卫星载荷扩大器功能研讨与波形体制选择
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马玉娟, 姚怡, 李建成, 等. 卫星载荷扩大器功能研讨与波形体制选择[J]. 信息通讯武艺与政策, 2022,48(1):89-96.
卫星载荷扩大器功能研讨与波形体制选择
马玉娟1 姚怡2 李建成3 曹正玉2 黄秀莹3
（1. 中国信息通讯研讨院武艺与标准研讨所，北京 100191；2. 中国卫通团体股份仅限公司，北京 100190；3. 银河航天（北京）通讯武艺仅限公司，北京 100192）
择要：卫星通讯体系波形体制的界说，是体制标准订定的基本事情之一。既要思索到体制波形本身的特点，也要思索到体系中器件特性对信号转达的影响。对OFDM体制波形、DFT-s-OFDM体制波形在颠末载荷扩大器后的射频特性举行丈量；经过EVM、PAPR、信噪比解调门限、听从等目标，评价两种体制信号在单载波、四载波场景下的功能质量，进而对波形体制的选择给出发起。
紧张词：波形体制；波形验证；OFDM；DFT-s-OFDM；EVM；BER
中图分类号：TN722.75 文献标识码：A
引用格式：马玉娟, 姚怡, 李建成, 等. 卫星载荷扩大器功能研讨与波形体制选择[J]. 信息通讯武艺与政策, 2022,48(1):89-96.
DOI：10.12267/j.issn.2096-5931.2022.1.015
0 弁言
卫星通讯体系的组网外形和业务需求，给体系计划带来多项挑唆。特别是卫星互联网超高速率传输需求，要求使用频谱使用率高的波形体制，以及几百兆赫兹乃至更宽的载波带宽。不仅体制计划繁复，也给器件完成带来挑唆。在传统的卫星通讯中，DVB信号体制广泛使用，而比年来，3GPP、ITU等构造均提出了基于5G的星地交融通讯体制计划理念，并展开干系的研讨验证。OFDM体制信号由于频谱听从高、抗多径才能强、频谱资源分派机动而备受推许。在地表5G体系中，下行选择OFDM体制，确保信号传输质量。抬升使用DFT-s-OFDM体制，最大水平低落信号峰均比。而卫星通讯由于功率受限，要求更低的信号峰均比，对波形体制提出更高的计划要求。别的，体制计划与还应思索硬件完成方案和器件特性婚配性。现在，卫星载荷的计划方案，倾向于每个射频通道承载多个波束的信号，信号的叠加效应必要在体制计划初期给予思索。射频器件非线性对信号特性的影响也必要举行摸底验证。本文基于一种载荷扩大器，对两种体制信号波形在颠末扩大器后的特性举行验证，为卫星通讯体制波形选择提供佐证。
1 卫星通讯体系常用波形体制
传统的卫星通讯体系广泛使用DVB-S标准，包含DVB-S、DVB-S2、DVB-S2X、DVB-RCS等。DVB体制为单载波体系，体系峰均比低，但资源调治缺乏机动性。DVB帧布局不区分控制信道和业务信道，不区分用户，一切用户必需对一切数据举行解调，再从使用层分散信令和数据，不仅体系容量受限，还存在宁静性成绩。无广播控制信道的计划还招致体系缺乏随机接入机制。DVB体制的范围性招致其无法满意现在卫星挪动通讯支持海量终端、多种业务外形、高数据吞吐量的计划需求。
现在，ITU、3GPP等国际标准化构造相继展开了非地表网络的研讨，标准研制事情重点为基于5G的星地交融通讯体制计划。基于5G NR通讯体系的空口波形包含OFDM和DFT-s-OFDM。OFDM信号不同子载波可以承载不同信道，可以关闭子载波完成干扰规避，资源调治机动，同时可以使用频域均衡，体系繁复度低。DFT-s-OFDM不同子载波可以承载不同信道，但无法完成干扰规避，同时只能使用时域均衡，繁复度比OFDM高。
OFDM信号由多个独立的、颠末调制的子载波信号叠加而成，构成的信号产生大的峰值功率，即带来较大的峰均比；而DFT-s-OFDM实质上是单载波调制体系，其峰均比低于OFDM。依据实际分析和仿真，DFT-s-OFDM比OFDM的峰均比低3 dB支配。
现在，星上载荷大多接纳多波束计划，即单个扩大器承载多个波束的信号。多个波束的DFT-s-OFDM信号叠加，峰均比会进一步抬升。而OFDM信号由于本身已是多个子载波信号叠加，多波束产生的叠加效应并不分明。依据实际分析，在一个波束内设置多路信号的情况下，OFDM和DFT-s-OFDM峰均比会趋于相似，DFT-s-OFDM不再具有峰均比上风。此种情况下必要经过实验验证，进一步明白二种波形的差别性。
2 载荷扩大器分类
在卫星通讯体系中，星载扩大器是中心器件之一。现在，接纳的高功率扩大器（High Power Amplifier，HPA）主要包含3类：行波管扩大器（Travelling Wave Tube Amplifier，TWTA）、固态功率扩大器（Solid State Power Amplifier，SSPA）以及速调管扩大器（Klystron Amplifier，KPA）。
KPA输入功率最大，但带宽仅有50~100 MHz，其广泛使用于电视广播体系的抬升站和一些带宽较窄的FDMA地表站。TWTA输入功率较小，可支持较宽的带宽。比如，在Ka频段带宽可达2000 MHz。TWTA具有长命命、分量轻和高听从的优点，被广泛使用，如中国卫通团体股份仅限公司的中星16号高轨高通量卫星即接纳行波管扩大器。但由于TWTA作为真空管，接纳了热阴极发射，必要精密的高压电源，制造本钱和维护本钱较高。SSPA输入功率最小，合适于低功率使用场景。随着固态武艺和功率构成武艺的不休提高，SSPA渐渐完成了大功率输入；且由于SSPA精良的线性度，使得在低轨卫星通讯体系中，渐渐被载荷计划职员承受。现在，已知银河航天发射的首颗实验星即接纳了SSPA。
3 波形验证测试项
传统针对扩大器的测试包含噪声系数、三阶交调、1 dB紧缩点、带内平展度等。单靠此中一项参数不敷以反应出器件的全体功能，必要对多项参数综合分析比力才干取得器件特性。别的，受信号格式、信号带宽、载波数目等影响，不同的体制信号颠末扩大器后功能也不尽相反。因此，针对宽带卫星通讯体系的载荷扩大器评价，必要使用体制信号作为被测波形，经过EVM、BLER、PAPR等通讯功能目标举行验证。
3.1 偏差向量幅度
偏差向量幅度（Error Vector Magnitude，EVM）是指一个给定抱负无偏差基准信号与实践发射信号的向量差，能全盘权衡调制信号的幅度偏差和相位偏差。EVM具体表现吸收机对信号举行解调时产生的IQ分量与抱负信号分量的接近水平，是评价调制信号质量的一种目标。EVM的变坏主要由于非线性惹起（如PA的AM-AM失真），以是EVM通常作为权衡器件或装备线性功能的标志。
偏差向量通常与I/Q调制办法有关，且常以解调标记的星座图表现。偏差向量幅度界说为偏差矢量信号均匀功率的均方根与抱负信号均匀功率的均方根之比，并以百分比的情势表现。EVM越小，信号质量越好。与此同时，越高阶的调制办法，它的星座点越密，对EVM要求越高。
3. 2 信号峰均比
信号峰均比（Peak to Average Power Ratio，PAPR），是指信号峰值功率与均值功率的比值，通常用CCDF如此一个统计函数来表现。其曲线表现的是信号的功率（幅度）值和其对应的显现概率，测试中通常选用0.01%的概率。峰值功率太高会将扩大器推入非线性区从而产生失真，屡屡峰值功率越高，扩大器非线性越强，就必要回退更多的功率来减小非线性。别的，PAPR还会影响到发射机频谱再生，如邻道功率流出。
3.3 信号解调信噪比门限
信号解调信噪比门限测试，是指针对某种调制编码办法（Modulation and Coding Scheme，MCS）的信号，在不凌驾给定的BLER（Block Error Rate）下，可以支持的最小的信道信噪比。在卫星通讯体系中，网络调治用户时，会依照如今的信道特性，指示用户依照一个MCS举行数据映射和数据解调。通常会经过仿真给出MCS对应最小SNR矩阵表，但仍必要经过验证察看器件特性带来的影响。
BLER数据块不对率是对单位时间内信道上吸收到错误数据块的一个统计参数，表现数据块颠末CRC校验后的错误概率，它可以权衡吸收机在噪声、衰落等繁复条件下的解调质量。因此，接纳BLER作为解调信噪比门限的推断目标。
3.4 听从
卫星为功率受限体系，扩大器的听从对体系计划至关紧张。为了制止功放饱和对信号削峰形成信号质质变坏，扩大器会事情在非饱和形态。而功率回退一定会招致听从变差，因此在验证体制信号时，必要思索扩大器事情点的听从。
4 实验办法及设置
本次实验旨在验证DFT-S-OFDM与OFDM信号，颠末载荷扩大器后的功能厘革。为了确保富裕性和完备性，测试在多种设置下展开。
4. 1 信号特性测试
信号特性测试包含EVM和PAPR。经过比力信号颠末扩大器后与原始信号的特性参数EVM、PAPR的厘革，评价扩大器对信号特性的影响。针对DFT-sOFDM、OFDM两种体制信号，分散验证QPSK、8PSK、16QAM、64QAM调制办法单载触及四载波设置下的信号特性。同时，为了富裕评价扩大器的影响，测试在扩大器P1dB事情点及不同功率回退品级下展开。
如图1所示，EVM和PAPR测试由信号分析仪内置的丈量功效测试。DFT-s-OFDM信号使用5G NR抬升信号波形，OFDM信号使用5G NR下行信号波形。矢量信号源调用内里5G NR波形，并调制至功放中央频点，后经过扩大器组件取得扩大后的信号。扩大后的信号经过耦合器分两路，此中一块接入信号分析仪，举行EVM、PAPR丈量；另一块接入功率计监测扩大器的事情形态。别的，为了验证测试办法比对测试后果，在正式测试前，先经过信号源与频谱仪直连，测试原始信号的EVM和PAPR。
图1 信号特性测试方案装备毗连框图
4.2 信号解调信噪比门限测试
测试信号颠末扩大器后，在满意BLER不大于10-3条件下，可以支持的最小信噪比。针对DFT-sOFDM、OFDM两种体制信号，选择8PSK调制办法，3/4码率，分散在单载波、四载波设置下，针对扩大器事情在P1dB、P3dB举行测试。
由于信号分析仪等通用仪表并不支持BLER的统计和盘算，因此经过MATLAB搭建仿真平台，完成DFT-s-OFDM、OFDM体制信号的天生、剖析及BLER盘算功效。
如图2所示，由仿真平台产生DFT-s-OFDM、OFDM基带信号，送入矢量信号产生器中并调制至功放中央频点。经过扩大器扩大后的信号通太过为两路，此中一块勤奋率计监测扩大器的事情点形态，另一块与AWGN噪声合路。合路后的信号输入至信号分析仪，并从信号分析仪提取出IQ数据，送入仿真平台举行解和谐BLER盘算。
图2 信号解调门限测试装备毗连框图
4.3 扩大器听从测试
测试扩大器在不同载波设置、不同调制办法下，以及不同的功率回退点下的听从，确定扩大器不同事情形态下的听从特性。经过纪录扩大器事情的电流电压，以及输入功率，盘算其听从。针对DFT-s-OFDM、OFDM两种体制信号，分散验证QPSK、8PSK、16QAM、64QAM调制办法单载触及四载波设置下的信号特性。同时，为了富裕评价扩大器的影响，测试在扩大器P1dB事情点及不同功率回退品级下展开。听从测试，由可跟踪稳压电源及时体现扩大器在不同事情形态下的电压和电流，由功率计纪录功放的输入功率，进而盘算出听从。听从测试体系毗连与信号特性测试一律，在实践测试时，听从可与信号特性测试同时举行。
5 测试数据
5.1 信号特性测试
5.1.1 EVM测试
在正式测试前，起首测试仪表直连下体系EVM，测试后果体现，种种载波设置下，EVM最大值<2.5%，体系剩余EVM值在可信区间。单载波与四载波设置EVM测试后果分散参见图3、图4，测试后果体现：在颠末固态扩大器之后，信号的EVM值产生较大变坏。随着输入功率回退，EVM随之改良。单载波场景下，相反的调制办法，DFT-s-OFDM体制的EVM分明优于OFDM体制。如在P1dB功率点，差别约10%。随着载波数目标增长，载波异渐渐变小。DFT-s-OFDM体制与OFDM体制四载波的EVM值差小于单载波，相反的调制办法，在P1dB功率点，差别约4%。相反的调制办法下，OFDM体制波形四载波与单载波的EVM数值几乎一样。相反的调制办法下，DFT-s-OFDM体制波形四载波的EVM数值较单载波的差，即随着载波数目增长，EVM数值产生变坏。
图3 单载波EVM测试后果
图4 四载波EVM测试后果
5.1.2 PAPR测试
在正式测试前，起首测试原始波形的PAPR。测试后果体现，DFT-s-OFDM体制信号，单载波不同调制办法PAPR在6.5~7 dB之间，四载波不同调制办法PAPR在9.5~10 dB之间；OFDM体制信号，单载波、四载波不同调制办法PAPR均在9~9.5 dB之间。测试后果与实际值坚持一律。
OFDM体制与DFT-s-OFDM体制波形的PAPR测试后果分散参见图5、图6，测试后果体现：OFDM体制波形，四载波与单载波的PAPR数值几乎一样。DFTs-OFDM体制波形，四载波的PAPR数值大于单载波的数值。颠末固态扩大器之后，由于信号紧缩招致PAPR数值变小。随着输入功率回退，PAPR数值渐渐抬升。在单载波场景下，DFT-s-OFDM体制波形的PAPR小于OFDM体制。在四载波场景下，两种调制办法PAPR数值相似。
图5 OFDM体制信号PAPR
图6 DFT-s-OFDM体制信号PAPR
5.2 信号解调信噪比门限测试后果
由表1信号解调信噪比门限测试后果所示：颠末扩大器后，OFDM体制波形的解调门限高于DFT-sOFDM体制波形。随着功率回退，两种体制波形之间的差别渐渐变小。颠末扩大器后，四载波的解调门限比单载波大，此中DFT-s-OFDM体制波形差别分明。随着功率回退，单载波与四载波间的差别渐渐变小。在P1dB-3，两种体制波形的单载波与四载波均无差别。
表1 信号解调信噪比门限测试后果
5.3 听从测试后果
单载波与四载波设置下，听从测试后果分散参见图7、图8，测试后果体现：随着功率回退，扩大器的听从渐渐低落。在单载波场景下，DFT-s-OFDM体制的听从略优于OFDM体制。在四载波场景下，两种体制的听从几乎相反。
图7 单载波听从测试后果
图8 四载波听从测试后果
6 在轨实验
为了进一步验证体制波形的实用性，在实行室测试的基本上，先后经过银河航天低轨卫星、中国卫通中星16号高轨、高通量卫星展开在轨实验，对体制波形在上下轨卫星真实通讯场景中的功能举行了验证。
为了顺应卫星通讯信道特性，通讯信号在3GPP 5G NR体制基本上举行了优化。如图9所示，测试平台天生下行DFT-s-OFDM体制的PDSCH信道信号，由信号源调制并发送至信关站中频接口，信关站对信号举行变频扩大后经过天线发射向卫星。卫星将信号转发后，由终端吸收。终端将信号吸收扩大后输入至频谱分析仪。频谱分析仪收罗数据后，再由测试平台对数据举行分析。
实验后果体现，100 MHz带宽载波设置，颠末中星16号高轨高通量卫星或银河航天低轨卫星转发后，单终端峰值通讯速率均凌驾200 Mbit/s，满意卫星通讯绝大数使用场景的必要。验证了优化的5G信号体制在上下轨卫星通讯体系中的可用性。
图9 在轨测试体系毗连图
7 完毕语
本文先容了OFDM体制、DFT-s-OFDM体制信号在颠末载荷扩大器后功能的厘革。实验数据体现，针对卫星载荷单波束计划，DFT-s-OFDM体制信号在EVM、BLER功能方面优于OFDM体制波形。而在多波束计划方案中，由于波束间的叠加效应，DFT-sOFDM体制波形的功能渐渐趋近OFDM体制波形。在实践方案计划中，必要依据载荷计划方案，团结OFDM体制、DFT-s-OFDM体制两种体制波形的优缺陷，综合思索选定波形。
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Satellite payload amplifier performance research and communication waveform selection
MA Yujuan1, YAO Yi2, LI Jiancheng3, CAO Zhengyu2, HUANG Xiuying3
(1. Technology and Standards Research Institute, China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100191, China; 2. China Satellite Communications Co.,Ltd., Beijing 100190, China; 3. Galaxy Aerospace (Beijing) Communication Technology Co.,Ltd.,Beijing 100192, China)
Abstract: The definition of waveform system of satellite communication system is one of the basic work for the establishment of system standard. Both the characteristic of the system waveform and the influence of the device characteristic on the signal propagation should be considered. In this paper, the RF characteristics of OFDM system waveform and FTs-OFDM system waveform after passing through payload amplifier were measured. Through EVM, PAPR, SNR demodulation threshold, efficiency and other indicators, the performance quality of the two systems signals under single carrier and four carrier scenarios was evaluated. Furthermore, suggestions are given for the selection of waveform system.
Keywords: waveform system; waveform verification; OFDM; DFT-s-OFDM; EVM; BER
本文刊于《信息通讯武艺与政策》2022年 第1期
