卫星载荷放大器性能研究与波形体制选择

摘要

卫星通信系统的波形体制定义是制定相关标准的重要前期工作。在制定该类波形时，既要考虑其自身的特性（如多载波叠加技术的优势），也要兼顾系统中设备特性对信号传播的影响（如射频放大器引入的非线性效应）。具体而言，在OFDM体制与DFT-s-OFDM体制的基础上引入射频放大器后端模块时，在射频域内对其频率响应特性和相位特性的性能进行详细测量；通过EVM（误差矢量幅度）、PAPR（峰值平均功率比）、信噪比解调门限以及效率等多个关键指标来综合评估两种体制信号在单载波与四载波场景下的性能质量，并在此基础上提出相应的优化建议。

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

0****引言

卫星通信系统的组网模式和功能需求给系统设计带来了多项技术挑战。其中对超高速率传输的需求尤为突出,这使得系统必须采用频谱资源利用率极高的波形体系,并支持数百兆赫兹甚至更宽频带宽的操作频率。尽管在体制设计上存在显著难度,但对设备性能也提出了更高的要求。传统的卫星通信系统多采用DVB信号体系,但近年来国际组织如3GPP和ITU等已开始推进基于5G技术的星地融合通信体系设计方案,并进行了相关研究验证工作。OFDM技术由于其卓越的频谱效率、抗多径干扰能力以及灵活的频谱资源分配特点而备受青睐,因此在地面5G系统中被普遍采用,以保证下行链路信号传输质量；而对于上行链路则采用DFT-s-OFDM技术方案,旨在最大限度地降低信号峰值-均值比（PAPR）。然而卫星通信面临功率限制等限制性条件,因此需要进一步降低信号峰值-均值比水平,这对波形体系提出了更为苛刻的技术要求；此外还需要综合考虑整个体制设计与硬件实现方案之间的匹配性问题。当前卫星载荷设计方案倾向于每个射频信道同时承载多个波束信号,这种情况下信号叠加效应应在体系架构规划阶段进行充分考虑；同时射频器件的非线性特性对信号性能的影响也需要进行深入研究和验证工作。本文以特定载荷放大器为研究对象,对比分析了两种体制信号波形经过放大器处理后的性能特征,并以此为基础为卫星通信领域的波形选择提供技术支持

1****卫星通信系统常用波形体制

传统的卫星通信系统主要依赖于DVB-S标准体系架构，在这一框架下涵盖了DVB-S、DVB-S2、DVB-S2X以及最新的DVB-RCS技术方案。基于单载波的技术架构使得系统的平均功率与峰值功率的比率较低，在资源分配方面却显得不够灵活。现有的帧结构设计未对控制信息通道与业务数据通道进行区分，并且不考虑用户身份差异，在这种情况下每个用户都需要解码全部的数据流量，并在应用层完成信号与数据的分离处理过程。这种做法不仅限制了系统的承载能力范围而且也存在严重的安全漏洞。此外缺乏广播控制信道配置将直接影响系统的随机接入能力。因此目前使用的DVB体制在面对日益增长的移动通信需求时已经明显暴露出其技术局限性。

目前,ITU、3GPP等国际标准化组织陆续开展了非地面网络的研究,其标准研制工作主要致力于基于5G的星地融合通信体制设计。基于5G NR通信系统的空口波形包含两种类型:OFDM与DFT-s-OFDM两种信号形式。其中,OFDM信号通过分配至不同子载波的能力来承载各自独立的信道;通过关闭部分子载波即可避免信号间的干扰;此外该方案还具有灵活的资源分配能力以及较低的系统复杂度优势。而DFT-s-OFDM虽然也支持多通道传输功能,但其最大的局限性在于无法实现信号间的干扰规避;同时其系统复杂度较之于OFDM方案也有明显提升

OFCDM信号是由多个独立子载波经过调制后叠加形成，并且叠加后的信号具有显著的最大功率（从而导致较高的峰值平均比）。基于理论推导与数值模拟结果，DFT-s-OFCDM系统的峰值平均比相比传统OCFCDM约降低3 dB。

当前,星载设备普遍采用多波束架构实现通信与导航功能的集成化设计.通过叠加多路DFT-s-OFDM信号,系统峰值信噪比将显著提升.然而由于OFDM本身是由多个子载波合成的特征,因此多波束叠加带来的增益有限.理论推导表明,在单波束配置下,采用多路信号的两种技术表现接近.值得注意的是,DFT-s-OFDM在这一特定场景下不再展现出显著的技术优势.基于此观察结果,建议通过实验对比来深入分析两者的特点.

2****载荷放大器分类

在卫星通信系统中,车载放大学生版起重要作用。目前使用的高功率放大学生版（High Power Amplifier: HPA）主要包含三种类型：包括以下三种：行波管型（Travelling Wave Tube Type: TWTA）、固态功率型（Solid State Power Type: SSPA）以及速度调制型（Klystron Type: KPA）。

KPA输出功率最大,但其频率范围仅限于50~100 MHz,主要应用于电视广播系统的上行站以及一些窄带FDMA地面站。TWTA输出功率较低,却能够支持较宽的频率范围。例如，在Ka频段时频宽度可达2000 MHz。TWTA具有长寿命、轻便以及高效的特点,因此得到了广泛应用,例如中国卫通集团采用行波管放大器的中星16号高通量卫星就采用了这种技术方案。然而,TWTA由于采用了真空管结构并使用了热阴极发射技术,需要精密的高压电源支持,因而制造成本及维护成本相对较高。SSPA输出功率最低,特别适合于低功耗的应用场景。随着固态技术和功率合成技术的进步,TSP A逐渐实现了大功率输出;此外,由于其良好的线性度特征,在低轨卫星通信系统中,SPPA技术逐渐被载荷设计人员所采纳。目前已有报道指出银河航天公司的首颗试验卫星就已经采用了这一技术方案进行运行测试。

3****波形验证测试项

传统针对放大器的测试涵盖噪声系数、三阶交调失真度以及1 dB压缩点等多个重要指标。单一参数无法全面体现器件的整体性能；综合分析多维度数据才能准确评估其特性。此外，在不同信号格式与载波配置下进行实验时会得到不同的结果表现。因此，在评估宽带卫星通信系统的载荷放大器时，应采用特定体制信号作为基准波形，并通过EVM（误差矢量幅度）、BLER（比特错误率）以及PAPR（峰值平均功率比）等通信性能指标进行详细验证。

3.1 误差向量幅度

误差向量幅度（EVM）是一种用于衡量调制信号质量的关键指标，它通过比较理论无误参考信号与实际发射信号之间的向量差异来实现对幅度误差和相位误差的综合评估。该指标通过表征接收器在解调过程中生成的理想I/Q分量与实际得到的分量之间的接近程度，帮助评估系统的性能表现。研究表明，在放大器功率放大器（PA）中由于AM-AM失真所导致的非线性失真会显著影响EVM值的表现，在这种情况下,EVM常被用作评价器件或系统线性性能的重要指标

误差向量通常与I/Q调制相关的因素密切关联，并常借助解码符号的星座图形进行表示。
在通信系统中，
误差向量幅度被定义为其对应的误差矢量信号平均功率均方根值与其理想状态下的参考信号平均功率均方根值的比例，
并采用百分比形式来表征这一参数。
当EVM数值越小时，
表明系统的信道畸变等影响因素得到了有效的抑制，
从而保证了整体传输过程中的信号质量。
另一方面，在高阶调制模式下，
星座点变得更加密集，
并且对系统的总体信道畸变等影响因素提出了更高的要求。

3.2 信号峰均比

Peak-to-Average Power Ratio (PAPR)，即信号峰值功率与平均功率之比，在通信系统中常通过累积分布函数（CCDF）这一统计工具进行表征。该比率表现为信号幅度与其出现概率之间的关系曲线，在测试过程中通常选取0.01%的概率水平进行分析。当PAPR过高时会迫使放大器进入非线性工作区域而导致信号失真现象；且随着PAPR值增大，放大器的非线性效应也会随之增强。因此，在实际应用中需要相应地降低输入信号强度以减少这种效应的影响。此外,PAPR还会对发射机频谱再生产生显著影响,具体表现为邻道功率泄露情况。

3.3 信号解调信噪比门限

信号解调信噪比门限测试是一种评估机制，在卫星通信系统中用于确定针对特定MCS（Modulation and Coding Scheme）码元所能支持的最小SNR（信噪比）。当执行网络调度时，系统根据当前信道特性动态指定了用户的编码方案。通常通过仿真模拟实验来确定各个MCS方案对应的最小信噪比矩阵，并同时还需要通过实际测试来验证这些参数设置对设备性能的影响。

BLER数据块错误率是一个衡量单位时间内信道接收错误数据块数量的重要统计参数。它表示经过CRC检验后的数据块出现错误的概率，并能够反映接收设备在噪声和衰落等复杂环境下的解码性能。基于此，在评估系统的解调性能时，通常会将BLER值作为判断基准。

3.4 效率

卫星通信系统通常面临功率受限的问题，在这种情况下，放大器的效率对于系统的整体性能具有决定性作用。为了防止放大器饱和状态对信号削峰操作造成的负面影响（即导致信号质量下降），放大器通常会维持在非饱和工作状态。另一方面，一旦发生功率退化现象（即功率回退），必然会导致效率降低水平，并因此在验证体制信号时必须注意放大器工作点的具体效率表现。

4****试验方法及配置

本次实验的主要目标是评估DFT-S-OFDM和OFDM信号经过载荷放大器后的性能变化。以确保系统的全面性和可靠性，本次研究将系统性地在不同配置条件下实施测试。

4.1 信号特征测试

本研究涉及信号特征的测定与分析。通过实验对比放大器输出信号与原信号在EVM和PAPR参数上的差异变化,评估放大器对信号特征的影响程度。本研究分别采用DFT-s-OFDM与OFDM体制作为仿真对象,对QPSK、8PSK、16QAM及64QAM调制方案进行仿真模拟,考察单载波与多载波配置下的系统性能表现。同时,为了全面分析放大器的影响程度,实验中将从P1dB工作点出发,选取不同功率退降等级进行测试。

如图1所示,EVM和PAPR性能测试借助信号分析仪内置测量功能执行。DFT-s-OFDM信号基于5G NR上行参考波形实现,而OFDM信号则采用5G NR下行参考波形作为基础。矢量信号源通过引用预设的5G NR参考波形完成调制,并将其发送至功放中心频点,随后通过放大器组件生成放大后的输出信号。放大后的输出经由耦合器分割为两路,其中一路连接到信号分析仪进行EVM和PAPR参数评估,另一路则接入功率计用于监测放大器的工作状态。在正式开展对比测试前,实验系统先通过直接连接信号源与频谱仪,验证原始输入端的EVM与PAPR性能指标。

图1

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

经由放大器处理后的测试信号，在BLER不超过10^-3的条件下，则可支持的最小信噪比是多少？对于DFT-s-OFDM及OFDM体制下的信号类型，则采用8PSK调制方案，并以3/4码率进行编码，在单载波与四载波配置中分别进行评估。其中，放大器的工作状态被设定在P1dB和P3dB两个点上进行测试评估。

鉴于常规测量设备（如信号分析仪）不具备对Bler（信道估计与检测率）进行统计与计算的能力，在通信系统研究中存在一定的局限性。为了实现对Dft-s-ofdm和ofdm制式信号的完整处理过程，在理论研究的基础上构建基于matlab的仿真平台能够有效满足需求，并具备完成dft-s-ofdm和ofdm制式的信号生成与解析能力，并支持bler的计算过程。

如图2所示,通过仿真平台生成了DFT-s-OFDM以及OFDM基带信号,随后将这些基带信号输入矢量signal generator并对其进行调制以实现到达功放center frequency.随后经过amplifier增大的signal被分割为两条路径:一条路径被接入power meter用于观察amplifier工作point状态;另一条则与additive white Gaussian noise（AWGN）叠加在一起作为测试input.最终合并处理后将这些signal输入到信道analysis instrument中进行processing以获取所需的quadrature data.随后将该data返回simulation platform用于解modulation和计算block error rate(BLER).

图2

图2信号解调门限测试设备连接框图

4.3 放大器效率测试

评估放大器在不同载波配置（如多路复用技术）、多种调制方案（如QPSK/8PSK/16QAM/64QAM）以及不同功率退坡情况下的效率表现。通过实时监测放大器工作电流和电压，并记录输出功率数据来计算其效率。针对DFT-s-OFDM与OFDM体制下使用上述多种调制方式，在单载波与四载波配置下进行信号特性的验证。分别对两种体制信号在P1dB工作点及其不同回撤等级下的性能特征进行测试分析。

5****测试数据

5.1 信号特征测试

5.1.1 EVM测试

在正式测试前,首先对系统进行仪表直连状态下EVM参数的测试,测试结果显示,无论是在哪种载波配置下,系统EVM的最大值均未超过2.5%,并且系统残余EVM值均位于可接受范围内。其中,单载波与四载波配置下的EVM分布情况分别如图3和图4所示,从图中可以看出:经过固态放大器处理后,信号的EVM值呈现出较明显的恶化趋势;当输入功率逐步下降时,EVM值也随之有所提升。进一步对比分析发现,在同一调制方案下,DFT-s-OFDM体制相较于OFDM体制具有显著的优势:例如在P1dB输入功率点时,DFT-s-OFDM体制下的EVM值比OFDM体制高约10%；而当载波数量增加到四倍时,DFT-s-OFDM与OFDM相比,EVM值差距有所缩小；尽管如此,DFT-s-OFDM体制下的四载波组合仍略逊于单载波方案;然而,相对于单载波而言,DFT-s-OFDM体制下四载波组合的EVM性能表现更为稳定

图3

图3单载波EVM测试结果

图4

图4四载波EVM测试结果

5.1.2 PAPR测试

在正式测试之前, 首先对原始波形的PAPR进行了测定。测试结果表明,DFT-s-OFDM体制信号中,采用单载波且采用不同调制方式时的PAPR值均位于6.5至7.0 dB区间；而四载波情况下,不同调制方式对应的PAPR值则介于9.5至10.0 dB之间；对于OFDM体制信号而言,无论采用单载波还是四载波搭配不同调制方式,PAPR值普遍维持在9至9.5 dB范围内。这些测得的结果与理论计算所得的结果高度吻合。

OFDM系统与改进型DFT-s-OFDM系统的调制方式在图5和图6中分别进行了性能评估对比实验分析,实验结果表明:基于OFDM技术的基本系统架构中,采用四路子信道与单路子信道相比其峰值平均功率比(PAPR)值差异并不大;而针对改进型DFT-s-OFDM系统而言,其采用四路子信道时对应的峰值平均功率比值较单一子信道明显偏高;经由固态放大器处理后发现,信号压缩操作会导致系统的动态范围有所下降;当输入功率发生回退变化时,相应地峰值平均功率比值也会随之逐步增大;在单路子信道运行环境下,DFT-s-OFDM改进型系统相较于传统OFDM技术具有更好的性能表现;而在多路子信道配置模式下,两种调制方案所呈现出来的峰值平均功率比值则较为接近

图5

图5 OFDM体制信号****PAPR

图6

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

表1显示，在经过放大器处理后比较而言,DFT-s-OFDM系统所能承受更高的信噪比门限值

表1信号解调信噪比门限测试结果

DFT-s-OFDM	OFDM
单载波	四载波	单载波	四载波
P1dB	10.9	11.8	14.5	14.8
P1dB-3	10.4	10.3	11.4	11.4

新窗口打开|下载** CSV**

5.3 效率测试结果

在单载波和四载波配置模式下进行的效率测试结果显示,数据分别对应于 图7 和 图8。测试结果表明，在放大器运行过程中伴随功率下降时，其效率呈现出逐步下降的趋势。当系统处于单载波模式时,DFT-s-OFDM方案较之传统OFDM方案展现出略微更高的性能。对于四载波配置的情况而言,DFT-s-OFDM和传统OFDM方案的表现差异极为微小。

图7

图7单载波效率测试结果

图8

图8四载波效率测试结果 6****在轨试验

为深入验证体制波形的有效性，在实验室测试的基础上随后，在银河航天低轨卫星、中国卫通中星16号高轨卫星以及高通量卫星的实际运行中进行了持续测试，并对其在不同轨道高度卫星的真实通信性能进行了系统评估。

考虑到卫星通信信道的特性需求，在3GPP 5G NR架构的基础上对通信信号进行了优化设计。参考图9所示的测试平台配置图，在其核心模块中采用了DFT-s-OFDM技术生成PDSCH信道信号，并将其调制后发送至中频接口。随后，在中频放大器的作用下完成变频并放大处理后通过天线发射到远端卫星。接收机端则通过接收器将来自卫星的信号经放大处理后输出至频谱分析仪进行数据采集与分析处理流程。

图9

图9在轨测试系统连接图

实现场时性能测试表明,采用100MHz带宽的载波配置,经中星16号高轨高通量卫星及银河航天低轨卫星转发后,各终端的峰值通信速率均超过200 Mbit/s,该系统能满足大多数典型的卫星通信应用需求。这一结果验证了优化后的5G信号体制在高低轨卫星通信系统中的适用性

7****结束语

本研究探讨了OFDM技术和DFT-s-OFDM技术在载荷放大器作用下的信号性能演变。实验结果表明，在卫星载荷单波束设计中，DFT-s-OFDM技术在EVM（误差矢量模）和BLER（比特错误率）等方面显著优于传统OFDM技术。对于多波束设计方案而言，DFT-s-OFDM技术因各子载荷间的相互作用而表现出的性能逐渐接近于传统OFDM技术。实际方案设计过程中，需综合分析比较后选择合适的解决方案。