高帶寬效率數(shù)字調(diào)制及其在深空通信中的應(yīng)用

內(nèi)容概要

在傳輸遙測(cè)、遙控?cái)?shù)據(jù)的傳統(tǒng)調(diào)制方法中，各空間機(jī)構(gòu)通常采用多副載波用來(lái)分離不同類型數(shù)據(jù)并確保射頻（RF）載波和被調(diào)制數(shù)據(jù)的頻譜互相不重疊。但是，副載波調(diào)制存在很多缺點(diǎn)，如使得飛行器更加復(fù)雜，調(diào)制/解調(diào)過(guò)程中存在額外損耗。另外，從本書(shū)的觀點(diǎn)來(lái)看，最重要的一點(diǎn)是副載波要占用大量帶寬。用正弦載波代替?zhèn)鹘y(tǒng)的方波副載波雖然能夠減少占用帶寬，但并不是所有空間探測(cè)任務(wù)都能接受這種解決方案。    在數(shù)字通信發(fā)展的早期（20世紀(jì)60年代至70年代），由于數(shù)據(jù)傳輸率低，而且僅需要少量的數(shù)據(jù)通道（副載波），帶寬占用并不構(gòu)成任何問(wèn)題。因此，當(dāng)時(shí)并沒(méi)有設(shè)法限制帶寬占用。然而，隨著任務(wù)日益復(fù)雜，射頻頻譜變得越來(lái)越擁擠，數(shù)據(jù)速率不斷增長(zhǎng)，因而所需的副載波頻率（或者說(shuō)占用帶寬）也相應(yīng)地增加，與此同時(shí)還更易受到不同飛行器的干擾。甚至有觀點(diǎn)認(rèn)為基于副載波的調(diào)制方法已不再可用。幸運(yùn)的是，在這一時(shí)期已經(jīng)研究出多種改進(jìn)的高帶寬效率調(diào)制方法。這些方法直接對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，并配合改進(jìn)的數(shù)據(jù)格式編排（如分包傳送幀遙測(cè)），從而在不需要副載波的情況下，解決了多信道分離問(wèn)題。將分包遙測(cè)格式和任意一種直接調(diào)制方法結(jié)合，并對(duì)后者加上頻譜脈沖整形，就能以相對(duì)較小的帶寬傳送高數(shù)據(jù)速率信息。    本書(shū)的目的是定義、說(shuō)明和展示上述各種高帶寬效率調(diào)制數(shù)字通信系統(tǒng)的性能（功率和帶寬）。除了考慮這些系統(tǒng)的理想性能之外，我們還論及諸如調(diào)制器和相位不平衡、載波不完全同步和發(fā)射機(jī)非線性等實(shí)際發(fā)射機(jī)和接收機(jī)特性條件下的通信系統(tǒng)性能。在這些實(shí)際條件下，如果發(fā)射機(jī)要以高功率效率運(yùn)行，即功率放大器工作在飽和或接近飽和的條件下，就需要采用恒包絡(luò)調(diào)制。這些實(shí)際約束還限制了可以考慮采用的調(diào)制方法的種類，反過(guò)來(lái)也就限制了所能實(shí)現(xiàn)的頻譜占用量和功率效率。如果放寬恒包絡(luò)的條件（這樣發(fā)射機(jī)線性增加，但其功率放大器效率下降） ，那么對(duì)功率和帶寬效率的限制將放寬到奈奎斯特型信號(hào)的極限，該信號(hào)理論上是嚴(yán)格帶限的，并能達(dá)到最高功率效率。由于調(diào)制的包絡(luò)（更準(zhǔn)確地說(shuō)是瞬時(shí)振幅）波動(dòng)與可達(dá)到的功率和帶寬效率之間固有的折中關(guān)系，我們?cè)趯?xiě)作本書(shū)時(shí)選擇能夠清晰反映該問(wèn)題的方式。具體來(lái)說(shuō)，我們首先討論嚴(yán)格的恒包絡(luò)調(diào)制，然后逐步考慮包絡(luò)波動(dòng)越來(lái)越大的調(diào)制，最后討論包絡(luò)為嚴(yán)格帶限（奈奎斯特型）的信號(hào)調(diào)制。順著該思路，我們分析了一些在近些年獲得相當(dāng)多好評(píng)的準(zhǔn)恒包絡(luò)調(diào)制方法，這些方法可使上述功率和帶寬之間的折中取得一個(gè)較好的平衡。    最后，應(yīng)該指出的是，盡管本書(shū)竭力涵蓋在本領(lǐng)域已發(fā)表的大部分文獻(xiàn)，但集中介紹的還只是JPL所取得的研究成果。因此，我們向讀者提供的這份文獻(xiàn)并不是一份包括一切關(guān)于高帶寬效率調(diào)制的論文集，旨在集錦眾多NASA資助下的深空通信系統(tǒng)有關(guān)任務(wù)中的許多技術(shù)成就。我們希望本書(shū)除了具有知識(shí)性之外，還能為未來(lái)的工程師帶來(lái)靈感，以繼續(xù)完成這項(xiàng)由JPL創(chuàng)始的偉大事業(yè) 。

作者簡(jiǎn)介

作者：(美)西蒙

書(shū)籍目錄

第1章 緒論第2章 恒包絡(luò)調(diào)制  2.1 恒包絡(luò)的必要性  2.2 四相相移鍵控和交錯(cuò)四相相移鍵控  2.3 差分編碼QPSK和偏移（交錯(cuò)）QPSK  2.4 π/4-QPSK： 差分編碼QPSK的一種變形，其瞬時(shí)振幅波動(dòng)介于QPSK和OQPSK之間  2.5 功率譜密度  2.6 理想接收機(jī)性能  2.7 非理想發(fā)射機(jī)的性能    2.7.1 調(diào)制器不平衡和放大器非線性    2.7.2 數(shù)據(jù)不平衡  2.8 連續(xù)相位調(diào)制    2.8.1 全響應(yīng)——MSK和SFSK    2.8.2 部分響應(yīng)——高斯MSK  2.9 仿真性能  參考文獻(xiàn)第3章 準(zhǔn)恒包絡(luò)調(diào)制  3.1 IJF-QPSK和SQORC簡(jiǎn)介及其與FQPSK的關(guān)系  3.2 FQPSK的逐符號(hào)互相關(guān)器映射  3.3 改進(jìn)的FQPSK  3.4 把FQPSK表示為一種網(wǎng)格編碼調(diào)制  3.5 最佳檢測(cè)  3.6 次佳檢測(cè)    3.6.1 逐符號(hào)檢測(cè)    3.6.2 平均誤比特率性能    3.6.3 接收機(jī)的進(jìn)一步簡(jiǎn)化和FQPSK?B的性能  3.7 互相關(guān)網(wǎng)格編碼正交調(diào)制    3.7.1 發(fā)射機(jī)    3.7.2 特例  3.8 其他技術(shù)  參考文獻(xiàn)第4章 包絡(luò)波動(dòng)較大的高帶寬效率調(diào)制  4.1 指定解碼延時(shí)的高帶寬效率TCM——相等信號(hào)能量    4.1.1 基于ISI的發(fā)射機(jī)實(shí)施方案    4.1.2 功率譜密度計(jì)算    4.1.3 優(yōu)化帶寬效率  4.2 指定解碼延遲的高帶寬效率TCM——不等信號(hào)能量  參考文獻(xiàn)第5章 大包絡(luò)波動(dòng)的嚴(yán)格帶限調(diào)制（奈奎斯特信號(hào)）  5.1 二進(jìn)制奈奎斯特信號(hào)  5.2 多電平和正交奈奎斯特信號(hào)  參考文獻(xiàn)第6章 總結(jié)參考文獻(xiàn)縮略語(yǔ)

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本書(shū)的目的是定義、說(shuō)明和展示上述各種高帶寬效率調(diào)制數(shù)字通信系統(tǒng)的性能（功率和帶寬）。除了考慮這些系統(tǒng)的理想性能之外，我們還論及諸如調(diào)制器和相位不平衡、載波不完全同步和發(fā)射機(jī)非線性等實(shí)際發(fā)射機(jī)和接收機(jī)特性條件下的通信系統(tǒng)性能。在這些實(shí)際條件下，如果發(fā)射機(jī)要以高功率效率運(yùn)行，即功率放大器工作在飽和或接近飽和的條件下，就需要采用恒包絡(luò)調(diào)制。這些實(shí)際約束還限制了可以考慮采用的調(diào)制方法的種類，反過(guò)來(lái)也就限制了所能實(shí)現(xiàn)的頻譜占用量和功率效率。

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