入站按泊松狀態(tài)在地域上均勻分布,幀長時間內發(fā)生k次呼叫的概率為：

(9)

式中，λ為單位時間內的平均呼叫數，即呼叫率。

4 基于偏移載波調制的系統(tǒng)設計及容量分析

假設信號接收載噪比為55 dBHz，解調門限為45 dBHz，可計算得到若只采用BPSK調制方式的最多可同時入站用戶數為104。

若入站信號采用BOCs(2,2)調制與BPSK調制相結合的方式，即部分用戶采用BPSK調制，部分用戶采用BOCs調制，此時接收信號等效載噪比為：

(10)

根據解調門限及式(10)可以聯立方程：

(11)

式中，N1為BPSK調制用戶數，N2為BOC調制用戶數，由式(11)解得，可同時入站的BPSK調制用戶數為56，BOC調制用戶數為117，即理論最多可同時入站總用戶數可達173，相比于單純BPSK調制系統(tǒng)入站服務能力將提高66.35%。

調整BPSK用戶數目，總的入站用戶容量的變化趨勢如圖2所示?？梢钥闯鰡渭兪褂肂PSK調制可同時入站用戶數為104，單獨使用BOC調制可同時入站用戶數為150，采用BOC+BPSK調制組合的方式，總用戶數隨BPSK用戶比例會發(fā)生變化。

圖2 采用BOC組合調制的入站服務能力變化曲線

若入站信號采用AltBOC(2,2)調制與BPSK調制相結合的方式，此時接收信號等效載噪比為：

(12)

根據解調門限及式(12)可以聯立方程：

(13)

式中,N1為BPSK調制用戶數，N2為AltBOC調制用戶數，由式(13)解得，可同時入站的BPSK調制用戶數為58，BOC調制用戶數為150，即理論最多可同時入站總用戶數可達208，相比于單純BPSK調制入站容量將提高100%。

調整BPSK用戶數目，采用AltBOC+BPSK調制組合方式，總的入站用戶容量的變化趨勢如圖3所示。單獨使用AltBOC調制可同時入站用戶數為180，總入站用戶容量最多時與上述計算結果一致。

圖3 采用AltBOC組合調制的入站服務能力變化曲線

由仿真結果可見，由于AltBOC相比于BOCs調制具有更好的頻譜分離度，因此在與BPSK的組合使用中，可以使多址干擾降得更低，同時也使得系統(tǒng)入站服務能力得到提高。

另外，也應該注意到要使這種組合調制方式最大限度地發(fā)揮作用，動態(tài)合理地調整分配采用每種調制方式的入站用戶數目十分重要。對于采取這種調制方式組合模式的信號體制，入站策略和資源分配方式需要進一步深入的研究。

5 結束語

本文提出了基于偏移載波組合調制的衛(wèi)星通信系統(tǒng)入站容量擴容方法，通過理論計算及仿真分析，驗證了借助于BOC或者AltBOC調制與傳統(tǒng)BPSK調制的組合使用，僅通過信號體制的優(yōu)化設計，基于原有系統(tǒng)設備和頻帶資源，即可實現衛(wèi)星通信系統(tǒng)入站容量和服務能力的大幅度提高。偏移載波調制的使用，本質上通過引入信號間頻偏，提到了頻譜利用效率，降低了信號間多址干擾，提高了接收信號的等效載噪比?；谄戚d波的組合調制信號體制設計可以應用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)擴容，也可以為其他衛(wèi)星通信系統(tǒng)的擴容以及設計提供參考和依據。

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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

魏海濤，鮑亞川，蔚保國.基于偏移載波組合調制的衛(wèi)星通信擴容設計與分析[J].無線電通信技術,2017,43(1):11-14.

2016-10-21

中國電科航天信息應用技術重點實驗室基金課題(EX156290055)；衛(wèi)星導航系統(tǒng)與裝備技術國家重點實驗室專項課題

魏海濤(1979—)男，高級工程師，主要研究方向：信號與信息處理、衛(wèi)星導航、陣列天線。鮑亞川 (1985—)，男，博士研究生，主要研究方向：衛(wèi)星導航信號體制設計等。蔚保國(1966—)，男，博士，研究員，主要研究方向：衛(wèi)星導航總體設計等。

TN914.5

A

1003-3114(2017)01-11-4