DRSS 系統(tǒng)中4+12-APSK信號的應(yīng)用研究

常海濱

DRSS 系統(tǒng)中4+12-APSK信號的應(yīng)用研究

常海濱

APSK是一種非常適合于衛(wèi)星信道的調(diào)制方式，它具有較高的功率有效性和頻帶利用率。在相同功率的情況下具有最大的歐氏距離和高的功率利用率。針對DRSS非線性信道的特性，對16PSK信號、矩形16QAM信號、星型16QAM信號和4+12-APSK信號做出了分析和比較。并仿真比較了幾種信號在DRSS非線性信道中的星座圖、功率譜和比特誤碼率并得出結(jié)論。證明了4+12-APSK調(diào)制信號在DRSS系統(tǒng)中是一種高效的高階調(diào)制方式。

APSK信號；DRSS信道；非線性；仿真

0 引言

隨著DRSS系統(tǒng)業(yè)務(wù)的增加和系統(tǒng)容量的擴展，頻譜帶寬資源趨于緊張，使用代價也越來越大。為提高頻帶效益，在信號傳輸中可考慮采用幅度與相位結(jié)合的高階調(diào)制方式。從傳統(tǒng)的QPSK升級到8PSK，提高了頻帶利用率，但其代價是以更高的功率來維持原有的誤碼性能。高階正交振幅調(diào)制QAM 是可以提高頻率利用率，且在相同進制、相同平均發(fā)射功率條件下，QAM 比PSK的誤碼率更低[1]。但是，這類高階調(diào)制方式在衛(wèi)星信道的應(yīng)用中，因信號具有多個幅度，通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器時，功率效益不高，且存在著對飽和狀態(tài)放大器引起的非線性失真非常敏感的問題。研究表明，在衛(wèi)星非線性信道中，16QAM 并不比16PSK系統(tǒng)好[2,3]，且QAM 星座結(jié)構(gòu)往往不適合衛(wèi)星信道傳輸，如以等邊三角形為基本格狀的星座結(jié)構(gòu)，很難滿足衛(wèi)星傳輸中包絡(luò)恒定的要求[4,5]。

APSK是一種利用載波幅度和相位同時承載信息的混合調(diào)制方式，在同進制和相同誤碼率下，APSK所需功率要比PSK小[6-7]。特別是在設(shè)計適合衛(wèi)星信道的調(diào)制星座時,要求頻譜利用率高，盡量減少信號幅度的起伏，這樣星座形狀呈圓形、圓周個數(shù)少的APSK成為極具潛力的一種調(diào)制方式。

1 16APSK調(diào)制信號

APSK的星座圖由K個同心圓組成，每個圓上有等間隔的PSK信號點，根據(jù)等效低通原理，每個點都是復值，其信號集為公式（1）：

rk為第K個圓周的半徑，nk為第K個圓周的信號點數(shù)，lk為第K個圓周上的一個點，ik=0,L,nk-1，Qk為第K個圓周上信號點的相位。為了充分利用星座圖上的信號空間，應(yīng)滿足nk

16APSK有多種星座圖，其中最典型的有4+12-APSK和6+10-APSK，本文所選用的16APSK是4+12-APSK，其星座圖，如圖1所示：

圖1 4+1216APSK星座圖

2. DRSS信道模型

研究DRSS URE鏈路的非線性問題就是研究中繼星的非線性問題。DRSS系統(tǒng)中成形濾波和輸入濾波都采用平方根升余弦濾波器，雖然成形濾波器在調(diào)制信號帶寬的同時，在波形信號中引入線性ISI，在AWGN信道下，經(jīng)接收端的匹配濾波，該ISI得到補償，平方根升余弦成形濾波＋平方根升余弦匹配濾波＝升余弦濾波，滿足奈奎斯特準無ISI則，匹配濾波在抑制信道噪聲的同時，起著信道均衡器的作用[8]，如圖2所示：

圖2 DRSS信道的理想模型

本文選用的DRSS信道模型為Volterra－Wiener模型[9-10]，如圖3所示：

圖3 擴展Volterra－Wiener模型缺少

將不同階數(shù)的原始信號通過并行濾波器組的輸出結(jié)果進行相加后，輸入到Volterra模型。此模型通過一組簡單的線性濾波器，對信號的非線性與記憶深度分別進行了加強，然后，再通過通用Volterra非線性模型，可以適用于任意非線性系統(tǒng)。

3．DRSS系統(tǒng)中的16位調(diào)制

在最小歐氏距離都為2a時4種信號所需的平均發(fā)射功率如表1所示：

表1 平均發(fā)射功率表

即在信號的發(fā)射功率一定時4種信號的最小歐氏距離16PSK< 星型16QAM<矩型16QAM<16APSK。

對于DRSS信道HPA進行非線性傳輸情況下，16APSK比16QAM要好，因為16APSK有更多的信號點處于外圓上，從而進一步提高了HPA的直流轉(zhuǎn)化效率。對于HPA來說，最好能減小內(nèi)圓信號點數(shù)，因為小圓信號點通過HPA是以低功率傳送的，降低HPA直流功率轉(zhuǎn)化效率，而HPA的直流轉(zhuǎn)化效率在達到飽和點前是輸入功率的單調(diào)函數(shù)。

在DRSS系統(tǒng)中為了帶限，必須對信號進行成形濾波處理，經(jīng)過成形濾波后的信號幅度為非恒定的，非恒幅信號通過DRSS非線性信道后幅度和相位會隨著幅度的變化而發(fā)生非線性變化，此變化對系統(tǒng)的性能有很大的影響。

4. 仿真分析

理想的放大器對輸入信號的增益是個常數(shù)，而實際上并非如此。放大器都有最大的輸出功率，當輸出功率達到最大后，隨著輸入信號幅度的增加，其增益會降低，由此引入AM/AM失真[11]。AM/PM失真使放大器的輸入輸出信號的相位發(fā)生變化，AM/PM失真使信號星座點發(fā)生了歪斜，歪斜程度取決于輸入信號的幅度。幅度越大，失真越厲害。

為了檢測各種調(diào)制樣式對DRSS信道的敏感度，我們在輸入信號能量相同的條件下，對16PSK、矩型16QAM、星型16QAM、16APSK經(jīng)過功率放大器后的性能使用MATLAB軟件進行了仿真。

（1）調(diào)制信號通過DRSS信道的星座圖

調(diào)制信號經(jīng)過DRSS信道后會產(chǎn)生星座點的發(fā)散和相位的偏轉(zhuǎn)，如圖4所示：

圖4調(diào)制信號經(jīng)過DRSS信道前后的星座圖

圖4是16PSK信號、矩型16QAM信號、星型16QAM信號、16APSK信號通過DRSS信道后的仿真星座圖，圖中星座點為信號通過匹配濾波器抽樣后的信號值，與上面的推導結(jié)果相符。仿真所采用的信道模型如圖5所示：

圖5 調(diào)制信號經(jīng)DRSS信道前后的功率普

參數(shù)定義如下：成型濾波器和匹配濾波器都采用具有平方根升余弦滾降特性的系數(shù)取0.6,濾波器每符號取個4采樣點，抽頭數(shù)N＝25，即截取峰值點前后各3個符號，輸出功率為80W；衛(wèi)星發(fā)射天線和地面接收天線的增益分別為31dB和46.7dB；自由空間路徑損耗為－205.4dB。從圖4中可看到,調(diào)制信號星座點發(fā)散，這是由于成形濾波與HPA的記憶效應(yīng)帶來的碼間干擾，其結(jié)果是導致系統(tǒng)的信噪比降低。

（2）調(diào)制信號通過DRSS信道后的功率普密度

信號通過非線性HPA后會發(fā)生頻譜再生現(xiàn)象，且非線性有記憶效應(yīng)時載波兩邊的頻譜會發(fā)生不平衡現(xiàn)象。下面仿真DRSS信道的非線性對調(diào)制信號的PSD（功率譜密度）影響。

圖5為16PSK信號在非線性條件下的功率譜密度仿真示意圖。圖中縱坐標為歸一化功率譜密度,單位dB，橫坐標為歸一化頻率。仿真參數(shù)定義如下功率譜密度采用周期圖估計法，加窗其余各參數(shù)的定義同上。

從圖5可看出，調(diào)制信號通過非線性HPA后功率譜發(fā)生了擴展，且載波兩邊不平衡。這是由于DRSS信道的非線性引起的頻率交調(diào)互調(diào)失真導致的，且此失真與頻率有關(guān)，其結(jié)果是降低了系統(tǒng)的頻帶利用率。

（3）16PSK通過HPA后的誤比特率性能

調(diào)制信號在通過DRSS非線性信道后的誤比特率性能曲線如圖6所示：

圖6 調(diào)制信號經(jīng)DRSS信道前后的比特誤碼率曲線

仿真模仿真參數(shù)同圖4。

由圖6可以看出在DRSS非線性信道，調(diào)制信號的誤碼性能急劇下降，與線性條件下的結(jié)果完全不一樣了。這是由于HPA非線性的AM/AM轉(zhuǎn)換和AM/PM轉(zhuǎn)換改變了調(diào)制信號星座圖的最小歐氏距離，這一點在上述的分析中也可明顯看出,且仿真曲線與分析的結(jié)果基本吻合。

5 總結(jié)

由以上的分析和仿真可知：

（1） DRSS系統(tǒng)中相同位數(shù)的調(diào)制QAM信號優(yōu)于PSK信號，APSK信號又優(yōu)于QAM信號。

（2）在DRSS系統(tǒng)中16位調(diào)制信號抗非線性性能16PSK< 星型16QAM<矩型16QAM<16APSK。

（3）16APSK調(diào)制信號應(yīng)用在DRSS系統(tǒng)中，有利于充分利用中繼衛(wèi)星的發(fā)射功率，節(jié)約資源。

（4）在DRSS非線性信道中4+12-APSK信號誤碼性能最好，抗非線性也最好。

由以上的分析和仿真比較可知4+12-APSK調(diào)制信號是一種可以應(yīng)用在DRSS系統(tǒng)中高效的高階調(diào)制方式。

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TP311

A

2015.03.09）

1007-757X(2015)07-0038-03

常海濱（1981-），男，西安人，陜西學前師范學院，實驗室與設(shè)備管理處，講師，碩士，研究方向：衛(wèi)星通信理論及應(yīng)用，西安，102072