卫星载荷放大年夜器机能研究与波形系统编制选择

马玉娟, 姚怡, 李建成, 等. 卫星载荷放大器性能研究与波形系统编制选择[J]. 信息通信技能与政策, 2022,48(1):89-96.

卫星载荷放大器性能研究与波形系统编制选择

马玉娟1 姚怡2 李建成3 曹正玉2 黄秀莹3

（1. 中国信息通信研究院技能与标准研究所，北京 100191；2. 中国卫通集团株式会社，北京 100190；3. 银河航天（北京）通信技能有限公司，北京 100192）

择要：卫星通信系统波形系统编制的定义，是系统编制标准制订的根本事情之一。
既要考虑到系统编制波形自身的特点，也要考虑到系统中器件特性对旗子暗记传播的影响。
对OFDM系统编制波形、DFT-s-OFDM系统编制波形在经由载荷放大器后的射频特性进行丈量；通过EVM、PAPR、信噪比解调门限、效率等指标，评估两种系统编制旗子暗记在单载波、四载波场景下的性能质量，进而对波形系统编制的选择给出建议。

关键词：波形系统编制；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. 卫星载荷放大器性能研究与波形系统编制选择[J]. 信息通信技能与政策, 2022,48(1):89-96.

DOI：10.12267/j.issn.2096-5931.2022.1.015

0 弁言

卫星通信系统的组网形态和业务需求，给系统设计带来多项寻衅。
特殊是卫星互联网超高速率传输需求，哀求利用频谱利用率高的波形系统编制，以及几百兆赫兹乃至更宽的载波带宽。
不仅系统编制设计繁芜，也给器件实现带来寻衅。
在传统的卫星通信中，DVB旗子暗记系统编制广泛运用，而近年来，3GPP、ITU等组织均提出了基于5G的星地领悟通信系统编制设计理念，并开展干系的研究验证。
OFDM系统编制旗子暗记由于频谱效率高、抗多径能力强、频谱资源分配灵巧而备受推崇。
在地面5G系统中，下行选择OFDM系统编制，担保旗子暗记传输质量。
上行利用DFT-s-OFDM系统编制，最大程度降落旗子暗记峰均比。
而卫星通信由于功率受限，哀求更低的旗子暗记峰均比，对波形系统编制提出更高的设计哀求。
此外，系统编制设计与还应考虑硬件实现方案和器件特性匹配性。
目前，卫星载荷的设计方案，方向于每个射频通道承载多个波束的旗子暗记，旗子暗记的叠加效应须要在系统编制设计初期给予考虑。
射频器件非线性对旗子暗记特性的影响也须要进行摸底验证。
本文基于一种载荷放大器，对两种系统编制旗子暗记波形在经由放大器后的特性进行验证，为卫星通信系统编制波形选择供应佐证。

1 卫星通信系统常用波形系统编制

传统的卫星通信系统广泛利用DVB-S标准，包括DVB-S、DVB-S2、DVB-S2X、DVB-RCS等。
DVB系统编制为单载波系统，系统峰均比低，但资源调度缺少灵巧性。
DVB帧构造不区分掌握信道和业务信道，不区分用户，所有用户必须对所有数据进行解调，再从运用层分离信令和数据，不仅系统容量受限，还存在安全性问题。
无广播掌握信道的设计还导致系统缺少随机接入机制。
DVB系统编制的局限性导致其无法知足目前卫星移动通信支持海量终端、多种业务形态、高数据吞吐量的设计需求。

目前，ITU、3GPP等国际标准化组织相继开展了非地面网络的研究，标准研制事情重点为基于5G的星地领悟通信系统编制设计。
基于5G NR通信系统的空口波形包括OFDM和DFT-s-OFDM。
OFDM旗子暗记不同子载波可以承载不同信道，可以关闭子载波实现滋扰规避，资源调度灵巧，同时可以利用频域均衡，系统繁芜度低。
DFT-s-OFDM不同子载波可以承载不同信道，但无法实现滋扰规避，同时只能利用时域均衡，繁芜度比OFDM高。

OFDM旗子暗记由多个独立的、经由调制的子载波旗子暗记叠加而成，合成的旗子暗记产生大的峰值功率，即带来较大的峰均比；而DFT-s-OFDM实质上是单载波调制系统，其峰均比低于OFDM。
根据理论剖析和仿真，DFT-s-OFDM比OFDM的峰均比低3 dB旁边。

目前，星上载荷大多采取多波束设计，即单个放大器承载多个波束的旗子暗记。
多个波束的DFT-s-OFDM旗子暗记叠加，峰均比会进一步抬升。
而OFDM旗子暗记由于自身已是多个子载波旗子暗记叠加，多波束产生的叠加效应并不明显。
根据理论剖析，在一个波束内配置多路旗子暗记的情形下，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。
此种情形下须要通过试验验证，进一步明确二种波形的差异性。

2 载荷放大器分类

在卫星通信系统中，星载放大器是核心器件之一。
目前，采取的高功率放大器（High Power Amplifier，HPA）紧张包括3类：行波管放大器（Travelling Wave Tube Amplifier，TWTA）、固态功率放大器（Solid State Power Amplifier，SSPA）以及速调管放大器（Klystron Amplifier，KPA）。

KPA输出功率最大，但带宽仅有50~100 MHz，其广泛运用于电视广播系统的上行站和一些带宽较窄的FDMA地面站。
TWTA输出功率较小，可支持较宽的带宽。
例如，在Ka频段带宽可达2000 MHz。
TWTA具有龟龄命、重量轻和高效率的优点，被广泛运用，如中国卫通集团株式会社的中星16号高轨高通量卫星即采取行波管放大器。
但由于TWTA作为真空管，采取了热阴极发射，须要精密的高压电源，制造本钱和掩护本钱较高。
SSPA输出功率最小，适宜于低功率运用处景。
随着固态技能和功率合成技能的不断发展，SSPA逐渐实现了大功率输出；且由于SSPA良好的线性度，使得在低轨卫星通信系统中，逐渐被载荷设计职员接管。
目前，已知银河航天发射的首颗试验星即采取了SSPA。

3 波形验证测试项

传统针对放大器的测试包括噪声系数、三阶交调、1 dB压缩点、带内平坦度等。
单靠个中一项参数不敷以反响出器件的整体性能，须要对多项参数综合剖析比拟才能得到器件特性。
此外，受旗子暗记格式、旗子暗记带宽、载波数量等影响，不同的系统编制旗子暗记经由放大器后性能也不尽相同。
因此，针对宽带卫星通信系统的载荷放大器评估，须要利用系统编制旗子暗记作为被测波形，通过EVM、BLER、PAPR等通信性能指标进行验证。

3.1 偏差向量幅度

偏差向量幅度（Error Vector Magnitude，EVM）是指一个给定空想无偏差基准旗子暗记与实际发射旗子暗记的向量差，能全面衡量调制旗子暗记的幅度偏差和相位偏差。
EVM详细表示吸收机对旗子暗记进行解调时产生的IQ分量与空想旗子暗记分量的靠近程度，是评估调制旗子暗记质量的一种指标。
EVM的恶化紧张由于非线性引起（如PA的AM-AM失落真），以是EVM常日作为衡量器件或设备线性性能的标志。

偏差向量常日与I/Q调制办法有关，且常以解调符号的星座图表示。
偏差向量幅度定义为偏差矢量旗子暗记均匀功率的均方根与空想旗子暗记均匀功率的均方根之比，并以百分比的形式表示。
EVM越小，旗子暗记质量越好。
与此同时，越高阶的调制办法，它的星座点越密，对EVM哀求越高。

3. 2 旗子暗记峰均比

旗子暗记峰均比（Peak to Average Power Ratio，PAPR），是指旗子暗记峰值功率与均值功率的比值，常日用CCDF这样一个统计函数来表示。
其曲线表示的是旗子暗记的功率（幅度）值和其对应的涌现概率，测试中常日选用0.01%的概率。
峰值功率太高会将放大器推入非线性区从而产生失落真，每每峰值功率越高，放大器非线性越强，就须要回退更多的功率来减小非线性。
此外，PAPR还会影响到发射机频谱再生，如邻道功率透露。

3.3 旗子暗记解调信噪比门限

旗子暗记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）的旗子暗记，在不超过给定的BLER（Block Error Rate）下，能够支持的最小的信道信噪比。
在卫星通信系统中，网络调度用户时，会按照当前的信道特性，指示用户按照一个MCS进行数据映射和数据解调。
常日会通过仿真给出MCS对应最小SNR矩阵表，但仍须要通过验证稽核器件特性带来的影响。

BLER数据块差错率是对单位韶光内信道上吸收到缺点数据块的一个统计参数，表示数据块经由CRC校验后的缺点概率，它能够衡量吸收机在噪声、衰落等繁芜条件下的解调质量。
因此，采取BLER作为解调信噪比门限的剖断指标。

3.4 效率

卫星为功率受限系统，放大器的效率对系统设计至关主要。
为了避免功放饱和对旗子暗记削峰造成旗子暗记质量恶化，放大器会事情在非饱和状态。
而功率回退一定会导致效率变差，因此在验证系统编制旗子暗记时，须要考虑放大器事情点的效率。

4 试验方法及配置

本次试验旨在验证DFT-S-OFDM与OFDM旗子暗记，经由载荷放大器后的性能变革。
为了担保充分性和完全性，测试在多种配置下开展。

4. 1 旗子暗记特色测试

旗子暗记特色测试包括EVM和PAPR。
通过比拟旗子暗记经由放大器后与原始旗子暗记的特色参数EVM、PAPR的变革，评估放大器对旗子暗记特色的影响。
针对DFT-sOFDM、OFDM两种系统编制旗子暗记，分别验证QPSK、8PSK、16QAM、64QAM调制办法单载波及四载波配置下的旗子暗记特色。
同时，为了充分评估放大器的影响，测试在放大器P1dB事情点及不同功率回退等级下开展。

如图1所示，EVM和PAPR测试由旗子暗记剖析仪内置的丈量功能测试。
DFT-s-OFDM旗子暗记利用5G NR上行旗子暗记波形，OFDM旗子暗记利用5G NR下行旗子暗记波形。
矢量旗子暗记源调用内部5G NR波形，并调制至功放中央频点，后通过放大器组件得到放大后的旗子暗记。
放大后的旗子暗记通过耦合器分两路，个中一起接入旗子暗记剖析仪，进行EVM、PAPR丈量；另一起接入功率计监测放大器的事情状态。
此外，为了验证测试方法比对测试结果，在正式测试前，先通过旗子暗记源与频谱仪直连，测试原始旗子暗记的EVM和PAPR。

图1 旗子暗记特色测试方案设备连接框图

4.2 旗子暗记解调信噪比门限测试

测试旗子暗记经由放大器后，在知足BLER不大于10-3条件下，能够支持的最小信噪比。
针对DFT-sOFDM、OFDM两种系统编制旗子暗记，选择8PSK调制办法，3/4码率，分别在单载波、四载波配置下，针对放大器事情在P1dB、P3dB进行测试。

由于旗子暗记剖析仪等通用仪表并不支持BLER的统计和打算，因此通过MATLAB搭建仿真平台，实现DFT-s-OFDM、OFDM系统编制旗子暗记的天生、解析及BLER打算功能。

如图2所示，由仿真平台产生DFT-s-OFDM、OFDM基带旗子暗记，送入矢量旗子暗记发生器中并调制至功放中央频点。
通过放大器放大后的旗子暗记通过分为两路，个中一起用功率计监测放大器的事情点状态，另一起与AWGN噪声合路。
合路后的旗子暗记输入至旗子暗记剖析仪，并从旗子暗记剖析仪提取出IQ数据，送入仿真平台进行解调和BLER打算。

图2 旗子暗记解调门限测试设备连接框图

4.3 放大器效率测试

测试放大器在不同载波配置、不同调制办法下，以及不同的功率回退点下的效率，确定放大器不同事情状态下的效率特性。
通过记录放大器事情的电流电压，以及输出功率，打算其效率。
针对DFT-s-OFDM、OFDM两种系统编制旗子暗记，分别验证QPSK、8PSK、16QAM、64QAM调制办法单载波及四载波配置下的旗子暗记特色。
同时，为了充分评估放大器的影响，测试在放大器P1dB事情点及不同功率回退等级下开展。
效率测试，由可跟踪稳压电源实时显示放大器在不同事情状态下的电压和电流，由功率计记录功放的输出功率，进而打算出效率。
效率测试系统连接与旗子暗记特色测试同等，在实际测试时，效率可与旗子暗记特色测试同时进行。

5 测试数据

5.1 旗子暗记特色测试

5.1.1 EVM测试

在正式测试前，首先测试仪表直连下系统EVM，测试结果显示，各种载波配置下，EVM最大值<2.5%，系统残余EVM值在可信区间。
单载波与四载波配置EVM测试结果分别拜会图3、图4，测试结果显示：在经由固态放大器之后，旗子暗记的EVM值发生较大恶化。
随着输入功率回退，EVM随之改进。
单载波场景下，相同的调制办法，DFT-s-OFDM系统编制的EVM明显优于OFDM系统编制。
如在P1dB功率点，差异约10%。
随着载波数量的增加，载波异逐渐缩小。
DFT-s-OFDM系统编制与OFDM系统编制四载波的EVM值差小于单载波，相同的调制办法，在P1dB功率点，差异约4%。
相同的调制办法下，OFDM系统编制波形四载波与单载波的EVM数值险些一样。
相同的调制办法下，DFT-s-OFDM系统编制波形四载波的EVM数值较单载波的差，即随着载波数量增加，EVM数值发生恶化。

图3 单载波EVM测试结果

图4 四载波EVM测试结果

5.1.2 PAPR测试

在正式测试前，首先测试原始波形的PAPR。
测试结果显示，DFT-s-OFDM系统编制旗子暗记，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系统编制旗子暗记，单载波、四载波不同调制办法PAPR均在9~9.5 dB之间。
测试结果与理论值保持同等。

OFDM系统编制与DFT-s-OFDM系统编制波形的PAPR测试结果分别拜会图5、图6，测试结果显示：OFDM系统编制波形，四载波与单载波的PAPR数值险些一样。
DFTs-OFDM系统编制波形，四载波的PAPR数值大于单载波的数值。
经由固态放大器之后，由于旗子暗记压缩导致PAPR数值变小。
随着输入功率回退，PAPR数值逐渐抬升。
在单载波场景下，DFT-s-OFDM系统编制波形的PAPR小于OFDM系统编制。
在四载波场景下，两种调制办法PAPR数值相似。

图5 OFDM系统编制旗子暗记PAPR

图6 DFT-s-OFDM系统编制旗子暗记PAPR

5.2 旗子暗记解调信噪比门限测试结果

由表1旗子暗记解调信噪比门限测试结果所示：经由放大器后，OFDM系统编制波形的解调门限高于DFT-sOFDM系统编制波形。
随着功率回退，两种系统编制波形之间的差异逐渐缩小。
经由放大器后，四载波的解调门限比单载波大，个中DFT-s-OFDM系统编制波形差异明显。
随着功率回退，单载波与四载波间的差异逐渐缩小。
在P1dB-3，两种系统编制波形的单载波与四载波均无差异。

表1 旗子暗记解调信噪比门限测试结果

5.3 效率测试结果

单载波与四载波配置下，效率测试结果分别拜会图7、图8，测试结果显示：随着功率回退，放大器的效率逐渐降落。
在单载波场景下，DFT-s-OFDM系统编制的效率略优于OFDM系统编制。
在四载波场景下，两种系统编制的效率险些相同。

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

为了进一步验证系统编制波形的适用性，在实验室测试的根本上，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，对系统编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，通信旗子暗记在3GPP 5G NR系统编制根本上进行了优化。
如图9所示，测试平台天生下行DFT-s-OFDM系统编制的PDSCH信道旗子暗记，由旗子暗记源调制并发送至信关站中频接口，信关站对旗子暗记进行变频放大后通过天线发射向卫星。
卫星将旗子暗记转发后，由终端吸收。
终端将旗子暗记吸收放大后输出至频谱剖析仪。
频谱剖析仪采集数据后，再由测试平台对数据进行剖析。

试验结果显示，100 MHz带宽载波配置，经由中星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，知足卫星通信绝大数利用场景的须要。
验证了优化的5G旗子暗记系统编制在高低轨卫星通信系统中的可用性。

图9 在轨测试系统连接图

7 结束语

本文先容了OFDM系统编制、DFT-s-OFDM系统编制旗子暗记在经由载荷放大器后性能的变革。
试验数据显示，针对卫星载荷单波束设计，DFT-s-OFDM系统编制旗子暗记在EVM、BLER性能方面优于OFDM系统编制波形。
而在多波束设计方案中，由于波束间的叠加效应，DFT-sOFDM系统编制波形的性能逐渐趋近OFDM系统编制波形。
在实际方案设计中，须要根据载荷设计方案，结合OFDM系统编制、DFT-s-OFDM系统编制两种系统编制波形的优缺陷，综合考虑选定波形。

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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《信息通信技能与政策》2022年 第1期