【学习笔记】卫星通信中调制解调性能的研究
0 引言
卫星移动通信系统能够支持用户通信终端在任何地方任何时间实现相互通信，它是移动通信和卫星通信技术相互结合、促进、发展的一个产物。由于陆地移动通信系统是不可能覆盖到地球上所有区域的，卫星移动通信系统以其独特的通信方式和技术特点，为偏远、人烟稀少地区用户和应急救灾通信等领域提供良好的服务。
GEO(Geostationary Earth Orbit) Mobile Radio interface是利用地球同步轨道卫星来完成移动卫星服务的。该系统是地面上GMS蜂窝系统的扩展，能够提供与GSM相似的服务，是地面蜂窝系统的补充。
卫星通信系统中常用PSK（Phase-ShiftKeying）及其改进的调制方式来提高频谱利用率和数据传输速率。为了降低调制信号的峰均比，选择在下行链路调制之前,用复扰码对扩频后基带信号进行加扰,这种复扰码加QPSK的调制方法被称为CQPSK调制。
1 常用的QPSK调制解调
通常说的数字调相（PSK）是利用数字基带信号来完成对载波的相位控制，是一种恒包络的调制方式。利用PSK调制主要是为了节省频谱资源，达到频率高效利用的目的。对于一个已调波而言，其相位路径起着决定性的作用，决定着已调波的频谱特性。通过对已调波相位路径的改善可以推动相位调制技术的不断发展。从最初的二相相移键控（BPSK）到四相相移键控（QPSK）以及许多PSK的演进方式的出现，它们的目的都是为了提高信道频带利用率，使高频谱快速滚降，避免频带外面噪声的干扰。QPSK调制的实现方法有相位选择和正交调制法。
（1）相位选择法
图1是QPSK信号的产生原理框图。四路载波同时送入逻辑选相电路中，然后通过带通滤波器输出相应信号。
（2）正交调制法
图2是π/4-QPSK的产生原理框图。其中a、b都是单极性，两路脉冲信号通过极性变换，0对应1、1对应-1，变成双极性二电平信号I(t)和Q(t)后进入两个平衡调制器，同相支路和正交支路分别独立地进行调制，然后把两路信号加起来得到已调信号。
2 π/4-CQPSK调制与解调原理
为了在PSK的基础上进一步提高系统的抗干扰能力，在卫星通信中引入π/4-CQPSK，它采用复扰码加扰和差分解调。
2.1 复扰码加扰原理
加扰过程如图3所示。
根据图3可知：
由式(3)可得加扰电路如图4所示。
由图5，解扰过程可以表示为：
其中I′(n)、Q′(n)分别代表解扰以后I、Q两路的信号，PNiL(n)、PNqL(n)分别代表接收端本地产生的扰码序列，Imr(n)、Qmr(n)分别代表I、Q两路的解扰器输入信号。由式(4)可得：
由式(5)、式(6)可以得到复扰码的解扰电路如图5所示。
2.2 差分解调
对于π/4-CQPSK，通常采用的解调方式是相干解调，但在复杂多变的卫星信道下，存在各种各样的多径衰落和噪声，相干解调的性能会大大降低。同时，相干解调搜索载波需要的时间较长，不适用于解调效率要求高的系统。
差分解调是非相干解调中的一种，在普通信道下误码率性能不如相干解调，但差分解调对于衰落型信道特别适用，在衰落信道下它具有很好的抗衰落特性，其误码性能反而比相干解调好很多。差分解调能够快速地恢复载波数据，而且实现简单，为系统节约了很多不必要的开销。
3 仿真设计与结果分析
3.1 仿真场景设置
仿真参数如表1所示。在仿真中，由于针对地球同步轨道卫星，对于相对移动速度较小的地面终端，忽略多普勒频移的影响。
3.2 仿真结果与分析
这里主要对比不同调制方法对系统误码率（BER）的影响大小。因为卫星信号在传播过程中，在大气层以外的外层空间中，传输信道与高斯(AWGN)信道近似，而在大气层以内会受到很多干扰，所以选取卫星信道Lutz。本文分别在AWGN信道和Lutz信道下，对π/4-BPSK、π/4-QPSK和π/4-CQPSK进行对比，分析出这几种调制方式对系统误码率的影响，解调方式采用差分解调。
由图6，可以发现π/4-CQPSK在信号调制前加入复扰码进行加扰之后，解调端得到的解调信号误码率明显下降。在相同的误码率情况下，同π/4-QPSK相比，π/4-CQPSK的增益为3 dB左右。
由图7可以看出，在系统信噪比超过5.5 dB时，π/4-CQPSK的误码率已经比π/4-BPSK要小，而且频带利用率是其2倍。
图8是在卫星信道Lutz下对π/4-BPSK与π/4-CQPSK误码率进行比较，如图所示，两种调制方式的误码率都随着信噪比的增大而减小，π/4-CQPSK的减小趋势更为明显，在信噪比大于7 dB时，π/4-CQPSK误码率性能优于π/4-BPSK。
最后，在Lutz卫星信道下，对比π/4-QPSK与π/4-CQPSK的误码率性能。由图9可以看出，随着信噪比的增大，两种调制方式的系统误码率都呈下降趋势。信噪比较小时，它们的误码率相差不大，随着信噪比增大，π/4-QPSK误码率平稳下降，而π/4-CQPSK下降趋势明显。
4 结束语
本文以GEO卫星通信系统为基础，在高斯信道模型和卫星信道模型Lutz下对适用于卫星通信的调制解调方式做了仿真分析。分析表明，π/4-cqpsk以其独有的复扰码加扰技术可以减小系统误码率。