高效調制技術在航空衛(wèi)星寬帶通信傳輸系統(tǒng)中的應用研究*

李作坤,潘亞漢，尚 斌

(1.解放軍理工大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007；2.南京電訊技術研究所，江蘇 南京 210007)

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高效調制技術在航空衛(wèi)星寬帶通信傳輸系統(tǒng)中的應用研究*

李作坤1,潘亞漢2，尚 斌1

(1.解放軍理工大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007；2.南京電訊技術研究所，江蘇 南京 210007)

現(xiàn)代航空衛(wèi)星寬帶通信中，隨著各種技術的快速發(fā)展，乘客用戶對視頻會議、圖像和語音高效傳輸及網(wǎng)絡寬帶多媒體應用等服務的需求愈加強烈，如何在機載帶寬資源有限的情況下滿足這些需求成為各服務提供商研究的重點。其中，改進或研究更高效的調制解調技術對于提高數(shù)據(jù)傳輸效率具有重要意義。針對高階幅度相位聯(lián)合鍵控調制方式(APSK)進行研究，分析了這種技術的基本調制解調原理并推導了其理論誤碼率公式，然后分別在加性高斯白噪聲(AWGN)和實際機載航空環(huán)境的瑞利信道下進行性能仿真。仿真結果表明，這種新技術相比QAM有一定的性能改善，而且通過在航空環(huán)境下與自適應均衡技術的結合應用可以很好地抵抗多徑衰落。

高效調制技術；航空衛(wèi)星寬帶通信；64APSK；性能分析；自適應均衡

0 引 言

航空衛(wèi)星通信系統(tǒng)是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的一個重要發(fā)展方向，在實現(xiàn)乘客的電話服務、郵件發(fā)送、機上實時數(shù)據(jù)傳輸以及提供諸如視頻會議和網(wǎng)絡接入的寬帶多媒體服務方面具有十分廣泛的需求[1]；另外，飛機上安裝的有效載荷也可廣泛應用于航空探測、空中測量、海洋研究、航海布置、災害觀測及預警、電子偵察以及電子干擾等。因此，研制滿足這些需求的設備和技術是航空公司和航空制造廠商需要優(yōu)先考慮的，航空衛(wèi)星寬帶通信中實現(xiàn)越來越高速的數(shù)據(jù)傳輸成為當前技術研究的一大趨勢。

機遇與挑戰(zhàn)并存，實現(xiàn)航空衛(wèi)星數(shù)據(jù)的高速傳輸當然還有很多問題和困難需要克服。盡管航空衛(wèi)星通信在可操作性和覆蓋面上比地面衛(wèi)星通信有更大的優(yōu)勢，但它與地面或海上衛(wèi)星移動通信相比還有很明顯的差異[2]，比如：(1)飛機的快速移動會引起多普勒效應，多普勒頻移較大；(2)機載站的等效全向輻射功率(EIRP)受到限制，主要是機載站上高功率放大器的天線和輸出功率的增益受限；(3)多徑衰落現(xiàn)象比較嚴重。所以，隨著實現(xiàn)現(xiàn)代高速數(shù)據(jù)傳輸所需花費的增加，機載服務提供商在維持盈利的情況下如何以最低成本來克服這些困難成為一個重要挑戰(zhàn)和課題[3]。

眾所周知，衛(wèi)星功率有限、高速業(yè)務傳輸與移動站的低天線增益之間的矛盾十分明顯。新技術的研究和應用可以極大滿足需求并解決矛盾及問題。比如，可以采用改善傳輸系統(tǒng)、增大天線尺寸和發(fā)射功率，優(yōu)化衛(wèi)星功率利用率、通信業(yè)務分配，改變或優(yōu)化比特交織、頻率校正、調制方式和調制信號識別[4]等方法。但其中只有優(yōu)化調制方式是最有效、也最經(jīng)濟合理的，本文基于這一目的，研究一種新的高效調制技術，并對其在不同條件下的性能進行理論研究和仿真分析。

1 航空衛(wèi)星通信關鍵技術及應用

航空衛(wèi)星通信系統(tǒng)通過衛(wèi)星來進行高速數(shù)據(jù)傳輸，基本框圖如圖1所示。此系統(tǒng)由機載設備、衛(wèi)星、地面站、網(wǎng)絡以及地面控制系統(tǒng)等組成。一般情況下，Ku波段的同步衛(wèi)星有很好的傳輸能力，但花費也很高?，F(xiàn)如隨著傳輸系統(tǒng)傳輸量的急劇增加，航空衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以用更大尺寸的天線來接收信號。但出于飛機自身所限以及經(jīng)濟因素，這種方法的可行性并不高。

圖1 航空衛(wèi)星通信系統(tǒng)基本框圖

圖2是機載衛(wèi)星信號傳輸?shù)南到y(tǒng)框圖。圖中表明了信號經(jīng)由編碼、調制、上變頻、功率放大等傳到衛(wèi)星，也展現(xiàn)了衛(wèi)星上的信號經(jīng)過接收、低噪放、下變頻、解調、解碼等回傳給機載設備的過程。用戶通過自己的便攜式設備可以接入飛機網(wǎng)絡服務。如何增加飛機上的數(shù)據(jù)傳輸速率和吞吐能力由調制方式和網(wǎng)絡接入方法決定。

綜上所述，改進調制方式將成為一種現(xiàn)實可行的辦法。正交幅度調制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)作為一種高效的數(shù)字調制方式，頻譜利用率很高，在大中型容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡高速數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星數(shù)字通信等領域被廣泛應用[5]，尤其適用于頻帶資源有限的場合。QAM星座圖一般采用矩形和十字形，但實際上采用邊界更接近圓形的星形更好。

隨著數(shù)字寬帶衛(wèi)星業(yè)務的增大和系統(tǒng)容量的擴展，頻帶資源進一步緊張，頻帶效益要求越來越高，同時較高頻譜效率的調制方案要求更高的信噪比，傳統(tǒng)的矩形QAM星座圖的幅度和相位過多，且通過衛(wèi)星非線性轉發(fā)器時，部分點偏離飽和點較大，功率效益不高，非線性失真的影響比較嚴重。本文采用的APSK(幅度相位聯(lián)合鍵控)調制方式結合了PSK與QAM的特點，星座圖上有多層同心圓，每層上的信號點均勻的分布，而且為降低誤碼率并充分利用星座信號平面，外圓的信號點數(shù)大于內圓的。這種調制方式比同進制的PSK多了些振幅，但降低了誤碼率；比QAM少了些振幅和相位，同時各信號點的最小相位差也比方形星座的QAM大，所以允許有較大的相位抖動，增加了抗干擾能力。圖3是16APSK和某種64APSK星座圖的比較。

圖3 16APSK與64APSK的星座圖

傳統(tǒng)航空中應用的DVB-S2技術支持QPSK、 8PSK、16APSK 及 32APSK等調制方法[6]。最新的基于64APSK的高效調制技術相對于DVB-S2有非常高的性能提升，把它應用在航空領域也將大大減小天線尺寸，在相同信噪比下將達到相對更高的數(shù)據(jù)傳輸速率[7]。在結合16QAM、16APSK以及對比64QAM調制方式的基礎上主要研究64APSK的性能，并對其在航空衛(wèi)星寬帶通信環(huán)境下的應用情況進行進一步仿真分析。

2 64APSK的誤碼性能研究

2.1 在AWGN下的誤碼率

由于星座圖類似，僅是高階調制方式比低階調制方式多幾層同心圓的信號點，所以64APSK與16APSK誤碼率公式的推演過程相同。主要基于16APSK的誤碼率推導過程來討論64APSK的誤碼率性能。

首先對16APSK的誤碼率公式進行推導[8]。總的誤碼率公式如下：

(1)

(2)

dij代表Si與Sj的歐幾里得距離，N0為噪聲譜密度。接下來在16APSK的星座圖上作研究，如圖4所示。

圖4 16APSK星座分析圖

圖中的各扇形區(qū)域表示接收此區(qū)域中信號點的正確判決域。由圖可知，對于16APSK，由于每一個圓上的所有信號點的誤碼率相同，公式(1)可以表示為：

(3)

為了應用公式(2)，需要知道各信號點之間的歐幾里得距離，如下所示：

(4)

(5)

(6)

γ3=R4/R1。在本式中假設R1=1，則γ1、γ2、γ3分別是2.75、4.52和6.3。上述64APSK誤碼率公式再經(jīng)過信噪比和比特信噪比的關系轉換，得到誤碼率與比特信噪比的關系曲線如圖6中的實線(誤碼率理論上界)所示。然后利用MATLAB軟件對64APSK進行仿真。系統(tǒng)仿真的基本流程如圖5所示[9]。

圖5 APSK系統(tǒng)仿真框圖

用均勻隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一個共有64種可能的信息符號序列。這些信息符號映射為相應的信號點，如圖3的右側圖所示。用兩個噪聲隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生噪聲分量[nc,ns]，判決器選擇最接近向量r的APSK星座圖點。最后計數(shù)器記錄序列中判決到的符號錯誤數(shù)。圖6給出了不同信噪比下傳輸1 000 000個符號的誤碼率仿真圖。從圖中可以看出，同信噪比下，仿真得到的誤碼率小于由公式得到的理論誤碼率上界。

圖6 64APSK信噪比與誤碼率關系曲線圖

在高斯白噪聲下，對比低階16APSK來討論64APSK調制技術的性能。如圖7所示，從圖中可以看出，當誤碼率低于10-5時，16APSK與64APSK之間的信噪比差值在7～8 dB左右。另外，本圖是在發(fā)送功率和傳輸速率相同的前提下仿真出的結果，所以從圖中曲線還可以看出，當保持誤碼率Pe和信息傳輸速率不變時，隨著進制M的增大，需要使比特信噪比Eb/N0增大，即需要增大發(fā)送功率，但是需要的傳輸帶寬降低了，也即用增大功率換取了節(jié)省帶寬[10]。

圖7 16APSK與64APSK的誤碼率對比圖

在平均功率相同條件下，經(jīng)過換算得出64QAM最小歐式距離和64APSK最內層半徑的關系后，通過對比兩者的誤碼率來討論不同調制方式的性能，如圖8所示。從圖中可以看出在信噪比相同時，64APSK的誤碼率比64QAM的誤碼率小、性能好，最大相差3 dB左右, 當信噪比大于21 dB后，信噪比成為主要影響誤碼率性能的因素，所以不同調制方式的誤碼率趨于相同。另外，64APSK更易于對轉發(fā)器的非線性進行補償，適應線性特性相對不好的衛(wèi)星傳輸信道，能獲得更高的頻譜利用率。

圖8 64QAM與64APSK的誤碼率對比圖

2.2 在瑞利信道下的誤碼性能

由于這種新的調制技術應用于航空衛(wèi)星寬帶通信中，在航空中存在機身反射、大氣反射等多種信號反射路徑，所以需要研究在實際多徑衰落情況下這種調制的性能，即在瑞利信道下的性能，仿真結果如圖9所示。圖中主要對64APSK調制方式分別經(jīng)過加性高斯白噪聲和瑞利信道時的誤碼率進行了對比分析。

圖9 多徑瑞利信道下的誤碼率對比圖

從圖中可以看出多徑衰落下，在信噪比低于11 dB左右時，在瑞利信道下的誤碼性能要略好于在高斯白噪聲干擾下的誤碼性能，但誤碼率仍在10-1以上，但是當信噪比高于11 dB后，在瑞利衰落信道下的誤碼性能隨著信噪比的加大開始越來越嚴重惡化，比如在誤碼率為10-5時，相對于AWGN已經(jīng)有10 dB的誤碼性能損失，大約有30%～40%的衰落，而且路徑越多，惡化程度越明顯。實際中的信道多徑衰落是不可避免的，所以在航空環(huán)境中，為了減少多徑衰落的影響，需要采用有效的抗多徑措施。

3 抗多徑技術

從上節(jié)仿真中可以看出，多徑衰落對接收信號的影響十分嚴重，所以只有在接收設備采取一定的抗多徑技術才能真正保證航空衛(wèi)星寬帶通信的通信質量。相關的抗多徑技術有多種，本文主要采用自適應均衡技術來抗多徑衰落。采用常用的最小均方(LMS)橫向濾波器來組成自適應均衡器。由于符號干擾中有同相也有正交分量，設計了一個由11階復數(shù)線性橫向濾波器和采用訓練序列的抽頭系數(shù)更新模塊組成的均衡器，如圖10所示。x(k)為均衡器輸入向量，w(k)為抽頭系數(shù)向量，d(k)為期望估計向量，y(k)為均衡器輸出向量。

圖10 自適應均衡器示意框圖

圖11 采用自適應均衡后的誤碼率對比圖

用MATLAB對上面的均衡器進行仿真時，采用瑞利信道，設置碼元速率為2 400波特，信號源和上一節(jié)的相同，為均勻隨機數(shù)發(fā)生器，產(chǎn)生一個共有64種可能的信息符號序列；設置的步長為0.000 3，均衡器抽頭系數(shù)為11，所有的抽頭初始值為0，只有第六個中心抽頭的值為0.3+j·0。然后在瑞利信道下傳播時，仿真后得到的誤碼率關系如圖11所示。相比圖9，從圖中可以看出，采用這種技術后的誤碼性能有了明顯改善，可以和AWGN下的性能相比擬，說明結合相關的自適應均衡抗多徑衰落技術后可以使64APSK調制技術更好的應用在航空衛(wèi)星寬帶通信中。

4 結 語

基于64APSK的高效調制技術以其能充分利用頻譜資源的優(yōu)勢，在未來的航空衛(wèi)星寬帶通信、機載高速率數(shù)據(jù)傳輸以及其它相關領域中有著廣闊的發(fā)展前景。本文在介紹這項先進技術的廣泛需求和關鍵技術后，首先對理論誤碼率公式進行了推導，然后通過對比的方法，分別對其在AWGN信道和實際應用在航空機載環(huán)境中的性能進行仿真和分析討論，最后應用自適應均衡器來改善傳輸時的誤碼性能。研究表明這項技術相比同進制的QAM調制方式有了一定的誤碼率性能提高和改善，雖然在瑞利信道中傳輸時會有很大衰落，但是通過應用自適應均衡抗多徑衰落技術可以很好地改善實際航空機載環(huán)境下的傳輸質量。綜上所述，這項技術能夠在相對更低的信噪比下達到更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，也將進一步為節(jié)省衛(wèi)星通信帶寬、提升衛(wèi)星容量做出更大的貢獻。

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Application of High-Efficient Modulation Technology in Aeronautical Satellite Broadband Transmission System

LI Zuo-kun1， PAN Ya-han2， SHANG Bin1

(1.Institute of Communication Engineering, PLA University of Science & Technology,Nanjing Jiangsu 210007,China;2.Nanjing Telecommunication Technology Institute, Nanjing Jiangsu 210007, China)

With the rapid development of various technologies,in modern aeronautical satellite broadband communication,passengers’ demands for service of video conference, high-efficient transmission of pictures and voice, broadband multimedia application and so on become even stronger,and how to meet these requirements in the condition of limited airborne bandwidth resources thus becomes the hot research topic of various services providers. Among these, to improve and develop more efficient modulation technology has important significance in raising the efficiency of data transmission. This paper discusses APSK (Amplitude Phase Shift Keying) modulation, analyzes the basic modulation principle of this technology and derives the theoretical error probability formula. Then, the simulation on performance of 64APSK in AWGN (Additive White Gaussian Noise) and Rayleigh channel of practical airborne communication environment is done. Simulation results indicate that this novel technology enjoys better performance as compared with QAM, and would fairly resist multipath fading when combined with adaptive equalization technology in airborne environment.

high-efficient modulation technology; aeronautical satellite broadband communication; 64APSK; performance analysis; adaptive equalization

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.05.005

2015-02-04；

2015-04-14 Received date:2015-02-04；Revised date：2015-04-14

國家海洋局海洋公益重大科研專項基金(No.201005001-8)

Foundation Item:Ocean Public Welfare Scientific Research Project, State Oceanic Administration, PRC(No.201005001-8)

TN918

A

1002-0802(2015)05-0530-06

李作坤(1989—)，男，碩士研究生，主要研究方向為天基信息系統(tǒng)；

潘亞漢(1962—)，男，博士，研究員，主要研究方向為天基信息系統(tǒng)；

尚 斌(1983—)，男，碩士研究生，主要研究方向為衛(wèi)星通信。