卫星通信中不同调制信号的预失真研究

韩　冰，晋东立

(北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094)

Received date:2015-02-04；Revised date：2015-05-05

摘　要：卫星通信技术近年来发展较快，承载的通信业务也较多，导致频谱资源紧张，功率资源受限，迫切需要采用高阶调制、多载波传输等方式来缓解通信资源的紧张，QPSK、8PSK、16QAM等更高阶调制方式在卫星通信中将会获得越来越广泛的应用。这类信号直接通过功放后，信号产生失真，影响接收端信号的正确解调，预失真技术是近年来补偿功放非线性的最有效手段之一。在研究这几种高阶调制信号特点的基础上，对几种调制方式的信号分别进行预失真处理，并分析各信号的抗噪声性能，总结出16QAM信号在卫星通信中的应用会缓解目前通信资源紧缺问题。

关键词：卫星通信；高阶调制；预失真；RLS

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.008

卫星通信中不同调制信号的预失真研究

韩冰，晋东立

(北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094)

Received date:2015-02-04；Revised date：2015-05-05

摘要：卫星通信技术近年来发展较快，承载的通信业务也较多，导致频谱资源紧张，功率资源受限，迫切需要采用高阶调制、多载波传输等方式来缓解通信资源的紧张，QPSK、8PSK、16QAM等更高阶调制方式在卫星通信中将会获得越来越广泛的应用。这类信号直接通过功放后，信号产生失真，影响接收端信号的正确解调，预失真技术是近年来补偿功放非线性的最有效手段之一。在研究这几种高阶调制信号特点的基础上，对几种调制方式的信号分别进行预失真处理，并分析各信号的抗噪声性能，总结出16QAM信号在卫星通信中的应用会缓解目前通信资源紧缺问题。

关键词：卫星通信；高阶调制；预失真；RLS

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.008

收稿日期：2015-02-04；修回日期：2015-05-05

中图分类号：

文献标志码：码：A

文章编号：号：1002-0802(2015)06-0667-05

Abstract：Satellite communication technology develops rapidly in recent years, and satellite communication carries more communication services than ever before. Under this circumstance, frequency resource and power resource become increasingly short. As a result, different high-order modulation methods, such as QPSK, 8PSK and16QAM, are applied in satellite communication. However, power amplifier would be conducive to quick distortion of these modulated signals, and thus the compensation technology has to be adopted to deal with this distortion. Base on study of the characteristics of these high-order modulated signals, pre-distortion processings are done respectively on several modulated signals, and analyses also implemented on BER performance of QPSK，8PSK and 16QAM in the satellite nonlinear channel. Conclusion is drawn that the application of 16QAM modulation in satellite communication would alleviate the problem of communication-resource shortage.

作者简介：

Digital Pre-Distortion of Different Modulation Methods

in Satellite Communication Systems

HAN Bing，JIN Dong-li

(Beijing Institute of Tracking and Telecommunications Technology， Beijing 100094，China)

Key words：satellite communication; high-level modulation; pre-distortion; RLS

0引言

随着航空航天的发展进步，空间传输业务加速发展，对通信业务传输的实时性要求越来越高，此时数据传输速率高，需要比较成熟的高速宽带调制解调技术，以解决卫星通信中实时、大容量数据传输的瓶颈。高阶调制方式满足高速传输的要求，其中，QPSK调制方式的信号传输兼顾了频带效率和功率效率，实现复杂度低，在卫星传输系统中被广泛应用。但是随着卫星传输系统业务容量的不断增大，QPSK调制信号的传输逐渐不能满足通信业务量的需求，更高阶的调制方式(8PSK，16APSK、16QAM、64QAM等)成为了研究热点，并将应用在卫星通信的高速传输中。根据Nyquist准则，利用升余弦滚降滤波器，可以实现信号的无码间串扰(ISI)传输。16QAM信号是非恒包络调制信号，而8PSK信号经过成形滤波器后也不再为恒包络信号，这类信号通过功放和非线性信道时，信号失真，降低系统的传输性能。

在发射端主要是功放会使信号失真，早期的功放线性化技术有功率回退法[1,2]、负反馈法[3]、前馈法[4]等，但实现难易度和线性化效果不能兼顾。随着技术的发展，均衡技术被广泛应用，包括在发射端进行非线性预失真(预均衡)和在接收端进行非线性均衡(后均衡)。其中在发射端进行预均衡较后均衡简单，且效果较好，获得越来越多研究者的关注。非线性预失真主要是为了补偿功放的非线性特性，两者级联后使信号不失真。DSP技术的发展，方便了数字预失真技术的发展，而且预失真效果较好。

功放对高阶调制信号的非线性失真影响有多大？非线性失真的非线性补偿能否降低这种影响？能减小到什么程度？都是急需解决的问题。本文在研究几种高阶调制方式的基础上，对上述三种问题进行了初步探析。

1功放预失真原理

信号通过功放之后，会产生非线性失真，主要表现在：带内失真，造成误码率增大；带外扩展，干扰邻近信道，造成码间串扰。如果将经过功放后的信号直接发射出去，通过非线性信道后，信号失真程度增加，有可能不能正确解调，影响通信性能。所以有必要在发射端对信号进行非线性补偿，即在功放前加一个预失真器，预失真器与功放有互逆的非线性特性，也就是说，预失真器和功放级联后，信号通过这个级联系统后，仍然是线性的。预失真系统的系统框图如图1所示。

图1　基带数字预失真系统框图

Volterra级数[5]的一些特殊形式亦被用作有记忆的非线性预失真模型，即预失真器模型：Ding研究了基于Hammerstein模型的预失真器[6]，由于Hammerstein模型的输出与滤波器系数成非线性关系，如果初始不当，收敛很可能陷入局部极小点；Kang研究了基于Wiener模型的预失真[7]；Kim研究了基于记忆多项式模型的预失真[8]，但记忆多项式模型难以获得精确的逆，不过采用间接学习结构利用自适应算法可得到记忆多项式逆的近似解[9]。

1.1信号调制方式

QPSK调制方式已经在卫星通信中获得应用，但是卫星通信业务量逐渐增大，QPSK渐渐不能满足需求，更高阶调制方式(8PSK、16QAM、64QAM等)成为研究热点。图2为不同调制方式的星座图，从图2可以看出，与QPSK信号相比较，8PSK、16QAM及64QAM调制类型的信号星座点之间具有小的多的欧式距离，在非线性信道中进行传输时需要有较高的信噪比。同时，与QPSK调制相比，8PSK、16QAM等调制方式对相位抖动更为敏感。

(a)QPSK调制

(b)16QAM调制

(c)8PSK调制

接收端接收到信号以后，对信号解调，从解调星座图中可以看出信号的失真度，星座图也间接反映的信道的通信性能。正交调制信号经过非线性信道后，引起信号幅度和相位的失真，在星座图上表示，就是星座图散布、扭曲，同时伴有相位旋转。于8PSK信号而言，星座图的相位旋转可由载波同步进行补偿，而对于16QAM、64QAM信号而言，不同幅度的星座相位旋转的角度不一样，不能有载波相位同步完全补偿。

1.2预失真原理

功放模型选定后，预失真包含两个重要过程：预失真器模型的选取和模型参数的辨识。本文以Wiener-Hammerstein模型为功放模型，图3为W-H模型的数学结构图，式(1)～(3)为模型的数学表达式。

图3W-H模型的数学结构

其中：

(1)

(2)

(3)

其中，b1=1.0108+0.0858i，N，M。

预失真器模型选取记忆多项式模型，式(4)为记忆多项式的数学表达式：

(4)

2模型参数提取

预失真器模型确定后，选定何种辨识方法辨识模型参数尤为重要。最初采用最小二乘法对矩阵进行求逆运算，但是很难求得精确解，利用间接学习结构采用自适应算法可以求得参数的近似值。间接学习结构框图如图4所示。

图4间接学习结构框图

本文采用递归最小二乘法(RLS)递归求解式(4)中的参数。RLS不断更新的目的是使输出信号与期望信号在最小二乘意义上最匹配[10]。RLS算法为确定权系数W，使式(5)的加权平方误差累计和最小：

(5)

RLS算法的步骤为：

初始化：W=[0 0 … 0]T，P(0)=δ-1I，δ为比较小的正实数

更新权权矢量：W(n)=W(n-1)+g(n)[d(n)-XT(n)W(n-1)]

更新逆矩阵：P(n)=λ-1[P(n-1)-g(n)XT(n)P(n-1)]

其中λ为遗忘因子，取值略小于1，λn-k的物理意义是对各输入信号添加指数权，越靠近当前时刻，权值越大，时刻越靠前，权值越小，这时算法能更好的反映当前时刻，加强对非平稳信号的适应性。

3研究内容及仿真分析

本文以W-H模型为功放模型，记忆多项式(MP)模型为预失真器模型，采用递归最小二乘法(RLS)对预失真器的参数进行提取。预失真之前对信号进行归一化处理，并设置功率输入回退IBO=3dB，非线性信道为高斯白噪声信道。

(1)不同类型调制信号解调后信号星座图

(a)QPSK信号

(b)8PSK信号

(c)16QAM信号

图5的星座图显示信号被正确解调，证明预失真在保持信号线性特性上的有效性。但星座图仅是一个定性的评价标准。

在对功放预失真性能的评价标准中，EVM是比较综合反映预失真系统性能的一个定量指标，EVM的数学表达式为：

(6)

其中，χn是测试矢量信号，γn是原始参考信号。信号通过功放和接收机后，解调出的信号的星座图与原信号星座图相比发生了偏转和压缩扩展，即偏离了原始位置，这种偏离量可以用EVM来衡量。其示意图如图6所示。

图6EVM示意图

不同调制信号预失真前后的EVM值如表1所示。表1显示了预失真前后的EVM值，从表中可以看出，经过预失真，功放后的信号与原信号的差别很小，保持了良好的线性关系。

表1　不同调制信号预失真前后的EVM值对比

表1显示了预失真前后的EVM值，从表中可以看出，经过预失真，功放后的信号与原信号的差别很小，保持了良好的线性关系。

(2)用高斯白噪声信道模拟卫星通信信道，对每一种类型的信号，分析比较预失真前后信号的抗噪声能力；然后在同等条件下，比较不同调整类型信号的抗噪声能力。

抗干扰性能方面，当误码率达到0.001时，QPSK所需信噪比为7 dB，16QAM信号为11 dB，而8PSK信号为18 dB。说明QPSK最好，16QAM次之，8PSK信号最差。这点可以从星座图上找到依据。从图7可以看出，QPSK信号各点之间欧氏距离比较大，判决容易，8PSK信号各点在同一个圆上，欧式距离较小，当噪声较大时，容易落入另一个点的判决区域。16QAM信号属于正交调制类型，抗干扰能力介于QPSK和8PSK之间。

QPSK信号抗噪声能力强，但是频带资源利用率低，8PSK抗噪声干扰能力较差，频带利用率比QPSK信号好，16QAM频带利用率高，抗干扰能力也不错，但是实现较难。

在预失真处理过程中应注意，预失真前，需要对输入信号的进行功率回退，否则即使经过预失真过程，经过功放后的发射信号可能不会与原信号保持线性关系。

(a)QPSK

(b)8PSK

(c)16QAM

5结论

QPSK、8PSK以及16QAM信号经过高功放后，信号产生严重失真，分别对其预失真处理，信号能够与原输入信号保持良好的线性，验证了预失真的重要性和有效性；再次基础上，本文又验证了三种调制方式信号的频带效率，得出：16QAM最高，QPSK最低；抗噪声干扰上：QPSK最强，8PSK最差。因此，考虑到频谱资源的利用率和抗噪声能力，16QAM在未来的卫星通信中将会发挥重要作用。在目前的卫星通信中，可根据信道容量、信道非线性特性和信道噪声等情况选择合适的调制方式，以提高链路吞吐量和通信质量。

参考文献：

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韩冰(1990—)，女，硕士，主要研究方向为功放线性化技术;

晋东立(1963—)，男，研究员，主要研究方向为航天通信。