数字卫星信道非线性性能分析和仿真.doc

数字卫星信道非线性性能分析和仿真何茂平顾学迈哈尔滨工业大学电子与通信工程系 ,150001摘 要 数字卫星信道非线性的性能预测和分析通常都是依靠纯粹的数学分析或 Monte - Carlo 仿真来实现的 。它们或是只适用于较为简单的信道模型 ,或是非常耗费时间 。通过分析数字卫星信道的非线性 ,给出了在信道 中因 TWT 非线性引起的信号畸变进行相位补偿的一种方法 ,用较小的投入在计算机工作站上实现了卫星信道非线 性性能预测和仿真 。仿真结果表明 ,TWT 是引起信道非线性的主要因素 ,对 TWT 的非线性进行相位补偿能够较好 地改善信道误码性 。模拟+ 相位补偿主题词 卫星信道非线性中图分类号 : TN92712性能分析Perf ormance Analysis and Simulation of Nonlinear Digital Satellite ChannelsHe MaopingGu XuemaiDept . of Elerctronics & Communieation Engineering , Harbin Institute of Technology , 150001Abstract Performance prediction and analysis of nonlinear digital satellite channels are usually obtained by either purely mathe 2 matical analysis or Monte - Carlo simulation. These approaches must work with very simple channels or become extremely time consun2 ing. In this paper , through analyzing the effect of nonlinearity of digital satellite channels , a way of phase compensation against the signal distortion mainly caused by TWT is presented , so that it is possible to obtain approximate performance prediction and simulation with a minimum of computer time and cost . The simulation results demonstrate that the nonlinearity of TWT is the main part of channelnonlinearity , thus to compensate the phase distortion of TWT can improve the channelsnonlinear performance.Key words Satellite channelNonlinearityPerformance analysisSimulationPhase compensation的非线性进行相位补偿的方法 ,并在 SPW 中建立仿真模块 ,仿真其实际性能 。1 引言对于卫星通信系统而言 ,信道非线性一直都是制约其传输功率和传输效率的重要因素 ,因而对信道非线性进行分析 和模拟 ,进而对其信道性能进行预测就具有极为重要的理论 和实际意义。典型的非线性信道模型是利用了行波管 ( TWT) 工作于饱和点附近的卫星信道模型1 。由于 TWT 的 AM/ AM 和 AM/ PM 转换效应 ,使信号畸变 ,产生了非线性效应。此外 , 系统在高速传送数据时 ,由于信道带宽有限 ,也会产生符号间 干扰( ISI) 。本文主要针对由于 TWT 工作在饱和点附近而引 起非线性的信道模型进行了分析和模拟 ,并利用新型仿真工 具 SPW(Signal Processing Worksystem) 对其进行仿真。在以往对卫星信道非线性的分析和模拟中 ,多数都在频 域进行 ,由于难以用一种简单的形式表征 TWT 的非线性特 性 ,因而大大增加了分析难度 。在本文分析和仿真中 ,所有 工作都在时域进行 。文中首先给出了数字通信卫星非线性 信道模型 ,分析了信道非线性对信号的影响 ,提出了对 TWT2信道模型与非线性分析数字通信卫星非线性信道模型如图 1 所示 。源端产生 数据后需经过调制 ( 本文为 QPSK 调制) 、滤波 。在受到噪声 的干扰后 ,到达 TWT 输入端的信号已有失真 。经过非线性 器件 TWT 之后 , 信号的幅度和相位产生畸变 , 这样 , 在收端 解调滤波之后的信号就会产生误码 , 误码的程度随 TWT 工 作点的变动而变化 ,极不利于数据通信 。为了尽可能降低信 道非线性对信号的影响 , 本文给出了对 TWT 的相位非线性 进行补偿的方案 (类似地可进行幅度非线性补偿) 。收稿日期 :1999 - 01 - 15修订日期 :1999 - 06 - 18第 4 期数字卫星信道非线性性能分析和仿真47 设 QPSK 信号源发送的符号为 U ( n) , 各符号发生概率相等 ,如 (1) 式u ( n) = 0 ,1 ,2 ,3 = r P ( r)p1 + pr2r3Q ( r) = q( 6)(1 + qr2 ) 2 P u ( n) = i = 0. 25(1)式中 p = 1. 963 8;q = 2. 529 3;p = 0. 994 5 ;q = 2. 816 8;r TWT 输入信号幅包络 。根据 (6) 式 ,TWT 的输出可表示为式中n = 0 , T , 2 T , , i = 0 , 1 , 2 , 3 ; 1/ T 信号速率 。将 QPSK 输出 U ( n) 表示为双位形式 u ( n)b ( n) ) , a ( n) 、b ( n) 满足 (2) 式= ( a ( n) 、S d ( t) = r( t) cosct + 2 ( t) r( t) = P2 ( r ( t) ) + Q2 ( r ( t) ) 1/ 2同时 , S d ( t) 也为补偿器的输入 。仿真中 ,对 TWT 引起的相位变化的补偿原理可描述如 下 :首先测出信号在进入 TWT 之前的相位 1 ( t) , 再测出信 号经过 TWT 后的实际相位2 ( t) , 二者 在相位比较器里进行 比较 ,比较结果即相位差 ,作为相位补偿器的输入 。这一过 程在 SPW 中皆由“相位比较”这一功能模块来实现 。相位补 偿器的工作特性和相位补偿原理如图 2 、图 3 所示 。根据补偿器的工作特 性 ,其输出的理论相位应 是| 1 ( t) - 2 ( t) | , 由于 补偿器同样存在一定范 围内的误差 , 因而其输 出实 际 相 位 ( t) | 1 ( t) - 2 ( t) | 。补偿器 的相位变化相对 TWT 的( 7)E a ( n) a ( n - k) = E b ( n) b ( n -k = 0 , 1 , 2 ,k) = 0(2)设 P ( t) 是周期为 T 的单位矩形函数 ,则调制输出可表示为+ S ( t) = A a ( n) P ( t -nT) cosct -n = - + A b ( n) P ( t -nT) sinct(3)n = - 式中c 载波频率 ; A 增益因子 , 其值决定 TWT的工作点 。假设 G( t) = 2cosct 为发端带限滤波器的脉冲响应 , g ( t) 为相对应低通滤波器的脉冲响应 , 则在第 n 个信号时间 间隔 nT t ( n + 1) T 内 , 滤波器的输出为S u ( t) = A a ( n) h ( t - nT) cosct - A b ( n) h ( t - nT) sinct +A a ( i) h ( t - i T) cosct - A b ( t) h ( t - i T) sincti ni n(4) 式中 前 两 项 为 信 号 ; 后 两 项 为 码 间 干 扰 ( ISI) , h ( t) = g ( t) 3 p ( t) 。AM/ PM 转换引起的相位偏转而言是负变化 , 从图 2 补偿器工作特性在上行链路 , 由于受到均值为零 , 方差为 2 的噪声干而起到了相位补偿的作用 , 大大地降低了 TWT 的非线性对传信误码率的影响 。 从补偿器出来的信号再受到 下行噪声的干扰 后 , 经 过 接 收 滤 波器 、解调器 ,最n扰 ,TWT 输入端信号为S= S u ( t) + nuc ( t) cosct -= r ( t) cosct + 1 ( t) nus ( t) sinctu ( t)(5)r ( t) = rc ( t) + nuc ( t) 2 + rs ( t)N2rc ( t) = A a ( n) h ( t -n = - N1N2rs ( t) = A b ( n) h ( t -+ nus ( t) 2 1/ 2nT)后判 决 , 即 得 到接收码元 。图 3 相位补偿原理nT)n = - N11 ( t) = tan- 1 rx ( t ) + nus ( t)3仿真方法及仿真结果311 仿真系统 SPW 通信系统仿真工具rc ( t) + nuc ( t)nuc ( t) 和 nus ( t) 均值为零 ,方差为 2 的上行噪式中n3声的同相分量和正交分量 ; N1 , N2 发送滤波器的记忆时刻 。由于 TWT 是无记忆的非线性器件 ,信号在通过 TWT 时 会产生 AM/ AM ,AM/ PM 转换效应 。分析数字信道非线性的 困难就在于难以用一种简单合适的模型表征 TWT 的这种非 线性特性 。本文采用 Saleh 的 TWT 二参数模型2 ,其同相和 正交特性可由 (6) 式表示 ,它能较好地拟合 TWT 的度和相位 非线性特性 。SPW 是一交互式通信系统仿真平台 。在其上的仿真是基于时域波形的仿真 ,仿真时使用低通复包络法来减低取 样频率 。SPW 软件采用交互式模块化的系统建模方式 ,它附 带有大量丰富的系统模块库 ,如信源模块库 、信道模块库 、调 制解调模块库 、编译码模块库等 。同时 ,用户也可根据自己 的需要创建新的模块 。在 SPW 中 ,可进行交互式仿真 ,即仿 真的同时可以方便地观察各点处的信号波形 ,显示仿真的动 态结果 ,并可以在仿真时输入数据或指令 ,使用户可以更好48 系统工程与电子技术2000 年更方便地仿真通信系统性能 。312 Monte - Carlo 仿真误码率是衡量通信系统性能的重要指标之一 。采用 Monte - Carlo 法估计误码率的基本途径是 : 由随机信源产生 数字信号 ,将此数字信号经过电平转换 ,并经过具有某种特 性的信道 (如非线性) ,附加一定的噪声后送至收端 ,经过滤 波 、解调为数字信号 ,将原信号与接收信号进行比较 ,以分析 该通信系统的误码性能4 。313 仿真结果分析图 4 、图 5 是接收和发送滤波器的 3dB 带宽位 200kHz 、越大 ;反之 ,则越小 。由此可见 ,在对信道非线性进行性能改善时 ,主要应针对 TWT 进行 。本文虽只针对其 AM/ PM 引起 的相位畸变进行了补偿仿真 ,但根据类似原理 ,也可以对其 幅度非线性进行补偿仿真 。在实际应用中 , 可在 TWT 前采 用预矫正器或在 TWT 后进行非线性补偿 ( 幅度补偿和相位 补偿的综合) ,从而达到既充分利用 TWT ,又可以满足特定误 码率的要求 。图 5 TWT3dB 回退 ,滤波器 3dB 带宽为 300kHz 时的信道误码特性4结论本文在分析数字卫星信道非线性的基础上 ,讨论了一种对 TWT 的相位非线性进行补偿的方法 , 并在工作站利用 SPW 仿真平台对其实际性能进行了仿真 。仿真结果表明 ,对 TWT 进行相位补偿能较好地改善信道误码特性 。类似地 ,可 对信道幅度非线性进行预矫正或补偿 ,从而尽可能地降低信 道非线性对信号传输的影响 。同时 ,本仿真方法对分析和模 拟那些难以用数学方法进行分析的系统具有一定的指导意 义 。图 4 TWT 2dB 回退 ,滤波器 3dB 带宽为 200kHz 时的信道误码特性300kHz 时 ,对 TWT 非线性引起的信号相位畸变未进行补偿和进行补偿的仿真曲线 。从仿真结果可以清楚地看出 ,进行 相位补偿后 , 信道误码性能有较为明显的改善 。可见 TWT 是引起信道非线性的主要因素 。同时还可以看出 , TWT 在饱 和点附近处的非线性效应要比离饱和点稍远地方的非线性 效应严重 ,这与 Saleh 分析的结果吻合2 。此外 ,滤波器的带 宽对信道非线性也有一定程度的影响 ,带宽越小 ,这种影响参 考文 献1234Modeling and Computationally Efficient Time Domain Linear Equalisation of Nonlinear Bandlimited QPSK Satellite Channels. IEE Proceedings , 1990 ,137 (6) . Frequency - Independent and Frequency - Dependent Nonlinear Models of TWT Amplifier . IEEE Trans. on Communications , 1981 ,COM - 29 (11) .Alta Group of Cadence Design System. SPW RUserss Guide and Tutorial . Inc . , 919 East Hillsdale Blvd , Foster City , CA 94404 ,1994 .Shanmugan K S , Balaban P. A Modified Monte Carlo Simulation Technique for Evalution of Error Rate in Digital Communication