馬玉娟姚怡李建成曹正玉黃秀瑩

(1.中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所，北京 100191；2.中國(guó)衛(wèi)通集團(tuán)股份有限公司，北京 100190 ；3.銀河航天(北京)通信技術(shù)有限公司，北京 100192)

0 引言

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組網(wǎng)形態(tài)和業(yè)務(wù)需求，給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)多項(xiàng)挑戰(zhàn)。特別是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)超高速率傳輸需求，要求使用頻譜利用率高的波形體制，以及幾百兆赫茲甚至更寬的載波帶寬。不僅體制設(shè)計(jì)復(fù)雜，也給器件實(shí)現(xiàn)帶來(lái)挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信中，DVB信號(hào)體制廣泛應(yīng)用，而近年來(lái)，3GPP、ITU等組織均提出了基于5G的星地融合通信體制設(shè)計(jì)理念，并開(kāi)展相關(guān)的研究驗(yàn)證。OFDM體制信號(hào)由于頻譜效率高、抗多徑能力強(qiáng)、頻譜資源分配靈活而備受推崇。在地面5G系統(tǒng)中，下行選擇OFDM體制，保證信號(hào)傳輸質(zhì)量。上行使用DFT-s-OFDM體制，最大程度降低信號(hào)峰均比。而衛(wèi)星通信由于功率受限，要求更低的信號(hào)峰均比，對(duì)波形體制提出更高的設(shè)計(jì)要求。此外，體制設(shè)計(jì)與還應(yīng)考慮硬件實(shí)現(xiàn)方案和器件特性匹配性。目前，衛(wèi)星載荷的設(shè)計(jì)方案，傾向于每個(gè)射頻通道承載多個(gè)波束的信號(hào)，信號(hào)的疊加效應(yīng)需要在體制設(shè)計(jì)初期給予考慮。射頻器件非線性對(duì)信號(hào)特性的影響也需要進(jìn)行摸底驗(yàn)證。本文基于一種載荷放大器，對(duì)兩種體制信號(hào)波形在經(jīng)過(guò)放大器后的特性進(jìn)行驗(yàn)證，為衛(wèi)星通信體制波形選擇提供佐證。

1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)常用波形體制

傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)廣泛使用DVB-S標(biāo)準(zhǔn)，包括DVB-S、DVB-S2、DVB-S2X、DVB-RCS等。DVB體制為單載波系統(tǒng)，系統(tǒng)峰均比低，但資源調(diào)度缺乏靈活性。DVB幀結(jié)構(gòu)不區(qū)分控制信道和業(yè)務(wù)信道，不區(qū)分用戶(hù)，所有用戶(hù)必須對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)，再?gòu)膽?yīng)用層分離信令和數(shù)據(jù)，不僅系統(tǒng)容量受限，還存在安全性問(wèn)題。無(wú)廣播控制信道的設(shè)計(jì)還導(dǎo)致系統(tǒng)缺乏隨機(jī)接入機(jī)制。DVB體制的局限性導(dǎo)致其無(wú)法滿(mǎn)足目前衛(wèi)星移動(dòng)通信支持海量終端、多種業(yè)務(wù)形態(tài)、高數(shù)據(jù)吞吐量的設(shè)計(jì)需求。

目前，ITU、3GPP等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織相繼開(kāi)展了非地面網(wǎng)絡(luò)的研究，標(biāo)準(zhǔn)研制工作重點(diǎn)為基于5G的星地融合通信體制設(shè)計(jì)。基于5G NR通信系統(tǒng)的空口波形包括OFDM和DFT-s-OFDM。OFDM信號(hào)不同子載波可以承載不同信道，可以關(guān)閉子載波實(shí)現(xiàn)干擾規(guī)避，資源調(diào)度靈活，同時(shí)可以使用頻域均衡，系統(tǒng)復(fù)雜度低。DFT-s-OFDM不同子載波可以承載不同信道，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)干擾規(guī)避，同時(shí)只能使用時(shí)域均衡，復(fù)雜度比OFDM高。

OFDM信號(hào)由多個(gè)獨(dú)立的、經(jīng)過(guò)調(diào)制的子載波信號(hào)疊加而成，合成的信號(hào)產(chǎn)生大的峰值功率，即帶來(lái)較大的峰均比；而DFT-s-OFDM本質(zhì)上是單載波調(diào)制系統(tǒng)，其峰均比低于OFDM。根據(jù)理論分析和仿真，DFT-s-OFDM比OFDM的峰均比低3 dB左右。

目前，星上載荷大多采用多波束設(shè)計(jì)，即單個(gè)放大器承載多個(gè)波束的信號(hào)。多個(gè)波束的DFT-s-OFDM信號(hào)疊加，峰均比會(huì)進(jìn)一步抬升。而OFDM信號(hào)由于自身已是多個(gè)子載波信號(hào)疊加，多波束產(chǎn)生的疊加效應(yīng)并不明顯。根據(jù)理論分析，在一個(gè)波束內(nèi)配置多路信號(hào)的情況下，OFDM和DFT-s-OFDM峰均比會(huì)趨于相似，DFT-s-OFDM不再具有峰均比優(yōu)勢(shì)。此種情況下需要通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步明確二種波形的差異性。

2 載荷放大器分類(lèi)

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，星載放大器是核心器件之一。目前，采用的高功率放大器(High Power Amplifier，HPA)主要包括3類(lèi)：行波管放大器(Travelling Wave Tube Amplifier，TWTA)、固態(tài)功率放大器(Solid State Power Amplifier，SSPA)以及速調(diào)管放大器(Klystron Amplifier，KPA)。

KPA輸出功率最大，但帶寬僅有50～100 MHz，其廣泛應(yīng)用于電視廣播系統(tǒng)的上行站和一些帶寬較窄的FDMA地面站。TWTA輸出功率較小，可支持較寬的帶寬。例如，在Ka頻段帶寬可達(dá)2000 MHz。TWTA具有長(zhǎng)壽命、重量輕和高效率的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用，如中國(guó)衛(wèi)通集團(tuán)股份有限公司的中星16號(hào)高軌高通量衛(wèi)星即采用行波管放大器。但由于TWTA作為真空管，采用了熱陰極發(fā)射，需要精密的高壓電源，制造成本和維護(hù)成本較高。SSPA輸出功率最小，適合于低功率應(yīng)用場(chǎng)景。隨著固態(tài)技術(shù)和功率合成技術(shù)的不斷發(fā)展，SSPA逐漸實(shí)現(xiàn)了大功率輸出；且由于SSPA良好的線性度，使得在低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，逐漸被載荷設(shè)計(jì)人員接受。目前，已知銀河航天發(fā)射的首顆試驗(yàn)星即采用了SSPA。

3 波形驗(yàn)證測(cè)試項(xiàng)

傳統(tǒng)針對(duì)放大器的測(cè)試包括噪聲系數(shù)、三階交調(diào)、1 dB壓縮點(diǎn)、帶內(nèi)平坦度等。單靠其中一項(xiàng)參數(shù)不足以反映出器件的整體性能，需要對(duì)多項(xiàng)參數(shù)綜合分析對(duì)比才能得到器件特性。此外，受信號(hào)格式、信號(hào)帶寬、載波數(shù)量等影響，不同的體制信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器后性能也不盡相同。因此，針對(duì)寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的載荷放大器評(píng)估，需要使用體制信號(hào)作為被測(cè)波形，通過(guò)EVM、BLER、PAPR等通信性能指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 誤差向量幅度

誤差向量幅度(Error Vector Magnitude，EVM)是指一個(gè)給定理想無(wú)誤差基準(zhǔn)信號(hào)與實(shí)際發(fā)射信號(hào)的向量差，能全面衡量調(diào)制信號(hào)的幅度誤差和相位誤差。EVM具體表示接收機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)時(shí)產(chǎn)生的IQ分量與理想信號(hào)分量的接近程度，是評(píng)估調(diào)制信號(hào)質(zhì)量的一種指標(biāo)。EVM的惡化主要因?yàn)榉蔷€性引起(如PA的AM-AM失真)，所以EVM通常作為衡量器件或設(shè)備線性性能的標(biāo)志。

誤差向量通常與I/Q調(diào)制方式有關(guān)，且常以解調(diào)符號(hào)的星座圖表示。誤差向量幅度定義為誤差矢量信號(hào)平均功率的均方根與理想信號(hào)平均功率的均方根之比，并以百分比的形式表示。EVM越小，信號(hào)質(zhì)量越好。與此同時(shí)，越高階的調(diào)制方式，它的星座點(diǎn)越密，對(duì)EVM要求越高。

3.2 信號(hào)峰均比

信號(hào)峰均比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)，是指信號(hào)峰值功率與均值功率的比值，通常用CCDF這樣一個(gè)統(tǒng)計(jì)函數(shù)來(lái)表示。其曲線表示的是信號(hào)的功率(幅度)值和其對(duì)應(yīng)的出現(xiàn)概率，測(cè)試中通常選用0.01%的概率。峰值功率太高會(huì)將放大器推入非線性區(qū)從而產(chǎn)生失真，往往峰值功率越高，放大器非線性越強(qiáng)，就需要回退更多的功率來(lái)減小非線性。此外，PAPR還會(huì)影響到發(fā)射機(jī)頻譜再生，如鄰道功率泄露。

3.3 信號(hào)解調(diào)信噪比門(mén)限

信號(hào)解調(diào)信噪比門(mén)限測(cè)試，是指針對(duì)某種調(diào)制編碼方式(Modulation and Coding Scheme，MCS)的信號(hào)，在不超過(guò)給定的BLER(Block Error Rate)下，能夠支持的最小的信道信噪比。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)調(diào)度用戶(hù)時(shí)，會(huì)按照當(dāng)前的信道特性，指示用戶(hù)按照一個(gè)MCS進(jìn)行數(shù)據(jù)映射和數(shù)據(jù)解調(diào)。通常會(huì)通過(guò)仿真給出MCS對(duì)應(yīng)最小SNR矩陣表，但仍需要通過(guò)驗(yàn)證考察器件特性帶來(lái)的影響。

BLER數(shù)據(jù)塊差錯(cuò)率是對(duì)單位時(shí)間內(nèi)信道上接收到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)塊的一個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)，表示數(shù)據(jù)塊經(jīng)過(guò)CRC校驗(yàn)后的錯(cuò)誤概率，它能夠衡量接收機(jī)在噪聲、衰落等復(fù)雜條件下的解調(diào)質(zhì)量。因此，采用BLER作為解調(diào)信噪比門(mén)限的判定指標(biāo)。

3.4 效率

衛(wèi)星為功率受限系統(tǒng)，放大器的效率對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。為了避免功放飽和對(duì)信號(hào)削峰造成信號(hào)質(zhì)量惡化，放大器會(huì)工作在非飽和狀態(tài)。而功率回退必然會(huì)導(dǎo)致效率變差，因此在驗(yàn)證體制信號(hào)時(shí)，需要考慮放大器工作點(diǎn)的效率。

4 試驗(yàn)方法及配置

本次試驗(yàn)旨在驗(yàn)證DFT-S-OFDM與OFDM信號(hào)，經(jīng)過(guò)載荷放大器后的性能變化。為了保證充分性和完整性，測(cè)試在多種配置下開(kāi)展。

4.1 信號(hào)特征測(cè)試

信號(hào)特征測(cè)試包括EVM和PAPR。通過(guò)對(duì)比信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器后與原始信號(hào)的特征參數(shù)EVM、PAPR的變化，評(píng)估放大器對(duì)信號(hào)特征的影響。針對(duì)DFT-s-OFDM、OFDM兩種體制信號(hào)，分別驗(yàn)證QPSK、8PSK、16QAM、64QAM調(diào)制方式單載波及四載波配置下的信號(hào)特征。同時(shí)，為了充分評(píng)估放大器的影響，測(cè)試在放大器P1dB工作點(diǎn)及不同功率回退等級(jí)下開(kāi)展。

如圖1所示，EVM和PAPR測(cè)試由信號(hào)分析儀內(nèi)置的測(cè)量功能測(cè)試。DFT-s-OFDM信號(hào)使用5G NR上行信號(hào)波形，OFDM信號(hào)使用5G NR下行信號(hào)波形。矢量信號(hào)源調(diào)用內(nèi)部5G NR波形，并調(diào)制至功放中心頻點(diǎn)，后通過(guò)放大器組件獲得放大后的信號(hào)。放大后的信號(hào)通過(guò)耦合器分兩路，其中一路接入信號(hào)分析儀，進(jìn)行EVM、PAPR測(cè)量；另一路接入功率計(jì)監(jiān)測(cè)放大器的工作狀態(tài)。此外，為了驗(yàn)證測(cè)試方法比對(duì)測(cè)試結(jié)果，在正式測(cè)試前，先通過(guò)信號(hào)源與頻譜儀直連，測(cè)試原始信號(hào)的EVM和PAPR。

圖1 信號(hào)特征測(cè)試方案設(shè)備連接框圖

4.2 信號(hào)解調(diào)信噪比門(mén)限測(cè)試

測(cè)試信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器后，在滿(mǎn)足BLER不大于10-3條件下，能夠支持的最小信噪比。針對(duì)DFT-s-OFDM、OFDM兩種體制信號(hào)，選擇8PSK調(diào)制方式，3/4碼率，分別在單載波、四載波配置下，針對(duì)放大器工作在P1dB、P3dB進(jìn)行測(cè)試。

由于信號(hào)分析儀等通用儀表并不支持BLER的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，因此通過(guò)MATLAB搭建仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)DFT-s-OFDM、OFDM體制信號(hào)的生成、解析及BLER計(jì)算功能。

如圖2所示，由仿真平臺(tái)產(chǎn)生DFT-s-OFDM、OFDM基帶信號(hào)，送入矢量信號(hào)發(fā)生器中并調(diào)制至功放中心頻點(diǎn)。通過(guò)放大器放大后的信號(hào)通過(guò)分為兩路，其中一路用功率計(jì)監(jiān)測(cè)放大器的工作點(diǎn)狀態(tài)，另一路與AWGN噪聲合路。合路后的信號(hào)輸入至信號(hào)分析儀，并從信號(hào)分析儀提取出IQ數(shù)據(jù)，送入仿真平臺(tái)進(jìn)行解調(diào)和BLER計(jì)算。

圖2 信號(hào)解調(diào)門(mén)限測(cè)試設(shè)備連接框圖

4.3 放大器效率測(cè)試

測(cè)試放大器在不同載波配置、不同調(diào)制方式下，以及不同的功率回退點(diǎn)下的效率，確定放大器不同工作狀態(tài)下的效率特性。通過(guò)記錄放大器工作的電流電壓，以及輸出功率，計(jì)算其效率。針對(duì)DFT-s-OFDM、OFDM兩種體制信號(hào)，分別驗(yàn)證QPSK、8PSK、16QAM、64QAM調(diào)制方式單載波及四載波配置下的信號(hào)特征。同時(shí)，為了充分評(píng)估放大器的影響，測(cè)試在放大器P1dB工作點(diǎn)及不同功率回退等級(jí)下開(kāi)展。效率測(cè)試，由可跟蹤穩(wěn)壓電源實(shí)時(shí)顯示放大器在不同工作狀態(tài)下的電壓和電流，由功率計(jì)記錄功放的輸出功率，進(jìn)而計(jì)算出效率。效率測(cè)試系統(tǒng)連接與信號(hào)特征測(cè)試一致，在實(shí)際測(cè)試時(shí)，效率可與信號(hào)特征測(cè)試同時(shí)進(jìn)行。

5 測(cè)試數(shù)據(jù)

5.1 信號(hào)特征測(cè)試

5.1.1 EVM測(cè)試

在正式測(cè)試前，首先測(cè)試儀表直連下系統(tǒng)EVM，測(cè)試結(jié)果顯示，各種載波配置下，EVM最大值<2.5%，系統(tǒng)殘余EVM值在可信區(qū)間。單載波與四載波配置EVM測(cè)試結(jié)果分別參見(jiàn)圖3、圖4，測(cè)試結(jié)果顯示：在經(jīng)過(guò)固態(tài)放大器之后，信號(hào)的EVM值發(fā)生較大惡化。隨著輸入功率回退，EVM隨之改善。單載波場(chǎng)景下，相同的調(diào)制方式，DFT-s-OFDM體制的EVM明顯優(yōu)于OFDM體制。如在P1dB功率點(diǎn)，差異約10%。隨著載波數(shù)量的增加，載波異逐漸縮小。DFT-s-OFDM體制與OFDM體制四載波的EVM值差小于單載波，相同的調(diào)制方式，在P1dB功率點(diǎn)，差異約4%。相同的調(diào)制方式下，OFDM體制波形四載波與單載波的EVM數(shù)值幾乎一樣。相同的調(diào)制方式下，DFT-s-OFDM 體制波形四載波的EVM數(shù)值較單載波的差，即隨著載波數(shù)量增加，EVM數(shù)值發(fā)生惡化。

圖3 單載波EVM測(cè)試結(jié)果

圖4 四載波EVM測(cè)試結(jié)果

5.1.2 PAPR測(cè)試

在正式測(cè)試前，首先測(cè)試原始波形的PAPR。測(cè)試結(jié)果顯示，DFT-s-OFDM體制信號(hào)，單載波不同調(diào)制方式PAPR在6.5～7 dB之間，四載波不同調(diào)制方式PAPR在9.5～10 dB之間；OFDM體制信號(hào)，單載波、四載波不同調(diào)制方式PAPR均在9～9.5 dB之間。測(cè)試結(jié)果與理論值保持一致。

OFDM體制與DFT-s-OFDM體制波形的PAPR測(cè)試結(jié)果分別參見(jiàn)圖5、圖6，測(cè)試結(jié)果顯示：OFDM體制波形，四載波與單載波的PAPR數(shù)值幾乎一樣。DFT-s-OFDM 體制波形，四載波的PAPR數(shù)值大于單載波的數(shù)值。經(jīng)過(guò)固態(tài)放大器之后，由于信號(hào)壓縮導(dǎo)致PAPR數(shù)值變小。隨著輸入功率回退，PAPR數(shù)值逐漸抬升。在單載波場(chǎng)景下，DFT-s-OFDM體制波形的PAPR小于OFDM體制。在四載波場(chǎng)景下，兩種調(diào)制方式PAPR數(shù)值相似。

圖5 OFDM體制信號(hào)PAPR

圖6 DFT-s-OFDM體制信號(hào)PAPR

5.2 信號(hào)解調(diào)信噪比門(mén)限測(cè)試結(jié)果

由表1信號(hào)解調(diào)信噪比門(mén)限測(cè)試結(jié)果所示：經(jīng)過(guò)放大器后，OFDM體制波形的解調(diào)門(mén)限高于DFT-s-OFDM體制波形。隨著功率回退，兩種體制波形之間的差異逐漸縮小。經(jīng)過(guò)放大器后，四載波的解調(diào)門(mén)限比單載波大，其中DFT-s-OFDM體制波形差異明顯。隨著功率回退，單載波與四載波間的差異逐漸縮小。在P1dB-3，兩種體制波形的單載波與四載波均無(wú)差異。

表1 信號(hào)解調(diào)信噪比門(mén)限測(cè)試結(jié)果

5.3 效率測(cè)試結(jié)果

單載波與四載波配置下，效率測(cè)試結(jié)果分別參見(jiàn)圖7、圖8，測(cè)試結(jié)果顯示：隨著功率回退，放大器的效率逐漸降低。在單載波場(chǎng)景下，DFT-s-OFDM體制的效率略?xún)?yōu)于OFDM體制。在四載波場(chǎng)景下，兩種體制的效率幾乎相同。

圖7 單載波效率測(cè)試結(jié)果

圖8 四載波效率測(cè)試結(jié)果

6 在軌試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證體制波形的適用性，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的基礎(chǔ)上，先后通過(guò)銀河航天低軌衛(wèi)星、中國(guó)衛(wèi)通中星16號(hào)高軌、高通量衛(wèi)星開(kāi)展在軌試驗(yàn)，對(duì)體制波形在高低軌衛(wèi)星真實(shí)通信場(chǎng)景中的性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

為了適應(yīng)衛(wèi)星通信信道特性，通信信號(hào)在3GPP 5G NR體制基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化。如圖9所示，測(cè)試平臺(tái)生成下行DFT-s-OFDM體制的PDSCH信道信號(hào)，由信號(hào)源調(diào)制并發(fā)送至信關(guān)站中頻接口，信關(guān)站對(duì)信號(hào)進(jìn)行變頻放大后通過(guò)天線發(fā)射向衛(wèi)星。衛(wèi)星將信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)后，由終端接收。終端將信號(hào)接收放大后輸出至頻譜分析儀。頻譜分析儀采集數(shù)據(jù)后，再由測(cè)試平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖9 在軌測(cè)試系統(tǒng)連接圖

試驗(yàn)結(jié)果顯示，100 MHz帶寬載波配置，經(jīng)過(guò)中星16號(hào)高軌高通量衛(wèi)星或銀河航天低軌衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后，單終端峰值通信速率均超過(guò)200 Mbit/s，滿(mǎn)足衛(wèi)星通信絕大數(shù)使用場(chǎng)景的需要。驗(yàn)證了優(yōu)化的5G信號(hào)體制在高低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的可用性。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了OFDM體制、DFT-s-OFDM體制信號(hào)在經(jīng)過(guò)載荷放大器后性能的變化。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，針對(duì)衛(wèi)星載荷單波束設(shè)計(jì)，DFT-s-OFDM體制信號(hào)在EVM、BLER性能方面優(yōu)于OFDM體制波形。而在多波束設(shè)計(jì)方案中，由于波束間的疊加效應(yīng)，DFT-s-OFDM體制波形的性能逐漸趨近OFDM體制波形。在實(shí)際方案設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)載荷設(shè)計(jì)方案，結(jié)合OFDM體制、DFT-s-OFDM體制兩種體制波形的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合考慮選定波形。