深空通信中的调制技术

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的 高 斯 低 通 滤 波 器 的 传 输 函 数 Ｈ（ ｆ） ＝ｅｘｐ（ － ! ｆ ） ， 其 中
１
!＝ （ ０．５ｌｎ ２） ３ ， 其 Ｂ 是 Ｈ（ ｆ） 的 ３ ｄＢ 带宽［３］。改进的ＧＭＳＫ Ｂ
目 的 在 于 提 高 ＧＭＳＫ 的 频 谱 利 用 率 和 减 少 对 邻 频 道 的 干扰［４］。图 ２ 是改进前后的 ＧＭＳＫ 功率谱密度比较， 从图 中可以看出， 改进后的 ＧＭＳＫ 提高了频谱利用率。但正 如 ＧＭＳＫ 于 ＭＳＫ， 改进的代价是可能引起更大的码间干 扰 ， 改 进 的 ＧＭＳＫ 于 ＧＭＳＫ 也 是 一 样 。 所 以 ， 无 论 是 ＧＭＳＫ 还是改进的 ＧＭＳＫ， 都必须利用局部响应技术， 以 消除码间干扰。
Ｄｉｇｉｔａｌ ＴＶ ＆ ｄｉｇｉｔａｌ ｖｉｄｅｏ
文章编号： １００２－ ８６９２（ ２００６） １０－ ００２５－ ０２
深空通信中的调制技术 ＊
·技术分析·
潘晓丹， 吴成柯 （ 西安电子科技大学 ＩＳＮ 国家重点实验室， 陕西 西安 ７１００７１）
【摘 要】阐述了深空通信中调制技术所存在的问题和当前的解决办法， 介绍了国内外采用的几种调制技术， 并对其性能进行了
４） ＦＱＰＳＫ 家族： 这是一种新的恒包络调制技术， 属 于无符号间串扰和抖动的偏移正交相移键控（ ＩＪＦ－ ＯＱＰ－ ＳＫ） 的 家 族［５］。通 过 在 同 相 与 正 交 支 路 之 间 引 入 一 个 可 控制的互相关和采用特定的信号波形， 其包络近似于恒 定包络。ＦＱＰＳＫ 调制器可看作一个 １６ 状态的 Ｉ－ Ｑ 联合 ＴＣＭ 调制器［６］。该方法的频谱效率、功率效率和误码率等 性能优良， 能明显增大系统容量， 而且电路结构简单。 ＦＱＰＳＫ 调制方式利用了偏移调制的特点， 避免了相位突 变， 同时通过使用半余弦波形， 实 现了＋１、－ １ 状 态 之 间 的平滑过渡， 因而无需进行滤 波来平 滑 ＮＲＺ 的 数 据［７］。 ＦＱＰＳＫ 调制方式的处理器可用横向滤波器技术、集成电 路技术或现场可编程门阵列（ ＦＰＧＡ） 来实现。
【Ａｂｓｔｒ ａｃｔ】 Ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｉｎ ｄｅｅｐ－ ｓｐａｃｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａ－ ｐｅｒ． Ｓｏｍｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ， ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｄｅｎｓｉｔｙ． Ｆｉｎａｌｌｙ， ｗｅ ｅｘｐｒｅｓｓ ｏｕｒ ｖｉｅｗｐｏｉｎｔｓ． 【Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ】ｄｅｅｐ－ ｓｐａｃｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ； ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ； ｐｏｗｅｒ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｄｅｎｓｉｔｙ
归 一 化 功 率 谱 密 度／ｄＢ
０
－ １０
－ ２０
－ ３０
－ ４０
－ ５０
ＳＯＱＰＳＫ
－ ６０
－ ７０
－ ８０
ＳＯＱＰＳＫ－ Ａ ＳＯＱＰＳＫ－ Ｂ
－ ９０ － ２．５－ ２．０－ １．５ － １．０－ ０．５ ０．０ ０．５ １．０ １．５ ２．０ ２．５
频 率／Ｈｚ
图 １ 改进后的 ＳＯＱＰＳＫ 与 ＳＯＱＰＳＫ 的功率谱密度的比较
１） 偏移 ＱＰＳＫ（ ＯＱＰＳＫ） ： 由于相位约束， 其峰值－ 平 均功率比（ ＰＡＰＲ） 要小于 ＢＰＳＫ 和标准 ＱＰＳＫ。采用矩形 与平方根升余弦（ ＳＲＲＣ） 脉冲成形技术的 ＯＱＰＳＫ 是当前 研 究 重 点 。 采 用 矩 形 脉 冲 形 成 技 术 即 是 ＳＯＱＰＳＫ （ Ｓｈａｐｅｄ ＯＱＰＳＫ） 。ＳＯＱＰＳＫ 具有良好的频谱效率和恒包 络特性， 已被列入各种军事标准， 在卫星通信中得到了广 泛应用， 但其功率谱密度在－ ３０ ｄＢ 以下的部分并没有得 到关注。采用平方根升余弦脉冲成形技术是对 ＳＯＱＰＳＫ 的一种改进， 功率谱性能比 ＳＯＱＰＳＫ 有明显的优势， 特别 是改进了 ＳＯＱＰＳＫ 的功率谱密度在－ ３０ ｄＢ 以下的性能［２］。 图 １ 给出了改进后的 ＳＯＱＰＳＫ（ ＳＯＱＰＳＫ－ Ａ 和 ＳＯＱＰＳＫ－ Ｂ） 与 ＳＯＱＰＳＫ 功 率 谱 密 度 的 比 较 ， 从 图 中 可 以 看 出 ， 改 进后的 ＳＯＱＰＳＫ 的功率谱占有率大大降低了。
１ 引言
深空通常是指距离地球 ２００ 万公里以外的空间， 然 而， 以往的人造地球卫星的通信距离通常为数百至数万 公里。月球是地球的卫星， 然而距地球约 ３８ 万公里， 实现 月球与地球之间的通信所遇到的问题已和通常所称的卫 星通信有很大的差别。至于地球与太阳系其他行星的距 离都在数千万公里以上。将地球与月球以及其他行星 （ 火、木、金等） 之间的通信称为深空通信。
通过在深空通信中联合使用带宽有效调制技术与高 性能纠错编码技术， 可以在提高编码增益的同时， 提高系 统的带宽利用率。随着要求更高的数据速率和更多的同 时任务数， 未来的深空探测任务即使在 Ｋａ 波段也必须 采用带宽有效调制技术。在面向未来深空通信的调制技 术方面， 国际空间数据系统咨询委 员 会（ ＣＣＳＤＳ） 建 议 了 与深空网络 Ｂｌｏｃｋ Ｖ 接收机结构兼容的带宽有效调制技 术 。ＪＰＬ 正 在 结 合 高 性 能 纠 错 码 （ 如 Ｔｕｒｂｏ－ ｌｉｋｅ ｃｏｄｅｓ， ＬＤＰＣ 码等） 研究适合于未来的高数据率（ １０￣１００ Ｍｂｉｔ／ｓ） 深空探测任务（ 如 ＭＲＯ） 的调制方案， 主要包括：
位技术进行了研究， 有效抑制了 ＮＬＯＳ 误差， 以较小的计 算量获得了较高的定位精度。
７ 总结
参考文献
从仿真可知： 受 ＮＬＯＳ 影响的 Ｃｈａｎ 算法在 ４ 基站时 的 算 法 的 定 位 误 差 相 对 于 ＬＯＳ 时 大 幅 增 加 ； 方 法 一 和 Ｒｗｇｈ 的性 能曲线基本重合（ 即两者的 ＡＬＡＥＰ 也基本相 同） ， Ｒｗｇｈ 抑制 ＮＬＯＳ 误差的性能略微好于方法一， 该仿 真结论与文献［６］中有关 Ｒｗｇｈ 的变形算法的仿真结论是 一致的； 但方法一只求解了 ３ 种 ＴＯＡ 测量值组合（ 即 Ｎ＝
深空通信是实现深空探测的重要保证。我国把对月 球和火星的探测作为今后 １５ 年的发展重点。由于深空通 信具有距离远、信噪比极低、传输时延很长， 环境 复杂以 及功耗要求严格等特点， 必须研究深空通信的信道模型 以 及 适 合 于 深 空 通 信 的 信 源 编 码 、信 道 编 码 、调 制 和 深 空 通信网络等关键技术。
３ 调制体制的对比与分析
我国的深空探测任务刚刚起步， 探月计划的数传系 统 采 用 了 ＢＰＳＫ 调 制 方 式 ， ＲＦ 有 效 信 道 带 宽 是 ６ ＭＨｚ，
＊ 国家自然科 学 基 金重 点 项 目“深 空 通 信中 的 若 干关 键 技 术研 究 ”（ ６０５３２０６０） ； 国 家自 然 科 学基 金 面 上项 目“干 涉多 光 谱 图像 高 效 压缩编码研究”（ ６０５０７０１２）
３） 网格编码 ＯＱＰＳＫ 调制： 传统的通信系统采用了 有较长约束长度的卷积码来实现差错控制， 造成了译码 设备复杂、抗干扰性差、频带利用率低等缺点， 限制了通 信在高速信息传输领域内的发展， 因此如何提高信息传 输系统的有效性和可靠性， 成为一个重要课题。把编码 与 调 制 合 为 一 体 的 网 格 编 码 调 制 （ ＴＣＭ） 技 术 较 好 地 解 决了这一问题， 它与常规的非编码多进制调制相比具有 较高的编码增益且不降低频带利用率， 网格编码调制已 在越来越多的领域得到了广泛的应用， 尤其适合于在功 率和频率受限的深空通信信道中使用。网格编码 ＯＱＰＳＫ 调制通过采用两状态卷积编码器而在发送数据之间引 入记忆， 并采用升余弦脉冲波形， 可获得改进包络特性 的 ＯＱＰＳＫ 信号。
２） ＧＭＳＫ： ＧＭＳＫ 是 ＭＳＫ 的 的 改 进 ， ＧＭＳＫ 调 制 信
号具有恒包络特性， 带外频谱衰减快， 已调波带宽比较
窄， 较好的保留 了 ＭＳＫ 的优点， 适合在非线性信道中传 输［３］。但在相同的信噪比条件下， ＧＭＳＫ 的误码率略逊于
ＭＳＫ。为 了 进 一 步 提 高 频 谱 的 利 用 效 率 ， 改 进 了 ＧＭＳＫ
２
Ｃ４－ １ ＝３） 的 ＭＳ 的位置， 在定位精度基本相同时， 其计算量 相对于 Ｒｗｇｈ 要小得多； 通过比较 ＡＬＡＥＰ， 可见本文提出 的方法二在多个 ＡＰ 的 ＴＯＡ 测量 值 含 ＮＬＯＳ 误 差 时 ， 相 对于方法一在不增加计算量的情况下对 ＮＬＯＳ 误差具有 更好的整体抑制效果， 而且相比于 Ｒｗｇｈ 以较小的计算 量取得了更好的 ＮＬＯＳ 误差整体抑制效果， 定位精度相 对于 Ｃｈａｎ 算法在 ４ 基站时的算法有明显提高。笔者还 对 ＭＳ 坐标为其他点、ＮＬＯＳ 误差为随机取值， 以及更多 ＡＰ 数目时的情况进行了仿真， 得到了类似的性能趋势。 本 文 针 对 ＮＬＯＳ 环 境 下 基 于 ＷＬＡＮ 移 动 终 端 的 无 线 定
另一方面， 随着空间探测技术的发展， 深空探测任务 变得越来越复杂， 需要将大量的数据与图像信息实时传 输到地面， 这样就要求星（ 或航天器） 上数传系统的传输 速率越来越高， 从而射频频谱变得越来越拥挤。信息理论 研究表明， 使用恒包络信号， 当对其功率谱密度有约束 时， 系统的容量会减小。因此， 需要研究新的带宽有效调 制技术来满足日益增长的对高数据速率的需求。具有较 多小包络波动的带宽有效 ＴＣＭ 技术为此提供了一 条有 效的解决途径， 它配合高性能纠错编码技术， 可以同时提 供较大的编码增益和带宽效率。
２５ Ｎｏ．１０ ２００６（ Ｓｕｍ Ｎｏ．２９４ ） ＶＩＤＥＯ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
数字电视与数字视频
单通道最大数据率为 ３ Ｍｂｉｔ／ｓ。从空间探测器发射到地面 接 收 方 向 的 数 传 通 道 在 Ｅｂ／Ｎ０＝１６ ｄＢ（ Ｃ／Ｎ０＝８１．５ ｄＢＨｚ） 时， 误码率 Ｐｅ≤１×１０－６。