透明转发器多载波交调干扰建模与仿真＊

李子龙 娄景艺 屈晓旭 李崇远

（海军工程大学电子工程学院 武汉 430033）

透明转发器多载波交调干扰建模与仿真＊

李子龙 娄景艺 屈晓旭 李崇远

（海军工程大学电子工程学院 武汉 430033）

透明转发器主要将接收的信号低噪声放大，然后混频再发射回地面，由于结构简单，是目前使用较多的一种。但由于透明转发器的行波管（TWTA）具有非线性放大特性，当多路载波同时转发时，将产生严重的交调干扰。论文针对该现象，在0MHz～36MHz带宽内，模拟多路载波经过转发器放大，建立Saleh功放模型，来进行Matlab仿真分析。通过该实验，研究功放的非线性特性以及多载波互调干扰，对转发器合理分配信道路数以及最大限度使用通信容量有重要意义。

透明转发器；QPSK调制；成形滤波器；载波交调；Saleh；Matlab仿真

Class NumberTN911

1 引言

近年来，随着卫星通信在民事卫星电视和军事海外护航等方面的使用越来越频繁，卫星资源相对也越来越多，但是如何合理使用卫星通信频率资源，如何使多路载波能尽量少地产生互相干扰等问题也日益引起重视。

本文针对卫星转发器在传输多路信号时，由于功放的非线性其载波间容易产生互相干扰［1］，进行Matlab仿真。在研究透明转发器多载波干扰时，基带信号的生成成为设计的基础，主要涉及到以下几点：1）成形滤波器的设计，基带信号的频谱范围都比较宽，为了有效利用信道，在信号传输之前，都要对信号进行频谱压缩，使其在消除码间干扰和达到最佳检测的前提下，大大提高频段的利用率。2）信号调制方式QPSK，卫星信号的调制方式很多，目前较常用的一种方式［2］。3）功率放大器的Saleh模型设计，是描述行波管功率放大器（TWTA）的常用形式。

2 转发器交调干扰产生的原理

2.1 多载波交调

当前卫星通信多采用FDMA（频分多址）复用的方式，其优点是比较简单，但容易产生严重的交调噪声。主要是由于转发器的功率放大器（如TWTA）放大多路载波时，调幅／相转换特性的非线性，导致输出信号中产生多种不同组合频率的成分［3］。

2.2 交调噪声的数学表达

假设各路信号为等幅载波［4］，则输入信号表达式如式（1）：

此时，根据转发器的输入、输出特性，其输出表达式如式（2）：

考虑计算的复杂性，仅考虑3次幂以下的所有项，即

将式（3）带入式（1），得

因为转发器的频带宽度（一般单位为MHz）比工作频率（一般单位为GHz）相差很多，所以只有2fi－fj和fi＋fj－fk类型的三阶产物可能落在工作带宽内［5］，这就是我们研究的三阶交调噪声。

2.3 交调噪声频谱图

图1 频谱再生效应

3 设计要点

3.1 成形滤波器的设计

波形成形滤波器的原理是，基带信号的频谱范围都比较宽，为了有效利用信道，在信号传输之前，都要对信号进行频谱压缩［6］，使其在消除码间干扰和达到最佳检测的前提下，大大提高频段的利用率。

升余弦滤波器是运用广泛的成形滤波器，通过引入滚降系数改变传输信号的成形波形，减少抽样定时脉冲误差所带来的影响，即降低码间干扰［7］。其冲激响应频域表达式为

其中，a是滚降因子，取值范围0～1。此时，升余弦滚降滤波器对应于具有最小带宽的矩形滤波器。

其冲激响应时域表达式为

3.2 QPSK调制方式

卫星通信中常用的数字调制有BPSK、QPSK、OQPSK等，本试验采用QPSK调制方式。其符号的载波相位转移是彼此正交的，可以是等，星座图如下。

图2 相位、星座图

图3 相位星座图

同时，QPSK信号的产生方式有两种，第一种是相乘电路法，第二种是选择法。本试验采用相乘电路法，先将基带信号通过“并串转换”成I、Q两路信号，再分别和两路载波信号相乘。其信号表达式如式（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］。行波管放大器是一种真空电子管，其工作原理是电子注同慢波电路中行进的微波场发生相互作用，电子注连续不断地把动能交给微波信号场，最终将信号进行放大［9］。而TWTA的功率较大，使用寿命更长也更稳定，因此在卫星和微波等领域应用广泛。

Saleh模型描述功放的非线性简单直观，也比较精确，分为幅度—幅度特性、幅度—相位特性，其数学表达式为

图4 Saleh模型

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

［ich1，qch1］＝compoversamp（ich，qch，length（ich），IPOINT）；%IPOINT倍的过采样

［ich2］＝oversamp2（ich，length（ich），IPOINT）；% IPOINT倍的过采样

［qch2］＝oversamp2（qch，length（qch），IPOINT）；% IPOINT倍的过采样

［ich3，qch3］＝compconv（ich1，qch1，xh）；%经过成形滤波器

［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 试验设计原理

4.1 试验原理框图

图5 程序流程图

4.2 仿真模型建立与结果

本次验证试验，使用Matlab进行仿真，在实际仿真过程中，当N设置较大时，工程模拟将比较繁琐［10］，本文载波的路数N取值5。前期设置代码如下：

sr＝64000.0；%符号率

ml＝2；%QPSK调制时ml＝2

br＝sr.＊ml；%比特率

nd＝2048；%符号个数

IPOINT＝32；%过采样数

Fs＝br.＊IPOINT%采样率

Fc＝256000.0；%载波频率

irfn＝21；%滤波器响应

alfs＝0.5；%滚降系数

［xh］＝hrollfcoef（irfn，ipoint，sr，alfs，1）；%构造函数hrollfcoef，来生成滤波器（传输）系数

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

（接收）系数

4.2.1 Matlab设计成形滤波器

代码如下：

图6 I路信号成形滤波前后对比图

4.2.2 Saleh模型

代码如下：

%＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊Saleh模型放大器＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊

d＝0.2；c＝1＋d；%归一化得出c、d的关系

Sam＿am＝c＊S0.／（1＋d＊S0.＊S0）；%放大器的幅度—幅度放大

4.2.3 频谱观察

代码如下：

S0＿1＝qpsklzl（160，10000）；%第1路载波

S0＿2＝qpsklzl（320，20000）；%第2路载波

S0＿3＝qpsklzl（640，40000）；%第3路载波

S0＿4＝qpsklzl（2560，60000）；%第4路载波

S0＿5＝qpsklzl（2560，80000）；%第5路载波

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路载波

合并

F＿S0＝10＊log10（abs（fft（S0）））；%画频谱图a

L＝Fs／length（F＿S0）：Fs／length（F＿S0）：Fs；

figure（2）

plot（L，F＿S0）；axis（［0 100000－50 50］）；

%＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊经过Saleh模型放大器后，画频谱图＊＊＊＊＊＊＊＊

F＿Sam＿am＝10＊log10（abs（fft（Sam＿am）））；%画频谱图b

L＝Fs／length（Sam＿am）：Fs／length（Sam＿am）：Fs；figure（3）

plot（L，F＿Sam＿am）；axis（［0 100000 0 50］）；

图7 信号输入功放前频谱图

图8 信号输入功放后频谱图

4.2.4 试验分析

通过实验，可以看到由于功放的非线性，通过功放后的多路载波将产生严重的交调干扰，其可能产生严重的后果，如生成带外频率、占用转发器的输出功率等。

5 结语

本文通过Matlab仿真，研究了功放的非线性特性以及多路载波通过功放产生的交调干扰特点。通过掌握转发器的多载波间的交调干扰特性，对转发器合理分配信道路数以及最大限度使用通信容量有重要意义，能为转发器的频谱资源分配提供辅助决策，尽可能最大效率地利用有限带宽。以往卫星通信组织人员随机分配转发器频谱资源的不便提供了参考方案。

［1］陈振国，杨鸿文，郭文彬.卫星通信系统与技术［M］.北京：北京邮电大学出版社，2003.

［2］汪春霆，张俊祥，等.卫星通信系统［M］.北京：国防工业出版社，2012.

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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

李子龙，男，硕士研究生，研究方向：卫星通信。娄景艺，女，副教授，研究方向：卫星通信、数字信号处理。屈晓旭，男，副教授，研究方向：数字通信、无线通信。李崇远，男，硕士研究生，研究方向：数字信号处理。