DRSS 系統中4+12-APSK信號的應用研究

常海濱

DRSS 系統中4+12-APSK信號的應用研究

常海濱

APSK是一種非常適合于衛星信道的調制方式，它具有較高的功率有效性和頻帶利用率。在相同功率的情況下具有最大的歐氏距離和高的功率利用率。針對DRSS非線性信道的特性，對16PSK信號、矩形16QAM信號、星型16QAM信號和4+12-APSK信號做出了分析和比較。并仿真比較了幾種信號在DRSS非線性信道中的星座圖、功率譜和比特誤碼率并得出結論。證明了4+12-APSK調制信號在DRSS系統中是一種高效的高階調制方式。

APSK信號；DRSS信道；非線性；仿真

0 引言

隨著DRSS系統業務的增加和系統容量的擴展，頻譜帶寬資源趨于緊張，使用代價也越來越大。為提高頻帶效益，在信號傳輸中可考慮采用幅度與相位結合的高階調制方式。從傳統的QPSK升級到8PSK，提高了頻帶利用率，但其代價是以更高的功率來維持原有的誤碼性能。高階正交振幅調制QAM 是可以提高頻率利用率，且在相同進制、相同平均發射功率條件下，QAM 比PSK的誤碼率更低[1]。但是，這類高階調制方式在衛星信道的應用中，因信號具有多個幅度，通過衛星轉發器時，功率效益不高，且存在著對飽和狀態放大器引起的非線性失真非常敏感的問題。研究表明，在衛星非線性信道中，16QAM 并不比16PSK系統好[2,3]，且QAM 星座結構往往不適合衛星信道傳輸，如以等邊三角形為基本格狀的星座結構，很難滿足衛星傳輸中包絡恒定的要求[4,5]。

APSK是一種利用載波幅度和相位同時承載信息的混合調制方式，在同進制和相同誤碼率下，APSK所需功率要比PSK小[6-7]。特別是在設計適合衛星信道的調制星座時,要求頻譜利用率高，盡量減少信號幅度的起伏，這樣星座形狀呈圓形、圓周個數少的APSK成為極具潛力的一種調制方式。

1 16APSK調制信號

APSK的星座圖由K個同心圓組成，每個圓上有等間隔的PSK信號點，根據等效低通原理，每個點都是復值，其信號集為公式（1）：

rk為第K個圓周的半徑，nk為第K個圓周的信號點數，lk為第K個圓周上的一個點，ik=0,L,nk-1，Qk為第K個圓周上信號點的相位。為了充分利用星座圖上的信號空間，應滿足nk

16APSK有多種星座圖，其中最典型的有4+12-APSK和6+10-APSK，本文所選用的16APSK是4+12-APSK，其星座圖，如圖1所示：

圖1 4+1216APSK星座圖

2. DRSS信道模型

研究DRSS URE鏈路的非線性問題就是研究中繼星的非線性問題。DRSS系統中成形濾波和輸入濾波都采用平方根升余弦濾波器，雖然成形濾波器在調制信號帶寬的同時，在波形信號中引入線性ISI，在AWGN信道下，經接收端的匹配濾波，該ISI得到補償，平方根升余弦成形濾波＋平方根升余弦匹配濾波＝升余弦濾波，滿足奈奎斯特準無ISI則，匹配濾波在抑制信道噪聲的同時，起著信道均衡器的作用[8]，如圖2所示：

圖2 DRSS信道的理想模型

本文選用的DRSS信道模型為Volterra－Wiener模型[9-10]，如圖3所示：

圖3 擴展Volterra－Wiener模型缺少

將不同階數的原始信號通過并行濾波器組的輸出結果進行相加后，輸入到Volterra模型。此模型通過一組簡單的線性濾波器，對信號的非線性與記憶深度分別進行了加強，然后，再通過通用Volterra非線性模型，可以適用于任意非線性系統。

3．DRSS系統中的16位調制

在最小歐氏距離都為2a時4種信號所需的平均發射功率如表1所示：

表1 平均發射功率表

即在信號的發射功率一定時4種信號的最小歐氏距離16PSK< 星型16QAM<矩型16QAM<16APSK。

對于DRSS信道HPA進行非線性傳輸情況下，16APSK比16QAM要好，因為16APSK有更多的信號點處于外圓上，從而進一步提高了HPA的直流轉化效率。對于HPA來說，最好能減小內圓信號點數，因為小圓信號點通過HPA是以低功率傳送的，降低HPA直流功率轉化效率，而HPA的直流轉化效率在達到飽和點前是輸入功率的單調函數。

在DRSS系統中為了帶限，必須對信號進行成形濾波處理，經過成形濾波后的信號幅度為非恒定的，非恒幅信號通過DRSS非線性信道后幅度和相位會隨著幅度的變化而發生非線性變化，此變化對系統的性能有很大的影響。

4. 仿真分析

理想的放大器對輸入信號的增益是個常數，而實際上并非如此。放大器都有最大的輸出功率，當輸出功率達到最大后，隨著輸入信號幅度的增加，其增益會降低，由此引入AM/AM失真[11]。AM/PM失真使放大器的輸入輸出信號的相位發生變化，AM/PM失真使信號星座點發生了歪斜，歪斜程度取決于輸入信號的幅度。幅度越大，失真越厲害。

為了檢測各種調制樣式對DRSS信道的敏感度，我們在輸入信號能量相同的條件下，對16PSK、矩型16QAM、星型16QAM、16APSK經過功率放大器后的性能使用MATLAB軟件進行了仿真。

（1）調制信號通過DRSS信道的星座圖

調制信號經過DRSS信道后會產生星座點的發散和相位的偏轉，如圖4所示：

圖4調制信號經過DRSS信道前后的星座圖

圖4是16PSK信號、矩型16QAM信號、星型16QAM信號、16APSK信號通過DRSS信道后的仿真星座圖，圖中星座點為信號通過匹配濾波器抽樣后的信號值，與上面的推導結果相符。仿真所采用的信道模型如圖5所示：

圖5 調制信號經DRSS信道前后的功率普

參數定義如下：成型濾波器和匹配濾波器都采用具有平方根升余弦滾降特性的系數取0.6,濾波器每符號取個4采樣點，抽頭數N＝25，即截取峰值點前后各3個符號，輸出功率為80W；衛星發射天線和地面接收天線的增益分別為31dB和46.7dB；自由空間路徑損耗為－205.4dB。從圖4中可看到,調制信號星座點發散，這是由于成形濾波與HPA的記憶效應帶來的碼間干擾，其結果是導致系統的信噪比降低。

（2）調制信號通過DRSS信道后的功率普密度

信號通過非線性HPA后會發生頻譜再生現象，且非線性有記憶效應時載波兩邊的頻譜會發生不平衡現象。下面仿真DRSS信道的非線性對調制信號的PSD（功率譜密度）影響。

圖5為16PSK信號在非線性條件下的功率譜密度仿真示意圖。圖中縱坐標為歸一化功率譜密度,單位dB，橫坐標為歸一化頻率。仿真參數定義如下功率譜密度采用周期圖估計法，加窗其余各參數的定義同上。

從圖5可看出，調制信號通過非線性HPA后功率譜發生了擴展，且載波兩邊不平衡。這是由于DRSS信道的非線性引起的頻率交調互調失真導致的，且此失真與頻率有關，其結果是降低了系統的頻帶利用率。

（3）16PSK通過HPA后的誤比特率性能

調制信號在通過DRSS非線性信道后的誤比特率性能曲線如圖6所示：

圖6 調制信號經DRSS信道前后的比特誤碼率曲線

仿真模仿真參數同圖4。

由圖6可以看出在DRSS非線性信道，調制信號的誤碼性能急劇下降，與線性條件下的結果完全不一樣了。這是由于HPA非線性的AM/AM轉換和AM/PM轉換改變了調制信號星座圖的最小歐氏距離，這一點在上述的分析中也可明顯看出,且仿真曲線與分析的結果基本吻合。

5 總結

由以上的分析和仿真可知：

（1） DRSS系統中相同位數的調制QAM信號優于PSK信號，APSK信號又優于QAM信號。

（2）在DRSS系統中16位調制信號抗非線性性能16PSK< 星型16QAM<矩型16QAM<16APSK。

（3）16APSK調制信號應用在DRSS系統中，有利于充分利用中繼衛星的發射功率，節約資源。

（4）在DRSS非線性信道中4+12-APSK信號誤碼性能最好，抗非線性也最好。

由以上的分析和仿真比較可知4+12-APSK調制信號是一種可以應用在DRSS系統中高效的高階調制方式。

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TP311

A

2015.03.09）

1007-757X(2015)07-0038-03

常海濱（1981-），男，西安人，陜西學前師范學院，實驗室與設備管理處，講師，碩士，研究方向：衛星通信理論及應用，西安，102072