衛星通信中不同調制信號的預失真研究

韓　冰，晉東立

(北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094)

Received date:2015-02-04；Revised date：2015-05-05

摘　要：衛星通信技術近年來發展較快，承載的通信業務也較多，導致頻譜資源緊張，功率資源受限，迫切需要采用高階調制、多載波傳輸等方式來緩解通信資源的緊張，QPSK、8PSK、16QAM等更高階調制方式在衛星通信中將會獲得越來越廣泛的應用。這類信號直接通過功放后，信號產生失真，影響接收端信號的正確解調，預失真技術是近年來補償功放非線性的最有效手段之一。在研究這幾種高階調制信號特點的基礎上，對幾種調制方式的信號分別進行預失真處理，并分析各信號的抗噪聲性能，總結出16QAM信號在衛星通信中的應用會緩解目前通信資源緊缺問題。

關鍵詞：衛星通信；高階調制；預失真；RLS

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.008

衛星通信中不同調制信號的預失真研究

韓冰，晉東立

(北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094)

Received date:2015-02-04；Revised date：2015-05-05

摘要：衛星通信技術近年來發展較快，承載的通信業務也較多，導致頻譜資源緊張，功率資源受限，迫切需要采用高階調制、多載波傳輸等方式來緩解通信資源的緊張，QPSK、8PSK、16QAM等更高階調制方式在衛星通信中將會獲得越來越廣泛的應用。這類信號直接通過功放后，信號產生失真，影響接收端信號的正確解調，預失真技術是近年來補償功放非線性的最有效手段之一。在研究這幾種高階調制信號特點的基礎上，對幾種調制方式的信號分別進行預失真處理，并分析各信號的抗噪聲性能，總結出16QAM信號在衛星通信中的應用會緩解目前通信資源緊缺問題。

關鍵詞：衛星通信；高階調制；預失真；RLS

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.008

收稿日期：2015-02-04；修回日期：2015-05-05

中圖分類號：

文獻標志碼：碼：A

文章編號：號：1002-0802(2015)06-0667-05

Abstract：Satellite communication technology develops rapidly in recent years, and satellite communication carries more communication services than ever before. Under this circumstance, frequency resource and power resource become increasingly short. As a result, different high-order modulation methods, such as QPSK, 8PSK and16QAM, are applied in satellite communication. However, power amplifier would be conducive to quick distortion of these modulated signals, and thus the compensation technology has to be adopted to deal with this distortion. Base on study of the characteristics of these high-order modulated signals, pre-distortion processings are done respectively on several modulated signals, and analyses also implemented on BER performance of QPSK，8PSK and 16QAM in the satellite nonlinear channel. Conclusion is drawn that the application of 16QAM modulation in satellite communication would alleviate the problem of communication-resource shortage.

作者簡介：

Digital Pre-Distortion of Different Modulation Methods

in Satellite Communication Systems

HAN Bing，JIN Dong-li

(Beijing Institute of Tracking and Telecommunications Technology， Beijing 100094，China)

Key words：satellite communication; high-level modulation; pre-distortion; RLS

0引言

隨著航空航天的發展進步，空間傳輸業務加速發展，對通信業務傳輸的實時性要求越來越高，此時數據傳輸速率高，需要比較成熟的高速寬帶調制解調技術，以解決衛星通信中實時、大容量數據傳輸的瓶頸。高階調制方式滿足高速傳輸的要求，其中，QPSK調制方式的信號傳輸兼顧了頻帶效率和功率效率，實現復雜度低，在衛星傳輸系統中被廣泛應用。但是隨著衛星傳輸系統業務容量的不斷增大，QPSK調制信號的傳輸逐漸不能滿足通信業務量的需求，更高階的調制方式(8PSK，16APSK、16QAM、64QAM等)成為了研究熱點，并將應用在衛星通信的高速傳輸中。根據Nyquist準則，利用升余弦滾降濾波器，可以實現信號的無碼間串擾(ISI)傳輸。16QAM信號是非恒包絡調制信號，而8PSK信號經過成形濾波器后也不再為恒包絡信號，這類信號通過功放和非線性信道時，信號失真，降低系統的傳輸性能。

在發射端主要是功放會使信號失真，早期的功放線性化技術有功率回退法[1,2]、負反饋法[3]、前饋法[4]等，但實現難易度和線性化效果不能兼顧。隨著技術的發展，均衡技術被廣泛應用，包括在發射端進行非線性預失真(預均衡)和在接收端進行非線性均衡(后均衡)。其中在發射端進行預均衡較后均衡簡單，且效果較好，獲得越來越多研究者的關注。非線性預失真主要是為了補償功放的非線性特性，兩者級聯后使信號不失真。DSP技術的發展，方便了數字預失真技術的發展，而且預失真效果較好。

功放對高階調制信號的非線性失真影響有多大？非線性失真的非線性補償能否降低這種影響？能減小到什么程度？都是急需解決的問題。本文在研究幾種高階調制方式的基礎上，對上述三種問題進行了初步探析。

1功放預失真原理

信號通過功放之后，會產生非線性失真，主要表現在：帶內失真，造成誤碼率增大；帶外擴展，干擾鄰近信道，造成碼間串擾。如果將經過功放后的信號直接發射出去，通過非線性信道后，信號失真程度增加，有可能不能正確解調，影響通信性能。所以有必要在發射端對信號進行非線性補償，即在功放前加一個預失真器，預失真器與功放有互逆的非線性特性，也就是說，預失真器和功放級聯后，信號通過這個級聯系統后，仍然是線性的。預失真系統的系統框圖如圖1所示。

圖1　基帶數字預失真系統框圖

Volterra級數[5]的一些特殊形式亦被用作有記憶的非線性預失真模型，即預失真器模型：Ding研究了基于Hammerstein模型的預失真器[6]，由于Hammerstein模型的輸出與濾波器系數成非線性關系，如果初始不當，收斂很可能陷入局部極小點；Kang研究了基于Wiener模型的預失真[7]；Kim研究了基于記憶多項式模型的預失真[8]，但記憶多項式模型難以獲得精確的逆，不過采用間接學習結構利用自適應算法可得到記憶多項式逆的近似解[9]。

1.1信號調制方式

QPSK調制方式已經在衛星通信中獲得應用，但是衛星通信業務量逐漸增大，QPSK漸漸不能滿足需求，更高階調制方式(8PSK、16QAM、64QAM等)成為研究熱點。圖2為不同調制方式的星座圖，從圖2可以看出，與QPSK信號相比較，8PSK、16QAM及64QAM調制類型的信號星座點之間具有小的多的歐式距離，在非線性信道中進行傳輸時需要有較高的信噪比。同時，與QPSK調制相比，8PSK、16QAM等調制方式對相位抖動更為敏感。

(a)QPSK調制

(b)16QAM調制

(c)8PSK調制

接收端接收到信號以后，對信號解調，從解調星座圖中可以看出信號的失真度，星座圖也間接反映的信道的通信性能。正交調制信號經過非線性信道后，引起信號幅度和相位的失真，在星座圖上表示，就是星座圖散布、扭曲，同時伴有相位旋轉。于8PSK信號而言，星座圖的相位旋轉可由載波同步進行補償，而對于16QAM、64QAM信號而言，不同幅度的星座相位旋轉的角度不一樣，不能有載波相位同步完全補償。

1.2預失真原理

功放模型選定后，預失真包含兩個重要過程：預失真器模型的選取和模型參數的辨識。本文以Wiener-Hammerstein模型為功放模型，圖3為W-H模型的數學結構圖，式(1)～(3)為模型的數學表達式。

圖3W-H模型的數學結構

其中：

(1)

(2)

(3)

其中，b1=1.0108+0.0858i，N，M。

預失真器模型選取記憶多項式模型，式(4)為記憶多項式的數學表達式：

(4)

2模型參數提取

預失真器模型確定后，選定何種辨識方法辨識模型參數尤為重要。最初采用最小二乘法對矩陣進行求逆運算，但是很難求得精確解，利用間接學習結構采用自適應算法可以求得參數的近似值。間接學習結構框圖如圖4所示。

圖4間接學習結構框圖

本文采用遞歸最小二乘法(RLS)遞歸求解式(4)中的參數。RLS不斷更新的目的是使輸出信號與期望信號在最小二乘意義上最匹配[10]。RLS算法為確定權系數W，使式(5)的加權平方誤差累計和最小：

(5)

RLS算法的步驟為：

初始化：W=[0 0 … 0]T，P(0)=δ-1I，δ為比較小的正實數

更新權權矢量：W(n)=W(n-1)+g(n)[d(n)-XT(n)W(n-1)]

更新逆矩陣：P(n)=λ-1[P(n-1)-g(n)XT(n)P(n-1)]

其中λ為遺忘因子，取值略小于1，λn-k的物理意義是對各輸入信號添加指數權，越靠近當前時刻，權值越大，時刻越靠前，權值越小，這時算法能更好的反映當前時刻，加強對非平穩信號的適應性。

3研究內容及仿真分析

本文以W-H模型為功放模型，記憶多項式(MP)模型為預失真器模型，采用遞歸最小二乘法(RLS)對預失真器的參數進行提取。預失真之前對信號進行歸一化處理，并設置功率輸入回退IBO=3dB，非線性信道為高斯白噪聲信道。

(1)不同類型調制信號解調后信號星座圖

(a)QPSK信號

(b)8PSK信號

(c)16QAM信號

圖5的星座圖顯示信號被正確解調，證明預失真在保持信號線性特性上的有效性。但星座圖僅是一個定性的評價標準。

在對功放預失真性能的評價標準中，EVM是比較綜合反映預失真系統性能的一個定量指標，EVM的數學表達式為：

(6)

其中，χn是測試矢量信號，γn是原始參考信號。信號通過功放和接收機后，解調出的信號的星座圖與原信號星座圖相比發生了偏轉和壓縮擴展，即偏離了原始位置，這種偏離量可以用EVM來衡量。其示意圖如圖6所示。

圖6EVM示意圖

不同調制信號預失真前后的EVM值如表1所示。表1顯示了預失真前后的EVM值，從表中可以看出，經過預失真，功放后的信號與原信號的差別很小，保持了良好的線性關系。

表1　不同調制信號預失真前后的EVM值對比

表1顯示了預失真前后的EVM值，從表中可以看出，經過預失真，功放后的信號與原信號的差別很小，保持了良好的線性關系。

(2)用高斯白噪聲信道模擬衛星通信信道，對每一種類型的信號，分析比較預失真前后信號的抗噪聲能力；然后在同等條件下，比較不同調整類型信號的抗噪聲能力。

抗干擾性能方面，當誤碼率達到0.001時，QPSK所需信噪比為7 dB，16QAM信號為11 dB，而8PSK信號為18 dB。說明QPSK最好，16QAM次之，8PSK信號最差。這點可以從星座圖上找到依據。從圖7可以看出，QPSK信號各點之間歐氏距離比較大，判決容易，8PSK信號各點在同一個圓上，歐式距離較小，當噪聲較大時，容易落入另一個點的判決區域。16QAM信號屬于正交調制類型，抗干擾能力介于QPSK和8PSK之間。

QPSK信號抗噪聲能力強，但是頻帶資源利用率低，8PSK抗噪聲干擾能力較差，頻帶利用率比QPSK信號好，16QAM頻帶利用率高，抗干擾能力也不錯，但是實現較難。

在預失真處理過程中應注意，預失真前，需要對輸入信號的進行功率回退，否則即使經過預失真過程，經過功放后的發射信號可能不會與原信號保持線性關系。

(a)QPSK

(b)8PSK

(c)16QAM

5結論

QPSK、8PSK以及16QAM信號經過高功放后，信號產生嚴重失真，分別對其預失真處理，信號能夠與原輸入信號保持良好的線性，驗證了預失真的重要性和有效性；再次基礎上，本文又驗證了三種調制方式信號的頻帶效率，得出：16QAM最高，QPSK最低；抗噪聲干擾上：QPSK最強，8PSK最差。因此，考慮到頻譜資源的利用率和抗噪聲能力，16QAM在未來的衛星通信中將會發揮重要作用。在目前的衛星通信中，可根據信道容量、信道非線性特性和信道噪聲等情況選擇合適的調制方式，以提高鏈路吞吐量和通信質量。

參考文獻：

[1]祝樂芳，功率放大器的非線性預失真技術的研究[D].沈陽理工大學，2012.

ZHU Le-fang, Research on Pre-distortion Technology of Power Amplifier’s Nonlinear [D]. Shenyang Ligong University,2012.

[2]Giugno L, Luise M, Lottici V. Adaptive Pre- and Post-Compensation of Nonlinear Distortions for High-Level Data Modulations[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 3(5), September 2004:1490-1495.

[3]Cress U, Held C,Kimmerle J. The Collective Knowledge of Social Tags: Direct and Indirect Influences on Navigation, Learning, and Information Processing. Computers & Education, 2013,60(1):59-73.

[4]HU J, GUO D. A Fast Convergence Digital Pre-Distortion of APSK Modulations based on Joint Algorithm. Information Science and Technology (ICIST), 2013 International Conference on. IEEE,Yangzhou,2013:1308-1311.

[5]Ronnow D,Isaksson M. Digital Predistortion of Radio Frequency Power Amplifiers Using Kautz-Volterra Mode[J]. Electronics Letters, 42 (13), June 2006:780-781.

[6]DING L, Raich R, ZHOU G T. A Hammerstein Linearization Design based on the Indirect Learning Architecture[A]. IEEE Conference on Acoustics Speech Signal Processing, Orlando FL, May 2002:2689-2692.

[7]Widrow B, Stearns S D,王永德等. 自適應信號處理[M]. 機械工業出版社, 2008.

Widrow B, Stearns S D, WANG Yong-de, et al.Adaptive Signal Processing[M]. Machinery Industry Press,2008.

[8]Mondal R,Ristaniemi T, Doula M. Genetic Algorithm Optimized Memory Polynomial Digital Pre-Distorter for RF Power Amplifiers. Wireless Communications & Signal Processing (WCSP), 2013 International Conference on. IEEE, Hangzhou,2013: 1-5.

[9]張志剛，林其偉，韓霜等.OFDM系統自適應數字預失真研究[J].通信技術,2011,44(04):50-52.

ZHANG Zhi-gang, LIN Qi-wei, HAN Shuang, et al. Adaptive Digital Pre-distortion of OFDM System[J]. Communications Technology, 2011, 44(04):50-52.

[10]Singla R, Sharma S. Digital Pre-Distortion of Power Amplifiers Using Look-Up Table Method with Memory Effects for LTE Wireless Systems. EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, 2012, 2012(1): 1-8.

韓冰(1990—)，女，碩士，主要研究方向為功放線性化技術;

晉東立(1963—)，男，研究員，主要研究方向為航天通信。