卫星转发器设计

实验一 卫星转发器仿真设计一 设计思想卫星转发器的任务是把接收信号放大，并利用变频器变换为下行频率再发射出去。通过Matlab可以对接受信号的下变频、中频放大、上变频、行波管放大等过程进行仿真。这里用到的行波管放大是一种非线性放大。通过仿真，可以验证转发器的原理，观察非线性放大带来的干扰。二 实现流程Figure 1 转发器整体框图Figure 2 转发器具体实现流程这里表示输入信号为9路DSB信号之和，代表9地球站的上行信号之和（采用FDMA制）。上行信号采用6GHz，相邻2路信号载波间隔为300MHz，DSB信号带宽为100MHz。接收信号首先经过本地载波相干解调，再通过低通滤波器滤出低频部分，恢复出中频信号。之后经过中频线性放大，再进行上变频到4GHz。之后通过行波管功率放大。进行TWTA放大时应用非线性放大模型。三 结论分析Figure 3图3显示了接收信号的时域波形和频谱。通过频谱可以看出，接收信号是一个以6GHz为中心的一簇信号。Figure 4图4显示了经过下变频之后的信号和其频谱。通过频谱可以看出，此时信号相当于集中分布在低频和高频段。假设一路信号为，则与6GHz相乘之后，得到：则频谱分量中有低频，高频。为了得到中频信号，下一步进行带通滤波。Figure 5图5显示了经过下变频之后的信号再经过BPF之后得到的中频信号和其频谱。这里使用4阶的巴特沃斯带通滤波器，截止频率设为0.1GHz，2GHz。可以看到中频信号得到了很好的恢复。由于变频之后幅度有衰减，于是对信号进行线性放大，也就是乘以2倍。Figure 6图6显示了经过4GHz上变频的信号及其频谱，可以看到中频的已放大信号完全线性搬移到了4GHz频段上。Figure 7图7显示了经过TWTA放大的下行信号及其频谱。这里可以看到经过非线性放大之后，信号波形与放大前有了很大变化，且有了新的频谱分量，低旁瓣被放大。这里就必须考虑非线性放大效应。因此，作出了TWTA输出功率-输入功率以及TWTA相移-输入功率曲线图。可以看到，在较低输入功率段TWTA输出功率近似与输入功率成线性关系，但是在高输入功率段，出现了非线性部分。当输入功率较大时，相移也表现出非线性的关系，由于在一定条件下相移会转化为频率变化，即产生新的频率分量（AM/PM转换），所以才对于多载波输入时TWTA放大会引起频率上的干扰。Figure 8图8显示了非线性放大器的输入-输出功率和相移-输入功率曲线图。可以看到当输入功率大于-4dB后出现了明显的非线性特性，而且在输入功率为0dB时达到饱和。这时如果我们将输入功率回退到一定范围，则可以保证输出功率与输入功率近似成线性关系。因此我们将输入功率人为降低，也即回退到较小值。Figure 9图9中设定回退量为40dB。可以看出虽然还是有一些新的频率分量产生，但是干扰比较小。如果回退量继续增大，则干扰进一步减小直至没有（如回退60dB），但是会引起此时TWTA放大信号功率大幅减小。四 思考题解答（一） 思考卫星转发器的各种模型？1. 双变频转发器接收信号变换到中频，经过放大、限幅，然后变换到发射频率，再经行波管功率放大。2. 单变频转发器接收信号直接放大，直接变频为下行频率，再经行波管功率放大。3. 处理转发器接收信号变换到中频，进行相干检测和数据处理，从而得到基带数字信号，再调制到中频，再上变频到下行频率上。这其中，单变频转发器适用于多载波输入的情形。处理转发器适用于数字卫星通信，通过解调、纠错、编码、调制一系列过程，有利于消除噪声积累。（二） 处理转发器与透明转发器之间比较，须增加哪些模块？处理转发器由于要得到基带数字信号，还需要增加解调、调制模块。由于要进行数据处理，所以还需要检错、纠错模块。由于要对信号进行再编码，所以还需要加入信道编码模块。相当于进行了一个完整的解调、再调制过程。五 源代码及说明主函数clear;close all;fs=1200;T=1/fs;Tp=1;%1S;N=Tp*fs;n=1:N;%产生9路DSB信号df=30;x0=cos(600*pi*n*T).*cos(10*pi*n*T);%DSB x1=cos(600+df)*pi*n*T).*cos(10*pi*n*T); x2=cos(600-df)*pi*n*T).*cos(10*pi*n*T); x3=cos(600+2*df)*pi*n*T).*cos(10*pi*n*T); x4=cos(600-2*df)*pi*n*T).*cos(10*pi*n*T); x5=cos(600+3*df)*pi*n*T).*cos(10*pi*n*T); x6=cos(600-3*df)*pi*n*T).*cos(10*pi*n*T); x7=cos(600+4*df)*pi*n*T).*cos(10*pi*n*T); x8=cos(600-4*df)*pi*n*T).*cos(10*pi*n*T); xn=x1+x2+x3+x4+x5+x6+x7+x8;figuresubplot(3,2,1)plot(n*T,xn,-);axis(0 1 -1.2*max(xn) 1.2*max(xn)xlabel(t);ylabel(xout);title(转发器接收射频信号);grid onf = 2*fs*(0:(N/2)/N/100;P1=fft128(xn,N);subplot(3,2,2)plot(f,10*log10(P1)title(转发器接收射频信号频谱)xlabel(Freq(GHz)ylabel(|X(f)|)grid on%6G下变频xn_down=cos(600*pi*n*T).*xn;%6GHz相干解调subplot(3,2,3)plot(n*T,xn_down,-);axis(0 1 -1.2*max(xn) 1.2*max(xn)xlabel(t);ylabel(xout);title(6G下变频信号);grid onP1=fft128(xn_down,N);subplot(3,2,4)plot(f,10*log10(P1)title(6G下变频信号频谱)xlabel(Freq(GHz)ylabel(|X(f)|)grid on%带通滤波wn=0.1/fs 200/fs;%设置截止频率bmi ,ami = butter(4,wn);%巴特沃斯4阶带通滤波器xout = filter(bmi,ami,xn_down);subplot(3,2,5)plot(n*T,xout,-);axis(0 1 -1.2*max(xn) 1.2*max(xn)xlabel(t);ylabel(xout);title(通过BPF后的6G下变频信号);grid onP1=fft128(xout,N);subplot(3,2,6)plot(f,10*log10(P1)title(通过BPF后的6G下变频信号频谱)xlabel(Freq(GHz)ylabel(|X(f)|)grid on%2倍信号放大xout=2*xout;%上变频x_up=xout.*cos(400*pi*n*T);figuresubplot(3,2,1)plot(n*T,x_up,-);axis(0 1 -1.2*max(xn) 1.2*max(xn)xlabel(t);ylabel(xout);title(4G上变频信号);grid onP1=fft128(x_up,N);subplot(3,2,2)plot(f,10*log10(P1)title(4G上变频信号频谱)xlabel(Freq(GHz)ylabel(|X(f)|)grid on%TWTA行波管放大backoff = 0;y=salehs_model(x_up,backoff,N);subplot(3,2,3)plot(n*T,real(y),-);xlabel(t);ylabel(xout);title(TWTA放大信号);grid onP1=fft128(y,N);subplot(3,2,4)plot(f,10*log10(P1)title(TWTA放大信号频谱)xlabel(Freq(GHz)ylabel(|X(f)|)grid onsubplot(3,2,5)pin = 10*log10(abs(x_up);pout= 10*log10(abs(y);plot(pin,pout);grid;xlabel(输入功率（dB）);ylabel(输出功率(dB);title(TWTA输出功率-输入功率)subplot(3,2,6)plot(pin,(180/pi)*unwrap(angle(y);grid;xlabel(输入功率（dB）);ylabel(相移（度）);title(TWTA相移-输入功率)% figure% logpsd,freq,ptotal,pmax=log_psd(x_up,1200,T);% plot(freq,logpsd);salehs_model 非线性放大函数 仿真TWTAfunction y=salehs_model(x,backoff,n)y = zeros(1,n)*(1.0+i*1.0);af = 1.1587;bf = 1.15;ag = 4.0;bg=2.1;c=10(backoff/20);for k=1:n ain = c*abs(x(k); thetain(k) = angle(x(k); aout = af*ain/(1+bf*ain2); thetapm(k