透明轉發(fā)器多載波交調干擾建模與仿真＊

李子龍 婁景藝 屈曉旭 李崇遠

（海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033）

透明轉發(fā)器多載波交調干擾建模與仿真＊

李子龍 婁景藝 屈曉旭 李崇遠

（海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033）

透明轉發(fā)器主要將接收的信號低噪聲放大，然后混頻再發(fā)射回地面，由于結構簡單，是目前使用較多的一種。但由于透明轉發(fā)器的行波管（TWTA）具有非線性放大特性，當多路載波同時轉發(fā)時，將產生嚴重的交調干擾。論文針對該現象，在0MHz～36MHz帶寬內，模擬多路載波經過轉發(fā)器放大，建立Saleh功放模型，來進行Matlab仿真分析。通過該實驗，研究功放的非線性特性以及多載波互調干擾，對轉發(fā)器合理分配信道路數以及最大限度使用通信容量有重要意義。

透明轉發(fā)器；QPSK調制；成形濾波器；載波交調；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生互相干擾等問題也日益引起重視。

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

2 轉發(fā)器交調干擾產生的原理

2.1 多載波交調

當前衛(wèi)星通信多采用FDMA（頻分多址）復用的方式，其優(yōu)點是比較簡單，但容易產生嚴重的交調噪聲。主要是由于轉發(fā)器的功率放大器（如TWTA）放大多路載波時，調幅／相轉換特性的非線性，導致輸出信號中產生多種不同組合頻率的成分［3］。

2.2 交調噪聲的數學表達

假設各路信號為等幅載波［4］，則輸入信號表達式如式（1）：

此時，根據轉發(fā)器的輸入、輸出特性，其輸出表達式如式（2）：

考慮計算的復雜性，僅考慮3次冪以下的所有項，即

將式（3）帶入式（1），得

因為轉發(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類型的三階產物可能落在工作帶寬內［5］，這就是我們研究的三階交調噪聲。

2.3 交調噪聲頻譜圖

圖1 頻譜再生效應

3 設計要點

3.1 成形濾波器的設計

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

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

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

其沖激響應時域表達式為

3.2 QPSK調制方式

衛(wèi)星通信中常用的數字調制有BPSK、QPSK、OQPSK等，本試驗采用QPSK調制方式。其符號的載波相位轉移是彼此正交的，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，QPSK信號的產生方式有兩種，第一種是相乘電路法，第二種是選擇法。本試驗采用相乘電路法，先將基帶信號通過“并串轉換”成I、Q兩路信號，再分別和兩路載波信號相乘。其信號表達式如式（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的微波場發(fā)生相互作用，電子注連續(xù)不斷地把動能交給微波信號場，最終將信號進行放大［9］。而TWTA的功率較大，使用壽命更長也更穩(wěn)定，因此在衛(wèi)星和微波等領域應用廣泛。

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，其數學表達式為

圖4 Saleh模型

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

［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 試驗設計原理

4.1 試驗原理框圖

圖5 程序流程圖

4.2 仿真模型建立與結果

本次驗證試驗，使用Matlab進行仿真，在實際仿真過程中，當N設置較大時，工程模擬將比較繁瑣［10］，本文載波的路數N取值5。前期設置代碼如下：

sr＝64000.0；%符號率

ml＝2；%QPSK調制時ml＝2

br＝sr.＊ml；%比特率

nd＝2048；%符號個數

IPOINT＝32；%過采樣數

Fs＝br.＊IPOINT%采樣率

Fc＝256000.0；%載波頻率

irfn＝21；%濾波器響應

alfs＝0.5；%滾降系數

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

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

（接收）系數

4.2.1 Matlab設計成形濾波器

代碼如下：

圖6 I路信號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＿S0）；axis（［0 100000－50 50］）；

%＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊經過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＿Sam＿am）；axis（［0 100000 0 50］）；

圖7 信號輸入功放前頻譜圖

圖8 信號輸入功放后頻譜圖

4.2.4 試驗分析

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

5 結語

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生的交調干擾特點。通過掌握轉發(fā)器的多載波間的交調干擾特性，對轉發(fā)器合理分配信道路數以及最大限度使用通信容量有重要意義，能為轉發(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分配轉發(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［M］.北京：北京郵電大學出版社，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)星通信鏈路計算［J］.通信技術，2015，（6）：662－666.

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

［5］彭文標，劉馨瓊，嚴朝軍，等.衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)鏈路計算與分析［J］.三峽大學學報：自然科學版，2011，33（3）：39－42.

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

［7］葉顯韜.衛(wèi)星轉發(fā)器載波互調噪聲比的工程計算［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］嚴方.衛(wèi)星轉發(fā)器的交調特性及最佳工作點［J］.應用科學學報，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，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、數字信號處理。屈曉旭，男，副教授，研究方向：數字通信、無線通信。李崇遠，男，碩士研究生，研究方向：數字信號處理。