数模混合自适应功率分配星载多波束移动通信方法

汤 琦, 蒋军敏

(西安邮电大学电子工程学院, 陕西 西安 710121)

0 引 言

卫星移动通信系统一般采用多波束覆盖,实现频率复用和提高接收信噪比,从而满足小终端移动通信需求,如Thuraya和Imarsat4等静止轨道移动通信卫星都形成几百个点波束实现广域覆盖[1-2]。对于广域覆盖多波束移动通信卫星而言,由于人口分布不均衡导致不同波束内的业务量差异较大,使得各波束辐射功率分布不均衡。而传统的多波束通信卫星载荷是每个波束对应一个行波管功放,这就会导致功放的工作点随通信波束业务量的变化而变化,为了使得在最大通信业务时功放不饱和,必须对功放进行回退使用,从而极大地降低了系统功率利用率;同时由于每个功放的工作点不一致,也会导致多通道幅度和相位误差较大、并且是随机的,这将极大降低通信波束性能。

首次提出数模混合自适应功率分配方法,基于该方法的多波束移动通信卫星载荷能根据实时通信业务量自适应分配各波束的发射功率,并且所有功放的工作点基本一致,保证通信波束性能的同时极大提高了卫星载荷的功率利用率。APA-DAH多波束移动通信载荷要求每个通道的幅度和相位分布完全一致,否则不同波束信号会相互干扰,使得系统性能急剧下降。为了保证通信性能,在工程中要对多通道的幅度和相位进行实时监测和校准。多通道幅相校准方法主要分为有源校准[3-8]和无源校准[9-16]。在深入研究各类校准方法的优缺点基础上,论文提出了一种适用于APA-DAH多波束移动通信的幅相一致性校准方法,该方法利用零相关[17]序列(zero-correlation zone,ZCZ)具有优异的自相关和互相关(零相关区间内)特性,实现多通道快速校准,并且校准不影响正常通信性能。本文所提出的方法也适用于5G基站、雷达和声呐等多波束系统中。

1 APA-DAH多波束系统

APA-DAH多波束系统(以4波束为例)如图1所示,由数字波束形成网络(可选)、校准信号耦合模块、输入Butler矩阵、幅相误差补偿模块、通道幅相误差测量及校准模块、上变频器、功放和输出Butler矩阵组成。其中由数字波束形成网络、校准信号耦合、输入Butler矩阵、幅相误差补偿、通道幅相误差测量及校准等功能通过数字处理器件实现,如FPGA或ASIC芯片;频综及混频模块、放大模块和输出Butler模块采用模拟器件实现。

图1 APA-DAH 4波束系统Fig.1 Four beams for APA-DAH

输出Butler矩阵采用微带线[18]实现功率分配与合成、移相等功能,图2是4×4 Butler矩阵的实现结构。

图2 Butler矩阵(4×4)Fig.2 Butler matrix for 4×4

由图2可知，输出Butler矩阵属于无源器件,在轨长时间工作时幅相响应基本保持不变;而上变频器和功放是有源器件,其幅相会随工作环境和时间的变化而变化。所以,APA-DAH多波束系统的幅相误差主要来源于上变频器和功放。下面以4波束为例分析数模混合自适应功率动态分配星载多波束系统性能。

由图2可得,4×4 Butler矩阵为一酉矩阵,其传递函数为

(1)

当输出Butler矩阵为式(1)所示的理想酉矩阵时,输入Butler矩阵Bin是Bout的转置,否则Bin是Bout逆矩阵。并且输入Butler矩阵在数字芯片中以矩阵相乘的方式实现,优点是可以根据输出Butler实测幅相分布变换得到,提高系统的性能同时易于工程实现。混频器和功放的传递函数是一单位阵,即

(2)

式中,ai、φi分别为第i(i=1,2,3,4)通道的幅度和相位响应。由图1可得到APA-DAH 4波束系统的传递函数为

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，当A1=A2=A3=A4=A,即有源通道的工作点一致、不存在幅相误差时,可得hii=A1+A2+A3+A4=4A,hij=0,(i≠j),即APA-DAH的传递函数为一对角阵，即

(6)

多输入多输出系统通道幅相一致性直接影响波束性能,国内外学者对多通道幅相一致性估计和校准问题进行了深入的研究[3-16]。文献[3]针对MUSIC算法,分析了幅相一致性误差对其分辨性能的影响;文献[4]提出了适用于非高斯信号的基于独立成分分析法的幅相误差校正算法;利用线性阵列协方差矩阵拥有特定的相关性,文献[5]提出了基于线性阵列的幅相误差自校正算法;文献[6]利用阵列信号协方差矩阵与其共轭矩阵的Hadamard积构造新的协方差矩阵,并对其进行矩阵分解,从而得到阵列幅相分布的估计值,其估计精度比文献[5]高,但计算更复杂;针对两个或两个以上目标源,文献[7-8]利用阵列接收数据和其共轭的点积估计幅相误差。上述幅相误差估计算法都属于无参考源自校正算法,其特点是不需要额外校准信号源、估计精度相对较差且计算量较大,适用于实时性要求不高的离线数据处理和补偿中。另一类校准算法为有参考源校准法,其特点是计算量小、精度高,在工程中得到广泛使用。文献[9]提出了一种基于特征分解的高精度有源校正算法,该方法缺点是需要较多的校正源、校正过程复杂;文献[10]提出了一种基于传统数据模型估计(estimation algorithm for the conventional data model, EACDM)的幅相误差有源校正算法,优点是仅仅利用了参考源的方位信息,减小了计算量,但估计性能受收信噪比影响较大;文献[11]提出了一种基于多级维纳滤波器的幅相一致性快速校正算法,在高信噪比时该算法具有较好的性能、并且计算量小,但在低信噪比下其性能急剧下降。针对多波束卫星载荷幅相一致性测试问题,文献[12-13]和文献[14]分别提出了近场有源校准方法和远场有源校准方法,其中近场有源校准需要高信噪比测试信号,而远场校准易受周围环境干扰、估计精度相对较差;文献[15]提出用m/WH码作为参考信号,文献[16]用伪随机码作为参考信号,这两种方法都通过参考信号的相关性降低参考信号的发射功率,由于没有考虑参考信号间的多址干扰,该方法仅适用于独立单通道幅相误差校准。

由式(4)～式(8)可知,每个波束信号被输入Butler矩阵分路成多路相干信号,该多路相干信号同时经过不同变频和放大链路后又由输出Butler矩阵合成一路,如果各链路间存在幅相一致性误差,则破坏了信号的相干性、导致合路信号的性能急剧下降。所以需要对APA-DAH多波束系统进行幅相一致性校准,并且校准时不能影响正常通信。为此,本文提出了一种适用于APA-DAH多波束移动通信的幅相一致性校准方法,该方法利用ZCZ序列具有优异的自相关和互相关(零相关区间内)特性,实现多通道快速校准,并且校准不影响正常通信性能,满足移动通信卫星实时不间断通信的需求。

2 APA-DAH系统幅相误差校准算法

2.1 算法原理

如图1所示,设参考信号为S1in、S2in、S3in、S4in,则数模混合功率动态分配网络耦合端口(S4out)输出的信号为

S4out=h41S1in+h42S2in+h43S3in+h44S4in

(7)

分别用参考信号(S1in、S2in、S3in、S4in)和输出信号(由式(7)得到)作相关,并令PS1in、PS2in、PS3in、PS4in分别为参考信号的发射功率谱,S4out和S1in、S2in、S3in、S4in的互功率谱分别为PS41、PS42、PS43、PS44。如果参考信号为正交序列,即S1in、S2in、S3in、S4in相互正交式,则可得

(8)

假设输入参考信号的功率相同都为归一化功率谱,即PS1in=PS2in=PS3in=PS4in=1,则由式(8)可计算得到通道有源部件的幅相误差分布，即

(9)

由上述分析可知:对功率自适应分配星载多波束通信载荷进行幅相误差校准时,由于信号间存在耦合,需要保证参考信号间相互正交,否则会产生多址干扰;并且在线进行幅相误差检测和估计时,不能影响系统的正常通信性能,这就要求参考信号的功率应远小于工作波束信号的功率(对于星载多波束通信载荷,参考信号幅度应低于工作波束信号幅度20 dB以上),这就要求参考信号在低信噪比下具有优异的自相关性能。由Walsh界理论可知:不存在同时拥有理想的自相关和互相关特性的序列,但ZCZ序列在某特定的窗口(如零相关窗口)内同时具有理想的自相关和互相关特性,所以采用ZCZ系列作为校准信号。

2.2 校准算法

综合以上,数模混合自适应功率分配系统幅相误差校准算法步骤如下:

步骤1校准信号产生模块生成4组正交参考信号(ZCZ码簇),并分别耦合到对应的波束信号中,其中各路参考信号功率相等、并低于通信波束信号15 dB以上;

步骤2在输出Butler的最后一个输出端口耦合一路校准信号,耦合的校准信号S4out(如图1所示)输入到通道幅相误差测量及校准模块中,通道幅相误差测量及校准模块根据式(8)依次用本地ZCZ原码和S4out作相关,从而得到多通道幅度和相位响应函数;

步骤3通道幅相误差测量及校准模块根据式(9)得到每个通道的幅度和相位估计值,然后对多次估计值进行平均,从而消除白噪声对估计精度的影响;

步骤4幅相误差补偿模块根据幅相误差估计结果,计算补偿系数,并在数字处理芯片中对其进行补偿。

3 性能仿真及远场测试结果

3.1 性能仿真分析

仿真参数设置如下:采用4组正交ZCZ码作为校准信号,码长为8 192,码速率为34 Mbps,调制方式BPSK,载波频率2.1 GHz,仿真次数为200次;通道幅度一致性均服从方差为3 dB的正态分布、相位一致性均服从方差为120°的正态分布。

图3分别对PN码、m/WH码和ZCZ码作为参考源的校准性能进行了比较。

图3 幅度、相位估计RMSE曲线Fig.3 RMSE of amplitude and phase estimation

从图3可以看出,在低信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)时ZCZ码具有更好的性能,并且相干累积后测量精度都有明显提高。从图2中可以得出在SNR为-15 dB时,采用ZCZ码估计得到的幅度一致性均方根误差(root-mean-square error，RMSE)优于0.1 dB、相位一致性RMSE优于0.2°,此时,参考信号功率比正常通信信号功率低15 dB以上,即参考信号功率和噪声功率相当,所以校准时不会影响正常通信性能。

由3组图1所示的功率动态分配网络构成12输入12输出多波束系统,该系统安装在二维转台上,测试时转台按一定的步进转动,由远场接收天线接收并计算出波束的性能;通道一致性校准采用本文方法,采用ZCZ码,码长为4 096,输入为70 MHz中频信号,输出为2.1 GHz的射频信号,中频率校准信号输入功率为-15 dBm,即校准信号发射功率与系统噪声功率相当。

3.2 外场试验

在航天504所的室外测试场对提出12输入12输出APA-DAH多波束移动通信载荷的性能进行了远场性能测试。测试条件如下:如图4所示,12波束载荷仓安装在二维转台上,转台按设定的步进运动,在远场用接收天线接收发射波束信号,并通过计算得到波束图;校准信号为ZCZ码,码长为8 192,载波频率为2.1 GHz的射频信号,参考信号发射功率比通信波束信号低-15 dBm,即校准信号发射功率与系统噪声功率相当;波束1和波束6分别占载荷总功率30%,其余波束分别占载荷总功率4%。

图4(a)给出了波束6的理论增益图、图4(b)给出实测增益图、图4(c)给出波束6校准后增益损失图。

图4 波束6理论、实测增益图Fig.4 Theory and measured gain chart for beam 6

表1给出全部12个波束校准后增益损失。

表1 12个波束校准后3dB处增益损失

Table 1 Gain loss for all 12 beam at 3 dB

从表中可以看出校准后主瓣内增益损失均小于0.32 dB。

4 结 论

针对多波束移动通信卫星业务不均衡的实际需求,提出数模混合自适应功率系统实现方法,在卫星载荷总辐射功率保持恒定、每波束的辐射能量随通信业务量自适应分配总辐射能量,极大提高了卫星载荷的功率利用率。针对通道幅相分布不一致时,波束信号间产生耦合导致系统性能急剧下降问题,论文利用零相关序列在零相关区间内具有优异的自相关和互相关特性,提出了基于零相关序列的幅相一致性校准方法,实现多通道快速校准,并且校准不影响正常通信性能。性能仿真和远场测试结果表明:校准后的幅度误差优于0.1 dB、相位误差优于0.3°,实测波束主瓣内增益损失小于0.35 dB。