中继卫星系统仿真软件设计与应用*

刘 斌，张秀宁，李 澎，李正岱，周 磊

中继卫星系统仿真软件设计与应用*

刘 斌1，张秀宁1，李 澎1，李正岱1，周 磊2

（1 北京遥测技术研究所 北京 100076 2 北京空间信息中继传输技术研究中心 北京 100094）

设计开发中继卫星系统仿真软件，并针对理想信道条件、I/Q幅相不平衡、幅频特性、群时延、相位噪声、功放饱和条件、非线性信道条件这七种信道，仿真16QAM和16APSK的误码率性能，并对仿真结果进行分析。利用仿真平台得出的非线性信道条件下误码率需求与所需信噪比之间的关系，可以作为完善系统技术指标的重要依据，为中继卫星系统后续建设和应用提供重要参考。

仿真软件；I/Q幅相不平衡；幅频特性；群时延；相位噪声；功放饱和；非线性信道

引 言

无论军事领域还是民用领域，卫星通信系统都是各国信息基础设施建设的战略制高点。中继卫星系统是利用高轨道卫星对低轨道航天器等用户目标进行跟踪测轨和数据转发的空间信息传输系统[1]。目前，我国中继卫星系统的服务对象包括载人航天、侦察卫星、无人机、海洋舰船等各种型号任务，并正向民用领域拓展。由于中继卫星系统具有“全球通信覆盖”的特殊地位，可以预见，未来的战略预警网络也离不开中继卫星系统的支持。中继卫星系统目前的通信体制不能保证在各种传输速率条件下都能得到最优传输性能。因此，需要开展中继卫星系统通信体制分析，提高在不同传输速率下的通信效能。

用户需求增长对我国中继卫星系统通信体制提出了新要求。随着我国中继卫星系统应用领域的不断拓展和应用潜能的不断挖掘，各类用户提出的应用需求也迅速增长，并且越来越具有鲜明的个性特色。譬如，高分卫星、载人航天等用户提出了数据传输速率超过600Mbps的技术要求，卫星用户和海洋舰船都提出了高/低两档传输速率的技术要求。新一代中继卫星系统面向这两类用户需求，需要采用高阶调制方式，提高传输速率并优化传输模式。

本文开发了中继卫星系统仿真软件，并对该仿真软件进行验证与应用。中继卫星系统仿真软件主要用于中继卫星系统非线性信道特性的仿真，完成I/Q幅相不平衡失真、幅频特性失真、群时延失真、相位噪声失真、功放非线性失真、非线性信道失真的仿真功能。该仿真软件支持8PSK、16QAM、16APSK三种高阶调制方式。本文的仿真结果涵盖了对影响系统传输能力的主要因素的定量分析，可以作为完善系统技术指标的重要依据，为中继卫星系统后续建设和应用提供重要参考。

1 仿真软件设计

1.1 总体方案设计

中继卫星通信系统仿真框图如图1所示。

图1 中继卫星通信系统仿真

图2 幅相不平衡失真模型

1.2 非线性信道模块

1.2.1 I/Q幅相不平衡模块

根据幅度和相位不平衡的定义可以得到幅相不平衡的基本模型，如图2所示。

1.2.2 幅频特性模块

根据需要的幅频特性设计FIR滤波器[3,4]，所设计的FIR滤波器模块即是幅频特性模块。首先构造一个希望逼近的理想滤波器。假设该理想滤波器的频率响应为d(e)，单位脉冲响应为d()。对d(e)在[0，2π]上进行点等间隔采样，得到

以d()作为实际FIR数字滤波器的频率响应在[0，2π]上的点等间隔采样值()，即令

根据频域内插公式，频率响应如式（3）所示。

滤波器的实际频率响应在各频率采样点上与理想频率响应严格相等，即

1.2.3 群时延模块

假设系统的频率特性函数为

1.2.4 相位噪声模块

理想情况下，不考虑初始相位，卫星通信链路中本振输出信号的频谱应该是一根无限窄的谱线，可表示为

式中，()为信号瞬时电压；0为信号峰值电压幅度；0为信号频率。其中0、0为常数。这是一个纯净的本振信号，从频域看本振信号为一根纯净谱线，从时域看正弦波的周期为一恒定值。但是在实际的通信链路中，任何信号不可避免地被噪声调制，因此振荡器产生的信号也不是理想的，表现为相位不稳定（即相位噪声）[8,9]，表示为

1.2.5 功放非线性模块

在宽带通信系统中，功放的记忆效应变得明显，功放的输出不再是输入信号的即时函数，还跟过去的输入信号有关[10]。Wiener模型是一种常用的功放记忆模型，Wiener模型由记忆模块串联无记忆非线性模块构成[11,12]，其组成如图3所示。

图3 功放记忆模型组成

记忆模块由滤波器实现，无记忆非线性模块采用Saleh模型[13]。Saleh模型用两个函数来分别描述幅度和相位的失真特性[12]。

2 仿真软件验证

仿真软件运行环境：Matlab 2014b；Windows Server 2008 R2 Enterprise（64位）；内存32GB；CPU 12核（2.4GHz）。

仿真软件支持三种调制方式，分别是8PSK、16QAM、16APSK；可以选择是否使用成形，成形因

子有1、0.5、0.35、0.2、0.1可供选择；可以设置仿真的信噪比范围；可以设置16APSK的半径比；有五种信道模型可供选择，分别是IQ幅相不平衡、幅频特性、群时延、相位噪声、功放非线性，并可以设置信道模型的参数；有两种信道校正模块可以选择，分别是IQ幅相不平衡校正、均衡。使用Matlab GUIDE工具设计仿真软件人机交互界面[14]如图4所示。

图4 仿真软件人机交互界面

为了验证设计软件的正确性，分别仿真了理想信道（AWGN信道）条件下8PSK、16QAM的误码率曲线，如图5、图6所示。

2.1.2 精密度试验。通过对混合标准品溶液重复进样6针，计算RSD值，结果见表2。绿原酸、葫芦巴碱、D-(-)-奎宁酸、咖啡酸峰面积的RSD值分别为0.32%、0.25%、0.56%、0.71%，表明在此试验条件下仪器精密度良好。

图5 AWGN信道条件下8PSK仿真误码率曲线

图6 AWGN信道条件下16QAM仿真误码率曲线

由图5、图6可以看出，理想信道（AWGN信道）条件下，8PSK、16QAM的仿真误码率曲线与理论曲线吻合，验证了仿真软件的正确性。

3 仿真软件应用

使用中继卫星系统仿真软件，仿真16QAM、16APSK在非线性信道条件下的性能，为工程实践提供指导。

3.1 理想信道条件下解调性能仿真情况

3.1.1 仿真用例

表1 理想信道条件下的仿真用例

3.1.2 仿真结果

理想信道条件下16QAM、16APSK的解调性能曲线（分别对应仿真用例1、用例2）如图7、图8所示。

图7 理想信道条件下16QAM解调性能曲线

图8 理想信道条件下16APSK解调性能曲线

对选取误码率为1e-7时的仿真结果进行比较，计算解调损失，以此衡量高速数传基带的解调性能。

表2 理想信道条件下误码率为1e-7时16QAM的解调损失

表3 理想信道条件下误码率为1e-7时16APSK的解调损失

仿真结果表明：

① 高速数传基带的解调损失较小，以成形系数0.35为例，在900Mbps的高码率条件下，解调的损失小于0.1dB。

3.2 幅相偏差条件下解调性能仿真情况

3.2.1 仿真用例

表4 幅相偏差条件下的仿真用例

3.2.2 仿真结果

幅相偏差条件下16QAM、16APSK的解调性能曲线（分别对应仿真用例1、用例2）如图9、图10所示。选取误码率为1e-7时的仿真结果进行比较，计算解调损失，以此衡量高速数传基带的解调性能。

仿真结果表明：

① 对比理想信道仿真，在存在幅相偏差的情况下，16APSK体制和16QAM体制的解调性能无显著下降，说明接收机的设计对较小的幅相偏差的影响不敏感，接收机可以通过算法进行纠正。

② 误码率为1e-7时，16QAM比16APSK可节省1.6dB。

图9 幅相偏差条件下16QAM解调性能曲线

图10 幅相偏差条件下16APSK解调性能曲线

表5 幅相偏差条件下误码率为1e-7时16QAM的解调损失

表6 幅相偏差条件下误码率为1e-7时16APSK的解调损失

3.3 幅频特性条件下解调性能仿真情况

3.3.1 仿真用例

表7 幅频特性条件下的仿真用例

3.3.2 仿真结果

幅频特性条件下16QAM、16APSK的解调性能曲线（分别对应仿真用例1、用例2）如图11、图12所示。选取误码率为1e-7时的仿真结果进行比较，计算解调损失，以此衡量高速数传基带的解调性能。

仿真结果表明：

① 幅频特性条件下，16QAM和16APSK的解调损失分别为1.16dB和1.9dB。

② 误码率为1e-7时，16QAM比16APSK可节省2.275dB。

3.4 群时延条件下解调性能仿真情况

3.4.1 仿真用例

3.4.2 仿真结果

群时延条件下16QAM、16APSK的解调性能曲线（对应仿真用例1、用例2）如图13、图14所示。选取误码率为1e-7时的仿真结果进行比较，计算解调损失，以此衡量高速数传基带的解调性能。

图11 幅频特性条件下16QAM解调性能曲线

图12 幅频特性条件下16APSK解调性能曲线

表8 幅频特性条件下误码率为1e-7时16QAM的解调损失

表9 幅频特性条件下误码率为1e-7时16APSK的解调损失

表10 群时延条件下的仿真用例

图13 群时延条件下16QAM解调性能曲线

图14 群时延条件下16APSK解调性能曲线

表11 群时延条件下误码率为1e-7时16QAM的解调损失

表12 群时延条件下误码率为1e-7时16APSK的解调损失

仿真结果表明：

① 群时延条件下，16QAM和16APSK的解调损失分别为2.11dB和2.465dB。

② 误码率为1e-7时，16QAM比16APSK可节省1.89dB。

3.5 相位噪声条件下解调性能仿真情况

3.5.1 仿真用例

表13 相位噪声条件下的仿真用例

3.5.2 仿真结果

相位噪声条件下16QAM、16APSK的解调性能曲线（对应仿真用例1、用例2）如图15、图16所示。

图15 相位噪声条件下16QAM解调性能曲线

图16 相位噪声条件下16APSK解调性能曲线

选取误码率为1e-7时的仿真结果进行比较，计算解调损失，以此衡量高速数传基带的解调性能。

仿真结果表明：

① 相位噪声条件下，16QAM和16APSK的解调损失分别为1.35dB和0.715dB。

② 误码率为1e-7时，16QAM比16APSK可节省0.9dB。

表14 相位噪声条件下误码率为1e-7时16QAM的解调损失

表15 相位噪声条件下误码率为1e-7时16APSK的解调损失

3.6 功放饱和点条件下解调性能仿真情况

3.6.1 仿真用例

表16 功放饱和点条件下的仿真用例

3.6.2 仿真结果

功放饱和点条件下16QAM、16APSK的解调性能曲线（对应仿真用例1、用例2）如图17、图18所示。

图17 功放饱和点条件下16QAM解调性能曲线

图18 功放饱和点条件下16APSK解调性能曲线

选取误码率为1e-7时的仿真结果进行比较，计算解调损失，以此衡量高速数传基带的解调性能。

表17 功放饱和点条件下误码率为1e-7时16QAM的解调损失

表18 功放饱和点条件下误码率为1e-7时16APSK的解调损失

仿真结果表明：

① 在功放饱和条件下，16QAM的性能损失超过了10dB；

② 在功放饱和条件下，16APSK的性能损失不到3dB；

③ 在功放饱和条件下，16APSK的性能优于16QAM的性能，可节省6dB。

3.7 非线性信道条件下解调性能仿真情况

3.7.1 仿真用例

表19 非线性信道条件下的仿真用例

3.7.2 仿真结果

非线性信道条件下16QAM、16APSK的解调性能曲线（对应仿真用例1、用例2）如图19、图20所示。

图19 非线性信道条件下16QAM解调性能曲线

图20 非线性信道条件下16APSK解调性能曲线

选取误码率为1e-7时的仿真结果进行比较，计算解调损失，以此衡量高速数传基带的解调性能。

表20 非线性信道条件下误码率为1e-7时16APSK的解调损失

仿真结果表明：

① 在非线性信道条件下，16QAM出现了误码平层，随着信噪比的增大，误码率维持在1e-6数量级，不再下降；

② 在非线性信道条件下，16APSK性能损失了不到5dB；

③ 在非线性信道条件下，16APSK的性能优于16QAM的性能。

3.8 仿真结论

① 在理想信道条件、I/Q幅相不平衡、幅频特性、群时延、相位噪声条件下，16QAM的性能优于16APSK的性能，可节省0.9dB~2.3dB的信噪比；

② 在功放饱和点条件下，16APSK的性能优于16QAM的性能，可节省6dB；

③ 在非线性信道条件下，16QAM出现了误码平层，随着信噪比的增大，误码率维持在1e-6数量级，不再下降；

④ 误码率为1e-7时，与理想信道相比，非线性信道条件下16APSK的性能损失了不到5dB。

4 结束语

中继卫星通信系统仿真平台主要用于中继卫星通信系统非线性信道特性的仿真，具备I/Q幅相不平衡失真、幅频特性失真、群时延失真、相位噪声失真、功放非线性失真、非线性信道失真的仿真功能。该仿真平台支持8PSK、16QAM、16APSK三种高阶调制方式，利用该仿真平台得出的非线性信道条件下误码率需求与所需信噪比之间的关系，可以作为完善系统技术指标的重要依据，为中继卫星系统后续建设和应用提供重要参考。

[1] 裴玉奎. 卫星高速数传系统相位噪声迭代补偿算法[J]. 清华大学学报, 2017, 57(4): 388–392. PEI Yukui. Iterative compensation algorithm for the phase noise in high-data-rate satellite communications[J]. Journal of Tsinghua University, 2017, 57(4): 388–392.

[2] 侯利明. I/Q不平衡对卫星高速数据中继系统的影响[J]. 无线电通信技术, 2005, 31(6): 32–34. HOU Liming. The impact of I/Q imbalance on BER performance in satellite high data rate relay system[J]. Radio Communications Technology, 2005, 31(6): 32–34.

[3] 张树林. 基于FPGA的FIR滤波器实现技术研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2013.

[4] 谢丽英, 房丽敏. 基于MATLAB的FIR数字滤波器设计[J]. 广东第二师范学院学报, 2018, 38(5): 61–66. XIE Liying, FANG Limin. FIR digital filter design based on MATLAB[J]. Journal of Guangdong University of Education, 2018, 38(5): 61–66.

[5] 王雷. 卫星信道群时延特性的均衡技术研究[D]. 秦皇岛: 燕山大学, 2012.

[6] 肖潇. 群时延失真对4PSK系统性能影响的仿真与分析[J]. 信息化研究, 2011, 37(3): 33–36. XIAO Xiao. Simulation and analysis of influence of group delay distortion on 4PSK communication system performance[J]. Informatization Research, 2011, 37(3): 33–36.

[7] 谭晓衡. 群时延失真对QPSK系统误码性能影响的仿真与分析[J]. 系统仿真学报, 2008, 20(21): 5976–5978. TAN Xiaoheng. Simulation and analysis of influence of group delay distortion on performance of QPSK communication system[J]. Journal of System Simulation, 2008, 20(21): 5976–5978.

[8] 张金贵, 许星辰. 相位噪声对8PSK卫星通信链路的影响[J]. 无线电通信技术, 2014, 40(4): 15–17. ZHANG Jingui, XU Xingchen. Effect of phase noise on link of satellite communication[J]. Radio Communications Technology, 2014, 40(4): 15–17.

[9] 陈旭. 基于SC-FDE的卫星通信系统相位噪声抑制算法研究[D]. 北京: 北京邮电大学, 2018.

[10] 贺东海. 基于多项式模型的功率放大器非线性特性和预失真分析[J]. 工业控制计算机, 2015, 28(6): 172–174. HE Donghai. Nonlinearity characteristics and predistortion analysis of power amplifier based on polynomial models[J]. Industrial Control Computer, 2015, 28(6): 172–174.

[11] 李艳超. 宽带无线通信数字预失真器的研究与设计[D]. 济南: 山东大学, 2014.

[12] 詹鹏. 射频功放数字预失真线性化技术研究[D]. 成都:电子科技大学, 2012.

[13] 李朝辉, 屈晓旭, 娄景艺, 等. 非线性功放对卫星通信质量的影响分析[J]. 舰船电子工程, 2017, 37(11): 59–62. LI Chaohui, QU Xiaoxu, LOU Jingyi, etal. Influence analysis of nonlinear power amplifier on satellite communication quality[J]. Ship Electronic Engineering, 2017, 37(11): 59–62.

[14] 张志涌, 杨祖樱. MATLAB教程[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2015.

Relay satellite system simulation software design and application

LIU Bin1, ZHANG Xiuning1, LI Peng1, LI Zhengdai1, ZHOU Lei2

（1. Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China;2. Beijing Space Information Relay and Transmission Technology Resarch Center 100094, China）

This paper designs and develops the relay satellite system simulation software, and simulates the BER performance of 16QAM and 16APSK under the channel condition of ideal channel, I/Q amplitude and phase imbalance, amplitude and frequency characteristics, group delay, phase noise, power amplifier saturation, non-linear channel. The simulation platform gets the relationship between bit error rate and signal to noise ratio under non-linear channel conditions. The relationship is the important basis for improving system technical indexes, and the important reference for subsequent construction and application of the relay satellite system.

Simulation software; I/Q amplitude and phase imbalance; Amplitude and frequency characteristics; Group delay; Phase noise; Power amplifier saturation; Non-linear channel

TN927+.3

A

CN11-1780(2020)01-0001-11

Email:ycyk704@163.com

TEL:010-68382327 010-68382557

装发预研项目支持；国家重点研发计划项目（No.2016YFB0500903）

2019-10-07

刘 斌 1978年生，博士，研究员，主要研究方向为卫星有效载荷技术。

张秀宁 1984年生，博士，工程师，主要研究方向为卫星有效载荷技术。

李 澎 1985年生，硕士，高级工程师，主要研究方向为卫星有效载荷技术。

李正岱 1982年生，博士，高级工程师，主要研究方向为卫星有效载荷技术。

周 磊 1972年生，在读博士，高级工程师，主要研究方向为空间宽带网络传输。