非線性功放對衛星通信質量的影響分析?

李朝輝 屈曉旭 婁景藝 闞榮才

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

非線性功放對衛星通信質量的影響分析?

李朝輝1屈曉旭1婁景藝1闞榮才2，3

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

衛星轉發器包含非線性功率放大器，在FDMA網絡中，單個轉發器會承擔多條鏈路的通信，當功率放大器工作于飽和狀態時，信號頻率之間會產生交調干擾，當落入頻帶內時，會對原有的通信鏈路造成干擾，降低信號的可懂度。針對上述問題，對衛星通信系統中的轉發器的非線性展開研究，通過建立非線性系統模型，分析多載波信號經過模型后的誤碼率變化。仿真發現，通信頻帶內存在干擾信號條件下，SNR為11dB時，誤碼率接近理論值的500倍。最后，在不改變傳輸結構的前提下，給出多路信號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

隨著信息技術的發展，衛星通信的業務需求量不斷增加，在FDMA網絡體制下，單個轉發器的覆蓋波束內存在的衛星用戶逐漸增加［1］，同一時刻轉發器承載多路載波信號的機率就會增加，由于衛星處于外太空，攜帶的功率放大器規格受到限制，所以功率大小有限，當信號數量多，所需功率較大時，功放即會工作于非線性區域。

針對上述問題，論文建立了信號的傳輸模型，主要對衛星轉發器功放的非線性進行研究，并利用Matlab仿真平臺對傳輸流程進行仿真，采用QPSK調制［2～3］方式，對通過非線性功放后的信號解調判定，定量分析非線性帶來的影響。

2 功率放大器的非線性特性

功率放大器的工作區間可以分為線性區和非線性區［4］，當輸入信號功率較低，功放工作在線性區時，信號的輸入輸出電平成正比例變化，輸出信號與輸入信號的基本特性不會發生改變；當輸入信號的功率電平過大時，功率放大器進入飽和狀態，工作于非線性區域，信號的輸入輸出不成正比例變化，出現增益壓縮現象。如圖1所示，輸入信號幅度增大到一定程度時，輸出信號幅度變化緩慢，趨于恒定值，所以在通常情況下，要求輸出信號幅度不大于圖中所標注的1dB壓縮點。

當多路信號通過非線性功放時，會產生交調干擾，中心頻率為 f1、f2的雙載波混合信號通過轉發器時，會產生 f2±f1、2f1±f2、2f2±f1等不同頻率的諧波，當諧波落在通信頻帶內時會對相應頻率的通信信號產生干擾。在實際衛星通信中，由于轉發器帶寬資源的限制以及載波的頻率特性，信號帶寬B與載波頻率 fc滿足B＜＜fc，由此可知產生的交調干擾頻率滿足式（1）時才可能落入通信頻帶內。

分析雙載波信號可知，載波之間產生的三次諧波對通信質量的影響最大［5］，而2f1-f2和2f2-f1兩個諧波易落在通信頻帶內，形成干擾，如圖2所示。

3 系統模型

3.1 系統傳輸模型

QPSK具有調制方式簡單、抗干擾性強、頻率利用率較高的特點［6］，因此被廣泛用于衛星通信的信號調制中。而在實際的信號調制傳輸中，模擬信號一般需要AD轉換后形成數字序列，通過成型濾波器進行中頻調制形成限帶QPSK信號，隨后經過上變頻進入信道傳輸。由于信號的頻譜特性不受頻率搬移的影響［7］，故本節在模擬業務信號的調制傳輸時，未添加上變頻和下變頻模塊，而將模型分為隨機序列發生模塊，調制模塊、非線性功放模塊、解調模塊和判決模塊，為了能夠更加準確地判斷功率放大器非線性對信號誤碼率的影響，與實際調制模型相比，具有一定非線性特點的成型濾波器未加入仿真模型，如圖3所示，建立仿真信號傳輸處理流程圖。

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［8，11］，是一種典型的非線性器件［9］，廣泛應用于衛星通信領域，現選用saleh模型［10］模擬功率放大器的非線性。

根據文獻［11］中的數據擬合，建立非線性模型如下：

其中ga(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

現設定兩路16k語音信號經過轉發器模型，并對輸出信號的功率譜分布進行分析，設定轉發器帶寬為36MHz，如圖4所示。

仿真結果表明，載波頻率接近的雙路信號共同經過非線性功放時，產生三階、五階及七階等不同頻率的諧波，且易落入通信頻帶內，其中三階交調信號功率幅度最大，而其他階次的交調干擾對信號的影響相對較小。

4.2 誤碼率仿真分析

實驗使用蒙特卡羅方法進行仿真分析，采用6階巴特沃斯低通濾波器。當單路信號經過非線性模型時，不受其他信號帶來的交調信號干擾時，經過解調濾波后，得到誤碼率變化如圖5所示。

設定3路16k語音信號業務同時傳輸，且載波頻率滿足2f1-f2=f3或2f2-f1=f3時，會對中心頻率為 f3的信號造成巨大干擾，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方式，信噪比為11dB時，理論誤碼率為3×10-6，基本滿足正常通信要求，而非線性干擾信號的誤碼率并沒有隨信噪比的改變迅速發生變化，此時誤碼率為1.5×10-4，遠遠不滿足通信技術指標，由此可得出結論，當多音信號產生的交調干擾信號未落入通信帶寬內時，信號的傳輸質量未有較大的改變，相同信噪比時，誤碼率僅有微小增加，而當交調干擾存在于通信信號所占帶寬內時，其對信號的影響要遠大于高斯白噪聲，相同信噪比時，誤碼率增大，嚴重降低通信質量。

4.3 頻率分配建議

由3.1節和3.2節可知，若要避免在多載波條件下通信質量下降的問題時，除現有的預失真、信道均衡［12］的處理方法外，頻率資源分配人員應盡量避免載波之間產生的交調干擾信號頻率落入通信信號帶寬內的問題，當信號內含有的載波頻率較多時，可以功率譜密度大小為分配依據，將功率譜密度較大的信號分布于轉發器帶寬的邊緣，將盡量少的大功率譜密度信號的交調信號落在頻帶內，減少帶內頻率污染。

以四路載波信號為例，按照信號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，與隨機分配載波頻率相比，頻帶內較大的交調干擾信號大大減少，對比頻譜圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可知，當信號按照功率譜密度大小規則分配載波頻率時，較大的干擾僅在11M和23M出現兩次，而由圖8可知，在僅考慮保護間隔的情況下隨機分配頻率時，頻帶內的交調干擾信號會大大增加，降低了頻帶利用率。

5 結語

本文通過建立非線性功放模型，模擬在多載波傳輸時，衛星轉發器的交調干擾情況，并仿真分析了恒包絡QPSK信號受到帶內交調信號干擾時的誤碼率變化情況，結果表明，受到干擾后，信號的誤碼率會快速升高，無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分配載波頻率范圍，為衛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：衛星通信。屈曉旭，男，博士，副教授，研究方向：數字信號處理。婁景藝，女，博士，副教授，研究方向：無線通信。闞榮才，男，碩士，工程師，研究方向：無線通信。