劉 斌，張秀寧，李 澎，李正岱，周 磊

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)仿真軟件設(shè)計與應(yīng)用*

劉 斌1，張秀寧1，李 澎1，李正岱1，周 磊2

（1 北京遙測技術(shù)研究所 北京 100076 2 北京空間信息中繼傳輸技術(shù)研究中心 北京 100094）

設(shè)計開發(fā)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)仿真軟件，并針對理想信道條件、I/Q幅相不平衡、幅頻特性、群時延、相位噪聲、功放飽和條件、非線性信道條件這七種信道，仿真16QAM和16APSK的誤碼率性能，并對仿真結(jié)果進行分析。利用仿真平臺得出的非線性信道條件下誤碼率需求與所需信噪比之間的關(guān)系，可以作為完善系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的重要依據(jù)，為中繼衛(wèi)星系統(tǒng)后續(xù)建設(shè)和應(yīng)用提供重要參考。

仿真軟件；I/Q幅相不平衡；幅頻特性；群時延；相位噪聲；功放飽和；非線性信道

引 言

無論軍事領(lǐng)域還是民用領(lǐng)域，衛(wèi)星通信系統(tǒng)都是各國信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的戰(zhàn)略制高點。中繼衛(wèi)星系統(tǒng)是利用高軌道衛(wèi)星對低軌道航天器等用戶目標(biāo)進行跟蹤測軌和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的空間信息傳輸系統(tǒng)[1]。目前，我國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的服務(wù)對象包括載人航天、偵察衛(wèi)星、無人機、海洋艦船等各種型號任務(wù)，并正向民用領(lǐng)域拓展。由于中繼衛(wèi)星系統(tǒng)具有“全球通信覆蓋”的特殊地位，可以預(yù)見，未來的戰(zhàn)略預(yù)警網(wǎng)絡(luò)也離不開中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的支持。中繼衛(wèi)星系統(tǒng)目前的通信體制不能保證在各種傳輸速率條件下都能得到最優(yōu)傳輸性能。因此，需要開展中繼衛(wèi)星系統(tǒng)通信體制分析，提高在不同傳輸速率下的通信效能。

用戶需求增長對我國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)通信體制提出了新要求。隨著我國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展和應(yīng)用潛能的不斷挖掘，各類用戶提出的應(yīng)用需求也迅速增長，并且越來越具有鮮明的個性特色。譬如，高分衛(wèi)星、載人航天等用戶提出了數(shù)據(jù)傳輸速率超過600Mbps的技術(shù)要求，衛(wèi)星用戶和海洋艦船都提出了高/低兩檔傳輸速率的技術(shù)要求。新一代中繼衛(wèi)星系統(tǒng)面向這兩類用戶需求，需要采用高階調(diào)制方式，提高傳輸速率并優(yōu)化傳輸模式。

本文開發(fā)了中繼衛(wèi)星系統(tǒng)仿真軟件，并對該仿真軟件進行驗證與應(yīng)用。中繼衛(wèi)星系統(tǒng)仿真軟件主要用于中繼衛(wèi)星系統(tǒng)非線性信道特性的仿真，完成I/Q幅相不平衡失真、幅頻特性失真、群時延失真、相位噪聲失真、功放非線性失真、非線性信道失真的仿真功能。該仿真軟件支持8PSK、16QAM、16APSK三種高階調(diào)制方式。本文的仿真結(jié)果涵蓋了對影響系統(tǒng)傳輸能力的主要因素的定量分析，可以作為完善系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的重要依據(jù)，為中繼衛(wèi)星系統(tǒng)后續(xù)建設(shè)和應(yīng)用提供重要參考。

1 仿真軟件設(shè)計

1.1 總體方案設(shè)計

中繼衛(wèi)星通信系統(tǒng)仿真框圖如圖1所示。

圖1 中繼衛(wèi)星通信系統(tǒng)仿真

圖2 幅相不平衡失真模型

1.2 非線性信道模塊

1.2.1 I/Q幅相不平衡模塊

根據(jù)幅度和相位不平衡的定義可以得到幅相不平衡的基本模型，如圖2所示。

1.2.2 幅頻特性模塊

根據(jù)需要的幅頻特性設(shè)計FIR濾波器[3,4]，所設(shè)計的FIR濾波器模塊即是幅頻特性模塊。首先構(gòu)造一個希望逼近的理想濾波器。假設(shè)該理想濾波器的頻率響應(yīng)為d(e)，單位脈沖響應(yīng)為d()。對d(e)在[0，2π]上進行點等間隔采樣，得到

以d()作為實際FIR數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)在[0，2π]上的點等間隔采樣值()，即令

根據(jù)頻域內(nèi)插公式，頻率響應(yīng)如式（3）所示。

濾波器的實際頻率響應(yīng)在各頻率采樣點上與理想頻率響應(yīng)嚴(yán)格相等，即

1.2.3 群時延模塊

假設(shè)系統(tǒng)的頻率特性函數(shù)為

1.2.4 相位噪聲模塊

理想情況下，不考慮初始相位，衛(wèi)星通信鏈路中本振輸出信號的頻譜應(yīng)該是一根無限窄的譜線，可表示為

式中，()為信號瞬時電壓；0為信號峰值電壓幅度；0為信號頻率。其中0、0為常數(shù)。這是一個純凈的本振信號，從頻域看本振信號為一根純凈譜線，從時域看正弦波的周期為一恒定值。但是在實際的通信鏈路中，任何信號不可避免地被噪聲調(diào)制，因此振蕩器產(chǎn)生的信號也不是理想的，表現(xiàn)為相位不穩(wěn)定（即相位噪聲）[8,9]，表示為

1.2.5 功放非線性模塊

在寬帶通信系統(tǒng)中，功放的記憶效應(yīng)變得明顯，功放的輸出不再是輸入信號的即時函數(shù)，還跟過去的輸入信號有關(guān)[10]。Wiener模型是一種常用的功放記憶模型，Wiener模型由記憶模塊串聯(lián)無記憶非線性模塊構(gòu)成[11,12]，其組成如圖3所示。

圖3 功放記憶模型組成

記憶模塊由濾波器實現(xiàn)，無記憶非線性模塊采用Saleh模型[13]。Saleh模型用兩個函數(shù)來分別描述幅度和相位的失真特性[12]。

2 仿真軟件驗證

仿真軟件運行環(huán)境：Matlab 2014b；Windows Server 2008 R2 Enterprise（64位）；內(nèi)存32GB；CPU 12核（2.4GHz）。

仿真軟件支持三種調(diào)制方式，分別是8PSK、16QAM、16APSK；可以選擇是否使用成形，成形因

子有1、0.5、0.35、0.2、0.1可供選擇；可以設(shè)置仿真的信噪比范圍；可以設(shè)置16APSK的半徑比；有五種信道模型可供選擇，分別是IQ幅相不平衡、幅頻特性、群時延、相位噪聲、功放非線性，并可以設(shè)置信道模型的參數(shù)；有兩種信道校正模塊可以選擇，分別是IQ幅相不平衡校正、均衡。使用Matlab GUIDE工具設(shè)計仿真軟件人機交互界面[14]如圖4所示。

圖4 仿真軟件人機交互界面

為了驗證設(shè)計軟件的正確性，分別仿真了理想信道（AWGN信道）條件下8PSK、16QAM的誤碼率曲線，如圖5、圖6所示。

2.1.2 精密度試驗。通過對混合標(biāo)準(zhǔn)品溶液重復(fù)進樣6針，計算RSD值，結(jié)果見表2。綠原酸、葫蘆巴堿、D-(-)-奎寧酸、咖啡酸峰面積的RSD值分別為0.32%、0.25%、0.56%、0.71%，表明在此試驗條件下儀器精密度良好。

圖5 AWGN信道條件下8PSK仿真誤碼率曲線

圖6 AWGN信道條件下16QAM仿真誤碼率曲線

由圖5、圖6可以看出，理想信道（AWGN信道）條件下，8PSK、16QAM的仿真誤碼率曲線與理論曲線吻合，驗證了仿真軟件的正確性。

3 仿真軟件應(yīng)用

使用中繼衛(wèi)星系統(tǒng)仿真軟件，仿真16QAM、16APSK在非線性信道條件下的性能，為工程實踐提供指導(dǎo)。

3.1 理想信道條件下解調(diào)性能仿真情況

3.1.1 仿真用例

表1 理想信道條件下的仿真用例

3.1.2 仿真結(jié)果

理想信道條件下16QAM、16APSK的解調(diào)性能曲線（分別對應(yīng)仿真用例1、用例2）如圖7、圖8所示。

圖7 理想信道條件下16QAM解調(diào)性能曲線

圖8 理想信道條件下16APSK解調(diào)性能曲線

對選取誤碼率為1e-7時的仿真結(jié)果進行比較，計算解調(diào)損失，以此衡量高速數(shù)傳基帶的解調(diào)性能。

表2 理想信道條件下誤碼率為1e-7時16QAM的解調(diào)損失

表3 理想信道條件下誤碼率為1e-7時16APSK的解調(diào)損失

仿真結(jié)果表明：

① 高速數(shù)傳基帶的解調(diào)損失較小，以成形系數(shù)0.35為例，在900Mbps的高碼率條件下，解調(diào)的損失小于0.1dB。

3.2 幅相偏差條件下解調(diào)性能仿真情況

3.2.1 仿真用例

表4 幅相偏差條件下的仿真用例

3.2.2 仿真結(jié)果

幅相偏差條件下16QAM、16APSK的解調(diào)性能曲線（分別對應(yīng)仿真用例1、用例2）如圖9、圖10所示。選取誤碼率為1e-7時的仿真結(jié)果進行比較，計算解調(diào)損失，以此衡量高速數(shù)傳基帶的解調(diào)性能。

仿真結(jié)果表明：

① 對比理想信道仿真，在存在幅相偏差的情況下，16APSK體制和16QAM體制的解調(diào)性能無顯著下降，說明接收機的設(shè)計對較小的幅相偏差的影響不敏感，接收機可以通過算法進行糾正。

② 誤碼率為1e-7時，16QAM比16APSK可節(jié)省1.6dB。

圖9 幅相偏差條件下16QAM解調(diào)性能曲線

圖10 幅相偏差條件下16APSK解調(diào)性能曲線

表5 幅相偏差條件下誤碼率為1e-7時16QAM的解調(diào)損失

表6 幅相偏差條件下誤碼率為1e-7時16APSK的解調(diào)損失

3.3 幅頻特性條件下解調(diào)性能仿真情況

3.3.1 仿真用例

表7 幅頻特性條件下的仿真用例

3.3.2 仿真結(jié)果

幅頻特性條件下16QAM、16APSK的解調(diào)性能曲線（分別對應(yīng)仿真用例1、用例2）如圖11、圖12所示。選取誤碼率為1e-7時的仿真結(jié)果進行比較，計算解調(diào)損失，以此衡量高速數(shù)傳基帶的解調(diào)性能。

仿真結(jié)果表明：

① 幅頻特性條件下，16QAM和16APSK的解調(diào)損失分別為1.16dB和1.9dB。

② 誤碼率為1e-7時，16QAM比16APSK可節(jié)省2.275dB。

3.4 群時延條件下解調(diào)性能仿真情況

3.4.1 仿真用例

3.4.2 仿真結(jié)果

群時延條件下16QAM、16APSK的解調(diào)性能曲線（對應(yīng)仿真用例1、用例2）如圖13、圖14所示。選取誤碼率為1e-7時的仿真結(jié)果進行比較，計算解調(diào)損失，以此衡量高速數(shù)傳基帶的解調(diào)性能。

圖11 幅頻特性條件下16QAM解調(diào)性能曲線

圖12 幅頻特性條件下16APSK解調(diào)性能曲線

表8 幅頻特性條件下誤碼率為1e-7時16QAM的解調(diào)損失

表9 幅頻特性條件下誤碼率為1e-7時16APSK的解調(diào)損失

表10 群時延條件下的仿真用例

圖13 群時延條件下16QAM解調(diào)性能曲線

圖14 群時延條件下16APSK解調(diào)性能曲線

表11 群時延條件下誤碼率為1e-7時16QAM的解調(diào)損失

表12 群時延條件下誤碼率為1e-7時16APSK的解調(diào)損失

仿真結(jié)果表明：

① 群時延條件下，16QAM和16APSK的解調(diào)損失分別為2.11dB和2.465dB。

② 誤碼率為1e-7時，16QAM比16APSK可節(jié)省1.89dB。

3.5 相位噪聲條件下解調(diào)性能仿真情況

3.5.1 仿真用例

表13 相位噪聲條件下的仿真用例

3.5.2 仿真結(jié)果

相位噪聲條件下16QAM、16APSK的解調(diào)性能曲線（對應(yīng)仿真用例1、用例2）如圖15、圖16所示。

圖15 相位噪聲條件下16QAM解調(diào)性能曲線

圖16 相位噪聲條件下16APSK解調(diào)性能曲線

選取誤碼率為1e-7時的仿真結(jié)果進行比較，計算解調(diào)損失，以此衡量高速數(shù)傳基帶的解調(diào)性能。

仿真結(jié)果表明：

① 相位噪聲條件下，16QAM和16APSK的解調(diào)損失分別為1.35dB和0.715dB。

② 誤碼率為1e-7時，16QAM比16APSK可節(jié)省0.9dB。

表14 相位噪聲條件下誤碼率為1e-7時16QAM的解調(diào)損失

表15 相位噪聲條件下誤碼率為1e-7時16APSK的解調(diào)損失

3.6 功放飽和點條件下解調(diào)性能仿真情況

3.6.1 仿真用例

表16 功放飽和點條件下的仿真用例

3.6.2 仿真結(jié)果

功放飽和點條件下16QAM、16APSK的解調(diào)性能曲線（對應(yīng)仿真用例1、用例2）如圖17、圖18所示。

圖17 功放飽和點條件下16QAM解調(diào)性能曲線

圖18 功放飽和點條件下16APSK解調(diào)性能曲線

選取誤碼率為1e-7時的仿真結(jié)果進行比較，計算解調(diào)損失，以此衡量高速數(shù)傳基帶的解調(diào)性能。

表17 功放飽和點條件下誤碼率為1e-7時16QAM的解調(diào)損失

表18 功放飽和點條件下誤碼率為1e-7時16APSK的解調(diào)損失

仿真結(jié)果表明：

① 在功放飽和條件下，16QAM的性能損失超過了10dB；

② 在功放飽和條件下，16APSK的性能損失不到3dB；

③ 在功放飽和條件下，16APSK的性能優(yōu)于16QAM的性能，可節(jié)省6dB。

3.7 非線性信道條件下解調(diào)性能仿真情況

3.7.1 仿真用例

表19 非線性信道條件下的仿真用例

3.7.2 仿真結(jié)果

非線性信道條件下16QAM、16APSK的解調(diào)性能曲線（對應(yīng)仿真用例1、用例2）如圖19、圖20所示。

圖19 非線性信道條件下16QAM解調(diào)性能曲線

圖20 非線性信道條件下16APSK解調(diào)性能曲線

選取誤碼率為1e-7時的仿真結(jié)果進行比較，計算解調(diào)損失，以此衡量高速數(shù)傳基帶的解調(diào)性能。

表20 非線性信道條件下誤碼率為1e-7時16APSK的解調(diào)損失

仿真結(jié)果表明：

① 在非線性信道條件下，16QAM出現(xiàn)了誤碼平層，隨著信噪比的增大，誤碼率維持在1e-6數(shù)量級，不再下降；

② 在非線性信道條件下，16APSK性能損失了不到5dB；

③ 在非線性信道條件下，16APSK的性能優(yōu)于16QAM的性能。

3.8 仿真結(jié)論

① 在理想信道條件、I/Q幅相不平衡、幅頻特性、群時延、相位噪聲條件下，16QAM的性能優(yōu)于16APSK的性能，可節(jié)省0.9dB~2.3dB的信噪比；

② 在功放飽和點條件下，16APSK的性能優(yōu)于16QAM的性能，可節(jié)省6dB；

③ 在非線性信道條件下，16QAM出現(xiàn)了誤碼平層，隨著信噪比的增大，誤碼率維持在1e-6數(shù)量級，不再下降；

④ 誤碼率為1e-7時，與理想信道相比，非線性信道條件下16APSK的性能損失了不到5dB。

4 結(jié)束語

中繼衛(wèi)星通信系統(tǒng)仿真平臺主要用于中繼衛(wèi)星通信系統(tǒng)非線性信道特性的仿真，具備I/Q幅相不平衡失真、幅頻特性失真、群時延失真、相位噪聲失真、功放非線性失真、非線性信道失真的仿真功能。該仿真平臺支持8PSK、16QAM、16APSK三種高階調(diào)制方式，利用該仿真平臺得出的非線性信道條件下誤碼率需求與所需信噪比之間的關(guān)系，可以作為完善系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的重要依據(jù)，為中繼衛(wèi)星系統(tǒng)后續(xù)建設(shè)和應(yīng)用提供重要參考。

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Relay satellite system simulation software design and application

LIU Bin1, ZHANG Xiuning1, LI Peng1, LI Zhengdai1, ZHOU Lei2

（1. Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China;2. Beijing Space Information Relay and Transmission Technology Resarch Center 100094, China）

This paper designs and develops the relay satellite system simulation software, and simulates the BER performance of 16QAM and 16APSK under the channel condition of ideal channel, I/Q amplitude and phase imbalance, amplitude and frequency characteristics, group delay, phase noise, power amplifier saturation, non-linear channel. The simulation platform gets the relationship between bit error rate and signal to noise ratio under non-linear channel conditions. The relationship is the important basis for improving system technical indexes, and the important reference for subsequent construction and application of the relay satellite system.

Simulation software; I/Q amplitude and phase imbalance; Amplitude and frequency characteristics; Group delay; Phase noise; Power amplifier saturation; Non-linear channel

TN927+.3

A

CN11-1780(2020)01-0001-11

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裝發(fā)預(yù)研項目支持；國家重點研發(fā)計劃項目（No.2016YFB0500903）

2019-10-07

劉 斌 1978年生，博士，研究員，主要研究方向為衛(wèi)星有效載荷技術(shù)。

張秀寧 1984年生，博士，工程師，主要研究方向為衛(wèi)星有效載荷技術(shù)。

李 澎 1985年生，碩士，高級工程師，主要研究方向為衛(wèi)星有效載荷技術(shù)。

李正岱 1982年生，博士，高級工程師，主要研究方向為衛(wèi)星有效載荷技術(shù)。

周 磊 1972年生，在讀博士，高級工程師，主要研究方向為空間寬帶網(wǎng)絡(luò)傳輸。