卫星载荷放大器性能研究与波形体制选择

摘要

关键词 ：波形体制；波形验证；OFDM；DFT-s-OFDM；EVM；BER

0****引言

卫星通信系统的架构及业务需求为系统设计带来了诸多挑战。其中一项关键挑战是针对超高速率传输的需求——特别强调了对超高速率传输的需求。这一需求要求采用高频谱利用效率的波形体制，并支持较宽的载波频率范围（从几百兆赫兹到更高的频率）。尽管如此，在体制的设计难度上仍存在较大差异：传统的DVB信号体制在地面5G系统中得到了广泛应用；然而近年来的研究表明，在星地融合通信领域基于5G标准的新型体制设计理念逐渐成为主流选择。OFDM技术由于其卓越的频谱效率、强大的多径衰减抑制能力和灵活的频谱资源分配能力而备受推崇：在地面5G系统中采用OFDM作为下行链路技术以保证信号传输质量；而在上行链路则采用DFT-s-OFDM方案以最大限度地降低信号峰值信噪比（PAPR）。然而在卫星通信领域面临新的挑战：由于功率限制要求必须进一步降低信号峰值信噪比这使得对波形体制提出了更高的设计标准。此外为了实现高效的硬件实现方案与设备特性匹配必须考虑到射频器件的具体性能影响因素：例如射频器件的非线性特性对其性能影响的研究是必要的。本研究基于特定放大器模型对两种不同体制下的信号波形特性进行了详细分析并通过实验验证了该方案的有效性

1****卫星通信系统常用波形体制

现有的卫星通信系统普遍采用DVB-S标准，在具体应用中又涵盖了有DVB-S、DVB-S2、DVB-S2X等多种类型以及当前较为先进的DVB-RCS技术。然而该体制作为单载波传输系统具有峰均比低的特点，但在信道资源的动态分配方面仍显不够灵活。值得注意的是该体制在架构设计上并未对控制信息与业务数据加以区分因此导致所有的终端用户都需要对所有的数据包进行解调这一过程不仅会增加系统的复杂度还会给应用层带来额外的开销从而限制了系统的扩展性。此外由于缺乏广播控制信道的支持该体制不具备高效的随机接入能力这使得其难以满足现代卫星移动通信网络对于多端口同时接入和大带宽传输的需求

目前, ITU、3GPP等国际标准化组织陆续开展非地面网络相关研究,其标准研制工作重点聚焦于基于5G的星地融合通信系统架构设计。在5G NR通信系统空口波形方面,其典型的技术架构包含OFDM和DFT-s-OFDM两种类型。其中,OFDM信号通过分配至不同子载波即可承载各自独立的信道,通过避免在同一子载波上产生干扰可实现资源优化配置,且支持频域均衡技术,计算资源消耗相对较低。相比之下,DFT-s-OFDM虽然也可以分配至不同子载波以承载独立信道,但却不具备避免同一子载波间干扰的能力,仅支持时域均衡技术,其计算资源消耗高于前者。

该类数字通信系统通过多路子信道独立传输并经调相处理后的叠加型复合信号构成，在叠加过程导致整体呈现出显著的大峰值功率特性；然而基于频域自适应均衡技术的一维正交频分复用方案（DFT-s-OFDM）本质上是一种单载波调制系统，在其设计特性上与传统多载波系统存在显著差异。从理论推导和数值模拟的角度来看，在相同条件下该技术可降低约3 dB的信噪比水平

目前, 卫星载荷普遍采用多波束技术, 即每个放大器同时处理多个独立的传输通道. 在不同方向上的DFT-s-OFDM信号进行叠加处理后, 系统性能指标——峰值平均比值——将显著提升. 然而, 由于其本体即为多路并行传输的技术基础, OFDM技术本身的频率资源分配特征决定了这种技术路线下的叠加效果相对有限. 基于理论推导, 在单一方向上部署多路通信数据流时, 两种调制方案在频均比指标上趋近于一致的趋势. 相对于传统的OFDM技术而言, 在这种配置下二者在性能评估方面并无明显差异. 因此, 只有通过实际测试实验结果将更为直观地体现出来.

2****载荷放大器分类

在卫星通信系统中，在这一领域发挥着关键作用的是星载式功放设备。现有技术中的高功率放大器主要包含以下三种类型：行波管型电子管、固体晶体管型以及振荡腔型等主要形式。

KPA输出功率最大,但在频率范围仅限于50~100 MHz,主要应用于电视广播系统的上行站以及部分窄带FDMA地面站的具体实例包括那些频率资源较为有限的场景中。TWTA虽然输出功率较低,但却能够支持更宽广的频率范围,例如在Ka频段时可达2000 MHz这一显著特点使其在许多领域得到了广泛应用如通信系统设计中普遍采用此类技术方案以满足不同需求的具体实施案例包括中国的中星16号卫星系统就采用了这种设计方法然而由于TWTA作为一种基于真空管的技术其工作原理决定了它需要精密控制的高温阴极发射系统从而带来了较高的制造成本和技术维护难度这使得这类技术方案更多地应用于特定场景下SSPA则以其极低功耗的特点成为低功耗应用的理想选择随着固态技术和功率合成技术的进步SSPA逐渐突破了传统限制实现了更大的功率输出同时得益于其优秀的线性性能这一技术特征也为其在低轨卫星通信系统中的应用提供了坚实的理论基础目前银河航天公司的首颗试验卫星正是采用了这种技术方案标志着该领域的技术发展迈出了重要一步

3****波形验证测试项

常用的放大器测试方法主要包括噪声系数、三阶交调失真度、1 dB压缩点以及带内平坦度等关键参数。单靠单一参数无法全面反映器件性能特征，在多参数综合分析的基础上才能准确评估器件特性。此外，在不同信号格式下或信号带宽变化时，在载波数量等方面存在差异的情况下，在经过放大器处理后各体制信号的表现也不尽相同。因此，在宽带卫星通信系统中用于评估载荷放大器性能时，则应当选用特定体制信号作为待测波形基准，在EVM（误差向量模）、BLER（比特错误率）、PAPR（峰值平均功率比）等通信性能指标的基础上进行验证与比对分析

3.1****误差向量幅度

误差向量幅度（Error Vector Magnitude, EVM）是指作为向量差存在的一个理想无误基准信号与实际发送出来的信号之间的差异度量值。它能够全面地评估调制信号在幅度和相位方面的失真情况。该指标是一种关键的技术指标，在通信系统中被广泛采用以衡量调制质量。具体而言，EVM量化了接收端解调器对输入信号进行处理时所引入的I/Q分量偏差相对于理想值的程度。由于非线性因素导致……尤其在功率放大器中的AM-AM失真情况下……因此……该参数通常被用作衡量器件或设备线性性能的重要指标。

误差向量常见于I/Q调制方式相关领域，并多被表示为解码符号的星座图形式。
误差向量幅度则定义为误差矢量信号平均功率均方根与其理想信号平均功率均方根的比例，
并采用百分比形式进行表征。
值得注意的是，
EVM值越小，则表明信号质量越高。
同时，
在高阶调制方式中，
其星座点分布会更加密集，
对系统的EVM性能要求也随之提高。

3. 2****信号峰均比

该方法用于衡量通信系统中的信道状态，在编码调制技术中具有重要应用价值。具体而言，在信道估计过程中我们主要关注接收端观测数据的相关特性，并利用其构造辅助变量进行计算。其中一种辅助变量是基于观测数据构建的最大后验概率估计量，在该过程中我们需要考虑观测数据之间的相关性以及它们与辅助变量之间的关联程度等关键因素。

3.3****信号解调信噪比门限

基于信噪比阈值的信号解调测试旨在确定针对特定的调制编码方案（Modulation and Coding Scheme, MCS）能够在允许一定错误率的前提下所能达到的最佳性能表现。在卫星通信系统中进行用户调度时，在满足当前通信质量要求的基础上选择合适的MCS参数具有重要意义。根据当前信道特性指示用户采用特定MCS完成数据映射与解调过程；通常会通过仿真给出对应特定MCS所要求的最小信噪比矩阵表；同时仍需通过实验验证来评估设备特性对系统性能的影响。

BLER数据块差错率作为通信系统中衡量接收到的数据准确性的重要指标，在单位时间内的传输过程中统计了接收方误码的数量。它不仅反映了数据完整性经受住检验的能力，并且能够衡量接收机在噪声、衰落等复杂条件下的解调质量。基于此特性，在现代无线通信系统中被广泛采用作为评估解调性能的关键基准。

3.4****效率

卫星系统通常面临功率限制，在设计过程中需要特别关注放大器的效率。为了防止功放饱和导致信号削峰进而影响信号质量，在这种情况下，放大器会保持在非饱和状态运行。当出现功率回退时，则会导致放大器效率下降；因此，在验证体制信号的情况下，必须考虑放大器工作点的具体效率参数设置。

4****试验方法及配置

本研究的主要目标是验证DFT-S-OFDM和OFDM信号在经过载荷放大器处理后的性能变化。为确保研究的全面性和系统性，在不同配置条件下进行测试。

4. 1****信号特征测试

用于评估信号特性的测试项目包含EVM与PAPR。通过对放大器处理后的信号与原始信号的EVM和PAPR参数变化进行对比分析,从而评估放大器对信号特性的影响。针对采用DFT-sOFDM和OFDM两种体制的信号,在使用QPSK、8PSK、16QAM以及64QAM调制方式下分别考察其单载波配置及四载波配置的特性表现。此外,在分析放大器性能时，默认设置下基于其1dB增益点进行测试,并结合不同功率回撤等级的情况展开研究。

如图1所示，在信号分析仪中集成的功能测试模块用于执行EVM和PAPR检测过程。DFT-s-OFDM技术采用5G NR上行链路的特征波形作为基准信号，在OFDM传输过程中则利用5G NR下行链路的标准波形进行同步处理。矢量信号源驱动内部预设的5G NR参考波形并通过调制模块实现中心频率偏移后输出到功放系统中。经过功率放大后得到两路独立输出信号：其中一路经由分立的耦合器分支接入分析仪完成目标参数（包括EVM值及PAPR指标）采集；另一条分支则接通功率计装置实时监控放大器的工作状态参数。在最终确定测试指标前建议对实验方案进行验证性测试：即通过将信号源直接连接至频谱仪完成原始输入信号特性的参数测定工作

图1 信号特征测试方案设备连接框图 4.2****信号解调信噪比门限测试 测试信号经过放大器后，在满足BLER不大于10-3条件下，能够支持的最小信噪比。针对DFT-sOFDM、OFDM两种体制信号，选择8PSK调制方式，3/4码率，分别在单载波、四载波配置下，针对放大器工作在P1dB、P3dB进行测试。
由于信号分析仪等通用仪表并不支持BLER的统计和计算，因此通过MATLAB搭建仿真平台，实现DFT-s-OFDM、OFDM体制信号的生成、解析及BLER计算功能。
如图2所示，由仿真平台产生DFT-s-OFDM、OFDM基带信号，送入矢量信号发生器中并调制至功放中心频点。通过放大器放大后的信号通过分为两路，其中一路用功率计监测放大器的工作点状态，另一路与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，送入仿真平台进行解调和BLER计算。

本实验中使用的信号解调门限测试装置及其连接框图如图2所示

图3 单载波EVM测试结果

图4 四载波EVM测试结果

在正式测试前进行PAPR评估时,首先对原始波形进行PAPR测量。实测数据显示,采用DFT-s-OFDM体制的信号在其单载波条件下其PAPR值维持在6.5至7 dB区间,而四载波情况下的不同调制方式则对应于9.5至10 dB范围内的测量值;基于OFDM体制的信号无论是在单载波还是四载波条件下其对应的PAPR值均稳定在9至9.5 dB区间内。与理论计算结果相比实验数据表现一致。
具体而言,对于四载波情况而言,在采用不同调制方式下DFT-s-OFDM体制的PAPR值范围为9.5至10 dB;而基于OFDM体制的信号无论是在单载波还是四载波条件下其对应的PAPR值均稳定在9至9.5 dB区间内。
此外,经过固态放大器处理后由于信号压缩作用导致其输出端的PAPR数值有所降低。
值得注意的是:当输入功率发生回退时,PAPR数值会逐渐升高。
进一步分析表明:相较于基于OFDM体制的情况,DFT-s-OFDM体制下采用单载波方案所对应的系统性能表现更为优异;而在多路复用场景下两种不同的调制方案所对应的性能差异相对较小。

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结果 如表1所示：经放大器处理后，在四载波配置下的OFDM信号解调门限显著高于DFT-s-OFDM方法。当功率衰减时，在相同条件下两种方法间的性能差距逐渐缩小。经放大器处理后，在四载波配置下各信号的解调阈值均高于单载波情况；而随着输入信噪比的变化，在单、四载波配置下两种方法表现一致。在输入信噪比达到P1dB-3dB时，在单、四载波配置下两种方法表现一致。
表1 信号解调信噪比门限测试结果

5.3

图7 单载波效率测试结果

图8 四载波效率测试结果 6****在轨试验
为了进一步验证体制波形的适用性，在实验室测试的基础上，先后通过银河航天低轨卫星、中国卫通中星16号高轨、高通量卫星开展在轨试验，对体制波形在高低轨卫星真实通信场景中的性能进行了验证。
为了适应卫星通信信道特性，通信信号在3GPP 5G NR体制基础上进行了优化。如图9所示，测试平台生成下行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，信关站对信号进行变频放大后通过天线发射向卫星。卫星将信号转发后，由终端接收。终端将信号接收放大后输出至频谱分析仪。频谱分析仪采集数据后，再由测试平台对数据进行分析。
试验结果显示，100 MHz带宽载波配置，经过中星16号高轨高通量卫星或银河航天低轨卫星转发后，单终端峰值通信速率均超过200 Mbit/s，满足卫星通信绝大数使用场景的需要。验证了优化的5G信号体制在高低轨卫星通信系统中的可用性。

本文阐述了OFDM体制与DFT-s-OFDM体制信号在载荷放大器作用下的性能差异。测试结果表明，在单波束设计中DFT-s-OFDM体制信号在EVM与BLER指标方面优于传统OFDM波形；而在多波束方案下由于波束叠加效应导致DFT-s-OFDM体制信号性能逐渐趋近于OFDM波形特性。基于实际应用需求应在载荷方案制定过程中综合考虑两种体制的特点优势进行最优波形选择。