非線性功放對數(shù)字調(diào)制信號的影響研究

摘要：功放的非線性會帶來調(diào)制信號的性能惡化，基于simulink建模，對比仿真了恒包絡(luò)調(diào)制MSK和非恒包絡(luò)調(diào)制BPSK，在功放線性和非線性區(qū)域時(shí)的誤碼性能，以及在帶寬受限條件下，相鄰信道干擾對信號誤碼性能影響。仿真結(jié)果表明，功放飽和對非恒包絡(luò)調(diào)制信號影響更大，尤其是信道間隔較小的情況下，非恒包絡(luò)調(diào)制信號的誤碼性能惡化嚴(yán)重。該研究為數(shù)字通信系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)提供了一種可借鑒分析方法。
關(guān)鍵詞：非線性功放；數(shù)字通信；調(diào)制信號；鄰道干擾

0 引言
    功率放大器(簡稱功放)是通信系統(tǒng)必不可少的一個(gè)部件，通常工作在發(fā)射機(jī)的末端，用于提供較大的功率輸出。本質(zhì)上射頻功放都是非線性的，即輸出信號中會包含非線性引起的失真分量，輸入電平越大，非線性越嚴(yán)重。非線性會引起發(fā)射信號的畸變，降低信號質(zhì)量，增加誤碼率，同時(shí)使信號的頻譜展寬，產(chǎn)生帶外輻射，對鄰道形成干擾。因此研究功放對數(shù)字調(diào)制信號的影響，不僅能夠更進(jìn)一步加深理論上的理解，而且對實(shí)際工程中的功放和調(diào)制方式的設(shè)計(jì)以及選擇也具有重要的指導(dǎo)意義。
    文獻(xiàn)研究了恒包絡(luò)調(diào)制的GMSK信號在非線性信道(C類功放)下的性能影響；文獻(xiàn)研究了非恒包絡(luò)的TCM-8PSK信號在非線性功放下的誤碼率性能，并采用LMS的均衡算法，改善非線性失真；文獻(xiàn)仿真了非恒包絡(luò)的BPSK，QPSK信號通過飽和功放后的頻譜以及誤碼特性。以上文獻(xiàn)沒有對比分析非線性功放對恒包絡(luò)和非恒包絡(luò)調(diào)制信號的性能影響，也沒有分析非線性功放下，調(diào)制信號的帶外輻射對鄰道信號的干擾影響。因此，本文首先建立非線性功放模型，然后分別從Eb／N0性能、頻譜特性、星座圖和相鄰信道干擾下的誤碼性能等多個(gè)方面對比分析了非線性功放對恒包絡(luò)調(diào)制(MSK)和非恒包絡(luò)調(diào)制(BPSK)進(jìn)行了對比分析，并且根據(jù)分析結(jié)果對實(shí)際工程中的功放和調(diào)制方式的設(shè)計(jì)和選擇給出了建議。

1 通信系統(tǒng)性能評估
1．1 通用的評估方式
    對數(shù)字通信系統(tǒng)，傳統(tǒng)的性能評估指標(biāo)是誤碼率BER和Eb／N0，Eb是單位比特的平均信號能量，N0是噪聲單邊功率譜密度，評估調(diào)制方式的一個(gè)方法是對于給定的BER，所需要的Eb／N0盡可能小。
    不同的調(diào)制方式，其功率譜密度不同，某些調(diào)制方式有更緊湊的功率譜密度，可在相同的頻率帶寬內(nèi)傳輸更多的比特，因此，評估調(diào)制方式的另一個(gè)方法，是在滿足用戶BER性能的情況下，在給定的帶寬W下，獲得盡可能高的用戶速率Rb，一般以帶寬效率來衡量，定義為：Rb／Wb／s·Hz-1。
    調(diào)制方式的總目標(biāo)是在滿足一定誤碼率要求的情況下，所需的Eb／N0最小，帶寬效率Rb／W最大。
1．2 帶功放的通信系統(tǒng)評估
    傳統(tǒng)的性能評估方式Eb／N0中，假設(shè)發(fā)射功率相同，信號無失真，工程系統(tǒng)中，調(diào)制信號經(jīng)過功放后，都會有一定的失真，只是不同的調(diào)制方式，對功放的非線性敏感程度不同，因此評估工程系統(tǒng)的BER性能時(shí)，應(yīng)考慮經(jīng)過功放后調(diào)制信號的Eb／N0。

    另外，工程系統(tǒng)中，還要考慮鄰道干擾，如圖1所示。帶寬效率定義為Rb／W’，W’定義為兩相鄰信道的頻率間隔，假設(shè)相鄰的左右兩個(gè)信道采用同樣的功放，同樣的調(diào)制方式，則此時(shí)的系統(tǒng)BER性能不僅和帶內(nèi)的噪聲相關(guān)，還與鄰道信號的帶外干擾有關(guān)。

2 系統(tǒng)模型
    系統(tǒng)在matlab的simulink環(huán)境中進(jìn)行仿真，仿真模型如圖2所示。調(diào)制信號和功放產(chǎn)生用戶信號，鄰道信號和功放，產(chǎn)生鄰道干擾信號，帶通濾波器濾掉帶外干擾，在白噪聲信道中產(chǎn)生白噪聲，信號分析對信號頻譜和星座圖進(jìn)行分析，誤碼統(tǒng)計(jì)完成BER統(tǒng)計(jì)。帶通濾波器、白噪聲信道、信號分析和誤碼統(tǒng)計(jì)模塊都采用simulink標(biāo)準(zhǔn)模塊實(shí)現(xiàn)，下面主要介紹下調(diào)制信號、功放和鄰道信號模塊。

2．1 調(diào)制信號
    恒包絡(luò)調(diào)制的信號包絡(luò)固定，而非恒包絡(luò)調(diào)制的信號包絡(luò)隨時(shí)間變化。恒包絡(luò)調(diào)制不受非線性功放傳輸函數(shù)(AM／AM)的影響，但相對于非恒包絡(luò)調(diào)制，其主瓣帶寬更大，這在信道間頻率間隔較小的情況下，會引起鄰道干擾。
    為了公平地比較，選擇了均為二進(jìn)制的數(shù)字調(diào)制方式：恒包絡(luò)調(diào)制MSK和非恒包絡(luò)調(diào)制BPSK，符號速率均為50 Mb／s，其中，BPSK采用滾降系數(shù)為0．35的根升余弦濾波器。并且在實(shí)驗(yàn)中分別針對45～75 MHz兩種信道間隔進(jìn)行了分析。
2．2 功放模型
    功放是典型的非線性器件，基本認(rèn)為是無記憶系統(tǒng)，當(dāng)前時(shí)刻的輸出只與當(dāng)前時(shí)刻的輸入相關(guān)。放大器可以用一個(gè)無記憶非線性系統(tǒng)來進(jìn)行建模。若輸入信號為：
    x(t)=a(t)cos[ωt+φ(t)]     (1)
    則非線性放大輸出后為：
    y(t)=f[a(t)]cos{ωt+φ(t)+g[a(t)])     (2)
    式中：f(·)和g(·)分別表示非線性器件的幅度一幅度(AM-AM)和幅度-相位(AM-PM)的傳遞特性。
    功放模型采用matlab中的General Amplifier，功放系數(shù)采用rfdata．data，射頻頻率為2．1 GHz，功率輸入輸出特性如圖3所示。

2．3 鄰道信號
   鄰道信號工作在相鄰的載波上，使用同樣的功放和調(diào)制方式，即非線性功放的帶外干擾一致。

3 仿真結(jié)果及分析
3．1 對信號頻譜的影響
    增大功放輸入的驅(qū)動(dòng)電平，使功放工作在飽和區(qū)域，經(jīng)過非線性放大后，BPSK和MSK信號的功率譜都發(fā)生了明顯的擴(kuò)展和畸變，如圖4所示，調(diào)制信號經(jīng)過功放后，功率放大了約10 dB，導(dǎo)致了嚴(yán)重的頻譜再生，在±50 MHz處，旁瓣抑制從約50 dB減小到約35 dB，增加了對相鄰信道的干擾。

3．2 對星座圖的影響
    星座圖被用來分析信號調(diào)制域特性，經(jīng)過功放飽和區(qū)域放大后，產(chǎn)生信道帶內(nèi)的雜散信號，造成連續(xù)的噪聲干擾來源，信號中附帶的噪聲所產(chǎn)生的失真會在星座圖上形成明顯的云般的形狀，形狀的大小代表帶內(nèi)相干干擾幅度的強(qiáng)弱，如圖5所示，經(jīng)過功放飽和區(qū)域放大后，對BPSK和MSK調(diào)制信號，都有一定的影響，但對非恒包絡(luò)調(diào)制的BPSK信號影響更大。
3．3 對誤碼性能影響
    圖6給出了BPSK和MSK的理論誤碼率曲線“+”(BPSK和MSK的理論誤碼性能一致)，經(jīng)過功放線性區(qū)域放大后的誤碼率曲線BPSK"o"和MSK “·”，經(jīng)過功放飽和區(qū)域放大后的誤碼率曲線BPSK“*”和MSK“▽”。由圖6所示，BPSK和MSK信號經(jīng)過功放線性區(qū)域放大后，性能有大約1 dB的下降，說明功放的線性區(qū)域也只是一種近似線性，帶內(nèi)也有雜散和失真，造成了誤碼性能惡化。BPSK和MSK信號經(jīng)過功放飽和區(qū)域放大后，MSK的性能幾乎不再下降，而BPSK性能又下降了約1 dB，說明功放飽和區(qū)域放大對恒包絡(luò)的MSK性能幾乎無影響，而會對非恒包絡(luò)的BPSK有影響，這也印證了圖5中，功放飽和區(qū)域放大對非恒包絡(luò)調(diào)制的BPSK信號星座圖影響更大。

3．4 鄰道環(huán)境下誤碼性能影響
    仿真了在不同帶寬效率Rb／W’下，功放分別工作在線性和飽和區(qū)域下，對恒包絡(luò)和非恒包絡(luò)系統(tǒng)誤碼率的影響。

    圖7是在有鄰道干擾，信道間隔75 MHz，Rb／W’為0．67的仿真曲線。圖中給出了BPSK和MSK的理論誤碼率曲線“+”，經(jīng)過功放線性區(qū)域放大后的誤碼率曲線BPSK"o"和MSK“·”，經(jīng)過功放飽和區(qū)域放大后的誤碼率曲線BPSK“*”和MSK“▽”。對比圖7和圖6，誤碼性能相當(dāng)，說明當(dāng)信道間隔較大時(shí)，經(jīng)過功放放大后調(diào)制信號的再生頻譜，在相鄰信道的干擾很小，這也可以從圖4的信號頻譜看出，在經(jīng)過功放飽和區(qū)域放大后輸出頻譜的75 MHz處，功率譜密度已經(jīng)衰減了約45 dB。

    隨著帶寬效率Rb／W’的提高，其鄰道干擾加劇，圖8是信道間隔45 MHz，Rb／W’為1．11的誤碼率仿真曲線。對于恒包絡(luò)調(diào)制MSK信號，經(jīng)過功放線性區(qū)域放大后，誤碼性能下降了約4 dB，提高功放驅(qū)動(dòng)電平，使功放達(dá)到飽和區(qū)域后，其誤碼性能基本沒有惡化。非恒包絡(luò)的BPSK信號，經(jīng)過功放線性區(qū)域放大后，誤碼性能惡化嚴(yán)重，在誤碼率為10-6時(shí)，性能惡化了約10 dB，說明在信道間隔45 MHz時(shí)，鄰道干擾已經(jīng)很嚴(yán)重，提高功放驅(qū)動(dòng)電平，功放達(dá)到飽和區(qū)域后，誤碼性能進(jìn)一步惡化約4 dB。

4 結(jié)語
    本文通過建立功放模型，選擇恒包絡(luò)MSK調(diào)制和非恒包絡(luò)BPSK調(diào)制，針對功放工作在線性和飽和的不同區(qū)域，不同的帶寬效率，進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明，功放會惡化MSK和BPSK的誤碼性能，在功放飽和情況下，非恒包絡(luò)的BPSK性能會進(jìn)一步降低，而MSK性能下降不明顯。隨著信道間隔的減小，鄰道干擾的增加，MSK和BPSK的誤碼性能降低，在功放飽和的情況下，MSK性能進(jìn)一步下降趨勢不明顯，而BPSK性能惡化嚴(yán)重。
    在實(shí)際通信工程中，為了提高功放效率和帶寬效率，功放一般工作在飽和狀態(tài)，信道間隔較小，此時(shí)選用恒包絡(luò)調(diào)制方式有一定的優(yōu)勢。此外，可針對具體功放參數(shù)，運(yùn)用本文的仿真分析方法，為系統(tǒng)調(diào)制方案選擇、誤碼率性能分析提供有力的指導(dǎo)。