透明轉(zhuǎn)發(fā)器多載波交調(diào)干擾建模與仿真＊

李子龍 婁景藝 屈曉旭 李崇遠(yuǎn)

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）

透明轉(zhuǎn)發(fā)器多載波交調(diào)干擾建模與仿真＊

李子龍 婁景藝 屈曉旭 李崇遠(yuǎn)

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）

透明轉(zhuǎn)發(fā)器主要將接收的信號(hào)低噪聲放大，然后混頻再發(fā)射回地面，由于結(jié)構(gòu)簡單，是目前使用較多的一種。但由于透明轉(zhuǎn)發(fā)器的行波管（TWTA）具有非線性放大特性，當(dāng)多路載波同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，將產(chǎn)生嚴(yán)重的交調(diào)干擾。論文針對該現(xiàn)象，在0MHz～36MHz帶寬內(nèi)，模擬多路載波經(jīng)過轉(zhuǎn)發(fā)器放大，建立Saleh功放模型，來進(jìn)行Matlab仿真分析。通過該實(shí)驗(yàn)，研究功放的非線性特性以及多載波互調(diào)干擾，對轉(zhuǎn)發(fā)器合理分配信道路數(shù)以及最大限度使用通信容量有重要意義。

透明轉(zhuǎn)發(fā)器；QPSK調(diào)制；成形濾波器；載波交調(diào)；Saleh；Matlab仿真

Class NumberTN911

1 引言

近年來，隨著衛(wèi)星通信在民事衛(wèi)星電視和軍事海外護(hù)航等方面的使用越來越頻繁，衛(wèi)星資源相對也越來越多，但是如何合理使用衛(wèi)星通信頻率資源，如何使多路載波能盡量少地產(chǎn)生互相干擾等問題也日益引起重視。

本文針對衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器在傳輸多路信號(hào)時(shí)，由于功放的非線性其載波間容易產(chǎn)生互相干擾［1］，進(jìn)行Matlab仿真。在研究透明轉(zhuǎn)發(fā)器多載波干擾時(shí)，基帶信號(hào)的生成成為設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，主要涉及到以下幾點(diǎn)：1）成形濾波器的設(shè)計(jì)，基帶信號(hào)的頻譜范圍都比較寬，為了有效利用信道，在信號(hào)傳輸之前，都要對信號(hào)進(jìn)行頻譜壓縮，使其在消除碼間干擾和達(dá)到最佳檢測的前提下，大大提高頻段的利用率。2）信號(hào)調(diào)制方式QPSK，衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)制方式很多，目前較常用的一種方式［2］。3）功率放大器的Saleh模型設(shè)計(jì)，是描述行波管功率放大器（TWTA）的常用形式。

2 轉(zhuǎn)發(fā)器交調(diào)干擾產(chǎn)生的原理

2.1 多載波交調(diào)

當(dāng)前衛(wèi)星通信多采用FDMA（頻分多址）復(fù)用的方式，其優(yōu)點(diǎn)是比較簡單，但容易產(chǎn)生嚴(yán)重的交調(diào)噪聲。主要是由于轉(zhuǎn)發(fā)器的功率放大器（如TWTA）放大多路載波時(shí)，調(diào)幅／相轉(zhuǎn)換特性的非線性，導(dǎo)致輸出信號(hào)中產(chǎn)生多種不同組合頻率的成分［3］。

2.2 交調(diào)噪聲的數(shù)學(xué)表達(dá)

假設(shè)各路信號(hào)為等幅載波［4］，則輸入信號(hào)表達(dá)式如式（1）：

此時(shí)，根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器的輸入、輸出特性，其輸出表達(dá)式如式（2）：

考慮計(jì)算的復(fù)雜性，僅考慮3次冪以下的所有項(xiàng)，即

將式（3）帶入式（1），得

因?yàn)檗D(zhuǎn)發(fā)器的頻帶寬度（一般單位為MHz）比工作頻率（一般單位為GHz）相差很多，所以只有2fi－fj和fi＋fj－fk類型的三階產(chǎn)物可能落在工作帶寬內(nèi)［5］，這就是我們研究的三階交調(diào)噪聲。

2.3 交調(diào)噪聲頻譜圖

圖1 頻譜再生效應(yīng)

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 成形濾波器的設(shè)計(jì)

波形成形濾波器的原理是，基帶信號(hào)的頻譜范圍都比較寬，為了有效利用信道，在信號(hào)傳輸之前，都要對信號(hào)進(jìn)行頻譜壓縮［6］，使其在消除碼間干擾和達(dá)到最佳檢測的前提下，大大提高頻段的利用率。

升余弦濾波器是運(yùn)用廣泛的成形濾波器，通過引入滾降系數(shù)改變傳輸信號(hào)的成形波形，減少抽樣定時(shí)脈沖誤差所帶來的影響，即降低碼間干擾［7］。其沖激響應(yīng)頻域表達(dá)式為

其中，a是滾降因子，取值范圍0～1。此時(shí)，升余弦滾降濾波器對應(yīng)于具有最小帶寬的矩形濾波器。

其沖激響應(yīng)時(shí)域表達(dá)式為

3.2 QPSK調(diào)制方式

衛(wèi)星通信中常用的數(shù)字調(diào)制有BPSK、QPSK、OQPSK等，本試驗(yàn)采用QPSK調(diào)制方式。其符號(hào)的載波相位轉(zhuǎn)移是彼此正交的，可以是等，星座圖如下。

圖2 相位、星座圖

圖3 相位星座圖

同時(shí)，QPSK信號(hào)的產(chǎn)生方式有兩種，第一種是相乘電路法，第二種是選擇法。本試驗(yàn)采用相乘電路法，先將基帶信號(hào)通過“并串轉(zhuǎn)換”成I、Q兩路信號(hào)，再分別和兩路載波信號(hào)相乘。其信號(hào)表達(dá)式如式（7）：

3.3 功率放大器的Saleh模型

Saleh模型是描述行波管功率放大器（TWTA）的常用形式，由Saleh在1981年提出［8］。行波管放大器是一種真空電子管，其工作原理是電子注同慢波電路中行進(jìn)的微波場發(fā)生相互作用，電子注連續(xù)不斷地把動(dòng)能交給微波信號(hào)場，最終將信號(hào)進(jìn)行放大［9］。而TWTA的功率較大，使用壽命更長也更穩(wěn)定，因此在衛(wèi)星和微波等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

Saleh模型描述功放的非線性簡單直觀，也比較精確，分為幅度—幅度特性、幅度—相位特性，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

圖4 Saleh模型

［ich，qch］＝qpskmod（data1，1，nd，ml）；%I、Q串并轉(zhuǎn)換

［ich1，qch1］＝compoversamp（ich，qch，length（ich），IPOINT）；%IPOINT倍的過采樣

［ich2］＝oversamp2（ich，length（ich），IPOINT）；% IPOINT倍的過采樣

［qch2］＝oversamp2（qch，length（qch），IPOINT）；% IPOINT倍的過采樣

［ich3，qch3］＝compconv（ich1，qch1，xh）；%經(jīng)過成形濾波器

［I，Q］＝compconv（ich3，qch3，xh2）；

figure（1）

subplot（211），plot（1：length（ich2），ich2）

axis（［－50 600－2 2］）

subplot（212），plot（I）

4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理

4.1 試驗(yàn)原理框圖

圖5 程序流程圖

4.2 仿真模型建立與結(jié)果

本次驗(yàn)證試驗(yàn)，使用Matlab進(jìn)行仿真，在實(shí)際仿真過程中，當(dāng)N設(shè)置較大時(shí)，工程模擬將比較繁瑣［10］，本文載波的路數(shù)N取值5。前期設(shè)置代碼如下：

sr＝64000.0；%符號(hào)率

ml＝2；%QPSK調(diào)制時(shí)ml＝2

br＝sr.＊ml；%比特率

nd＝2048；%符號(hào)個(gè)數(shù)

IPOINT＝32；%過采樣數(shù)

Fs＝br.＊IPOINT%采樣率

Fc＝256000.0；%載波頻率

irfn＝21；%濾波器響應(yīng)

alfs＝0.5；%滾降系數(shù)

［xh］＝hrollfcoef（irfn，ipoint，sr，alfs，1）；%構(gòu)造函數(shù)hrollfcoef，來生成濾波器（傳輸）系數(shù)

［xh2］＝hrollfcoef（irfn，ipoint，sr，alfs，0）；%生成濾波器

（接收）系數(shù)

4.2.1 Matlab設(shè)計(jì)成形濾波器

代碼如下：

圖6 I路信號(hào)成形濾波前后對比圖

4.2.2 Saleh模型

代碼如下：

%＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊Saleh模型放大器＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊

d＝0.2；c＝1＋d；%歸一化得出c、d的關(guān)系

Sam＿am＝c＊S0.／（1＋d＊S0.＊S0）；%放大器的幅度—幅度放大

4.2.3 頻譜觀察

代碼如下：

S0＿1＝qpsklzl（160，10000）；%第1路載波

S0＿2＝qpsklzl（320，20000）；%第2路載波

S0＿3＝qpsklzl（640，40000）；%第3路載波

S0＿4＝qpsklzl（2560，60000）；%第4路載波

S0＿5＝qpsklzl（2560，80000）；%第5路載波

S0＿2＝［S0＿2，zeros（1，length（S0＿1）－length（S0＿2））］；

S0＿3＝［S0＿3，zeros（1，length（S0＿1）－length（S0＿3））］；

S0＿4＝［S0＿4，zeros（1，length（S0＿1）－length（S0＿4））］；

S0＿5＝［S0＿5，zeros（1，length（S0＿1）－length（S0＿5））］；

S0＝S0＿1＋S0＿2＋S0＿3＋S0＿4＋S0＿5；%5路載波

合并

F＿S0＝10＊log10（abs（fft（S0）））；%畫頻譜圖a

L＝Fs／length（F＿S0）：Fs／length（F＿S0）：Fs；

figure（2）

plot（L，F(xiàn)＿S0）；axis（［0 100000－50 50］）；

%＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊經(jīng)過Saleh模型放大器后，畫頻譜圖＊＊＊＊＊＊＊＊

F＿Sam＿am＝10＊log10（abs（fft（Sam＿am）））；%畫頻譜圖b

L＝Fs／length（Sam＿am）：Fs／length（Sam＿am）：Fs；figure（3）

plot（L，F(xiàn)＿Sam＿am）；axis（［0 100000 0 50］）；

圖7 信號(hào)輸入功放前頻譜圖

圖8 信號(hào)輸入功放后頻譜圖

4.2.4 試驗(yàn)分析

通過實(shí)驗(yàn)，可以看到由于功放的非線性，通過功放后的多路載波將產(chǎn)生嚴(yán)重的交調(diào)干擾，其可能產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，如生成帶外頻率、占用轉(zhuǎn)發(fā)器的輸出功率等。

5 結(jié)語

本文通過Matlab仿真，研究了功放的非線性特性以及多路載波通過功放產(chǎn)生的交調(diào)干擾特點(diǎn)。通過掌握轉(zhuǎn)發(fā)器的多載波間的交調(diào)干擾特性，對轉(zhuǎn)發(fā)器合理分配信道路數(shù)以及最大限度使用通信容量有重要意義，能為轉(zhuǎn)發(fā)器的頻譜資源分配提供輔助決策，盡可能最大效率地利用有限帶寬。以往衛(wèi)星通信組織人員隨機(jī)分配轉(zhuǎn)發(fā)器頻譜資源的不便提供了參考方案。

［1］陳振國，楊鴻文，郭文彬.衛(wèi)星通信系統(tǒng)與技術(shù)［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2003.

［2］汪春霆，張俊祥，等.衛(wèi)星通信系統(tǒng)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2012.

［3］李子龍，婁景藝，屈曉旭.Ku頻段衛(wèi)星通信鏈路計(jì)算［J］.通信技術(shù)，2015，（6）：662－666.

［4］朱校通，郝建強(qiáng).高軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈路預(yù)算軟件設(shè)計(jì)［J］.通信技術(shù)，2013，（7）：25－27.

［5］彭文標(biāo)，劉馨瓊，嚴(yán)朝軍，等.衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)鏈路計(jì)算與分析［J］.三峽大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，33（3）：39－42.

［6］李志國，衛(wèi)穎.衛(wèi)星通信鏈路計(jì)算［J］.指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2014，1（5）：73－76.

［7］葉顯韜.衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器載波互調(diào)噪聲比的工程計(jì)算［J］.上海航天，1996，（6）：23－26.

［8］樊昌信，曹麗娜.通信原理［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2006.

［9］嚴(yán)方.衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的交調(diào)特性及最佳工作點(diǎn)［J］.應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào)，1986，4（2）：139－145.

［10］查文杰.UHF波段多載波高功率線性放大器研究［D］.成都：電子科技大學(xué)，2007.

Modelingand Simulation of Transparent Transponder Multi－carrier Intermodulation

LI Zilong LOU Jingyi QU Xiaoxu LI Chongyuan
（College of Electric Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033）

Transparent transponder mainly receives signal，and amplifies it at the price of low noise，and then launch back to the ground.Because of its simple structure，it is one of the currently used.But owing to the nonlinear amplifier features of the traveling wave tube（TWTA）of transparent transponder，when multiple carriers go at the same time，it will result in serious intermodulation interference.In this paper，aiming at the phenomenon，within 0～36MHz bandwidth，we analog multiplexer carrier repeater amplification process with the Matlab simulation.Through the experiment，we reaserch on the multicarrier intermodulation interference，and find it will be more rational to distribute channel and we can make the best use of the repeater communication capacity too.

transparent transponder，QPSK modulation，line filter，carrier intermodulation，Saleh，Matlab simulation

TN911DOI：10.3969／j.issn.1672－9730.2015.11.024

2015年5月3日，

2015年6月26日

李子龍，男，碩士研究生，研究方向：衛(wèi)星通信。婁景藝，女，副教授，研究方向：衛(wèi)星通信、數(shù)字信號(hào)處理。屈曉旭，男，副教授，研究方向：數(shù)字通信、無線通信。李崇遠(yuǎn)，男，碩士研究生，研究方向：數(shù)字信號(hào)處理。