數(shù)字信道化技術(shù)中ADC的性能分析

馬麗川，潘亞漢，袁 方，劉 欣

（1.解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院研究生4隊，江蘇南京210007;2.南京電訊技術(shù)研究所，江蘇南京210007;

3.解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院研究生1隊，江蘇南京 210007）

0 引言

當(dāng)今，通信技術(shù)飛速發(fā)展。由于數(shù)字通信具有抗干擾能力強(qiáng)、信道差錯可通過編碼控制、通信設(shè)備易于集成化、易于對信號進(jìn)行加密處理、易于與各種數(shù)字終端實現(xiàn)對接等特點(diǎn)，數(shù)字通信技術(shù)發(fā)展勢頭強(qiáng)勁。在衛(wèi)星通信領(lǐng)域亦是如此，早期的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器基本上都是采用透明轉(zhuǎn)發(fā)器。隨著衛(wèi)星通信技術(shù)軟硬件的不斷發(fā)展更新，星上處理轉(zhuǎn)發(fā)器逐漸得到人們的青睞，尤其在軍事活動中應(yīng)用較為廣泛。作為數(shù)字設(shè)備前端不可缺少的重要器件，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）在衛(wèi)星有效載荷的應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它將中頻模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蛇M(jìn)行各種處理的數(shù)字信號。在某種程度上說，ADC的性能好壞直接影響著星上處理轉(zhuǎn)發(fā)器性能的發(fā)揮。因此，研究ADC對多路數(shù)字已調(diào)信號性能的影響具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

1 信道化技術(shù)

信道化，簡單地說，是指通過指定信道對通信實施管理的過程，進(jìn)而可以指采用多信道傳輸數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)［1］。信道化技術(shù)可以將同時輸入的不同頻率信號分開，在不同的信道內(nèi)處理，以達(dá)到同時處理多個信號的目的。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，數(shù)字信道化技術(shù)是一種運(yùn)用數(shù)字信號處理方法實現(xiàn)對多路信號靈活處理交換的技術(shù)，該技術(shù)可以在傳統(tǒng)透明轉(zhuǎn)發(fā)器下用模擬濾波器和中頻交換矩陣實現(xiàn)對信號的處理交換，它融合了透明轉(zhuǎn)發(fā)器和處理轉(zhuǎn)發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)，是一種新型的星上信號處理技術(shù)。

衛(wèi)星通信中的數(shù)字信道化技術(shù)大致可分為三個步驟:第一，模擬信號和數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）;第二，信號的解復(fù)用和復(fù)用;第三，星上處理，包括數(shù)字子信號的處理和交換等過程。模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換是數(shù)字信號處理的前提，也是信道化技術(shù)發(fā)展必須解決的首要問題。實現(xiàn)數(shù)字信道化的方法很多，綜合起來有以下幾種［2］:解析信號法、多相/離散傅里葉變換（PDFT）法、頻域濾波（FFT濾波）法、樹型濾波器組（多相濾波器）法等。實現(xiàn)數(shù)字信道化技術(shù)的星上設(shè)備稱之為數(shù)字信道器，如圖1所示。其中LNA表示低噪聲放大器，HPA表示高功率放大器，DC表示下變頻器，UC表示上變頻器，ADC表示模數(shù)轉(zhuǎn)換器，DAC表示數(shù)模轉(zhuǎn)換器，MCD表示多路信號分離器，MCM表示多路復(fù)用器，OBP表示星上處理。

2 數(shù)字信道化器中ADC的性能分析

2.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），是實現(xiàn)將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為時間離散、幅度離散的數(shù)字信號的器件。ADC在軟件無線電、數(shù)據(jù)的監(jiān)控采樣等方面應(yīng)用十分廣泛，發(fā)揮著重要的作用。一般的ADC包括四個主要部分:（1）防混疊濾波器:用于濾除可通過采樣而混疊進(jìn)入信號帶寬內(nèi)的其它信號和干擾;（2）采樣保持器:在數(shù)字化期間，保持輸入信號不變;（3）量化編碼器:在采樣保持的基礎(chǔ)上，將模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓;（4）數(shù)字緩存器:對待輸出信號進(jìn)行緩存并輸出信號，減輕后續(xù)器件的處理能力。ADC的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。ADC與接收機(jī)有關(guān)的重要參數(shù)還包括:量化比特位數(shù)、量化噪聲、最大采樣頻率、最大輸入功率和滿量程輸入范圍等。

圖1 星上有效載荷信號處理簡化框圖

圖2 ADC的基本結(jié)構(gòu)

星上數(shù)字信道化技術(shù)具有極大的靈活性和較高的通信容量，這一切都要?dú)w功于所有的處理過程都是在數(shù)字域進(jìn)行的。數(shù)字信道化器前端的ADC將接收到的中頻模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。因此，數(shù)字信道化器前端的ADC對于整個數(shù)字信道化器功能的實現(xiàn)和性能的發(fā)揮具有重要作用。衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，上行鏈路的射頻信號下變頻為中頻信號后進(jìn)入ADC，ADC輸出的數(shù)字信號用于信道化、交換等后續(xù)處理。為了防止采樣后頻譜混疊，無失真地重構(gòu)原信號，ADC的采樣速率至少是接收信號帶寬的兩倍。這就要求ADC滿足高速、高精度和大的線性范圍的要求。其次，ADC的非均勻量化產(chǎn)生的量化噪聲也會引起信號失真;并且，當(dāng)輸入信號是一系列數(shù)字已調(diào)信號時，ADC可能產(chǎn)生寄生信號;當(dāng)輸入信號的瞬時幅值超過量化器的最大線性范圍時，會出現(xiàn)信號剪切效應(yīng)。通過功率控制，理論上可以控制輸入信號的功率使其不超過量化器的最大線性范圍，但是實際信號具有隨機(jī)性以及夾雜著隨機(jī)干擾信號，使得量化器的剪切效應(yīng)不可避免。因此，ADC的性能直接影響著后續(xù)信道化處理，也是實現(xiàn)數(shù)字信道化的重要制約因素之一。

2.2 ADC對數(shù)字已調(diào)信號的影響

ADC將中頻模擬信號數(shù)字化后，在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)信道化、交換等各種處理功能。一方面，在數(shù)字域?qū)π盘栠M(jìn)行的處理、交換，可以采用大量集成度高的數(shù)字設(shè)備，減輕衛(wèi)星有效載荷的重量，使其運(yùn)行更加靈活、高效;另一方面，這種系統(tǒng)也會產(chǎn)生寄生信號，寄生信號可能來自ADC、頻率綜合器和數(shù)字信號處理器部分的其它子系統(tǒng)。寄生信號的存在會嚴(yán)重惡化通信系統(tǒng)的性能。另外，ADC本身固有的特性也會不可避免的產(chǎn)生量化噪聲。文獻(xiàn)［3］對此做了詳細(xì)的分析。

寬帶全球衛(wèi)星系統(tǒng)（WGS）是美軍新一代的寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)，其星載有效載荷上采用了許多先進(jìn)技術(shù)，其中就包括星上數(shù)字信道化技術(shù)。WGS衛(wèi)星上的數(shù)字信道器將4.875 GHz的瞬時可交換帶寬劃分為39個獨(dú)立的信道，每個信道125 MHz，此信道又可劃分為48個2.6 MHz的子信道，從而形成1 872個帶寬為2.6 MHz的子信道。每個獨(dú)立子信道的帶寬可以從2.6 MHz等帶寬地擴(kuò)展到125 MHz［4］。WGS數(shù)字信道化有效載荷與傳統(tǒng)的透明轉(zhuǎn)發(fā)器不同:傳統(tǒng)透明轉(zhuǎn)發(fā)器僅僅對上行信號進(jìn)行濾波、變頻和放大，并不對信號進(jìn)行處理交換等過程。數(shù)字信道化有效載荷與再生式處理轉(zhuǎn)發(fā)器也不相同:再生式轉(zhuǎn)發(fā)器要對信號進(jìn)行解碼、解調(diào)處理，恢復(fù)出原始信號流，轉(zhuǎn)發(fā)器對其進(jìn)行一定處理后，重新編碼、調(diào)制、放大后送入下行信號。而WGS數(shù)字信道化有效載荷在數(shù)字域內(nèi)對信號進(jìn)行處理，交換前后并不對信號進(jìn)行編譯碼和解調(diào)調(diào)制，實現(xiàn)方式更加靈活，是一種新型的透明數(shù)字彎管轉(zhuǎn)發(fā)器［5］。

假設(shè)ADC的輸入信號為N路數(shù)字已調(diào)信號之和，仿真分析中采用的調(diào)制方式為正交相移鍵控QPSK，在沒有干擾和噪聲的情況下，ADC的輸入信號可表示為:

其中，Ai表示調(diào)制載波的幅度，fi表示調(diào)制載波的頻率，θid表示第i個信號的數(shù)據(jù)相位調(diào)制，φi表示調(diào)制載波的初相位，θid=（2n+1）π/4，n=0，1，2，3。

根據(jù)圖1的信道模型，利用MATLAB 7.4.0軟件仿真了多路相同帶寬、相同功率的QPSK信號通過不同量化位數(shù)的ADC后的比特誤碼率性能，6路信號仿真參數(shù)設(shè)置如下:載波的頻率分別取 200 Hz、500 Hz、800 Hz、1 100 Hz、1 400 Hz、1 700 Hz，載波的幅度為1，信號帶寬為200 Hz，信號保護(hù)間隔為100 Hz;圖3繪出了6路信號的頻譜圖。

圖3 6路QPSK信號的功率譜密度

假定ADC的最大線性范圍為第一路信號幅度的最小值和最大值，即［S1min，S1max］。那么 ADC對于第一路QPSK信號來說是最佳的均勻量化。然而，隨著ADC量化比特位數(shù)的變化，第一路QPSK信號解調(diào)后比特誤碼率性能會受到影響。出現(xiàn)這種情況的主要原因是:雖然輸入信號始終都在ADC的滿量程輸入范圍內(nèi)，但是隨著ADC量化比特位數(shù)N的減小，ADC的N比特2N階量化電平數(shù)不足以對輸入信號進(jìn)行精確地量化，導(dǎo)致輸入信號的量化誤差逐漸增大，接收端解調(diào)后的錯誤比特數(shù)增加。圖4仿真了不同量化比特位數(shù)時，對第一路信號解調(diào)性能的影響。

圖4 不同量化比特下性能曲線

由通信課程的學(xué)習(xí)我們知道，隨著ADC量化比特位數(shù)N的增大，接收端解調(diào)后的錯誤比特數(shù)應(yīng)該逐漸減少，比特誤碼率逐漸下降。仿真圖表明:理論分析與仿真基本吻合，并且當(dāng)ADC量化比特位數(shù)N大于等于6的時候，仿真的比特誤碼率曲線逼近理論曲線。當(dāng)Eb/No=10 dB，ADC的量化位數(shù)N大于等于4時，比特誤碼率小于10-5。為了進(jìn)一步研究ADC量化比特位數(shù)N對輸入數(shù)字已調(diào)信號性能的影響，圖5繪出了ADC量化比特位數(shù)N與比特誤碼率之間的關(guān)系。理論上講，仿真中隨著ADC量化比特位數(shù)N不斷增大，仿真曲線應(yīng)該與理論曲線重合，實際仿真中發(fā)現(xiàn)，仿真的曲線總會和理論曲線有一定的距離。其原因可能是因為ADC固有的量化誤差所引起的。

圖5 不同量化位數(shù)的比特誤碼率

3 結(jié)束語

文章以美軍WGS衛(wèi)星上數(shù)字信道器的基本原理為背景，仿真了星上數(shù)字信道化器信號解調(diào)后比特誤碼率性能，分析了數(shù)字信道器前端的重要部件——ADC對傳輸帶寬內(nèi)多路數(shù)字已調(diào)信號之間的影響，提出了初步的結(jié)論。

［1］向新，張發(fā)啟，王興華，等.軟件無線電原理與技術(shù)［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2008:150-163.

［2］R.Kumar，Tien M.Nguyen，Charles C.Wang，et al.Signal Processing Techniques for Wideband Communications Systems［J］.Military Communications Conference Proceedings，1999（1）:452-457.

［3］R.Kumar，D.Taggart，G.Goo.Performance Analysis of Analog-to-Digital Converters for Wideband Digitally Modulated Signals［C］.2004 IEEE Aerospace Conference Proceedings，2004:1375-1382.

［4］R.Kumar，D.Taggart，R.Monzingo，et al.Wideband Gapfiller Satellite（WGS）System［C］.Aerospace Conference，2005，IEEE.5-12 March 2005.

［5］Jaafar Cherkaoui，Vladimir Glavac.Signal Frequency Channelizer/Synthesizer［C］.SPSC，2008.