高帶寬效率數(shù)字調制及其在深空通信中的應用

　　在傳輸遙測、遙控數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)調制方法中，各空間機構通常采用多副載波用來分離不同類型數(shù)據(jù)并確保射頻（RF）載波和被調制數(shù)據(jù)的頻譜互相不重疊。但是，副載波調制存在很多缺點，如使得飛行器更加復雜，調制/解調過程中存在額外損耗。另外，從本書的觀點來看，最重要的一點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任務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），帶寬占用并不構成任何問題。因此，當時并沒有設法限制帶寬占用。然而，隨著任務日益復雜，射頻頻譜變得越來越擁擠，數(shù)據(jù)速率不斷增長，因而所需的副載波頻率（或者說占用帶寬）也相應地增加，與此同時還更易受到不同飛行器的干擾。甚至有觀點認為基于副載波的調制方法已不再可用。幸運的是，在這一時期已經(jīng)研究出多種改進的高帶寬效率調制方法。這些方法直接對載波進行調制，并配合改進的數(shù)據(jù)格式編排（如分包傳送幀遙測），從而在不需要副載波的情況下，解決了多信道分離問題。將分包遙測格式和任意一種直接調制方法結合，并對后者加上頻譜脈沖整形，就能以相對較小的帶寬傳送高數(shù)據(jù)速率信息。本書的目的是定義、說明和展示上述各種高帶寬效率調制數(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，我們還論及諸如調制器和相位不平衡、載波不完全同步和發(fā)射機非線性等實際發(fā)射機和接收機特性條件下的通信系統(tǒng)性能。在這些實際條件下，如果發(fā)射機要以高功率效率運行，即功率放大器工作在飽和或接近飽和的條件下，就需要采用恒包絡調制。這些實際約束還限制了可以考慮采用的調制方法的種類，反過來也就限制了所能實現(xiàn)的頻譜占用量和功率效率。如果放寬恒包絡的條件（這樣發(fā)射機線性增加，但其功率放大器效率下降） ，那么對功率和帶寬效率的限制將放寬到奈奎斯特型信號的極限，該信號理論上是嚴格帶限的，并能達到最高功率效率。由于調制的包絡（更準確地說是瞬時振幅）波動與可達到的功率和帶寬效率之間固有的折中關系，我們在寫作本書時選擇能夠清晰反映該問題的方式。具體來說，我們首先討論嚴格的恒包絡調制，然后逐步考慮包絡波動越來越大的調制，最后討論包絡為嚴格帶限（奈奎斯特型）的信號調制。順著該思路，我們分析了一些在近些年獲得相當多好評的準恒包絡調制方法，這些方法可使上述功率和帶寬之間的折中取得一個較好的平衡。最后，應該指出的是，盡管本書竭力涵蓋在本領域已發(fā)表的大部分文獻，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并不是一份包括一切關于高帶寬效率調制的論文集，旨在集錦眾多NASA資助下的深空通信系統(tǒng)有關任務中的許多技術成就。我們希望本書除了具有知識性之外，還能為未來的工程師帶來靈感，以繼續(xù)完成這項由JPL創(chuàng)始的偉大事業(yè) 。

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