深空通信中結(jié)合位置與相位信息的調(diào)制方法

郝博 曹星雯 王登峰 王曉亮 胡錦濤

(1.空間電子信息技術(shù)研究院,西安 710100;2.中國(guó)信息通信研究院,北京 100191)

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深空通信中結(jié)合位置與相位信息的調(diào)制方法

郝博1曹星雯2王登峰1王曉亮1胡錦濤1

(1.空間電子信息技術(shù)研究院,西安 710100;2.中國(guó)信息通信研究院,北京 100191)

隨著人類空間探測(cè)的距離越來(lái)越遠(yuǎn),傳統(tǒng)的相移鍵控 (Phase-Shift Keying, PSK)調(diào)制信息傳輸方式面臨著發(fā)端功率受限、收端解調(diào)門(mén)限高的挑戰(zhàn). 結(jié)合遠(yuǎn)距離光學(xué)通信中常用的位置調(diào)制,提出了一種深空通信中基于位置信息的PSK調(diào)制方法,并給出了收發(fā)機(jī)的實(shí)現(xiàn)框圖. 理論分析與仿真結(jié)果均表明,該調(diào)制方法與傳統(tǒng)PSK調(diào)制相比具有解調(diào)門(mén)限低的特點(diǎn),同等發(fā)射功率下,可為深空通信帶來(lái)更遠(yuǎn)的傳輸距離以及更好的傳輸質(zhì)量.

深空通信;相移鍵控;脈沖位置調(diào)制;低信噪比

DOI 10.13443/j.cjors.2015102001

引 言

隨著空間探索的不斷深入,低信噪比環(huán)境下的無(wú)線通信需求不斷增長(zhǎng). 目前,各國(guó)航天器主要采用二進(jìn)制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying,BPSK)或正交相移鍵控(QuadraturePhaseShiftKeying,QPSK)調(diào)制實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的空間可靠通信[1]. 低階相移鍵控(Phase Shift Keying,PSK)具有接收靈敏度高、抗噪性能好的特點(diǎn)[2],但面對(duì)以木衛(wèi)二、冥王星為目標(biāo)的超長(zhǎng)距離深空探測(cè)時(shí)[3],PSK調(diào)制依然面臨著發(fā)射功率受限、接收解調(diào)門(mén)限高的問(wèn)題. 脈沖位置調(diào)制(Pulse Position Modulation,PPM)將n比特信息轉(zhuǎn)化為單一脈沖信號(hào),并映射至2n個(gè)時(shí)隙組成的時(shí)間段上的某一個(gè)時(shí)隙處,接收機(jī)通過(guò)檢測(cè)脈沖出現(xiàn)的位置從而實(shí)現(xiàn)信息的解調(diào)[4]. PPM作為一種非相干解調(diào)方法,具有發(fā)射功率低、復(fù)雜度低的特點(diǎn),在傳感器網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)距離光學(xué)通信等功率受限的系統(tǒng)中得以廣泛應(yīng)用[5-6]. 但隨著通信距離的增大,為滿足接收門(mén)限,同等發(fā)射功率下PPM需要更大的時(shí)隙參數(shù)N,這會(huì)引起傳輸效率的降低,進(jìn)而使得深空應(yīng)用環(huán)境下的通信容量十分有限.

針對(duì)深空環(huán)境信噪比低,發(fā)射功率受限的應(yīng)用特點(diǎn),本文提出一種基于位置信息的PSK調(diào)制方法. 該方法通過(guò)PSK結(jié)合PPM構(gòu)建正交信號(hào),在同等信號(hào)帶寬與傳輸速率下,降低了每比特信號(hào)解調(diào)所需的信噪比門(mén)限.

1 所提模型

(1)

式中: p(t)為寬度為一個(gè)符號(hào)周期Ts的矩形脈沖; Es為單位符號(hào)的信號(hào)能量,即0≤t≤Ts時(shí)間間隔內(nèi)的信號(hào)能量; fc為載波頻率; φk為第k個(gè)符號(hào)的相位.

發(fā)射機(jī)的功率在深空環(huán)境下受到較大限制,由式(1)可知,PSK調(diào)制的信號(hào)具有恒模特性,因此有利于發(fā)射機(jī)功放線性區(qū)間的設(shè)置,進(jìn)而提高發(fā)射機(jī)的功率效率[7]. 同時(shí),PSK信號(hào)還具有載頻單一、調(diào)制與解調(diào)復(fù)雜度低的特點(diǎn),這些特點(diǎn)都有助于其在深空環(huán)境下的應(yīng)用,典型的BPSK信號(hào)波形如圖1所示.

接收機(jī)通過(guò)對(duì)不同相位信號(hào)的解調(diào)提取信息,但在深空遠(yuǎn)距離通信中,由于接收信噪比的降低會(huì)引起相位解調(diào)錯(cuò)誤. 借鑒光學(xué)通信系統(tǒng)中常用的PPM調(diào)制,本文將位置信息作為一個(gè)新的維度引入傳統(tǒng)PSK調(diào)制. 該方法通過(guò)相位-位置的聯(lián)合調(diào)制構(gòu)建一種低復(fù)雜度的正交信號(hào),在保證傳輸速率的情況下,降低所需誤碼率下的接收解調(diào)門(mén)限,以更好適應(yīng)深空通信發(fā)射功率受限、傳輸距離遠(yuǎn)的應(yīng)用場(chǎng)景.

圖1 調(diào)制后BPSK信號(hào)波形示意

所提基于位置的PSK調(diào)制信號(hào)第k個(gè)符號(hào)t時(shí)刻的波形sk(t)可表示為

(2)

式中: hk(N,t)為N個(gè)時(shí)隙位置調(diào)制的開(kāi)關(guān)函數(shù),其表達(dá)式為

hk(N,t)= p(t-kNTs-nBkTs),

0≤n≤N-1,

(3)

Bk為信息比特流映射的用于調(diào)制脈沖位置的符號(hào)向量.N時(shí)隙的位置調(diào)制信號(hào)波形如圖2所示.

圖2 N時(shí)隙的位置調(diào)制信號(hào)波形示意

特別地,考慮深空通信中常用的BPSK調(diào)制,即φk∈{0,π},在保證其傳輸速率不變的前提下,采用時(shí)隙N=2的位置調(diào)制,則式(2)可寫(xiě)為

(4)

圖3 基于位置的BPSK信號(hào)波形示意

2 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本章給出所提基于位置的PSK調(diào)制方法的發(fā)射機(jī)與接收機(jī)設(shè)計(jì)框圖,并對(duì)接收機(jī)的解調(diào)算法進(jìn)行分析.

2.1 發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

如圖4所示,首先根據(jù)N時(shí)隙的脈沖位置調(diào)制將輸入的信息比特流分組,并生成對(duì)應(yīng)的位置信息Bk與相位信息φk,將它們分別調(diào)制后通過(guò)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)電路實(shí)現(xiàn)耦合,最后通過(guò)功放將調(diào)制后的信號(hào)放大并發(fā)送.

圖4 基于位置的PSK調(diào)制發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

2.2 接收機(jī)設(shè)計(jì)

針對(duì)基于位置的PSK調(diào)制信號(hào),接收端首先采用相干接收的方式恢復(fù)信息. 所收信號(hào)先與本地載波fc相乘后再經(jīng)過(guò)低通濾波,接著通過(guò)定時(shí)采樣進(jìn)行抽樣判決提取所攜帶的相位信息. 與傳統(tǒng)PSK相干解調(diào)器不同,所提接收機(jī)增加了位置信息提取的模塊,針對(duì)抽樣判決后恢復(fù)的相位信息進(jìn)一步提取位置信息. 所提接收機(jī)設(shè)計(jì)框圖如圖5所示.

圖5 基于位置的PSK調(diào)制接收機(jī)設(shè)計(jì)

采用位置調(diào)制后的PSK信號(hào)會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)的情況,如圖3所示,不利于載波恢復(fù)時(shí)鎖相環(huán)的相差跟蹤,可通過(guò)增加訓(xùn)練序列的方式進(jìn)行輔助鎖定[8].

3 誤碼率性能

所提基于位置的PSK調(diào)制將位置信息作為一個(gè)新的調(diào)制維度與傳統(tǒng)PSK調(diào)制相結(jié)合,在同等傳輸速率下,提高了PSK調(diào)制符號(hào)的發(fā)射功率,從而在接收端帶來(lái)更低的解調(diào)門(mén)限.

以圖3所示的基于時(shí)隙N=2的BPSK調(diào)制為例進(jìn)行誤碼率分析. 當(dāng)采用相干解調(diào)接收時(shí),傳統(tǒng)BPSK調(diào)制的誤碼率可寫(xiě)為[2]

(5)

式中: Eb為單位比特的能量(BPSK中有Es=Eb); n0為噪聲功率譜密度.

另一方面,加入N=2的位置信息后,每一個(gè)調(diào)制后的BPSK信號(hào)相當(dāng)于攜帶2比特信息,與一個(gè)QPSK符號(hào)相當(dāng). 因此,所提方法的誤碼率Pb理論上與BPSK調(diào)制相同,并可被寫(xiě)為

(6)

式中: Es=2Eb,即每一調(diào)制后BPSK的符號(hào)包含兩比特信息.

式(5)及式(6)的理論誤碼率表明,當(dāng)加入位置維度的調(diào)制后,所調(diào)信號(hào)的誤碼率會(huì)有較大改善. 例如,在10-5誤碼率下所提方法較傳統(tǒng)BPSK調(diào)制信噪比改善約2.8dB. 因此在深空通信時(shí),同等發(fā)射功率和誤碼性能指標(biāo)下會(huì)帶來(lái)更遠(yuǎn)的通信距離.

4 仿真結(jié)果

對(duì)所提基于位置的PSK調(diào)制方案的誤碼率(BitErrorRate,BER)性能進(jìn)行仿真. 仿真所用參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 仿真參數(shù)

結(jié)合深空通信的背景,仿真中傳輸信息的比特速率1/Ts為500kHz,載波頻率fc使用L頻段1.55GHz,采用時(shí)隙N=2的基于位置的BPSK調(diào)制. 接收機(jī)同步方案參照深空通信中常使用的自相關(guān)性能良好的PN序列[9]. 在實(shí)現(xiàn)幀同步與載波同步的同時(shí),PN序列采用Gardner算法輔助進(jìn)行接收機(jī)定時(shí)時(shí)鐘的恢復(fù),以實(shí)現(xiàn)對(duì)位置信息的準(zhǔn)確提取[8].

考慮到深空通信的信道特性,仿真信道主要采用加性高斯白噪聲(AdditiveWhiteGaussianNoise,AWGN)信道和變參加性高斯白噪聲(VariableParametersAdditiveWhiteGaussianNoise,VPAWGN)信道[10-11],其中多徑參數(shù)設(shè)為兩條,時(shí)延擴(kuò)展為4μs,副徑與主徑功率差10dB. 仿真得到的不同信噪比下的系統(tǒng)誤碼曲線如圖6所示.

所提基于位置信息的BPSK調(diào)制較傳統(tǒng)BPSK調(diào)制在10-5誤碼率處的信噪比改善2.8dB,與理論分析相符. 所提系統(tǒng)與理論值存在約0.2dB的誤差,主要是由于非理想同步引起的定時(shí)誤差造成的. 在多徑信道中,10-5誤碼率處較AWGN信道下惡化4dB,但所提方法仍較傳統(tǒng)BPSK方法改善約2.5dB,可在深空通信環(huán)境中同等發(fā)射功率和誤碼性能下帶來(lái)更遠(yuǎn)的傳輸距離.

圖6 不同信道下的BER性能曲線

需要注意的是:所提基于位置信息的PSK調(diào)制方法的傳輸效率在只有兩個(gè)時(shí)隙時(shí)和傳統(tǒng)BPSK相同;當(dāng)有更多位置可選時(shí),與PPM調(diào)制類似,在取得更好信息傳輸質(zhì)量的同時(shí),傳輸效率會(huì)逐漸降低[11].

5 結(jié) 論

隨著各國(guó)深空探測(cè)的距離越來(lái)越遠(yuǎn),傳統(tǒng)PSK調(diào)制結(jié)合相干解調(diào)的信息傳輸方式面臨著發(fā)端功率受限、收端解調(diào)門(mén)限高的挑戰(zhàn). 本文結(jié)合遠(yuǎn)距離光學(xué)通信中常用的位置調(diào)制,提出了一種基于位置信息的PSK調(diào)制方式. 與傳統(tǒng)PSK調(diào)制相比,該調(diào)制具有解調(diào)門(mén)限低的特點(diǎn),同等發(fā)射功率和誤碼性能下,可為深空通信帶來(lái)更遠(yuǎn)的傳輸距離.

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郝博 (1984-),男,陜西人,空間電子信息技術(shù)研究院(航天科技集團(tuán)第五研究院西安分院)工程師,研究方向?yàn)榭臻g通信與導(dǎo)航定位一體化設(shè)計(jì)、激光星間鏈路設(shè)計(jì).

曹星雯 (1985-),女,陜西人,中國(guó)信息通信研究院工程師,研究方向?yàn)閷Ｓ猛ㄐ胖械男畔⒔粨Q理論、應(yīng)急通信中的信號(hào)調(diào)制與設(shè)計(jì).

王登峰 (1979-),男,陜西人,空間電子信息技術(shù)研究院(航天科技集團(tuán)第五研究院西安分院)高級(jí)工程師,研究方向?yàn)榭臻g微波高精度測(cè)量.

王曉亮 (1981-),男,河南人,空間電子信息技術(shù)研究院(航天科技集團(tuán)第五研究院西安分院)高級(jí)工程師,研究方向?yàn)樯羁諏?dǎo)航與定位.

胡錦濤 (1983-),男,陜西人,空間電子信息技術(shù)研究院(航天科技集團(tuán)第五研究院西安分院)工程師,研究方向?yàn)榭臻g通信編碼理論.

A combined modulation method of position and phase information for deep space communication

HAO Bo1CAO Xingwen2WANG Dengfeng1WANG Xiaoliang1HU Jintao1

(1.AcademyofSpaceElectronicInformationTechnology,Xi’an710100,China; 2.ChinaAcademyofInformationandTelecommunicationResearch,Beijing100191,China)

With the increasing distance of human space exploration, the traditional information transmission mode of phase shift keying(PSK) modulation is faced with challenges such as the limited transmission power at the transmitter and the high demodulation threshold at the receiver. On the basis of the position modulation commonly used in long-distance optical communication, this paper proposes a PSK modulation method based on position information for deep space communication. Block diagrams of the transceiver realization are also presented. Both theoretical analysis and simulation results show that the proposed modulation method has the characteristics of low demodulation threshold compared with the traditional PSK modulation, which can bring about further transmission distance and better transmission quality for the deep space communication.

deep space communication; phase shift keying; pulse position modulation; low signal-to-noise ratio

10.13443/j.cjors.2015102001

2015-10-20

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.91438107)

TN945+.4

A

1005-0388(2016)04-0720-05

張時(shí)生 (1984-),男,江西人,92038部隊(duì)助理工程師, 主要從事短波通信及對(duì)抗方面的研究工作.

郝博, 曹星雯, 王登峰, 等. 深空通信中結(jié)合位置與相位信息的調(diào)制方法[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2016,31(4):720-724.

HAO B, CAO X W, WANG D F, et al. A combined modulation method of position and phase information for deep space communication [J]. Chinese journal of radio science,2016,31(4):720-724.(in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015102001

聯(lián)系人： 郝博 E-mail: bo.hao@foxmail.com