數(shù)模混合自適應功率分配星載多波束移動通信方法

湯 琦, 蔣軍敏

(西安郵電大學電子工程學院, 陜西 西安 710121)

0 引 言

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)一般采用多波束覆蓋,實現(xiàn)頻率復用和提高接收信噪比,從而滿足小終端移動通信需求,如Thuraya和Imarsat4等靜止軌道移動通信衛(wèi)星都形成幾百個點波束實現(xiàn)廣域覆蓋[1-2]。對于廣域覆蓋多波束移動通信衛(wèi)星而言,由于人口分布不均衡導致不同波束內的業(yè)務量差異較大,使得各波束輻射功率分布不均衡。而傳統(tǒng)的多波束通信衛(wèi)星載荷是每個波束對應一個行波管功放,這就會導致功放的工作點隨通信波束業(yè)務量的變化而變化,為了使得在最大通信業(yè)務時功放不飽和,必須對功放進行回退使用,從而極大地降低了系統(tǒng)功率利用率;同時由于每個功放的工作點不一致,也會導致多通道幅度和相位誤差較大、并且是隨機的,這將極大降低通信波束性能。

首次提出數(shù)模混合自適應功率分配方法,基于該方法的多波束移動通信衛(wèi)星載荷能根據(jù)實時通信業(yè)務量自適應分配各波束的發(fā)射功率,并且所有功放的工作點基本一致,保證通信波束性能的同時極大提高了衛(wèi)星載荷的功率利用率。APA-DAH多波束移動通信載荷要求每個通道的幅度和相位分布完全一致,否則不同波束信號會相互干擾,使得系統(tǒng)性能急劇下降。為了保證通信性能,在工程中要對多通道的幅度和相位進行實時監(jiān)測和校準。多通道幅相校準方法主要分為有源校準[3-8]和無源校準[9-16]。在深入研究各類校準方法的優(yōu)缺點基礎上,論文提出了一種適用于APA-DAH多波束移動通信的幅相一致性校準方法,該方法利用零相關[17]序列(zero-correlation zone,ZCZ)具有優(yōu)異的自相關和互相關(零相關區(qū)間內)特性,實現(xiàn)多通道快速校準,并且校準不影響正常通信性能。本文所提出的方法也適用于5G基站、雷達和聲吶等多波束系統(tǒng)中。

1 APA-DAH多波束系統(tǒng)

APA-DAH多波束系統(tǒng)(以4波束為例)如圖1所示,由數(shù)字波束形成網(wǎng)絡(可選)、校準信號耦合模塊、輸入Butler矩陣、幅相誤差補償模塊、通道幅相誤差測量及校準模塊、上變頻器、功放和輸出Butler矩陣組成。其中由數(shù)字波束形成網(wǎng)絡、校準信號耦合、輸入Butler矩陣、幅相誤差補償、通道幅相誤差測量及校準等功能通過數(shù)字處理器件實現(xiàn),如FPGA或ASIC芯片;頻綜及混頻模塊、放大模塊和輸出Butler模塊采用模擬器件實現(xiàn)。

圖1 APA-DAH 4波束系統(tǒng)Fig.1 Four beams for APA-DAH

輸出Butler矩陣采用微帶線[18]實現(xiàn)功率分配與合成、移相等功能,圖2是4×4 Butler矩陣的實現(xiàn)結構。

圖2 Butler矩陣(4×4)Fig.2 Butler matrix for 4×4

由圖2可知，輸出Butler矩陣屬于無源器件,在軌長時間工作時幅相響應基本保持不變;而上變頻器和功放是有源器件,其幅相會隨工作環(huán)境和時間的變化而變化。所以,APA-DAH多波束系統(tǒng)的幅相誤差主要來源于上變頻器和功放。下面以4波束為例分析數(shù)模混合自適應功率動態(tài)分配星載多波束系統(tǒng)性能。

由圖2可得,4×4 Butler矩陣為一酉矩陣,其傳遞函數(shù)為

(1)

當輸出Butler矩陣為式(1)所示的理想酉矩陣時,輸入Butler矩陣Bin是Bout的轉置,否則Bin是Bout逆矩陣。并且輸入Butler矩陣在數(shù)字芯片中以矩陣相乘的方式實現(xiàn),優(yōu)點是可以根據(jù)輸出Butler實測幅相分布變換得到,提高系統(tǒng)的性能同時易于工程實現(xiàn)。混頻器和功放的傳遞函數(shù)是一單位陣,即

(2)

式中,ai、φi分別為第i(i=1,2,3,4)通道的幅度和相位響應。由圖1可得到APA-DAH 4波束系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

H=Bin×Λ×Bout

(3)

其中

(4)

把式(1)、式(2)代入式(3)可得

h11=A1+A2+A3+A4

h12=-j(A1+A2-A3-A4)

h13=-j(A1-A2+A3-A4)

h14=-A1+A2+A3-A4

(5a)

h21=j(A1+A2-A3-A4)

h22=A1+A2+A3+A4

h23=(A1-A2-A3+A4)

h24=-j(A1-A2+A3-A4)

(5b)

h31=j(A1-A2+A3-A4)

h32=A1-A2-A3+A4

h33=A1+A2+A3+A4

h34=-j(A1+A2-A3-A4)

(5c)

h41=-A1+A2+A3-A4

h42=j(A1-A2+A3-A4)

h43=j(A1+A2-A3-A4)

h44=A1+A2+A3+A4

(5d)

由式(5)可知，當A1=A2=A3=A4=A,即有源通道的工作點一致、不存在幅相誤差時,可得hii=A1+A2+A3+A4=4A,hij=0,(i≠j),即APA-DAH的傳遞函數(shù)為一對角陣，即

(6)

多輸入多輸出系統(tǒng)通道幅相一致性直接影響波束性能,國內外學者對多通道幅相一致性估計和校準問題進行了深入的研究[3-16]。文獻[3]針對MUSIC算法,分析了幅相一致性誤差對其分辨性能的影響;文獻[4]提出了適用于非高斯信號的基于獨立成分分析法的幅相誤差校正算法;利用線性陣列協(xié)方差矩陣擁有特定的相關性,文獻[5]提出了基于線性陣列的幅相誤差自校正算法;文獻[6]利用陣列信號協(xié)方差矩陣與其共軛矩陣的Hadamard積構造新的協(xié)方差矩陣,并對其進行矩陣分解,從而得到陣列幅相分布的估計值,其估計精度比文獻[5]高,但計算更復雜;針對兩個或兩個以上目標源,文獻[7-8]利用陣列接收數(shù)據(jù)和其共軛的點積估計幅相誤差。上述幅相誤差估計算法都屬于無參考源自校正算法,其特點是不需要額外校準信號源、估計精度相對較差且計算量較大,適用于實時性要求不高的離線數(shù)據(jù)處理和補償中。另一類校準算法為有參考源校準法,其特點是計算量小、精度高,在工程中得到廣泛使用。文獻[9]提出了一種基于特征分解的高精度有源校正算法,該方法缺點是需要較多的校正源、校正過程復雜;文獻[10]提出了一種基于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型估計(estimation algorithm for the conventional data model, EACDM)的幅相誤差有源校正算法,優(yōu)點是僅僅利用了參考源的方位信息,減小了計算量,但估計性能受收信噪比影響較大;文獻[11]提出了一種基于多級維納濾波器的幅相一致性快速校正算法,在高信噪比時該算法具有較好的性能、并且計算量小,但在低信噪比下其性能急劇下降。針對多波束衛(wèi)星載荷幅相一致性測試問題,文獻[12-13]和文獻[14]分別提出了近場有源校準方法和遠場有源校準方法,其中近場有源校準需要高信噪比測試信號,而遠場校準易受周圍環(huán)境干擾、估計精度相對較差;文獻[15]提出用m/WH碼作為參考信號,文獻[16]用偽隨機碼作為參考信號,這兩種方法都通過參考信號的相關性降低參考信號的發(fā)射功率,由于沒有考慮參考信號間的多址干擾,該方法僅適用于獨立單通道幅相誤差校準。

由式(4)～式(8)可知,每個波束信號被輸入Butler矩陣分路成多路相干信號,該多路相干信號同時經(jīng)過不同變頻和放大鏈路后又由輸出Butler矩陣合成一路,如果各鏈路間存在幅相一致性誤差,則破壞了信號的相干性、導致合路信號的性能急劇下降。所以需要對APA-DAH多波束系統(tǒng)進行幅相一致性校準,并且校準時不能影響正常通信。為此,本文提出了一種適用于APA-DAH多波束移動通信的幅相一致性校準方法,該方法利用ZCZ序列具有優(yōu)異的自相關和互相關(零相關區(qū)間內)特性,實現(xiàn)多通道快速校準,并且校準不影響正常通信性能,滿足移動通信衛(wèi)星實時不間斷通信的需求。

2 APA-DAH系統(tǒng)幅相誤差校準算法

2.1 算法原理

如圖1所示,設參考信號為S1in、S2in、S3in、S4in,則數(shù)模混合功率動態(tài)分配網(wǎng)絡耦合端口(S4out)輸出的信號為

S4out=h41S1in+h42S2in+h43S3in+h44S4in

(7)

分別用參考信號(S1in、S2in、S3in、S4in)和輸出信號(由式(7)得到)作相關,并令PS1in、PS2in、PS3in、PS4in分別為參考信號的發(fā)射功率譜,S4out和S1in、S2in、S3in、S4in的互功率譜分別為PS41、PS42、PS43、PS44。如果參考信號為正交序列,即S1in、S2in、S3in、S4in相互正交式,則可得

(8)

假設輸入?yún)⒖夹盘柕墓β氏嗤紴闅w一化功率譜,即PS1in=PS2in=PS3in=PS4in=1,則由式(8)可計算得到通道有源部件的幅相誤差分布，即

(9)

由上述分析可知:對功率自適應分配星載多波束通信載荷進行幅相誤差校準時,由于信號間存在耦合,需要保證參考信號間相互正交,否則會產(chǎn)生多址干擾;并且在線進行幅相誤差檢測和估計時,不能影響系統(tǒng)的正常通信性能,這就要求參考信號的功率應遠小于工作波束信號的功率(對于星載多波束通信載荷,參考信號幅度應低于工作波束信號幅度20 dB以上),這就要求參考信號在低信噪比下具有優(yōu)異的自相關性能。由Walsh界理論可知:不存在同時擁有理想的自相關和互相關特性的序列,但ZCZ序列在某特定的窗口(如零相關窗口)內同時具有理想的自相關和互相關特性,所以采用ZCZ系列作為校準信號。

2.2 校準算法

綜合以上,數(shù)模混合自適應功率分配系統(tǒng)幅相誤差校準算法步驟如下:

步驟1校準信號產(chǎn)生模塊生成4組正交參考信號(ZCZ碼簇),并分別耦合到對應的波束信號中,其中各路參考信號功率相等、并低于通信波束信號15 dB以上;

步驟2在輸出Butler的最后一個輸出端口耦合一路校準信號,耦合的校準信號S4out(如圖1所示)輸入到通道幅相誤差測量及校準模塊中,通道幅相誤差測量及校準模塊根據(jù)式(8)依次用本地ZCZ原碼和S4out作相關,從而得到多通道幅度和相位響應函數(shù);

步驟3通道幅相誤差測量及校準模塊根據(jù)式(9)得到每個通道的幅度和相位估計值,然后對多次估計值進行平均,從而消除白噪聲對估計精度的影響;

步驟4幅相誤差補償模塊根據(jù)幅相誤差估計結果,計算補償系數(shù),并在數(shù)字處理芯片中對其進行補償。

3 性能仿真及遠場測試結果

3.1 性能仿真分析

仿真參數(shù)設置如下:采用4組正交ZCZ碼作為校準信號,碼長為8 192,碼速率為34 Mbps,調制方式BPSK,載波頻率2.1 GHz,仿真次數(shù)為200次;通道幅度一致性均服從方差為3 dB的正態(tài)分布、相位一致性均服從方差為120°的正態(tài)分布。

圖3分別對PN碼、m/WH碼和ZCZ碼作為參考源的校準性能進行了比較。

圖3 幅度、相位估計RMSE曲線Fig.3 RMSE of amplitude and phase estimation

從圖3可以看出,在低信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)時ZCZ碼具有更好的性能,并且相干累積后測量精度都有明顯提高。從圖2中可以得出在SNR為-15 dB時,采用ZCZ碼估計得到的幅度一致性均方根誤差(root-mean-square error，RMSE)優(yōu)于0.1 dB、相位一致性RMSE優(yōu)于0.2°,此時,參考信號功率比正常通信信號功率低15 dB以上,即參考信號功率和噪聲功率相當,所以校準時不會影響正常通信性能。

由3組圖1所示的功率動態(tài)分配網(wǎng)絡構成12輸入12輸出多波束系統(tǒng),該系統(tǒng)安裝在二維轉臺上,測試時轉臺按一定的步進轉動,由遠場接收天線接收并計算出波束的性能;通道一致性校準采用本文方法,采用ZCZ碼,碼長為4 096,輸入為70 MHz中頻信號,輸出為2.1 GHz的射頻信號,中頻率校準信號輸入功率為-15 dBm,即校準信號發(fā)射功率與系統(tǒng)噪聲功率相當。

3.2 外場試驗

在航天504所的室外測試場對提出12輸入12輸出APA-DAH多波束移動通信載荷的性能進行了遠場性能測試。測試條件如下:如圖4所示,12波束載荷倉安裝在二維轉臺上,轉臺按設定的步進運動,在遠場用接收天線接收發(fā)射波束信號,并通過計算得到波束圖;校準信號為ZCZ碼,碼長為8 192,載波頻率為2.1 GHz的射頻信號,參考信號發(fā)射功率比通信波束信號低-15 dBm,即校準信號發(fā)射功率與系統(tǒng)噪聲功率相當;波束1和波束6分別占載荷總功率30%,其余波束分別占載荷總功率4%。

圖4(a)給出了波束6的理論增益圖、圖4(b)給出實測增益圖、圖4(c)給出波束6校準后增益損失圖。

圖4 波束6理論、實測增益圖Fig.4 Theory and measured gain chart for beam 6

表1給出全部12個波束校準后增益損失。

表1 12個波束校準后3dB處增益損失

Table 1 Gain loss for all 12 beam at 3 dB

從表中可以看出校準后主瓣內增益損失均小于0.32 dB。

4 結 論

針對多波束移動通信衛(wèi)星業(yè)務不均衡的實際需求,提出數(shù)模混合自適應功率系統(tǒng)實現(xiàn)方法,在衛(wèi)星載荷總輻射功率保持恒定、每波束的輻射能量隨通信業(yè)務量自適應分配總輻射能量,極大提高了衛(wèi)星載荷的功率利用率。針對通道幅相分布不一致時,波束信號間產(chǎn)生耦合導致系統(tǒng)性能急劇下降問題,論文利用零相關序列在零相關區(qū)間內具有優(yōu)異的自相關和互相關特性,提出了基于零相關序列的幅相一致性校準方法,實現(xiàn)多通道快速校準,并且校準不影響正常通信性能。性能仿真和遠場測試結果表明:校準后的幅度誤差優(yōu)于0.1 dB、相位誤差優(yōu)于0.3°,實測波束主瓣內增益損失小于0.35 dB。