单位文秘网 2021-10-05 08:27:24 点击: 次
摘 要:对DRSS信道URE链路进行建模仿真,采用Saleh模型描述DRSS信道URE链路中HPA的非线性特性。通过仿真8PSK、方型16QAM、星型16QAM调制信号并经过DRSS URE非线性信道后的非线性ISI特性、频率特性、星座图和误码特性,分析了信道非线性特性对通信系统性能的影响。
关键词:DRSS信道; HPA; 非线性; 建模
中图分类号:TN927 文献标识码:A
文章编号: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
数据中继卫星系统(DRSS)是航天通信技术领域的重大突破。其“天基”设计思想,即利用与地球同步的中继卫星在中低轨飞行器和地面站之间建立一条全天候、实时的高速通信链路,为中低轨飞行器提供高覆盖率的数据中继,可以大大提高空间信息获取的实时性和效率[1]。
DRSS系统中大量的数据传输是由用户星到地面站的,所以研究DRSS信道模型主要是研究DRSS URE链路。DRSS URE链路是指用户星-中继星-地面站链路,简称URE链路。
在DRSS系统中,中继卫星位于地球的同步轨道,地面站也是固定位置的,信道的多径效应不明显,ISI主要来源于信道的有记忆非线性,表现为非线性ISI[2]。DRSS URE 链路中对系统性能影响最大的是HPA的有记忆非线性[3-4]。在DRSS系统中用户星和中继星同时存在HPA,克服HPA非线性的最好办法是在HPA前进行信号的预均衡[5-6]。由于中继星采取透明转发的数据中继方式,中继星的HPA无法采用预均衡技术。因此,本文主要研究在中继星HPA非线性特性对通信系统性能的影响。
1 HPA非线性模型
假设用户星的HPA已经采用预失真技术,已经理想线性化[7-8],成形滤波、匹配滤波器是理想的[9]。此时DRSS信道的非线性建模问题可以简化为中继星HPA的非线性建模问题,则中继星转发系统的简化模型如图1所示[9]。
图1 中继星转发系统简化模型
在无线通信系统工作的频带内,如果HPA的频率响应特性是平坦的,则称HPA的非线性是频率无关的,当载波频率远大于调制信号的带宽时,可以近似认为HPA的非线性是频率无关的[10]。HPA的非线性主要是由幅度引起的,描述为:幅度调制-幅度调制(AM/AM)、幅度调制-相位调制(AM/PM)。Saleh模型是用来描述HPA非线性的典型模型,该模型的AM/AM,AM/PM转换特性为[11]:
A[r(t)]=αAr(t)1+βAr2(t)
(1)
Φ[r(t)]=αφr2(t)1+βφr2(t)
(2)
式中:系数αA,αφ,βA,βφ为HPA的特性常数;r(t)为输入信号的幅度;A[r(t)]为输出信号的幅度;Φ[r(t)]为输出信号的附加调制相位。取典型参考数值αA=1.963 8,βA=0.994 5,αφ=2.529 3,βφ=2.816 8,得到Saleh模型的非线性特性曲线如图2所示。
图2 Saleh模型的非线性特征曲线
HPA的输入信号为:
x(t)=r(t)cos[ω0t+φ(t)]
(3)
式中:ω0为载波频率;r(t)为调制信号的幅度;φ(t)为调制相位,HPA的输出信号为:
y(t)=A[r(t)]cos{ω0t+Φ[r(t)]+φ(t)}
(4)
HPA的非线性强度依赖于HPA的工作状态,越靠近饱和点,非线性越明显。为充分利用卫星资源,HPA要工作在饱和状态,所以就不可避免地引入了非线性。下面主要介绍HPA非线性对系统性能的影响。
2 HPA对系统性能影响
HPA对系统性能的影响主要表现为引入非线性ISI、频谱再生和解调星座图失真,从而导致BER性能恶化。下面从四个方面分析HPA的影响。
(1) 引入非线性ISI
定义:
hk(τ1,τ2,…,τk)=βk∏ki=1g(τi)
(5)
HPA的输出可以写成泰勒级数的形式[12]:
y(t)=∫∞-∞h2(u)f2[∫∞-∞h1(τ)x(t-u-τ)dτ+z1(t-u)]du
=∑∞k=1
β′k∫∞-∞…∫∞-∞[∫∞-∞h2(u)∏ki=1h1(τi-u)du]•∏∞s=1x(t-τs)dτ1dτ2…dτk+
∫∞-∞h2(u)
∑∞k=1β′kJ[∫∞-∞h1(τ)x(t-u-τ)dτ,z1(t-u)]du
(6)
非线性ISI模型为:
(t0)=
d(t0)2kd(t0)∑∞k=02k+1k〗/22k+1
′2k+1(t0,t0,…,t0)+
12∑n1d(n1)1′(t0-n1)+
∑∞k=12k+1k〗/22k+1
∑n1…∑n2k+1d(n1)d(n2)…d(nk+1)d*(nk+2)…
d*(n2k+1)′2k+1
(t0-n1,…,t0-n2k+1)+′(t0)
(7)
式中:第一项为有用信号;第二项为线性ISI;第三项为非线性ISI;′(t0)为噪声项;n1,n2,…,n2k+1不同时为0。
(2) 频谱再生
调制信号经HPA放大后,产生类似噪声的非线性ISI干扰,干扰带宽比有用带宽大得多,由此产生频谱再生现象,降低信号的频带效率。仿真条件:HPA参数为典型参数,信号幅度为1,分别采用8PSK、星型16QAM、方型16QAM调制方式,每符号16 b采样,滤波器滚降系数为1,信噪比为20 dB,成型滤波器和匹配滤波器都采用平方根升余弦滤波器,接收端采用相干解调方式。经HPA非线性放大后,正交调制信号的带外功率谱抑制仅为30 dB,频谱再生比较严重。如图3所示。
(3) 解调星座图失真
正交调制信号经HPA放大后,将引起信号幅度和相位的失真,在星座图上表现为星座点散布,星座图扭曲变形,同时伴随着相位旋转。图4为8PSK、方型16QAM、星型16QAM信号经HPA放大前后的星座图比较,仿真条件同图3。对于8PSK信号,星座图的相位旋转可由载波相位同步进行补偿;对于方型16QAM和星型16QAM信号,不同幅度的星座点旋转角度不一致,不能由载波相位同步完全补偿。
(4) BER性能恶化
忽略上行链路噪声的影响,假设载波相位已经同步,仿真不同信噪比条件下8PSK,方型16QAM,星型16QAM信号的BER曲线。仿真条件为:信噪比为0~10 dB,其他条件同图3,仿真结果如图5所示。由仿真可知,HPA对调制信号BER的影响较大,对8PSK和方型16QAM的影响比星型16QAM的影响大得多。
图3 HPA非线性对正交调制信号的影响
图4 HPA非线性对正交调制信号解调星座图的影响
图5 HPA非线性对正交调制信号BER的影响
3 结 语
正交调制信号经HPA后信号幅度和相位发生了非线性变化,使接收端信号产生了较大的变化,对于8PSK、方型16QAM、星型16QAM调制信号有:
(1) 8PSK信号抗非线性好于16QAM信号,而星型16QAM信号又好于方型16QAM信号。
(2) 相对于信号的相位非线性,信号的幅度非线性更难克服。
(3) HPA的记忆效应和非线性对信号的影响是不可忽略的。
(4) 提高信噪比只能一定限度地消除HPA的非线性对系统误码率的影响。当非线性影响很大时,信噪比的提高对误码率的影响很小。
参考文献
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