卫星通信地面终端射频一致性测试及仿真分析

王硕 王兵 李昌华 邹光南

（航天恒星科技有限公司，北京 100086）

1 引言

地面通信系统受地理环境和运营成本等因素的制约，存在许多覆盖盲区，卫星通信系统是地面通信系统的一种有效的、必要的补充。卫星通信系统可分为地球静止轨道（GEO）系统和非地球静止轨道（Non-GEO）系统［1］，目前在运行的Non-GEO 系统有铱星（Iridium）、全球星（Globalstar）和轨道通信卫星（Orbcomm）系统等，GEO 系统包括国际移动卫星（Inmarsat）、瑟拉亚（Thuraya）卫星、亚洲蜂窝卫星（ACeS）等。GEO 系统相对于Non-GEO 系统具有用户密度高、成本低、系统效率高等优点，因而成为当前研究的热点［2］。

射频一致性测试是通信终端在商用之前的一个非常重要的测试，射频部分的优劣直接决定终端的性能。例如，终端发射功率过高，会给其他用户带来干扰，经常地高功率发射会带来终端发热和待机时间短等问题。目前，国内外对大部分无线和地面蜂窝标准的一致性测试进行了充分的研究［3-5］，但对卫星通信地面终端的射频一致性研究还存在许多不足。

本文针对卫星通信地面终端，研究了其物理层，包括基带处理和发射机射频指标及其测试算法，并利用MATLAB和ADS软件进行了仿真，通过对不同参数设置下仿真结果的分析，指出了影响终端发射机射频指标的因素，并对进一步开展研究工作提出了建议。

2 通信体制

2．1 概述

本文研究的卫星通信系统采用频分多路复用（FDM）／时分多址（TDMA）多址方式，卫星到地面用户终端（User Terminal，UT）的下行（前向）射频载波和终端到卫星的上行（回传）射频载波是成对的，根据业务需求、频率重用和可用频谱的协调，射频载波被配置到每个波束。当给波束分配载波时，最小的可分配单元称子带（subband）。任何子带都可以分配给任何波束，与波束的位置无关。一个载波可以专门用于控制信道，也可以由业务信道和控制信道共用。

信号在物理层以TDMA 帧的形式进行传输，帧格式包括巨帧（hyperframe），超帧（superframe），复帧（multiframe），帧（frame）和时隙（timeslot）［6］。

终端信号发送部分的处理流程包括基带处理、调制和发射三部分，其中，基带处理部分包括CRC、卷积编码、交织、加扰、复用、加密和突发格式化，发射部分包括发射机和天线，如图1所示。

图1 终端发送部分框图Fig．1 Block diagram of the terminal’s transmitting part

2．2 基带处理

对卫星信号而言，基带处理的目的主要有：

（1）实现多路复用。将一个地面站的多个信息源，通过基带处理，变成单一的基带信号波形，可以采用的复用方式有FDM、时分复用（TDM）和码分复用（CDM）。

（2）射频调制的需要。数字信号需要插入导频信号、独特字等，独特字用于解决调制产生的相位模糊问题。

（3）进行模数转换与编码，包括信源编码和信道编码。

本文研究的卫星通信系统的基带处理过程包括：CRC、卷积编码、交织、加扰等。

（1）CRC：是一类重要的线性分组码，因其编码和解码的方法简单、检错纠错能力强而被广泛应用于许多领域以实现差错控制。本文研究的系统中采用16位CRC，其生成多项式如下：

式中：D为移位寄存器。

（2）卷积编码：是可以用于对抗衰落和噪声的一种重要的信道编码［7］。由码率分别为1／2、1／3、1／4和1／5的卷积码通过删余（Puncture）可得到不同编码速率的删余卷积码，以适应不同的逻辑信道数据块长度。

（3）交织：包括突发内交织和突发间交织。突发内交织把编码数据块映射到一个N×8矩阵（N与信道和编码比特数有关），使用伪随机排列将列互换，然后将数据块按列读出。经过列交换之后，矩阵元素（i，j）变为（i，jp），i为矩阵的行索引，j、jp为矩阵的列索引，其中jp＝（j×5）mod8，mod为取模运算。

突发间交织是把突发内交织器的输出突发L送至突发间交织器，它与之前到达的M-1个突发存储在M×K的数组中（M为交织深度，K为突发内比特数）。

（4）加扰：加扰器将输入比特流与二进制伪随机序列进行逐位模2加，目的是将输出比特流中0和1的数目随机化，加扰器同时可作为解扰器。

2．3 调制

射频调制的目的是实现多址通信，充分利用卫星转发器的带宽和功率，增强对卫星信道的抗干扰能力。本系统对突发进行调制后的符号速率为23．4ksymbol／s，符号周期T为1／23．4 ms。调制方式使用加复扰码的四相相移键控（QPSK），相对于常用的QPSK 调制方式可以较好地改善调制信号的峰均比，提高放大器的功率效率，减少带外功率辐射［8］。成型滤波器使用滚降因子为0．35的根升余弦（RRC）滤波器。其频率响应H（f）如下：

其冲激响应h（t）是H（f）的傅里叶逆变换，如下：

式中：t为时间。

3 终端发射机指标及测试算法

典型的无线发射机结构主要由上变频器、滤波器和功率放大器组成，上变频器用于将基带调制后的信号变换到系统所使用的射频频率上，滤波器用于保证发射信号占用的带宽在系统分配给自身的信道内，功率放大器使射频信号按照规定的功率进行发送。上述器件的性能将会直接影响终端发射机的射频指标，下面分别讨论误差矢量幅度、占用带宽和邻道干扰三项射频一致性测试的主要指标及相应的测试算法。

3．1 误差矢量幅度

误差矢量幅度（EVM）是一种全面衡量信号幅度误差和相位误差的指标。在星座图上，误差矢量很清楚的反映了由调制器不平衡、相位噪声、放大器的非线性、非理想滤波器等引起的信号损伤［9］，可以通过比较测量信号矢量Z和理想参考信号矢量R得到的误差矢量E来得到，如图2所示。其中，测量信号矢量与理想信号矢量之间的幅度差即为幅度误差，它们之间的夹角即为相位误差，它们之间的矢量差即为误差矢量。而且，EVM 只依赖于矢量调制信号的变换过程［10］，与调制的制式（星座图的形状）无关，这个特点使其在矢量调制信号的研究中占有重要地位。

欧洲电信标准协会（ETSI）关于卫星通信系统的标准中对调制精度的要求为：整个突发信号的均方根误差矢量幅度（EVM）低于9%。均方根EVM的计算方法如下：

观测一个理想发射机通过一个理想RRC 接收滤波器后在每个符号最佳采样时间得到的序列（对于QPSK）为

式中：SR是参考符号的位置，k＝0，1，…，39N，｜S（k）｜＝1，B（k）＝0，1，2，3，e为指数函数。

QPSK调制的数据符号d（k）与B（k）值的对应关系见表1。

图2 误差矢量幅度Fig．2 Error vector magnitude

表1 QPSK 的B（k）值Table 1 B（k）value of QPSK

设Z（k）是实际发射机通过理想接收滤波器在k时刻的复数矢量，发射机建模为

式中：W＝edr＋jdσ，dσ表示每个符号的频偏（弧度／符号），dr代表幅度变化率（奈培／符号）；C0代表载波的初始偏移量；C1是表示随机相位和发射机输出功率加权的一个复数常量；E（k）是采样值S（k）的残留误差矢量。

得到误差矢量幅度EVM 的计算流程为：

（1）接收测量信号Z，根据接收到的I／Q 数据，利用独特字（unique word）相关找到突发的起始位置。

（2）对接收到的测量信号Z进行修正，修正方式及顺序为：

Z→Z（k）W-k，去频率偏差的影响。

Z→Z（k）-C0，去直流偏移量的影响。

Z→去初始相位的影响。

（3）利用修正后的测量信号Z恢复参考信号，将测量信号采样点映射到QPSK 调制的星座图，根据相位和幅度信息找到最接近的标准点，该标准点就是对应的参考信号点。

（4）计算误差矢量幅度EVM，由于最佳采样点数据在星座图上最为集中，调制质量最好，所以在最佳采样点计算出来的EVM 值更接近真实值。

平方误差矢量之和为

式中：C0，C1和W选择使表达式最小的值用于计算每一个符号的矢量误差，MAX 和MIN 是所测量突发的最后一个和第一个最大有效值点。

3．2 占用带宽

占用带宽（OBW）是为了验证用户终端（UT）的发射功率是否集中在主信道上，如果超出主信道范围会对其他用户的使用造成干扰。其定义为在所分配的信道频率为中心的发射频谱内，包含总发射功率99%时所对应的频带宽度。本系统要求的符号速率为23．4ksymbol／s，占用带宽应小于31．25kHz。

占用带宽的计算方法如下：

（1）在发射载波中心频率-100kHz至发射载波中心频率＋100kHz的带宽上测试功率谱分布，通过线性积分求和的方法计算出其总功率；

（2）从载波中心频率-100kHz频带向中心频率逐点积分求和，直到功率达到总功率的0．5%，相应的确定为最低频率点；

（3）从载波中心频率＋100kHz频带向中心频率逐点积分求和，直到功率达到总功率的0．5%，相应的确定为最高频率点；

（4）占用带宽＝最高频率值-最低频率值。

3．3 邻道干扰

由于发送信号具有突发特性，调制过程和功率开关瞬态会在邻近信道产生干扰。邻道干扰通过邻道泄漏比（Adjacent Channel Leakage Ratio，ACLR）来衡量。平均功率由占突发激活部分的70%的瞬态功率平均值表示，对于第一、第二和第三邻近信道，应至少在200个突发脉冲上计算平均值，而对于第四和之后的其他邻近信道，应至少在50个突发脉冲上计算平均值。

本文研究由调制过程产生的邻道干扰，标准规定由调制产生的邻道功率相对值不应超过表2 所示［6］。发射功率的测量使用滚降系数为0．35，带宽为23．4kHz的RRC 滤波器，中心频率为相应邻道的中心频率。

表2 调制产生的邻道干扰Table 2 Adjacent channel interference due to modulation

邻道泄漏比的测试过程如下：

（1）用RRC滤波器测量工作信道的平均功率；

（2）依次测量第一、第二、第三和第四个低频相邻信道及高频相邻信道的平均功率；

（3）用相邻信道的平均功率（dB值）减去工作信道的平均功率（dB值）来计算ACLR。

4 仿真分析

本文采用MATLAB 和ADS软件联合进行仿真，由MATLAB 仿真基带信号生成和处理过程，ADS用于仿真发射机的射频指标。根据图1 的处理流程建立卫星地面终端的发射机仿真平台。仿真参数见表3。

表3 仿真参数Table 3 Simulation parameters

4．1 调制信号的星座图

在ADS仿真原理图中添加TKXYplot模块，可以观察到经过低通升余弦滤波和加性高斯白噪声AWGN 信道之后的信号的星座图，如图3所示。由于噪声的影响，星座图的采样点在理想点附近波动，通过图3可以看出，轨迹是初始相位为π／4的QPSK信号。

图3 调制信号的星座图Fig．3 Constellation of modulated signal

4．2 发射信号的频谱

图4是经过16倍速上采样、RRC滤波和上变频之后的发射信号频谱图，其中心频率为1．634 5GHz，符号速率为23．4ksymbol／s。从图4可以看出该发射信号的效果很理想。利用ADS中的功率谱计算函数求得发射信号的功率为30．039dBm，与仿真中设置的30dBm 基本一致，说明搭建的仿真系统准确度较高。图5给出了一帧的时间长度中最大发射功率的变化曲线，可以通过设置仿真平台中放大器增益的值来改善最大功率值，以满足UT的最大发射功率要求。

图4 发射信号的频谱Fig．4 Spectrum of transmitted signal

图5 最大发射功率曲线Fig．5 Max output power

4．3 误差矢量幅度

改变仿真平台中上变频器的射频带宽（RF＿BW）参数，分别设置为31．25kHz和15kHz，测量相应的EVM 值，结果如表4所示。可以看出，当射频带宽为31．25kHz时，EVM 值仅为6．926%，而ETSI关于卫星通信系统的标准中规定的EVM 值不超过9%，此时发射机满足射频一致性要求［6］；当射频带宽为15kHz时，EVM 值已增大到20．331%，远远超出了标准中的规定值，此时调制信号的质量很差，不能满足系统要求。在设计终端发射机时，要求上变频器的射频带宽达到31．25kHz，才能保证发射信号的质量。

表4 误差矢量幅度仿真结果Table 4 Simulation results of EVM

4．4 占用带宽

如表5所示，将放大器饱和功率设置为50dBm，此时放大器工作在线性区，移动图4中m1的位置，使发射信道带宽内的功率与总功率之比尽可能的接近0．99，这时得到占用带宽值为26．45kHz。修改放大器饱和功率为25dBm，此时放大器工作在非线性区，用同样的方法测得发射信号的占用带宽为45．40kHz，已经超过了标准要求。由此可知，经过非线性器件之后，占用带宽会显著增大，不满足标准要求，在设计终端发射机时，应该对放大器进行合理设计，使其能一直工作在线性区。

表5 占用带宽仿真结果Table 5 Simulation results of OBW

4．5 邻道干扰

设置放大器的饱和功率为不同值分别进行仿真，根据3．3 节所述计算方法，分别测量主信道和4个相邻信道的功率，得到邻道泄漏比，并与表4中的标准值进行比较。图6和图7分别为当放大器饱和功率设置为50dBm 和20dBm 时的邻道泄漏比值。

图6 放大器工作在线性区的邻道泄漏比Fig．6 ACLR when amplifier in linear region

图7 放大器工作在非线性区的邻道泄漏比Fig．7 ACLR when amplifier in nonlinear region

图6和图7的横坐标表示距离中心频率的频率偏差值，红色表示邻道泄漏比的测量值，蓝色折线为ETSI关于卫星通信系统的标准中规定的邻道泄漏比限值。通过比较图6和图7可知，放大器的非线性对邻道泄漏比有很大影响，当终端工作在非线性区时，邻道泄漏比已经超出了限值，将会对其他信道上的信号产生较大干扰，降低系统性能。

5 结束语

本文针对卫星通信系统的物理层进行了研究，分析了基带信号处理过程和发射机的射频指标，通过MATLAB和ADS仿真软件，对发射机的误差矢量幅度、占用带宽和邻道干扰进行了仿真分析。通过分析比较，当上变频器的射频带宽为15kHz（约为载波间隔的一半）时，发射信号的EVM 值约增大了2倍，调制信号的质量恶化，不再满足射频一致性要求。当地面终端的发射功率为30dBm 时，如果放大器饱和功率为25dBm，发射信号的占用带宽约增加72%，远远超过了射频一致性要求；如果放大器饱和功率为20dBm，发射信号的邻道功率显著升高，将会对处于相邻信道上的信号产生严重干扰，进而影响系统容量。总之，放大器工作在非线性区会对占用带宽和邻道干扰有较大影响，使发射机不满足射频一致性要求。上述结论对于研究和设计卫星通信地面终端具有较大的借鉴意义，未来可以继续改进该发射机仿真平台，对发射机的其他射频指标如功率时间关系、杂散发射等进行仿真。同时，利用软件无线电思想，基于虚拟仪器研究和开发卫星通信地面终端的射频一致性测试平台也具有很好的发展前景，是未来终端射频一致性测试的工作方向。

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