数字卫星广播中CPM与QPSK调制性能仿真分析

1、文章编号：10028692（2009）S1-0004-02数字卫星广播中与CPMQPSK*实用技术调制性能仿真分析刘春江 1，吴志跃 2，郭沛宇 1，周德斌 1（1.广播科学研究院，北京 100866； 2. 国家广电总局无线局，北京 100866）【摘 要】 在介绍分析卫星广播 Ka 波段信道特点并建立信道仿真模型的基础上，使用 Matlab 软件对四相相移键控（QPSK）和连续相位调制（CPM）在 Ka 波段信道中的性能进行了仿真比较，指出在数字卫星广播应用中 CPM 调制具有更强的优势和应用前景。【关键词】 数字卫星广播；Ka 波段；QPSK；CPM【中图分类号】 TN911.3【文献标

2、识码】 BSimulation Analysis of CPM and QPSK in Digital Satellite BroadcastLIU Chun-jiang1, WU Zhi-yue2, GUO Pei-yu1, ZHOU De-bin1（1. Academy of Broadcasting Science, Beijing 100866, China; 2. Administrative Bureau of Radio Stations of SARFT, Beijing 100866, China ）【Abstract】 Based on analyzing the char

3、acter of Ka band in satellite broadcast and establishing channel simulation module, this paper differentiates the capability of QPSK and CPM in Ka band channel by using Matlab simulation. It points out that CPM modulation has promising future and advantage in Digital Satellite Broadcasting （DSB） app

4、lication.【Key words】 DSB; Ka band; QPSK; CPM扰小和设备体积小等。 然而，Ka 频段对大气损伤非常敏感。 测量数据表明： 在大于 0.1%的时间内对于 30 GHz 的上行频率雨衰可超过 40 dB，而对于 20 GHz 的下行频率 雨衰也将超过 20 dB4。 根据 Ka 波段信道的这一特点，沿 用文献4给出的 Ka 波段卫星通信信道的数学模型， 把 雨衰作为一个乘性因子引入到信道仿真分析中， 已调信号 s（t）=Res1（t）exp（j2fct）。 该信号通过雨衰信道后变为r1（t）=exp（j准）s1（t），0tT引言在卫星广播通信信道内，1由于

5、信道的衰落特性对信号的幅度存在直接影响，不宜采用幅度调制，频率调制的频带利用率又非常低，因此比较适宜采用相位调制技术， 事实上目前在单载波卫星广播通信中应用最为广泛的正 是 QPSK 这种相位调制技术1-2。 但近年来，随着广播通信 容量的不同增加，射频频带资源越来越显宝贵，对于数据 传输速率和频谱利用率的要求也越来越高， 解决问题的式中：fc 为载波频率为调制信号为其时域复基；s（t）；s （t）1途径集中在两个方向：一是开发利用具有更多频谱资源带表达；s （f）为其频域复基带表达；T 为调制码元宽度；1的频带，如使用频谱可利用率高、潜在干扰小的 Ka 甚至和 准 分别表示等效低通雨衰信道的

6、包络和相位，均为随机变量，其分布特性由天气条件决定，均服从高斯分布，其概率密度函数为U 波段以弥补较低频率的 C 和 Ku 波段的不足；二是研究具有更高频谱利用率的新的调制解调技术，QPSK 调制没有恒定包络，从符号到符号间有不连续的相位转移，体现在功率谱上就是占用较宽的带宽及高频放大器的利 用率不高，而连续相位调制（CPM），不仅有恒定的包络， 而且有连续的相位，大大改善了调制信号的功率谱3。 笔 者基于前人研究建立的 Ka 波段卫星信道仿真模型， 使 用仿真软件对两种不同调制技术的性能进行仿真比较， 指出 CPM 调制是一种更加适宜于数字卫星广播通信的 调制解调技术。exp 2- （r-m

7、）221p（）=22姨2 1222exp - （准-m）p（准）=22姨2 各 天气条件下的均值 m 和 方 差 2 参 数 如 表 1 所示，由此可建立如图 1 所示的 Ka 波段信道仿真模型。图 1 中高斯过程 1 和高斯过程 2 为两个相互独立的 带限、零均值高斯随机过程，其方差分别等于 2 和 2。 高斯过程 1 与实常数产生器 1 产生的 m相加后，生成均 值为 m、方差为 2 的高斯随机过程 。 同理可产生高斯 随机过程 准。 准 经指数产生器生成 exp（j准）后，与 相乘，Ka 波段信道模型与较低频率的 C 频段和 Ku 频段相比，Ka 频段的卫 星广播通信具有 3 个明显优势

8、，即频谱可用率高、潜在干2* 国家“863”计划项目（2005AA147100）图 2 QPSK 调制与解调系统仿真程序结构图图 3 CPM 调制与解调系统仿真程序结构图10010-110-2R E B10-310-410-510-668101214161820（Es/N0）/dB图 4 晴天天气条件下不同调制的误码率曲线10010-110-2R EB 10-310-410-510-668101214161820（Es/N0）/dB图 5 小雨天气条件下不同调制的误码率曲线表 1Ka 波段卫星信道在各种天气条件下参数表大，接收信号检测的正确性越高，但计算量及复杂度急剧上升；M 增大，每个信息符

9、号携带的比特数越多 ， 提高信 息传输的比特率， 但会带来误码率性能的下降5。 综合 考虑实现复杂度和调制性能等问题， 选择 CPM 参数为： M=4，L=1，h=1/2，g（t）为矩形函数，此时 CPM 调制的输入 源数据范围为1 和3， 因此使用 2（03）-2+1 的运算 获得合适的输入数据， 程序其他部分与 QPSK 调制解调 的仿真程序设置相同。得到 C（t）=exp（j准）乘性干扰矢量。 AWGN 表示信道加性高斯白噪声 Z（t）。仿真结果分析使用图 2 和图 3 所示的 QPSK 和 CPM 调制解调仿4系统仿真程序的设计建立了卫星通信广播 Ka 波段的仿真模型后，3真程序对两种

10、调制方式在晴天、小雨和冰霜等几个典型应用天气条件下的误码率性能进行仿真，能曲线。得到图 46 所示性Matlab 软件及内嵌的 Simulink 仿真工具，可方便快捷的分别设计出 QPSK 和 CPM 调制解调的系统仿真程序，获得所需的数据进行分析比较。 其中 QPSK 调制与解调系 统仿真程序结构如图 2 所示。使用随机整数发生器产生出 03 的随机整数作为待调制数据，经过 QPSK 调制后通过 Ka 波段卫星信道仿 真模型， 最后经过 QPSK 解调后与输入源数据进行误码 率计算， 为仿真各种不同天气状况和信道各种不同信噪比条件下的误码率性能，将高斯过程的均值和方差、信道 模型的信噪比及码

11、率输出作为变量，编写单独的 m 文件 调用上图仿真程序并进行误码率曲线的绘制等。CPM 调制与解调系统仿真程序结构如图 3 所示。 由 于在多进制 CPM 调制技术中，调制指数 h、关联长度 L、多进制数 M 参数对调制性能影响很大，且存在以下规律：h 影响 CPM 频谱特性，h 越小频带利用率越高；L 越（下转第 9 页）天气条件准m2m2晴天 0.455 0.000 56 0.007 9 0.003 81黑云 0.346 0.002 72 0.015 4 0.008 64 小雨 0.483 0.000 03 0.008 8 0.005 46 雷雨 0.436 0.013 86 0.006

12、8 0.004 14 小雪 0.500 0.000 21 0.008 9 0.004 35 冰霜 0.482 0.000 62 0.009 4 0.005 44 中雨 0.662 0.020 00 -0.008 9 0.030 77al. Frequency domain equalization for single-carrier broadband wire -less systemsJ. IEEE Communication Magazine ，2002，40（4）：58-66. 2 焦现军，张磊，项海格. 单载波频域均衡系统中的 PN 信道估计算法J.北京大学学报，2007，43（1

13、）：103-108.3 FAILLI M. Cost 207: Digital Land Mobile Radio Communications M. S.l.:European Communities/Union（EUR -OP/OOPEC/OPOCE），1989：135-147.笕作者简介：盛国芳（1975-），女，工程师，从事广播电视传输技术方面的研究、测试工作；吴智勇（1978-），工程师，从事广播电视传输技术方面的研究、测试 工作；运算复杂度的同时，达到与频域信道估计算法一致的信道估计性能。 仿真结果表明，本文提出的算法，能够在兼顾 传输效率的同时，在广播频段提供了较好的传输性能，验

14、 证了单载波频域均衡技术在广播领域中应用的可能性。 参考文献：1 FALCONER D，ARIYAVISITAKUL S L，BENYAMIN-SEEYAR A，et于新（1963-），工程师，从事广播电视传输技术方面的研究工作。责任编辑：哈宏疆收稿日期：2008-12-12笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕笕（上接第 5 页）宽窄，旁瓣功率要低，使得频谱利用率更高，邻频干扰更小， 信道编码和调

15、制相结合而无需额外冗余符号使得误由图 46 可以看出： 无论是在何种天气条件，CPM调制的误码率性能都优于 QPSK。 QPSK 和 CPM 调制的 频谱分别如图 7 和图 8 所示。码率性能也更好，从而使其更加适用于在卫星广播通信信道或其他幅度衰落信道中实现有限带宽内的高速数据传输。参考文献：1 郭道省，甘仲民，张邦宁，等. 数字卫星电视调制技术的研究J. 电视 技术，2001（5）：49-51.2 KIM K，POLYDOROS A. Digital modulation classification: the BPSKversus QPSK caseJ. MILCOM88，1988（2）:431-436.3