一种适用于数字卫星电视系统的调制技术1

一种适用于数字卫星电视系统的调制技术1刘伶俐西安电子科技大学，西安（710071）E-mail：xdpan1982@摘要：数字卫星电视系统的信道是典型的带限和非线性信道。

由于PSK调制体制具有包络恒定和较高的功率效率，所以得到了广泛的应用。

SOQPSK（Shaped Offset Quadrature Phase-Shift Keying）是近年来在数字卫星电视领域快速兴起的一种新的调制方法。

文中分析评介了这种体制的发展历史、技术原理、体制性能。

最后介绍了一种改进的SOQPSK，并对其功率谱密度（PSD）进行了仿真。

结果表明这种改进的SOQPSK调制非常适用于数字卫星电视的信道。

关键词：数字卫星电视；SOQPSK；改进后的SOQPSK；功率谱密度1 引言数字卫星电视广播系统以其先进性和广阔的市场前景，备受世人瞩目。

中国的数字卫星广播市场正在逐渐开放，卫星信号直接到用户家庭（DTH）的接收方式正越来越受到人们的欢迎。

在这种条件下，数字卫星广播（DVB-S）的研制有重要意义[1]。

数字卫星电视信号在传输过程中,经过数字编码后得到的数字信号,一般不宜直接传输,因为这样的数字信号经信道传输时,受信道特性的影响,会使信号产生畸变,同时由于信道中噪声的存在,也会造成信号的随机畸变,因而需进行数字调制。

所谓调制是指用基带信号对载波波形的某些参量进行控制,使载波的这些参量随基带信号的变化而变化,将基带信号转变为适合卫星信道传输的信号形式,也是抵抗信道干扰的重要途径。

卫星信道的特点是可用频带宽、功率受限、多径时延和频率选择性衰落比较大，所以要求采用可靠性高的信号调制方式和具有强的信号纠错能力，对带宽要求不是特别高。

因此在数字卫星视频广播系统中，四相相移键控调制（QPSK）技术得到广泛的使用。

在未来的空间通信系统和卫星通信系统中, 数据传输率都将超过1 Gbps, 这样的系统将使带宽和功率同时受限, 因此研究具有高功率效率和高频谱效率的调制技术仍然是目前的研究热点[2]。

QPSK是一种恒包络调制技术，它所携带的信息全部在相位上，无论幅度上的衰减和干扰多么严重，只要调制信号的相位不发生错误，就不会造成信息丢失，因此QPSK调制特别适合于衰减和噪声十分严重的卫星信道。

SOQPSK是由QPSK改进而来的一种新的调制体制，是一种高效率恒包络调制方式，由于它具有良好的频谱效率和恒包络特性，在数字卫星电视通信中得到了广泛的应用。

本文介绍了OQPSK体制和SOQPSK体制的技术原理，针对SOQPSK在-30dB以下的频谱并没有得到关注的问题，提出了一种新的SOQPSK，并对其功率谱密度进行了仿真。

仿真结果表明改进后的SOQPSK在保持SOQPSK优越性的同时提高了其功率谱密度在-30dB以下的性能。

2 SOQPSK体制2.1 OQPSK体制1本课题得到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）的资助。

卫星通信系统是典型的频带信道，卫星信道特性要求在相同的条件下，要尽量使用抗干扰能力强的调制技术，以节省卫星功率；或尽量选择带宽利用率高的调制技术，以节省卫星转发器的频带[3]。

数字卫星通信系统建立初期主要使用的调制方法是BPSK ，因为在误码率相同时，需要的最小。

当时卫星转发器发射功率小，转发器功率受限，而频带相对宽裕。

后来随着对信道容量需求的增加，以及卫星转发器输出的提高，转发器资源的矛盾也由功率受限转化为频带受限，数字卫星通信系统开始使用MPSK 调制技术。

0/b E N 0/b E N QPSK 是一种在通信领域中被广泛采用的调制模式，其较强的抗信号幅度失真能力及合适的频谱传输效率，非常适用于卫星通信（如欧洲的DVB-S ）[4]，是目前卫星数字通信中最常用的一种数字调制方式,它是一种恒定包络的数字调制方式,而且占用较少射频带宽, 频带利用率高,抗干扰能力强。

但由于其存在180相移，经带限处理后，可能出现零包络现象。

这种现象在非线性带限信道中尤其需要避免。

虽然包络的起伏经非线性放大器后，可以减弱或消除，但同时却会使频谱扩展，其旁瓣对邻道的信号形成干扰，发送时的带限滤波将完全失去作用。

交错（偏移）正交调相（Offset QPSK ）是QPSK 的一种改进的调制方式，它对QPSK 信号进行一定的处理以避免上述问题。

与普通的QPSK 相比，OQPSK 的同相与正交数据流，在时间上相互错开了一个码元间隔（即半个符号周期=1/2°b T b T s T ），而不像QPSK 那样，I （同相），Q （正交）两个数据流在时间上是一致的（即码元的沿是对齐的）。

这样在任何给定的时间，OQPSK 信号中，I 、Q 两个数据流，每次只有其中一个可能发生极性转换。

所以每当一个新的输入比特进入调制器的I 或Q 信道时，输出的OQPSK 信号中只有，0°90±°三种相位跳变，而根本不可能出现相位跳变。

所以频带受限OQPSK 的信号包络起伏比频带受限QPSK 的信号小，经限幅放大后频带展宽得少，故OQPSK 性能优于QPSK[5]。

180°OQPSK 可以看成相位调制（PM ）或频率调制（FM ），这里从频率调制的角度解释比较方便，所以我们采用FM 的形式。

我们用连续相位调制（CPM ）的表示形式，OQPSK 的时域表达式是：0()(,)]s t f t t 0πφαφ=++ （1） 其中(,)2()t i it a h g iT d φπατ+∞−∞−∞=−∑∫τ t −∞<<+∞ （2） 其中信息相位(,)t φα是由三码元序列i α=-1，0，1、频率脉冲g(t)和调制指数h 决定的。

对于OQPSK调制，频率脉冲g(t)是函数，在每个比特，频率脉冲要么存在要么不存在，如果存在，它的相()t ∂位将会移动/2π，如图1所示是OQPSK 的频率脉冲波形，信号要么在I 路要么在Q 路上改变，而图1 OQPSK 信号的频率脉冲波形不会同时改变。

OQPSK 的好处是功率谱特性优于QPSK ，同时两个错位的支路独立2PSK 信道，b T 可以分别进行差分编码和相间差分解码。

由于Q 之路信号迟于I 之路时间，因此判决解调的定时信号也要比I 之路迟延,因此两支路轮流判决后不需再并-串变换。

b T b T 2.2 改进的OQPSK （SOQPSK 体制）OQPSK 克服了QPSK 的180相位跳变，信号通过BPF 后包络起伏小，性能得到了改善，因此受到广泛重视。

但是，当码元转换时，相位的变化是不连续的，存在的相位跳变，因此高频滚降慢，使得频带较宽[6]。

°90°SOQPSK 是对OQPSK 的一种改进，对于SOQPSK 调制，频率脉冲g(t)是矩形脉冲，可以这么说，SOQPSK 是QPSK 和MSK 的合成。

SOQPSK 具有良好的频谱效率和恒包络特性，在数字卫星通信中得到了广泛应用，但其功率普密度在-30dB 以下的部分并没有得到关注[7]。

3 改进的SOQPSK 体制为了改善普通SOQPSK 的功率谱密度在-30dB 以下的性能，我们采用升余弦函数作为改进后的SOQPSK 调制方法的频率脉冲g(t),，g(t)=n(t)*w(t),其中2cos(/)sin(/)()*14(/)(/)A Bt TB n t T Bt T Bt T πρπρπ=− （3） 11121,|/|(|/|)11()cos ,|/|220,|/|t T T t T T w t T t T T T T t T Tπ⎧<⎪−⎪=+<<+⎨⎪⎪<⎩2 （4） n(t)是滚降系数为ρ的升余弦函数，如果没有窗函数w(t),n （t ）在时间轴上是无限的，因此我们在这里用一个简单的升余弦窗w(t)限制频率脉冲在有限的范围内，其中T 是符号周期（等于两个比特周期），A 是用来归一化脉冲波形，使得单个频率脉冲引起的相位偏移为/2π。

图2给出了改进后的SOQPSK 和SOQPSK 的频率脉冲波形比较。

ρ，B ，T 和T 这四个参数就可以完全确定这种改进的SOQPSK 的频率脉冲。

在这里用两组典型的数据为12例，如表所示，分别称为SOQPSK-A，SOQPSK-B。

频率脉冲t/Tb图2 改进后的SOQPSK和SOQPSK的频率脉冲波形比较表1 改进后的SOQPSK各参数的取值Parameter SOQPSK-A SOQPSK-Bρ 1.0 0.5B 1.35 1.45T1 1.4 2.8 T20.6 1.2如图3所示是改进后的SOQPSK和SOQPSK的功率谱密度比较，从图中可以看出，在-30dB以下，SOQPSK-A和SOQPSK-B的PSD要比SOQPSK的窄很多，从而改善了SOQPSK的功率谱密度的性能。

图3 改进后的SOQPSK与SOQPSK的功率谱密度的比较4 结论在数字卫星电视广播系统中，由于收发两端的中频滤波器，使得信道具有带限的特性；又由于发射机的高功率放大器（HPA）以及转发器中的行波管放大器（TWTA）都是非线性部件，使得信道具有非线性的特性，因而卫星信道是典型的带限和非线性信道。

这就要求所有的调制方式具有包络恒定（或包络起伏很小）和具有最小功率谱占有率[8]。

本文分析和评介了OQPSK体制和SOQPSK体制，介绍了一种改进后的SOQPSK体制，仿真结果表明这种恒包络调制方式的功率谱占有率得到了很大的降低，非常适用于带限和非线性的数字卫星信道。

参考文献1林连魁,王群生,叶梧,王雄杰.DVB-S信道解码技术研究与实现.电视技术.2000(8).2 郭兴波,杨知行,潘长勇.MA-SOQPSK的最大似然接收机和简化接收机.2006.3 李伟.DVB-S2——卫星数字电视发展的“极限”有线电视技术.2004(20).4 刘伟栋,戎蒙恬,杨浩.基于DVB-S标准的低新噪比数字解调器.电视技术.2004(11).5 冯玉珉.通信系统原理.清华大学出版社.北方交通大学,2003.6 冯传岗.论现代数字调制技术.有线电视技术.2003(4) .7 Tom Nelson ,Erik Perrins , and Michael Rice Common detectors for shaped offset QPSK(SOQPSK) and Feher-patented QPSK(FQPSK).IEEE Globecom 2005.8 郭道省,甘仲民,张邦, 刘爱军.数字卫星电视信号调制技术的研究.2001(5).A Modulation Which is Fits for Digital Satellite TelevisionSystemsLiu LingliXidian University, Xi’an（710071）AbstractThe channel of the digital satellite television system is typical Band-Limited and nonlinear. PSK is very widely used in the digital satellite television system because of its constant envelop property and high power efficiency .SOQPSK System is a new modulation that is rapidly risen on the domain of digital satellite television .In this paper ，we analyze and review the development history ,technical principle and performance of this modulation system. Finally, we introduce a new kind of SOQPSK, whose power spectral density (PSD) is simulated. The results demonstrate that this developed SOQPSK is very fits for the channel of the digital satellite television.Keywords: digital satellite television ;Shaped Offset Quadrature Phase-Shift Keying ;developed SOQPSK ; Power spectral density作者简介：刘伶俐(1981-)，硕士生，目标与环境光学特性及光电成像系统仿真技术，现研究方向：通信中的调制解调技术。