卫星数据加扰方式对OQPSK调制信号的影响分析

2015-12-31张风源林闽佳

上海航天 2015年4期

江洁，张风源，陈劼，林闽佳

（上海航天电子技术研究所，上海 201109）

0 引言

电波主要是在自由空间传播，信道参数较稳定，信道的主要干扰是加性高斯白噪声。在此恒参信道中，用相移键控（PSK）调制方式可获得最佳的接收性能，并能有效利用卫星频带，因此在现发射机设计中正交相移键控（QPSK）调制方式得到了广泛应用。偏移正交相移键控（OQPSK）的实现难度与QPSK相同，但OQPSK的非线性抑制能力更好，目前已成为卫星数据多通道并行下传方案中的主要调制方式。

OQPSK调制技术已较成熟，相关研究文献并不多，分析基带数据流对调制影响则更少。目前，卫星研制中多次出现了传输频谱畸变等现象。与典型调制频谱相比，畸变频谱信号主包络在固定位置出现明显凹陷，工程中多用增加扰码长度选取特定码片临时解决，未见相关文献对此现象进行研究。为在工程实践中更好地使用OQPSK调制技术，本文对基带数据加扰方式与OQPSK调制频谱变化进行了研究。

1 卫星数传信号处理流程

数传系统主要完成星上各载荷遥感数据的接收、格式化编排、数据复接、加扰、数据存储、调制、放大、滤波等处理后通过天线下传信号。数传链路模型如图1所示，帧格式如图2所示［1－2］。

图1 数传链路模型Fig.1 Model of data transmission chain

载荷数据进入数传系统后先进行复接和组帧，按图2中的帧格式要求进行数据编码处理。数据编码处理并不改变虚拟信道数据单元（VCDU）数据单元中的数据，只是生成了编码校验符。同时，为避免数据出现全“0”、全“1”长码，数据处理器要求对复接后的数据进行加扰，方法是使数据帧除帧头外的每位与一个标准的伪随机序列异或。在接收端，同一序列与所接收的数据帧异或，以去除随机图型，恢复原数据。可发现，一旦确定了加扰方式，每帧都会用相同的伪随机序列序列进行加扰处理。

2 基带数据流设计

经数据处理后的载荷数据送至调制发射模块进行OQPSK调制。按现有卫星应用方式进行划分，数据处理有主要以下两种。

a）合路加扰

各接口数据关系如图3所示。

卫星数传系统中，该组帧方式是一种常见的数据处理方式：载荷数据送入数据处理器后，处理器对数据进行复接和组帧；组帧后的数据以帧为单位进行编码、加扰；对数据流按bit进行串、并转换成2路数据分别送至OQPSK调制的I、Q路输入端。此组帧加扰方式既可保证I、Q每路数据的随机性，又能保证I、Q两路数据间关系的随机性。

b）IQ分路加扰

各接口数据关系如图4所示。

IQ分路组帧是近年来国内新采用的一种数据处理方式，载荷数据送入数据处理器后，针对调制器的输入数据流为两路（I、Q路）的特点，对这两路数据流分别进行组帧、加扰。其特点是I、Q两路数据具独立性，信号解调后，可对其中一路数据直接进行相关分析和使用。此组帧加扰方式可保证I、Q每路数据的随机性，但由于每帧数据的编码加扰方式相同，如I、Q两路间的数据相似或相同，经编码加扰，两路数据间的相对关系并未发生明显变化。

图2 数传帧格式Fig.2 Data transmission frame format

图3 IQ合路加扰帧格式Fig.2 Frame format of IQ collective framing

图4 IQ分路加扰帧格式Fig.4 Frame format of IQ respective framing

由上述分析可知：因载荷数据的组帧方式固定，每帧数据的编码、加扰方式相同，I、Q两路分别经相同的编码加扰后，两路数据间的相对关系无明显变化。载荷数据，单载荷的高低位数据分组产生的I、Q，或多路载荷数据分别独立组帧，都存在I、Q两路数据间随机性不强，数据具相似性，甚至出现大量长0、长1的缺点。

OQPSK调制所需数据为双极性信号（数据“1”用“1”表示，数据“0”用“－1”表示）。设I路数据序列为I（n），Q路数据序列为Q（n），IQ分路组帧后加扰的设计方案无法避免数据流出现长段I（n）＝Q（n）或I（n）＝－Q（n）。

3 OQPSK调制模型

OQPSK 调制原理如图5所示［3－5］。图中：延迟Ts／2电路是为保证I、Q两个支路码元偏移0.5个码元周期。低通滤波器（LPF）作用是对基带信号进行限带处理，带通滤波器（BPF）的作用是形成OQPSK信号的频谱形状，保持包络恒定。

图5 OQPSK调制器原理Fig.5 Principle of OQPSK modulation

OQPSK信号可表示为

式中：I（t），Q（t）分别为序列I（n），Q（n）的时域表示；ωc为载波频率。

为更清楚地表示调制后的时域波形相位的变化，本文定义载波频率ωc＝2／Ts，此处Ts为I、Q 路信号单个码元周期。该定义不影响仿真分析的有效性，分析结果普遍适于其他载波频率。

两路数据及调制后的仿真结果如图6所示。

QPSK信号两路正交的信号为码元同步，OQPSK调制中将正交路信号偏移Ts／2，目的是消除QPSK调制中已调信号突然相移180°的现象，每隔Ts／2信号相位只可能发生±90°的变化。因而星座图中信号点沿正方形四边移动，如图7所示。

图6 OQPSK调制时域仿真结果Fig.6 Timing simulation of OQPSK modulation

图7 OQPSK相位转移Fig.7 Phase transferring of OQPSK modulation

4 IQ分路加扰对OQPSK调制的影响

当I（t）＝Q（t）时，两路数据及其调制后的时序仿真结果如图8、9所示。由图9可知：当I、Q两路数据一致时，由调制后时域波形可看出载波频率的相位变化始终为－π／2，此时OQPSK调制的相位转移始终向逆时针方向移动。

图8 I、Q数据相同时OQPSK调制时域仿真结果Fig.8 Timing simulation and OQPSK modulation with same I／Q

图9 I、Q数据相同时OQPSK调制相位转移Fig.9 Phase transferring of OQPSK modulation with same I／Q

当I（t）＝－Q（t）时，两路数据及其调制后的时序仿真结果如图10、11所示。由图11可知：当I、Q两路数据相反时，由调制后时域波形可看出载波频率的相位变化始终为π／2，此时OQPSK调制的相位转移始终向顺时针方向移动。

4.1 数学模型

OQPSK调制信号的时域表达式为

图10 I、Q数据相反时OQPSK调制时域仿真结果Fig.10 Timing simulation of OQPSK modulation with inverse I／Q

图11 I、Q数据相反时OQPSK调制相位转移Fig.11 Phase transferring of OQPSK modulation with inverse I／Q

式中：σ（ω）为单位冲激函数。

OQPSK调制信号的频域表达式为

OQPSK调制信号的频域表达式可简化为

图12H1（jω），H2（jω）频域图Fig.12 Frequency domain ofH1（jω）andH2（jω）

假设I路（或Q路）信号的频谱经ωc的载波搬移后得到FI（jω）如图13（a）所示，经 OQPSK 调制后频谱如图13（c）所示。由图可知：当OQPSK调制的I、Q两路信号相同时，相当于将I路信号的频谱进行了H1（jω）频域的滤波后再将频谱搬移到载波频率ωc。调制后的信号频谱发生畸变，与典型的调制频谱相比，信号主包络频谱在偏离载波频率－π／Ts附近出现明显凹陷。

当I（t）＝－Q（t）时，其 OQPSK调制信号的频域表达式可简化为

此时，OQPSK调制后的频谱相当于将I路信号的频谱进行了H2（jω）频谱的滤波后再将频谱搬移到载波频率ωc。调制后的信号频谱发生畸变，与典型的调制频谱相比，信号主包络频谱在偏离载波频率＋π／Ts附近出现明显凹陷。

4.2 仿真分析

由于PN序列的随机性，仿真中采用两路相同的PN15序列代替I（t），Q（t）序列进行仿真分析，这样可模拟I、Q两路数据自身具有良好的随机性，但两路间存在相关性。两路相同的PN15码分别通过I、Q两路送至OQPSK调制，得到频谱图如图14所示。

图13 IQ数据相同时OQPSK调制信号频谱Fig.13 Frequency spectrum of OQPSK modulation with the same I／Q

图14 I、Q数据相同时OQPSK调制频域仿真图Fig.14 Frequency domain simulation of OQPSK modulation with same I／Q

由图14可知：当I、Q数据为相同的PN序列时，经OQPSK调制后频谱图是将PN序列的频域经H1（jω）频谱的滤波后的频谱平移到载波频率上。OQPSK调制后频谱在偏离载波频率－π／Ts附近出现明显衰减。

同样，当I（t）＝－Q（t）时，即2路相反的PN15码分别通过I、Q两路送至OQPSK调制，所得频谱图如图15所示。由图15可知：当I、Q数据为相反的PN序列时，经过OQPSK调制后频谱图是将PN序列的频域经过H2（jω）频谱滤波后的频谱平移到载波频率上。OQPSK调制后频谱在偏离载波频率＋π／Ts附近出现明显衰减。

图15 I、Q数据相反时OQPSK调制频域仿真结果Fig.15 Frequency domain simulation of OQPSK modulation with inverse I／Q

4.3 测试结果

对仿真所示的PN码调制信号频谱图进行了实际的验证测试，两路相同或相反的PN15序列通过调制发射机的I、Q路进行OQPSK调制，在数传通信链路中通过调制发射机的输出端进行频谱测量，设定信道带宽112.5MHz，频谱图如图16所示。相关性，分析了载荷数据分I、Q路组帧后对

4.4 两种加扰方式OQPSK调制信号对比

按CCSDS标准，加扰方式是按帧进行，I、Q数据合路组帧后，I、Q数据交替与1个标准的伪随机序列相异或。这种数据流设计模型中，每路的规律性被打破，同时两路间的规律性也被打破。单独的I路或单独的Q路解决了出现长“0”、长“1”码问题，同时降低了I，Q数据间的相关性。此时，OQPSK调制的相位转移图沿正方形四边移动。I、Q数据分路组帧后，仅仅解决了两路输入中每路的随机性，两路间的相关性未改变，在目标数据相似或没有良好的随机性情况下，相位转移图常有规律地向某方向移动，在频谱上表现为频谱失真。

由仿真和实测的频谱图（如图17所示）可知：I、Q数据合路组帧既可保证每路数据的随机性，又能实现两路数据间相对关系的随机性，频谱包络平滑完整，没出现凹陷或凸出的频点，适于数传通信链路的数据传输。针对I、Q分路组帧时的频谱变形问题，目前提出了一种新的解决方案：I、Q分路组帧后采用不同的伪随机码序列进行加扰，从而破坏I、Q两路数据原本的自相关特性，达到与I、Q路数据合路组帧同样的传输效果。不同的加扰方式出现两个问题：一是数据接收端用不同的解扰方式对其进行解扰，设备不具通用性，二是为实现较好的信道传输效果需对两种伪随机码的选择进行分析。