非線(xiàn)性功放對數字調制信號的影響研究

摘要：功放的非線(xiàn)性會(huì )帶來(lái)調制信號的性能惡化，基于simulink建模，對比仿真了恒包絡(luò )調制MSK和非恒包絡(luò )調制BPSK，在功放線(xiàn)性和非線(xiàn)性區域時(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。仿真結果表明，功放飽和對非恒包絡(luò )調制信號影響更大，尤其是信道間隔較小的情況下，非恒包絡(luò )調制信號的誤碼性能惡化嚴重。該研究為數字通信系統的工程設計提供了一種可借鑒分析方法。
關(guān)鍵詞：非線(xiàn)性功放；數字通信；調制信號；鄰道干擾

0 引言
功率放大器(簡(jiǎn)稱(chēng)功放)是通信系統必不可少的一個(gè)部件，通常工作在發(fā)射機的末端，用于提供較大的功率輸出。本質(zhì)上射頻功放都是非線(xiàn)性的，即輸出信號中會(huì )包含非線(xiàn)性引起的失真分量，輸入電平越大，非線(xiàn)性越嚴重。非線(xiàn)性會(huì )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。因此研究功放對數字調制信號的影響，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制方式的設計以及選擇也具有重要的指導意義。
文獻研究了恒包絡(luò )調制的GMSK信號在非線(xiàn)性信道(C類(lèi)功放)下的性能影響；文獻研究了非恒包絡(luò )的TCM-8PSK信號在非線(xiàn)性功放下的誤碼率性能，并采用LMS的均衡算法，改善非線(xiàn)性失真；文獻仿真了非恒包絡(luò )的BPSK，QPSK信號通過(guò)飽和功放后的頻譜以及誤碼特性。以上文獻沒(méi)有對比分析非線(xiàn)性功放對恒包絡(luò )和非恒包絡(luò )調制信號的性能影響，也沒(méi)有分析非線(xiàn)性功放下，調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(xiàn)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(xiàn)性功放對恒包絡(luò )調制(MSK)和非恒包絡(luò )調制(BPSK)進(jìn)行了對比分析，并且根據分析結果對實(shí)際工程中的功放和調制方式的設計和選擇給出了建議。

1 通信系統性能評估
1．1 通用的評估方式
對數字通信系統，傳統的性能評估指標是誤碼率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。
不同的調制方式，其功率譜密度不同，某些調制方式有更緊湊的功率譜密度，可在相同的頻率帶寬內傳輸更多的比特，因此，評估調制方式的另一個(gè)方法，是在滿(mǎn)足用戶(hù)BER性能的情況下，在給定的帶寬W下，獲得盡可能高的用戶(hù)速率Rb，一般以帶寬效率來(lái)衡量，定義為：Rb／Wb／s·Hz-1。
調制方式的總目標是在滿(mǎn)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 帶功放的通信系統評估
傳統的性能評估方式Eb／N0中，假設發(fā)射功率相同，信號無(wú)失真，工程系統中，調制信號經(jīng)過(guò)功放后，都會(huì )有一定的失真，只是不同的調制方式，對功放的非線(xiàn)性敏感程度不同，因此評估工程系統的BER性能時(shí)，應考慮經(jīng)過(guò)功放后調制信號的Eb／N0。

另外，工程系統中，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，假設相鄰的左右兩個(gè)信道采用同樣的功放，同樣的調制方式，則此時(shí)的系統BER性能不僅和帶內的噪聲相關(guān)，還與鄰道信號的帶外干擾有關(guān)。

2 系統模型
系統在matlab的simulink環(huán)境中進(jìn)行仿真，仿真模型如圖2所示。調制信號和功放產(chǎn)生用戶(hù)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，誤碼統計完成BER統計。帶通濾波器、白噪聲信道、信號分析和誤碼統計模塊都采用simulink標準模塊實(shí)現，下面主要介紹下調制信號、功放和鄰道信號模塊。

2．1 調制信號
恒包絡(luò )調制的信號包絡(luò )固定，而非恒包絡(luò )調制的信號包絡(luò )隨時(shí)間變化。恒包絡(luò )調制不受非線(xiàn)性功放傳輸函數(AM／AM)的影響，但相對于非恒包絡(luò )調制，其主瓣帶寬更大，這在信道間頻率間隔較小的情況下，會(huì )引起鄰道干擾。
為了公平地比較，選擇了均為二進(jìn)制的數字調制方式：恒包絡(luò )調制MSK和非恒包絡(luò )調制BPSK，符號速率均為50 Mb／s，其中，BPSK采用滾降系數為0．35的根升余弦濾波器。并且在實(shí)驗中分別針對45～75 MHz兩種信道間隔進(jìn)行了分析。