郝博 曹星雯 王登峰 王晓亮 胡锦涛

(1.空间电子信息技术研究院,西安 710100;2.中国信息通信研究院,北京 100191)



深空通信中结合位置与相位信息的调制方法

郝博1曹星雯2王登峰1王晓亮1胡锦涛1

(1.空间电子信息技术研究院,西安 710100;2.中国信息通信研究院,北京 100191)

随着人类空间探测的距离越来越远,传统的相移键控 (Phase-Shift Keying, PSK)调制信息传输方式面临着发端功率受限、收端解调门限高的挑战. 结合远距离光学通信中常用的位置调制,提出了一种深空通信中基于位置信息的PSK调制方法,并给出了收发机的实现框图. 理论分析与仿真结果均表明,该调制方法与传统PSK调制相比具有解调门限低的特点,同等发射功率下,可为深空通信带来更远的传输距离以及更好的传输质量.

深空通信;相移键控;脉冲位置调制;低信噪比

DOI 10.13443/j.cjors.2015102001

引 言

随着空间探索的不断深入,低信噪比环境下的无线通信需求不断增长. 目前,各国航天器主要采用二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying,BPSK)或正交相移键控(QuadraturePhaseShiftKeying,QPSK)调制实现远距离的空间可靠通信[1]. 低阶相移键控(Phase Shift Keying,PSK)具有接收灵敏度高、抗噪性能好的特点[2],但面对以木卫二、冥王星为目标的超长距离深空探测时[3],PSK调制依然面临着发射功率受限、接收解调门限高的问题. 脉冲位置调制(Pulse Position Modulation,PPM)将n比特信息转化为单一脉冲信号,并映射至2n个时隙组成的时间段上的某一个时隙处,接收机通过检测脉冲出现的位置从而实现信息的解调[4]. PPM作为一种非相干解调方法,具有发射功率低、复杂度低的特点,在传感器网络、远距离光学通信等功率受限的系统中得以广泛应用[5-6]. 但随着通信距离的增大,为满足接收门限,同等发射功率下PPM需要更大的时隙参数N,这会引起传输效率的降低,进而使得深空应用环境下的通信容量十分有限.

针对深空环境信噪比低,发射功率受限的应用特点,本文提出一种基于位置信息的PSK调制方法. 该方法通过PSK结合PPM构建正交信号,在同等信号带宽与传输速率下,降低了每比特信号解调所需的信噪比门限.

1 所提模型

(1)

式中: p(t)为宽度为一个符号周期Ts的矩形脉冲; Es为单位符号的信号能量,即0≤t≤Ts时间间隔内的信号能量; fc为载波频率; φk为第k个符号的相位.

发射机的功率在深空环境下受到较大限制,由式(1)可知,PSK调制的信号具有恒模特性,因此有利于发射机功放线性区间的设置,进而提高发射机的功率效率[7]. 同时,PSK信号还具有载频单一、调制与解调复杂度低的特点,这些特点都有助于其在深空环境下的应用,典型的BPSK信号波形如图1所示.

接收机通过对不同相位信号的解调提取信息,但在深空远距离通信中,由于接收信噪比的降低会引起相位解调错误. 借鉴光学通信系统中常用的PPM调制,本文将位置信息作为一个新的维度引入传统PSK调制. 该方法通过相位-位置的联合调制构建一种低复杂度的正交信号,在保证传输速率的情况下,降低所需误码率下的接收解调门限,以更好适应深空通信发射功率受限、传输距离远的应用场景.

图1 调制后BPSK信号波形示意

所提基于位置的PSK调制信号第k个符号t时刻的波形sk(t)可表示为

(2)

式中: hk(N,t)为N个时隙位置调制的开关函数,其表达式为

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

0≤n≤N-1,

(3)

Bk为信息比特流映射的用于调制脉冲位置的符号向量.N时隙的位置调制信号波形如图2所示.

图2 N时隙的位置调制信号波形示意

特别地,考虑深空通信中常用的BPSK调制,即φk∈{0,π},在保证其传输速率不变的前提下,采用时隙N=2的位置调制,则式(2)可写为

(4)

图3 基于位置的BPSK信号波形示意

2 调制解调系统设计

本章给出所提基于位置的PSK调制方法的发射机与接收机设计框图,并对接收机的解调算法进行分析.

2.1 发射机设计

如图4所示,首先根据N时隙的脉冲位置调制将输入的信息比特流分组,并生成对应的位置信息Bk与相位信息φk,将它们分别调制后通过简单的开关电路实现耦合,最后通过功放将调制后的信号放大并发送.

图4 基于位置的PSK调制发射机设计

2.2 接收机设计

针对基于位置的PSK调制信号,接收端首先采用相干接收的方式恢复信息. 所收信号先与本地载波fc相乘后再经过低通滤波,接着通过定时采样进行抽样判决提取所携带的相位信息. 与传统PSK相干解调器不同,所提接收机增加了位置信息提取的模块,针对抽样判决后恢复的相位信息进一步提取位置信息. 所提接收机设计框图如图5所示.

图5 基于位置的PSK调制接收机设计

采用位置调制后的PSK信号会出现不连续的情况,如图3所示,不利于载波恢复时锁相环的相差跟踪,可通过增加训练序列的方式进行辅助锁定[8].

3 误码率性能

所提基于位置的PSK调制将位置信息作为一个新的调制维度与传统PSK调制相结合,在同等传输速率下,提高了PSK调制符号的发射功率,从而在接收端带来更低的解调门限.

以图3所示的基于时隙N=2的BPSK调制为例进行误码率分析. 当采用相干解调接收时,传统BPSK调制的误码率可写为[2]

(5)

式中: Eb为单位比特的能量(BPSK中有Es=Eb); n0为噪声功率谱密度.

另一方面,加入N=2的位置信息后,每一个调制后的BPSK信号相当于携带2比特信息,与一个QPSK符号相当. 因此,所提方法的误码率Pb理论上与BPSK调制相同,并可被写为

(6)

式中: Es=2Eb,即每一调制后BPSK的符号包含两比特信息.

式(5)及式(6)的理论误码率表明,当加入位置维度的调制后,所调信号的误码率会有较大改善. 例如,在10-5误码率下所提方法较传统BPSK调制信噪比改善约2.8dB. 因此在深空通信时,同等发射功率和误码性能指标下会带来更远的通信距离.

4 仿真结果

对所提基于位置的PSK调制方案的误码率(BitErrorRate,BER)性能进行仿真. 仿真所用参数见表1.

表1 仿真参数

结合深空通信的背景,仿真中传输信息的比特速率1/Ts为500kHz,载波频率fc使用L频段1.55GHz,采用时隙N=2的基于位置的BPSK调制. 接收机同步方案参照深空通信中常使用的自相关性能良好的PN序列[9]. 在实现帧同步与载波同步的同时,PN序列采用Gardner算法辅助进行接收机定时时钟的恢复,以实现对位置信息的准确提取[8].

考虑到深空通信的信道特性,仿真信道主要采用加性高斯白噪声(AdditiveWhiteGaussianNoise,AWGN)信道和变参加性高斯白噪声(VariableParametersAdditiveWhiteGaussianNoise,VPAWGN)信道[10-11],其中多径参数设为两条,时延扩展为4μs,副径与主径功率差10dB. 仿真得到的不同信噪比下的系统误码曲线如图6所示.

所提基于位置信息的BPSK调制较传统BPSK调制在10-5误码率处的信噪比改善2.8dB,与理论分析相符. 所提系统与理论值存在约0.2dB的误差,主要是由于非理想同步引起的定时误差造成的. 在多径信道中,10-5误码率处较AWGN信道下恶化4dB,但所提方法仍较传统BPSK方法改善约2.5dB,可在深空通信环境中同等发射功率和误码性能下带来更远的传输距离.

图6 不同信道下的BER性能曲线

需要注意的是:所提基于位置信息的PSK调制方法的传输效率在只有两个时隙时和传统BPSK相同;当有更多位置可选时,与PPM调制类似,在取得更好信息传输质量的同时,传输效率会逐渐降低[11].

5 结 论

随着各国深空探测的距离越来越远,传统PSK调制结合相干解调的信息传输方式面临着发端功率受限、收端解调门限高的挑战. 本文结合远距离光学通信中常用的位置调制,提出了一种基于位置信息的PSK调制方式. 与传统PSK调制相比,该调制具有解调门限低的特点,同等发射功率和误码性能下,可为深空通信带来更远的传输距离.

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郝博 (1984-),男,陕西人,空间电子信息技术研究院(航天科技集团第五研究院西安分院)工程师,研究方向为空间通信与导航定位一体化设计、激光星间链路设计.

曹星雯 (1985-),女,陕西人,中国信息通信研究院工程师,研究方向为专用通信中的信息交换理论、应急通信中的信号调制与设计.

王登峰 (1979-),男,陕西人,空间电子信息技术研究院(航天科技集团第五研究院西安分院)高级工程师,研究方向为空间微波高精度测量.

王晓亮 (1981-),男,河南人,空间电子信息技术研究院(航天科技集团第五研究院西安分院)高级工程师,研究方向为深空导航与定位.

胡锦涛 (1983-),男,陕西人,空间电子信息技术研究院(航天科技集团第五研究院西安分院)工程师,研究方向为空间通信编码理论.

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

国家自然科学基金(No.91438107)

TN945+.4

A

1005-0388(2016)04-0720-05

张时生 (1984-),男,江西人,92038部队助理工程师, 主要从事短波通信及对抗方面的研究工作.

郝博, 曹星雯, 王登峰, 等. 深空通信中结合位置与相位信息的调制方法[J]. 电波科学学报,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

联系人： 郝博 E-mail: bo.hao@foxmail.com