一種衛(wèi)星數(shù)傳通信頻譜異常分析*

江　潔,陳　劼,鐘　鳴

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

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一種衛(wèi)星數(shù)傳通信頻譜異常分析*

江潔,陳劼,鐘鳴

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

修回日期：2015-06-11Received date:2015-03-03；Revised date：2015-06-11

摘要：優(yōu)秀的數(shù)傳通信鏈路設(shè)計(jì)應(yīng)該能夠適應(yīng)各種情況下的數(shù)據(jù)傳輸，某衛(wèi)星數(shù)傳分系統(tǒng)在設(shè)計(jì)初期，發(fā)現(xiàn)調(diào)制后的頻譜異常，分析了特殊情況下數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)對(duì)偏移正交相移鍵控(OQPSK)調(diào)制信號(hào)的影響，找出了衛(wèi)星數(shù)傳鏈路頻譜異常的原因。重點(diǎn)分析特殊情況下的輸入數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)基帶處理中組幀加擾方式對(duì)OQPSK調(diào)制信號(hào)星座圖和頻譜產(chǎn)生的影響，提出適合數(shù)傳通信鏈路設(shè)計(jì)的建議。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)；頻譜變形；OQPSK調(diào)制

0引言

由于電波主要是在自由空間傳播，信道參數(shù)比較穩(wěn)定，信道的主要干擾是加性高斯白噪聲。在這樣的恒參信道中，采用相移鍵控(PSK)調(diào)制方式可以獲得最佳的接收性能，而且能有效利用衛(wèi)星頻帶，偏移正交相移鍵控(Offset Quadrature Phase Shift Keying,OQPSK)是一種恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)，其頻譜特性好，具有非常高的頻譜利用率和功率利用率，目前已經(jīng)成為衛(wèi)星數(shù)據(jù)多通道并行下傳方案中的主要調(diào)制方式之一。

某衛(wèi)星數(shù)傳分系統(tǒng)在設(shè)計(jì)初期的測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)OQPSK調(diào)制后頻譜測(cè)試發(fā)生畸變，畸變頻譜與典型調(diào)制頻譜相比，信號(hào)主包絡(luò)在固定位置出現(xiàn)明顯的凹陷，目前工程中多采用增加擾碼長(zhǎng)度選取特定碼片來(lái)臨時(shí)解決此問(wèn)題，且沒(méi)有相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行研究。本文針對(duì)該畸變?cè)蜻M(jìn)行分析和研究，并給出適合數(shù)傳通信鏈路設(shè)計(jì)的建議。目前尚無(wú)文獻(xiàn)對(duì)此類現(xiàn)象進(jìn)行研究。

1OQPSK調(diào)制異常現(xiàn)象

數(shù)傳系統(tǒng)主要完成星上各載荷遙感數(shù)據(jù)的接收、格式化編排、數(shù)據(jù)復(fù)接、加擾、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、調(diào)制、放大、濾波等處理后通過(guò)天線下傳信號(hào)。

圖1數(shù)傳鏈路模型

幀格式如圖2[1]所示。載荷數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)傳系統(tǒng)后首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)接和組幀，按照?qǐng)D2中的幀格式要求進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼處理。數(shù)據(jù)編碼處理并不改變VCDU數(shù)據(jù)單元里的數(shù)據(jù)，只是生成了編碼校驗(yàn)符。同時(shí)，為了避免數(shù)據(jù)出現(xiàn)全“0”、全“1”長(zhǎng)碼，數(shù)據(jù)處理器要求對(duì)復(fù)接后的數(shù)據(jù)進(jìn)行加擾，其方法是使數(shù)據(jù)幀除幀頭之外的每一位與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的偽隨機(jī)序列相異或。在接收端，同一序列與所接收的數(shù)據(jù)幀異或，以去除隨機(jī)圖型，恢復(fù)原數(shù)據(jù)。

圖2數(shù)傳幀格式

如圖1所示，載荷數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后送往調(diào)制發(fā)射，各接口數(shù)據(jù)關(guān)系如圖3所示。

圖3　IQ分路加擾幀格式

IQ分路組幀是近年來(lái)國(guó)內(nèi)新采用的一種數(shù)據(jù)處理方式，載荷數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)處理器后，針對(duì)調(diào)制器的輸入數(shù)據(jù)流為兩路(I路、Q路)的特點(diǎn)，對(duì)這兩路數(shù)據(jù)流分別進(jìn)行組幀、加擾。其特點(diǎn)是I、Q兩路數(shù)據(jù)具有獨(dú)立性，信號(hào)解調(diào)后，可以對(duì)其中一路數(shù)據(jù)直接進(jìn)行相關(guān)分析和使用。

調(diào)制后的信號(hào)頻譜在信號(hào)主包絡(luò)在固定位置出現(xiàn)明顯的凹陷，信道帶寬112.5MHz，頻譜圖如圖4所示：

圖4OQPSK調(diào)制后畸變頻譜圖

2頻譜畸變?cè)蚍治?/p>

2.1OQPSK調(diào)制模型

OQPSK調(diào)制的原理框圖如圖4[2]所示：

圖5　OQPSK調(diào)制器原理框圖

圖中延遲Ts/2電路為了保證I、Q兩個(gè)支路碼元偏移半個(gè)碼元周期。低通濾波器(LPF)的作用是對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行限帶處理，帶通濾波器(BPF)的作用是形成OQPSK信號(hào)的頻譜形狀，保持包絡(luò)恒定。

OQPSK信號(hào)可表示為：

fOQPSK(t)=I(t)cos(ωct)+Q(t)sin(ωct)

(1)

其中，I(t)、Q(t)為序列I(n)、Q(n)的時(shí)域表示，ωc為載波頻率。

為了更清楚的示意調(diào)制后的時(shí)域波形相位的變化情況，這里定義載波頻率ωc=2/Ts，Ts為I、Q路信號(hào)單個(gè)碼元周期。該定義不影響仿真分析的有效性，其分析結(jié)果普遍適用其它載波頻率情況。

QPSK信號(hào)兩路正交的信號(hào)是碼元同步的，而OQPSK調(diào)制中將正交路信號(hào)偏移Ts/2，其目的是消除QPSK調(diào)制中已調(diào)信號(hào)突然相移180°的現(xiàn)象，每隔Ts/2信號(hào)相位只可能發(fā)生±90°的變化。因而星座圖中信號(hào)點(diǎn)沿正方形四邊移動(dòng)，如圖6所示。

圖6OQPSK相位轉(zhuǎn)移圖

其中：

(3)

(4)

式中，g(t)為單個(gè)矩形脈沖，脈寬為單個(gè)碼源周期(即Ts)；且：

(5)

(6)

(7)

2.2機(jī)理分析

調(diào)制輸入信號(hào)I(t)、Q(t)在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中采用分路組幀、加擾方式，此組幀加擾方式下I(t)、Q(t)分別表示載荷兩路獨(dú)立的輸出數(shù)據(jù)。在實(shí)際測(cè)試和引用過(guò)程中， I(t)、Q(t)分別表示載荷從不同通道獲取的同一目標(biāo)數(shù)據(jù)，兩路數(shù)據(jù)具有相似性。在測(cè)試過(guò)程中不失一般性，設(shè)I(t)= Q(t)，此時(shí)兩路數(shù)據(jù)及其調(diào)制后的相位轉(zhuǎn)移圖如圖7所示。

圖7I、Q數(shù)據(jù)相同時(shí)OQPSK調(diào)制相位轉(zhuǎn)移圖

由圖7可以看出，當(dāng)I、Q兩路數(shù)據(jù)一致時(shí)，由調(diào)制后時(shí)域波形可以看出，載波頻率的相位變化始終是-π/2，此時(shí)，OQPSK調(diào)制的相位轉(zhuǎn)移始終向逆時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)，OQPSK調(diào)制信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為：

(8)

此時(shí)，如果I(t)=Q(t)，則Q(t)=(t-Ts/2)，其中,I(t)的頻域用FI(jω)來(lái)表示。

I(t)-jQ(t)、I(t)+jQ(t)的頻域表達(dá)式為：

(9)

(10)

(11)

(12)

OQPSK調(diào)制信號(hào)的頻域表達(dá)式為：

(13)

式中：

(14)

(15)

H1(jω)和H2(jω)的圖形如圖8所示。

圖8　H1(jω)和H2(jω)頻域圖

OQPSK調(diào)制信號(hào)的頻域表達(dá)式可簡(jiǎn)化為：

(16)

假設(shè)I路(或Q路)信號(hào)的頻譜經(jīng)過(guò)ωc的載波搬移后得到FI(jω)如圖9(a)所示，經(jīng)過(guò)OQPSK調(diào)制后，頻譜如9(c)所示?？梢钥闯觯?dāng)OQPSK調(diào)制的I、Q兩路信號(hào)相同時(shí)，相當(dāng)于將I路信號(hào)的頻譜進(jìn)行了H1(jω)頻域的濾波后再將頻譜搬移到載波頻率ωc。調(diào)制后的信號(hào)頻譜發(fā)生畸變，與典型的調(diào)制頻譜相比，信號(hào)主包絡(luò)頻譜在偏離載波頻率-π/Ts附近出現(xiàn)明顯的凹陷。

(a)FI[j(ω+ωc)]

(b)HI[j(ω+ωc)]

(c)FOQPSK(jω)

2.3仿真分析

由于PN序列的隨機(jī)性較好，仿真中采用兩路相同的PN15序列代替I(t)和Q(t)序列進(jìn)行仿真分析，這樣可以模擬I、Q兩路數(shù)據(jù)自身具有良好的隨機(jī)性，但兩路之間有存在相關(guān)性。兩路相同的PN15碼分別通過(guò)I、Q兩路送至OQPSK調(diào)制，得到頻譜圖如圖10。

圖10I、Q數(shù)據(jù)相同時(shí)OQPSK調(diào)制頻域仿真圖

由圖10所示的頻域仿真圖可以看出：當(dāng)I、Q數(shù)據(jù)為相同的PN序列時(shí)，經(jīng)過(guò)OQPSK調(diào)制后頻譜圖是將PN序列的頻域經(jīng)過(guò)H1(jω)頻譜的濾波后的頻譜平移到載波頻率上。OQPSK調(diào)制后頻譜在偏離載波頻率-π/Ts附近出現(xiàn)明顯的衰減。

2.4結(jié)論

通過(guò)上述分析可知，由于載荷數(shù)據(jù)的組幀方式固定，每一幀數(shù)據(jù)的編碼、加擾方式相同， I、Q兩路分別經(jīng)過(guò)相同的編碼加擾可以保證I、Q兩路數(shù)據(jù)每一路數(shù)據(jù)的隨機(jī)性，但由于每一幀數(shù)據(jù)的編碼加擾方式相同，如果I、Q兩路之間的數(shù)據(jù)相似或相同，經(jīng)過(guò)編碼加擾，兩路數(shù)據(jù)之間的相對(duì)關(guān)系并沒(méi)有發(fā)生明顯變化。

分析結(jié)果表明，在OQPSK調(diào)制方式下，僅僅保證I、Q兩路數(shù)據(jù)自身的隨機(jī)性是不夠的，I、Q兩路數(shù)據(jù)之間隨機(jī)性不足，會(huì)嚴(yán)重影響信號(hào)的傳輸質(zhì)量，這種影響的特征是調(diào)制頻譜在偏離載波頻率 附近出現(xiàn)明顯的衰減。

3改進(jìn)措施

由于型譜畸變的原因在于I、Q數(shù)據(jù)分路組幀加擾造成兩路數(shù)據(jù)之間的隨機(jī)性不足，將I、Q數(shù)據(jù)合路加擾可以避免兩路數(shù)據(jù)之間的隨機(jī)性不足。IQ合路加擾幀格式如圖11所示。

圖11　IQ合路加擾幀格式

上述組幀方式在衛(wèi)星數(shù)傳系統(tǒng)中是一種常見(jiàn)的數(shù)據(jù)處理方式，載荷數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)處理器后，處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)接和組幀；組幀后的數(shù)據(jù)以幀為單位進(jìn)行編碼、加擾；然后對(duì)數(shù)據(jù)流按bit進(jìn)行串、并轉(zhuǎn)換成2路數(shù)據(jù)分別送至OQPSK調(diào)制的I路和Q路輸入端；。

此組幀加擾方式既可以保證I、Q兩路輸入數(shù)據(jù)每一路數(shù)據(jù)具有隨機(jī)特性，又可以保證I、Q兩路數(shù)據(jù)之間的關(guān)系具有隨機(jī)特性。

仿真測(cè)試中仍然采用相同的PN15序列通過(guò)串并變換為2路輸入數(shù)據(jù)作為I、Q兩路輸入數(shù)據(jù)，仿真測(cè)試結(jié)果如圖12所示。通過(guò)仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出，I、Q合路加擾后的頻譜主包絡(luò)平滑，無(wú)畸變現(xiàn)象發(fā)生。

圖12IQ合路加擾方式后的頻譜仿真實(shí)測(cè)對(duì)比

按照CCSDS標(biāo)準(zhǔn)，加擾方式是按幀進(jìn)行的，I、Q數(shù)據(jù)合路組幀后，I、Q數(shù)據(jù)交替與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的偽隨機(jī)序列相異或，這種數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)模型下，每一路的規(guī)律性被打破，同時(shí)兩路之間的規(guī)律性也被打破。單獨(dú)的I路或是單獨(dú)的Q路解決了出現(xiàn)長(zhǎng)“0”、長(zhǎng)“1”碼的問(wèn)題，同時(shí)I路和Q數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性降低。此時(shí)，OQPSK調(diào)制的相位轉(zhuǎn)移圖沿正方形四邊移動(dòng)。而I、Q數(shù)據(jù)分路組幀后，僅僅解決了兩路輸入中每一路的隨機(jī)性，兩路之間的相關(guān)性沒(méi)有改變，在目標(biāo)數(shù)據(jù)相似或是沒(méi)有良好的隨機(jī)性的情況下，相位轉(zhuǎn)移圖往往是有規(guī)律的向某一方向移動(dòng)。在頻譜上表現(xiàn)為頻譜失真。當(dāng)I、Q數(shù)據(jù)合路組幀既可以保證每一路數(shù)據(jù)的隨機(jī)性，也可以實(shí)現(xiàn)兩路數(shù)據(jù)之間相對(duì)關(guān)系的隨機(jī)性，頻譜包絡(luò)平滑完整，沒(méi)有出現(xiàn)凹陷或凸出的頻點(diǎn)，適合數(shù)傳通信鏈路的數(shù)據(jù)傳輸。

4結(jié)語(yǔ)

文中I、Q數(shù)據(jù)合路組幀經(jīng)OQPSK調(diào)制后頻譜包絡(luò)平滑完整，無(wú)頻譜變形，適合數(shù)傳通信鏈路各種情況下的數(shù)據(jù)傳輸。而針對(duì)I、Q分路組幀產(chǎn)生的頻譜變形問(wèn)題，目前提出了一種新的解決方案，即I、Q分別采用不同的偽隨機(jī)碼本進(jìn)行加擾，從而破壞I、Q兩路數(shù)據(jù)原本的自相關(guān)特性。不同的加擾碼本帶來(lái)兩方面的問(wèn)題：一是數(shù)據(jù)接收端需用對(duì)應(yīng)的碼本對(duì)其進(jìn)行解擾，設(shè)備不具有通用性；二是兩種偽隨機(jī)碼本該如何選擇才能達(dá)到較好的信道傳輸效果，需要進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

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江潔(1985—)，女，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星數(shù)據(jù)處理、調(diào)制發(fā)射技術(shù)；

陳劼(1984—)，男，本科，工程師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星數(shù)據(jù)編碼、調(diào)制發(fā)射技術(shù)；

鐘鳴(1977—)，男，碩士，研究員，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。

Abnormity Analysis of Frequency Spectrum in

Satellite Data Transmission Communication

JIANG Jie, CHEN Jie, ZHONG Ming

(Shanghai Institute Aerospace Electronic Technology, Shanghai 201109, China)

Abstract：Excellently designed data transmission chain should be seasoned to any data transmission under various situations. The initial design of a satellite data transmission subsystem indicates the abnormity of frequency spectrum after OQPSK modulation, and the effect analysis of data stream design on OQPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying) modulating signal in special conditions, reveals the reason for frequency spectrum abnormity of satellite data transmission. This paper emphatically discusses the effect of framing scrambling on OQPSK modulating signal constellation and frequency spectrum in data input and data baseband processing,and gives the suggestions suitable for the design of data transmission communication chain.

Key words：data stream design; frequency spectrum distortion; OQPSK modulation

作者簡(jiǎn)介：

中圖分類號(hào)：

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-0802(2015)07-0784-06

收稿日期：*2015-03-03；

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.07.007