研究现状

数字相位调制又称为相移键控(Phase Shift Keying, PSK)，是一种十分重要的调制技术。PSK 是一种用载波相位来表示信号的调制技术，PSK 是根据数字基带信号的电平使载波相位在不同的数值之间切换的一种调制方法。PSK 是一类性能优良的调制方式，在中、高速数据传输中得到了广泛的应用。

随着卫星通信及无线通信技术的发展，调制信号类型不仅仅局限于相移键控(PSK)调制中的BPSK、QPSK 和OQPSK 等常用信号，衍生出的非平衡四相键控(UQPSK)调制信号近些年也得到了广泛应用，UQPSK 独立的对两条支路分配功率，同相和正交支路灵活传输不同速率的信息，现在主要用于卫星数字通信或无人机领域，例如中继卫星(TDRSS)，全球定位系统(GPS) 以及我国自主研发的北斗卫星系统。

国外研究现状

对于UQPSK 技术的研究，国外开展的较早。1981 年，Marvin K. Simon 教授在Braun 和Lindsey 等人研究的基础上，进行了对于任意数据形式的UQPSK 信号的Costas 环跟踪性能研究，1990 年P. Bricker 等人讨论了用于TDRSS 的UQPSK 集成接收机的设计问题，给出了设计顶层架构并描述了接收机主要功能模块的实现设计。TDRSS 是跟踪和数据中继卫星，1983 年美国发射了第一颗中继卫星，开启了中继卫星新时代。1999 年，John B. Bodie 和Douglas A. Hill 等人研究了UQPSK 直接序列扩频信号的载波检测问题，对相关理论进行了分析，目前国外对这些技术研究早已成熟，近几年的相关论文研究较少，主要集中在各种调制方式的自适应方面。

国内研究现状

国内开始研究UQPSK 技术相对晚了许多年，我国第一代北斗卫星系统于2003 年正式开通，目前该系统发展日趋完善。2000 年，王海波等人研究了UQPSK 解调方式下的扩频码的捕获性能，主要是在中继卫星的应用背景下，研究使扩频码的捕获时间尽可能小，取得一定的研究成果。2004 年，王诺等人针对TDRSS 的S 波段前向链路采用的UQPSK 直接序列扩频调制，提出载波恢复方案，并进行FPGA 实现证明了算法的有效性。2008 年，徐海源等人对UQPSK 直接序列扩频信号在卫星通信应用中进行研究，对信号的检测和性能进行了分析，并进行了计算机仿真，取得了一定研究成果。2018 年

XinYuan Xia 等人研究了一种用于UQPSK 信号的改进的数字载波同步方法，主要依赖UQPSK 信号星座特征和判决反馈环路原理，进行载波恢复，可以在低信噪比条件下快速收敛，通过仿真性能与理论值相似整个系统也比较稳定。

由此看来，国内虽然对UQPSK 直接序列扩频技术的研究起步较晚，但目前为止也已经发展比较成熟，已应用到卫星导航等领域，但是目前对UQPSK 具体设计及实现的已公开相关论文少之又少。

基本原理

要想理解UQPSK 的基本原理，首先需要了解它的前辈：BPSK、DPSK、QPSK 等调制技术。

BPSK

相移键控通常可以分为绝对相移键控和相对相移键控两种方式。绝对相移键控利用载波的不同相位直接表示数字信息；相对相移键控则利用载波的相对数字相位表示数字信息，即利用前后码元载波相位的相对变化来表示数字信息。

BPSK 信号的数学公式可以表示为：



其中


为+1 或-1 的概率分别为p,1−p;g(t) 为单个矩形脉冲，脉宽为Ts；ωc 为载波频率。

在BPSK 中，载波的0° 相位代表数字0，180° 相位代表数字1。由于PSK 是用载波的绝对相位来调制信号，在信号传输及解调过程中，容易出现相位翻转现象，因此在解调端无法准确判断原始信号。

DQPSK

DPSK(Differential PSK) 为了克服PSK 的相位模糊问题而产生的一种调制手段。DPSK 是根据前后信号之间的相位差来判断信号的，即在解调端发生相位翻转，由于信号之间的相对相位差不会发生改变，因此可以有效解决相位翻转问题。

QPSK

QPSK(Quaternary Phase Shift Keying) 信号的数学公式可以表示为


可以看作是两路正交的BPSK 信号相叠加。这两路正交的BPSK 信号幅度相同，功率相当，码元同步。

UQPSK

UQPSK 信号即非均衡的QPSK 信号，它与QPSK 信号的区别在于正交的两路信号幅度不等，功率不同。数学公式可以表示为：



其中，0 < α < 1 称为均衡因子，表征正交的两路幅度。当均衡因子α 为0.5 时，说明I 路和Q 路信号幅度相同，UQPSK 信号即QPSK 信号，二者无差异；当均衡因子为0或1 时，表示I 路和Q 路中有一路信号为0，UQPSK 信号即BPSK 信号。



综上，BPSK 信号是基础，QPSK 信号是两路正交的BPSK 相互叠加，UQPSK 可以看做是QPSK 信号的改进型。

调制实现

QPSK 调制

QPSK 信号的产生有两种方法。

正交调相法

第一种产生方法是相乘电路，如图3.1所示。图中输入基带信号s(t) 是二进制不归零双极性码元，它被“串/并变换”电路变成两路码元a 和b。变成并行码元a 和b 后，其每个码元的持续时间是输入码元的二倍，图如3.2所示。这两路并行码元序列分别用以和两路正交载波相乘。

相位选择法

第二种产生方法是相位选择法，其原理如图3.3所示。这时输入基带信号经过串/并变换后用于控制一个相位选择电路，按照当时的输入双比特ab，决定选择哪个相位的载波输出。

QPSK 解调

QPSK 信号的解调原理如图3.4所示。由于QPSK 信号可以看作是两个正交2PSK信号的叠加，所以可以用两路正交的相干载波去解调，可以很容易的分离这两路正交的2PSK 信号。相干解调后的两路并行码元a 和b，经过并/串变换后，成为串行数据输出。

UQPSK 调制

非平衡QPSK(UQPSK) 信号是目前应用在无人机数据链和数字卫星中非常广泛的一种调制方式，它的两条支路是正交的，可以看作两路独立的BPSK 信号，可以分别使用不同的扩频序列，不同的码速率。其基本原理框图如图2-1 所示，基本组成模块由发射本振模块、模2 加法器和带通滤波器组成，扩频码通过模2 加法器扩频信息源数据，发射本振模块产生本地振荡频率用于调制两路扩频后的信号，功率分配器可使得两路信号的功率不同，便于适应于实际需要，根据实际需求配比两路的功率分配系数，最后通过带通滤波器滤除带外能量，提升信道利用率，便于在信道中传输，这样就形成了UQPSK 调制信号。



UQPSK 调制一般数学模型如下表达式：

其中，P1、P2 分别是同相之路和正交支路的信号功率，d1 (t)、d2 (t) 分别是两路的数据信息，c1 (t)、c2 (t) 分别是扩频码，它们可根据实际需求进行设定，可以互不相关，一般情况下ω0 是射频频率，其频率较高。

在卫星或无人机遥控遥测应用中，一般将两路扩频码设置为长码和短码，长码用于测距，而短码用于传输遥感或图像数据，故一般长码支路有较大的扩频增益，其对应的数据速率也较低适合传输测距信息、指令信息等信息量较小的传输业务，短码对应的支路数据速率较大可以传输遥感信息、图像信息等较大数据量业务，但其扩频增益较小，该支路在不选择扩频时，甚至没有扩频增益，因此为了提高该路的通信距离，一般可将该路的功率设置稍高一些，这样就形成了非平衡QPSK 调制信号。

UQPSK 解调

对于UQPSK 信号的解调，一般先将接收信号下变频到中频，再进行扩频码的同步，最后过中频滤波器将带外噪声去除，得到一定的扩频增益，之后就变成了一般的BPSK解调。其一般原理框图如图3.6所示。



从图3.6可见先对接收信号进行扩频码的同步，去除两路的伪噪声码得到中频信号如下所示：



从上式可以看出，在扩频码取得同步之后，I(t) 中的第二项和Q(t) 中的第一项是宽频信号，大部分能量会被后续第二个中频滤波器滤除，其实扩频增益也是该中频滤波器把扩频后的噪声能量滤除得到的，即有用信号能量基本完全通过了滤波器，而噪声能量先被频谱展宽又被滤波器滤除了大部分能量。PN 码越长第二个中频滤波器的带宽就越小，噪声或不相关的信号通过的能量也越小，后续BPSK 解调器获得的扩频增益也越大。扩频码取得同步后，就可以后续接着进行BPSK 解调了，一般的BPSK 解调的方法有很多种，相干解调方法可以用平方环法、判决反馈环法、Costas 环法等进行载波的跟踪，再进行相干解调，非相干解调方法有差分解调方法，虽然该方法不需要获得载波信息，是一种简单的非相干解调方法，但是它的抗噪声性能不够好，明显不如相干解调方式的抗噪声性能。

技术优点

在恒参信道中，与振幅键控、频移键控相比，相移键控不仅具有较高的抗噪声性能，而且还能有效利用频带，即使在有衰落和多径现象的信道中也有较好的性能。UQPSK技术具有灵活和信道利用率高等特点，UQPSK 通信系统具有两路独立通信的能力，可以根据需要使两路分别扩频或者不扩频，扩频支路抗干扰能力强，速率较低，非扩频支路速率较高。

技术局限性

UQPSK 解调器的设计难点在于扩频码的同步技术，以及BPSK 解调器相干载波的获取和位同步技术。