基于Saleh模型的DRSS信道建模與仿真

摘 要:對DRSS信道URE鏈路進行建模仿真，采用Saleh模型描述DRSS信道URE鏈路中HPA的非線性特性。通過仿真8PSK、方型16QAM、星型16QAM調制信號并經過DRSS URE非線性信道后的非線性ISI特性、頻率特性、星座圖和誤碼特性，分析了信道非線性特性對通信系統性能的影響。

關鍵詞:DRSS信道; HPA; 非線性; 建模

中圖分類號:TN927 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)11-0035-03

Modeling and Simulation of DRSS Channel Based on Saleh Model

JING Jian， ZHU Jiang， WANG Li-song

(School of Electronic Science and Engineering， National University of Defense Technology， Changsha 410073， China)

Abstract: The modeling and simulation on URE link of DRSS channel are conducted. The nonlinear characteristics of HPA in URE link of DRSS channel are described by means of Saleh model. The effect of the channel nonlinear characteristic on the performance of the communication systems is analyzed by simulating the nonlinear ISI characteristic， frequency characteristics， star maps and bit error characteristic of 8PSK， 16PSK and 16QAM modulated signals passing through DRSS URE nonlinear channel.

Keywords: DRSS channel; HPA; nonlinearity characteristic; modeling

0 引 言

數據中繼衛星系統(DRSS)是航天通信技術領域的重大突破。其“天基”設計思想，即利用與地球同步的中繼衛星在中低軌飛行器和地面站之間建立一條全天候、實時的高速通信鏈路，為中低軌飛行器提供高覆蓋率的數據中繼，可以大大提高空間信息獲取的實時性和效率[1]。

DRSS系統中大量的數據傳輸是由用戶星到地面站的，所以研究DRSS信道模型主要是研究DRSS URE鏈路。DRSS URE鏈路是指用戶星-中繼星-地面站鏈路，簡稱URE鏈路。

在DRSS系統中，中繼衛星位于地球的同步軌道，地面站也是固定位置的，信道的多徑效應不明顯，ISI主要來源于信道的有記憶非線性，表現為非線性ISI[2]。DRSS URE 鏈路中對系統性能影響最大的是HPA的有記憶非線性[3-4]。在DRSS系統中用戶星和中繼星同時存在HPA，克服HPA非線性的最好辦法是在HPA前進行信號的預均衡[5-6]。由于中繼星采取透明轉發的數據中繼方式，中繼星的HPA無法采用預均衡技術。因此，本文主要研究在中繼星HPA非線性特性對通信系統性能的影響。

1 HPA非線性模型

假設用戶星的HPA已經采用預失真技術，已經理想線性化[7-8]，成形濾波、匹配濾波器是理想的[9]。此時DRSS信道的非線性建模問題可以簡化為中繼星HPA的非線性建模問題，則中繼星轉發系統的簡化模型如圖1所示[9]。

圖1 中繼星轉發系統簡化模型

在無線通信系統工作的頻帶內，如果HPA的頻率響應特性是平坦的，則稱HPA的非線性是頻率無關的，當載波頻率遠大于調制信號的帶寬時，可以近似認為HPA的非線性是頻率無關的[10]。HPA的非線性主要是由幅度引起的，描述為:幅度調制-幅度調制(AM/AM)、幅度調制-相位調制(AM/PM)。Saleh模型是用來描述HPA非線性的典型模型，該模型的AM/AM，AM/PM轉換特性為[11]:

A[r(t)]=αAr(t)1+βAr2(t)

(1)

Φ[r(t)]=αφr2(t)1+βφr2(t)

(2)

式中:系數αA，αφ，βA，βφ為HPA的特性常數;r(t)為輸入信號的幅度;A[r(t)]為輸出信號的幅度;Φ[r(t)]為輸出信號的附加調制相位。取典型參考數值αA=1.963 8，βA=0.994 5，αφ=2.529 3，βφ=2.816 8，得到Saleh模型的非線性特性曲線如圖2所示。

圖2 Saleh模型的非線性特征曲線

HPA的輸入信號為:

x(t)=r(t)cos[ω0t+φ(t)]

(3)

式中:ω0為載波頻率;r(t)為調制信號的幅度;φ(t)為調制相位，HPA的輸出信號為:

y(t)=A[r(t)]cos{ω0t+Φ[r(t)]+φ(t)}

(4)

HPA的非線性強度依賴于HPA的工作狀態，越靠近飽和點，非線性越明顯。為充分利用衛星資源，HPA要工作在飽和狀態，所以就不可避免地引入了非線性。下面主要介紹HPA非線性對系統性能的影響。

2 HPA對系統性能影響

HPA對系統性能的影響主要表現為引入非線性ISI、頻譜再生和解調星座圖失真，從而導致BER性能惡化。下面從四個方面分析HPA的影響。

(1) 引入非線性ISI

定義:

hk(τ1，τ2，…，τk)=βk∏ki=1g(τi)

(5)

HPA的輸出可以寫成泰勒級數的形式[12]:

y(t)=∫∞-∞h2(u)f2[∫∞-∞h1(τ)x(t-u-τ)dτ+z1(t-u)]du

=∑∞k=1

β′k∫∞-∞…∫∞-∞[∫∞-∞h2(u)∏ki=1h1(τi-u)du]#8226;∏∞s=1x(t-τs)dτ1dτ2…dτk+

∫∞-∞h2(u)

∑∞k=1β′kJ[∫∞-∞h1(τ)x(t-u-τ)dτ，z1(t-u)]du

(6)

非線性ISI模型為:

(t0)=

d(t0)2kd(t0)∑∞k=02k+1k〗/22k+1

′2k+1(t0，t0，…，t0)+

12∑n1d(n1)1′(t0-n1)+

∑∞k=12k+1k〗/22k+1

∑n1…∑n2k+1d(n1)d(n2)…d(nk+1)d*(nk+2)…

d*(n2k+1)′2k+1

(t0-n1，…，t0-n2k+1)+′(t0)

(7)

式中:第一項為有用信號;第二項為線性ISI;第三項為非線性ISI;′(t0)為噪聲項;n1，n2，…，n2k+1不同時為0。

(2) 頻譜再生

調制信號經HPA放大后，產生類似噪聲的非線性ISI干擾，干擾帶寬比有用帶寬大得多，由此產生頻譜再生現象，降低信號的頻帶效率。仿真條件:HPA參數為典型參數，信號幅度為1，分別采用8PSK、星型16QAM、方型16QAM調制方式，每符號16 b采樣，濾波器滾降系數為1，信噪比為20 dB，成型濾波器和匹配濾波器都采用平方根升余弦濾波器，接收端采用相干解調方式。經HPA非線性放大后，正交調制信號的帶外功率譜抑制僅為30 dB，頻譜再生比較嚴重。如圖3所示。

(3) 解調星座圖失真

正交調制信號經HPA放大后，將引起信號幅度和相位的失真，在星座圖上表現為星座點散布，星座圖扭曲變形，同時伴隨著相位旋轉。圖4為8PSK、方型16QAM、星型16QAM信號經HPA放大前后的星座圖比較，仿真條件同圖3。對于8PSK信號，星座圖的相位旋轉可由載波相位同步進行補償;對于方型16QAM和星型16QAM信號，不同幅度的星座點旋轉角度不一致，不能由載波相位同步完全補償。

(4) BER性能惡化

忽略上行鏈路噪聲的影響，假設載波相位已經同步，仿真不同信噪比條件下8PSK，方型16QAM，星型16QAM信號的BER曲線。仿真條件為:信噪比為0~10 dB，其他條件同圖3，仿真結果如圖5所示。由仿真可知，HPA對調制信號BER的影響較大，對8PSK和方型16QAM的影響比星型16QAM的影響大得多。

圖3 HPA非線性對正交調制信號的影響

圖4 HPA非線性對正交調制信號解調星座圖的影響

圖5 HPA非線性對正交調制信號BER的影響

3 結 語

正交調制信號經HPA后信號幅度和相位發生了非線性變化，使接收端信號產生了較大的變化，對于8PSK、方型16QAM、星型16QAM調制信號有:

(1) 8PSK信號抗非線性好于16QAM信號，而星型16QAM信號又好于方型16QAM信號。

(2) 相對于信號的相位非線性，信號的幅度非線性更難克服。

(3) HPA的記憶效應和非線性對信號的影響是不可忽略的。

(4) 提高信噪比只能一定限度地消除HPA的非線性對系統誤碼率的影響。當非線性影響很大時，信噪比的提高對誤碼率的影響很小。

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