非線性功放對(duì)衛(wèi)星通信質(zhì)量的影響分析?

李朝輝 屈曉旭 婁景藝 闞榮才

（1.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）（2.海軍大連艦艇學(xué)院 大連 116000）（3.92896部隊(duì) 大連 116000）

非線性功放對(duì)衛(wèi)星通信質(zhì)量的影響分析?

李朝輝1屈曉旭1婁景藝1闞榮才2，3

（1.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）（2.海軍大連艦艇學(xué)院 大連 116000）（3.92896部隊(duì) 大連 116000）

衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器包含非線性功率放大器，在FDMA網(wǎng)絡(luò)中，單個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器會(huì)承擔(dān)多條鏈路的通信，當(dāng)功率放大器工作于飽和狀態(tài)時(shí)，信號(hào)頻率之間會(huì)產(chǎn)生交調(diào)干擾，當(dāng)落入頻帶內(nèi)時(shí)，會(huì)對(duì)原有的通信鏈路造成干擾，降低信號(hào)的可懂度。針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)發(fā)器的非線性展開(kāi)研究，通過(guò)建立非線性系統(tǒng)模型，分析多載波信號(hào)經(jīng)過(guò)模型后的誤碼率變化。仿真發(fā)現(xiàn)，通信頻帶內(nèi)存在干擾信號(hào)條件下，SNR為11dB時(shí)，誤碼率接近理論值的500倍。最后，在不改變傳輸結(jié)構(gòu)的前提下，給出多路信號(hào)的載波頻率分配建議。

非線性；功放飽和；誤碼率；多載波

1 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星通信的業(yè)務(wù)需求量不斷增加，在FDMA網(wǎng)絡(luò)體制下，單個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器的覆蓋波束內(nèi)存在的衛(wèi)星用戶逐漸增加［1］，同一時(shí)刻轉(zhuǎn)發(fā)器承載多路載波信號(hào)的機(jī)率就會(huì)增加，由于衛(wèi)星處于外太空，攜帶的功率放大器規(guī)格受到限制，所以功率大小有限，當(dāng)信號(hào)數(shù)量多，所需功率較大時(shí)，功放即會(huì)工作于非線性區(qū)域。

針對(duì)上述問(wèn)題，論文建立了信號(hào)的傳輸模型，主要對(duì)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器功放的非線性進(jìn)行研究，并利用Matlab仿真平臺(tái)對(duì)傳輸流程進(jìn)行仿真，采用QPSK調(diào)制［2～3］方式，對(duì)通過(guò)非線性功放后的信號(hào)解調(diào)判定，定量分析非線性帶來(lái)的影響。

2 功率放大器的非線性特性

功率放大器的工作區(qū)間可以分為線性區(qū)和非線性區(qū)［4］，當(dāng)輸入信號(hào)功率較低，功放工作在線性區(qū)時(shí)，信號(hào)的輸入輸出電平成正比例變化，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的基本特性不會(huì)發(fā)生改變；當(dāng)輸入信號(hào)的功率電平過(guò)大時(shí)，功率放大器進(jìn)入飽和狀態(tài)，工作于非線性區(qū)域，信號(hào)的輸入輸出不成正比例變化，出現(xiàn)增益壓縮現(xiàn)象。如圖1所示，輸入信號(hào)幅度增大到一定程度時(shí)，輸出信號(hào)幅度變化緩慢，趨于恒定值，所以在通常情況下，要求輸出信號(hào)幅度不大于圖中所標(biāo)注的1dB壓縮點(diǎn)。

當(dāng)多路信號(hào)通過(guò)非線性功放時(shí)，會(huì)產(chǎn)生交調(diào)干擾，中心頻率為 f1、f2的雙載波混合信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生 f2±f1、2f1±f2、2f2±f1等不同頻率的諧波，當(dāng)諧波落在通信頻帶內(nèi)時(shí)會(huì)對(duì)相應(yīng)頻率的通信信號(hào)產(chǎn)生干擾。在實(shí)際衛(wèi)星通信中，由于轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬資源的限制以及載波的頻率特性，信號(hào)帶寬B與載波頻率 fc滿足B＜＜fc，由此可知產(chǎn)生的交調(diào)干擾頻率滿足式（1）時(shí)才可能落入通信頻帶內(nèi)。

分析雙載波信號(hào)可知，載波之間產(chǎn)生的三次諧波對(duì)通信質(zhì)量的影響最大［5］，而2f1-f2和2f2-f1兩個(gè)諧波易落在通信頻帶內(nèi)，形成干擾，如圖2所示。

3 系統(tǒng)模型

3.1 系統(tǒng)傳輸模型

QPSK具有調(diào)制方式簡(jiǎn)單、抗干擾性強(qiáng)、頻率利用率較高的特點(diǎn)［6］，因此被廣泛用于衛(wèi)星通信的信號(hào)調(diào)制中。而在實(shí)際的信號(hào)調(diào)制傳輸中，模擬信號(hào)一般需要AD轉(zhuǎn)換后形成數(shù)字序列，通過(guò)成型濾波器進(jìn)行中頻調(diào)制形成限帶QPSK信號(hào)，隨后經(jīng)過(guò)上變頻進(jìn)入信道傳輸。由于信號(hào)的頻譜特性不受頻率搬移的影響［7］，故本節(jié)在模擬業(yè)務(wù)信號(hào)的調(diào)制傳輸時(shí)，未添加上變頻和下變頻模塊，而將模型分為隨機(jī)序列發(fā)生模塊，調(diào)制模塊、非線性功放模塊、解調(diào)模塊和判決模塊，為了能夠更加準(zhǔn)確地判斷功率放大器非線性對(duì)信號(hào)誤碼率的影響，與實(shí)際調(diào)制模型相比，具有一定非線性特點(diǎn)的成型濾波器未加入仿真模型，如圖3所示，建立仿真信號(hào)傳輸處理流程圖。

3.2 非線性功放模型

TWTA行波管放大器具有輸出功率大、工作帶寬寬的特點(diǎn)［8，11］，是一種典型的非線性器件［9］，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信領(lǐng)域，現(xiàn)選用saleh模型［10］模擬功率放大器的非線性。

根據(jù)文獻(xiàn)［11］中的數(shù)據(jù)擬合，建立非線性模型如下：

其中g(shù)a(r)代表幅度輸出，r代表輸入。

4 仿真分析

4.1 功率譜仿真分析

現(xiàn)設(shè)定兩路16k語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)器模型，并對(duì)輸出信號(hào)的功率譜分布進(jìn)行分析，設(shè)定轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬為36MHz，如圖4所示。

仿真結(jié)果表明，載波頻率接近的雙路信號(hào)共同經(jīng)過(guò)非線性功放時(shí)，產(chǎn)生三階、五階及七階等不同頻率的諧波，且易落入通信頻帶內(nèi)，其中三階交調(diào)信號(hào)功率幅度最大，而其他階次的交調(diào)干擾對(duì)信號(hào)的影響相對(duì)較小。

4.2 誤碼率仿真分析

實(shí)驗(yàn)使用蒙特卡羅方法進(jìn)行仿真分析，采用6階巴特沃斯低通濾波器。當(dāng)單路信號(hào)經(jīng)過(guò)非線性模型時(shí)，不受其他信號(hào)帶來(lái)的交調(diào)信號(hào)干擾時(shí)，經(jīng)過(guò)解調(diào)濾波后，得到誤碼率變化如圖5所示。

設(shè)定3路16k語(yǔ)音信號(hào)業(yè)務(wù)同時(shí)傳輸，且載波頻率滿足2f1-f2=f3或2f2-f1=f3時(shí)，會(huì)對(duì)中心頻率為 f3的信號(hào)造成巨大干擾，誤碼率變化如圖6所示。

由圖5和圖6可知，在不使用任何編碼糾錯(cuò)方式，信噪比為11dB時(shí)，理論誤碼率為3×10-6，基本滿足正常通信要求，而非線性干擾信號(hào)的誤碼率并沒(méi)有隨信噪比的改變迅速發(fā)生變化，此時(shí)誤碼率為1.5×10-4，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不滿足通信技術(shù)指標(biāo)，由此可得出結(jié)論，當(dāng)多音信號(hào)產(chǎn)生的交調(diào)干擾信號(hào)未落入通信帶寬內(nèi)時(shí)，信號(hào)的傳輸質(zhì)量未有較大的改變，相同信噪比時(shí)，誤碼率僅有微小增加，而當(dāng)交調(diào)干擾存在于通信信號(hào)所占帶寬內(nèi)時(shí)，其對(duì)信號(hào)的影響要遠(yuǎn)大于高斯白噪聲，相同信噪比時(shí)，誤碼率增大，嚴(yán)重降低通信質(zhì)量。

4.3 頻率分配建議

由3.1節(jié)和3.2節(jié)可知，若要避免在多載波條件下通信質(zhì)量下降的問(wèn)題時(shí)，除現(xiàn)有的預(yù)失真、信道均衡［12］的處理方法外，頻率資源分配人員應(yīng)盡量避免載波之間產(chǎn)生的交調(diào)干擾信號(hào)頻率落入通信信號(hào)帶寬內(nèi)的問(wèn)題，當(dāng)信號(hào)內(nèi)含有的載波頻率較多時(shí)，可以功率譜密度大小為分配依據(jù)，將功率譜密度較大的信號(hào)分布于轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬的邊緣，將盡量少的大功率譜密度信號(hào)的交調(diào)信號(hào)落在頻帶內(nèi)，減少帶內(nèi)頻率污染。

以四路載波信號(hào)為例，按照信號(hào)的功率譜密度大小分配載波頻率，密度較大位于邊緣，密度較小位于頻帶中心，與隨機(jī)分配載波頻率相比，頻帶內(nèi)較大的交調(diào)干擾信號(hào)大大減少，對(duì)比頻譜圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可知，當(dāng)信號(hào)按照功率譜密度大小規(guī)則分配載波頻率時(shí)，較大的干擾僅在11M和23M出現(xiàn)兩次，而由圖8可知，在僅考慮保護(hù)間隔的情況下隨機(jī)分配頻率時(shí)，頻帶內(nèi)的交調(diào)干擾信號(hào)會(huì)大大增加，降低了頻帶利用率。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)建立非線性功放模型，模擬在多載波傳輸時(shí)，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的交調(diào)干擾情況，并仿真分析了恒包絡(luò)QPSK信號(hào)受到帶內(nèi)交調(diào)信號(hào)干擾時(shí)的誤碼率變化情況，結(jié)果表明，受到干擾后，信號(hào)的誤碼率會(huì)快速升高，無(wú)法滿足正常通信需要。因此，文中最后提出以功率譜密度為依據(jù)分配載波頻率范圍，為衛(wèi)星頻率資源管理提供一種新的思路。

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Influence Analysis of Nonlinear Power Amplifier on Satellite Communication Quality

LI Chaohui1QU Xiaoxu1LOU Jingyi1KAN Rongcai2
（1.College of Electric Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033）（2.PLA Dalian Naval Academy ，Dalian 116000）（3.No.92896 Troops of PLA，Dalian 116000）

Satellite transponder contains a nonlinear power amplifier，In FDMA network，single transponder always bear many links，when power amplifier saturated ，many intermodulation products among subcarriers，and cause interference to the business links when the intermodulation in communication band，and reduce signal intelligibility.To solve above problems，this paper pursues research in nonlinear of transponder，after setting the nonlinear system model，the change of BER is analyzed.Emulation results show that if there exist intermodulation in communication band，the BER is close to 500 times to the theoretical value when SNR is 11dB.Finally，a advice to the multicarrier frequency allocation is given without changing the transport structure.

nonlinear，saturable power amplifier，BER，multicarrier

TN927

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.11.015

Class Number TN927

2017年5月11日，

2017年6月23日

李朝輝，男，碩士研究生，研究方向：衛(wèi)星通信。屈曉旭，男，博士，副教授，研究方向：數(shù)字信號(hào)處理。婁景藝，女，博士，副教授，研究方向：無(wú)線通信。闞榮才，男，碩士，工程師，研究方向：無(wú)線通信。