衛(wèi)星通信系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)在于能夠大范圍地進(jìn)行數(shù)字多媒體的傳播。為了最大限度地利用有限功率，衛(wèi)星的高功放（HPA）必須工作在飽和狀態(tài)下，這樣產(chǎn)生了非常嚴(yán)峻的非線性環(huán)境，影響了衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能。過去，矩形MQAM調(diào)制具有較高的頻譜利用率，并且在AWGN信道下有很好的性能，但是在非線性信道中，性能惡化比較嚴(yán)重。1974年，THOMAS等人提出并研究了一種環(huán)形MAPSK調(diào)制[1]，這種星座能夠有效地克服由于HPA引起的非線性失真。對(duì)于MAPSK星座如何選用匹配的星座參數(shù)，GAUDENZI對(duì)APSK星座基于最小歐氏距離最大化和互信息最大化兩種原則進(jìn)行了星座優(yōu)化設(shè)計(jì)[2-3]。本文針對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的非線性信道，通過對(duì)映射星座進(jìn)行相應(yīng)的非對(duì)稱旋轉(zhuǎn)，以補(bǔ)償非線性失真對(duì)通信系統(tǒng)的影響。沒有硬件復(fù)雜性的影響和帶外輻射的增加，并且允許放大器工作在飽和狀態(tài)，是一種簡(jiǎn)單有效克服非線性失真的方法。

1 衛(wèi)星非線性信道數(shù)學(xué)模型
    圖1可認(rèn)為是跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星返向信道的模型。其中，星上功率放大器(TWTA)是一個(gè)非線性器件，該器件將引起包括幅度和相位在內(nèi)的非線性失真。



2.2 非線性失真對(duì)MAPSK的影響
    總的來說,信道非線性特性對(duì)信號(hào)的影響有兩方面。(1)造成映射的信號(hào)點(diǎn)的幅度和相位的失真,星座信號(hào)點(diǎn)的相對(duì)位置發(fā)生變化;(2)盡管是無記憶非線性系統(tǒng)，但在接收端會(huì)出現(xiàn)碼間干擾（ISI）。
    對(duì)于4-12APSK調(diào)制信號(hào),當(dāng)經(jīng)過衛(wèi)星非線性信道后，其信號(hào)點(diǎn)的相位和幅度發(fā)生了變化，圖3是比較了經(jīng)過非線性信道前后信號(hào)點(diǎn)幅度和相位的變化情況。
    由圖3知，經(jīng)非線性信道后,幅度和相位失真比較嚴(yán)重。對(duì)于4-12APSK來說,相對(duì)應(yīng)的內(nèi)環(huán)半徑為0.188 3,外環(huán)半徑為0.508 5。經(jīng)過非線性放大器后內(nèi)環(huán)半徑為0.390 6,外環(huán)半徑為0.845 8,內(nèi)環(huán)放大2.074 3倍,外環(huán)放大1.663 3倍。內(nèi)環(huán)星座點(diǎn)向左旋轉(zhuǎn)7.626 9°,外環(huán)星座點(diǎn)向左旋轉(zhuǎn)38.696 8°。

2.3 MAPSK星座非對(duì)稱設(shè)計(jì)理論分析
　　從上面的分析得知，衛(wèi)星信道的非線性特性使通信質(zhì)量嚴(yán)重下降。通過在調(diào)制端選取最優(yōu)的相對(duì)半徑ρ和相對(duì)相位?漬，使其在非線性信道下性能得到提升。根據(jù)HPA的AM/AM、AM/PM轉(zhuǎn)換特性，得到經(jīng)過HPA的星座，對(duì)星座的相對(duì)半徑和相對(duì)相位進(jìn)行修正。這種星座優(yōu)化設(shè)計(jì)方法就是根據(jù)HPA非線性失真特性測(cè)算星座點(diǎn)幅度和相位的變化，在調(diào)制端對(duì)星座進(jìn)行非對(duì)稱設(shè)計(jì),使其經(jīng)過HPA,使相位和幅度恢復(fù)原來的標(biāo)準(zhǔn)映射星座,而在解調(diào)端解調(diào)時(shí),仍然以標(biāo)準(zhǔn)的映射星座進(jìn)行解調(diào)，提高信號(hào)抵抗非線性失真的能力。
    非對(duì)稱性星座參數(shù)優(yōu)化步驟如下：
    (1)無白噪聲進(jìn)行傳輸時(shí)，計(jì)算自匹配濾波器的S組有W個(gè)符號(hào)的質(zhì)心；
    (2)計(jì)算每組最后的錯(cuò)誤符號(hào)；
    (3)對(duì)星座的信號(hào)點(diǎn)進(jìn)行更新。
    最后一步可以通過迭代的LMS算法來進(jìn)行。其原理如下式：

    由圖5和圖6可知，非線性信道下，采用非對(duì)稱設(shè)計(jì)參數(shù)的16APSK和32APAK性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于對(duì)稱的16APSK和32APSK。

    不同測(cè)量參數(shù)表征的非線性模型的非線性程度不同。下面，根據(jù)表2的優(yōu)化星座參數(shù)，比較4-12APSK在非線性程度不同的非線性信道模型下的誤碼率性能，如圖7 ，Hetrakul and Taylor測(cè)量參數(shù)下優(yōu)化的星座性能最好，而Eric測(cè)量參數(shù)和Berman測(cè)量參數(shù)優(yōu)化的星座性能接近。實(shí)際衛(wèi)星通信中，應(yīng)該對(duì)影響通信質(zhì)量最嚴(yán)重HPA表征參數(shù)，選擇合適的測(cè)量參數(shù)模型，以期達(dá)到跟實(shí)際相符。

    針對(duì)衛(wèi)星信道的非線性失真特性，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中采用DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)中的具有較高功率和頻譜利用率的MAPSK調(diào)制技術(shù)，利用其包絡(luò)起伏較小并具有內(nèi)在的對(duì)抗非線性失真能力的優(yōu)點(diǎn)，來提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。在利用不同的測(cè)量參數(shù)來表征非線性信道非線性程度的基礎(chǔ)上，提出了在調(diào)制端對(duì)MAPSK映射星座進(jìn)行非對(duì)稱設(shè)計(jì)，在解調(diào)端采用標(biāo)準(zhǔn)的解映射星座進(jìn)行解調(diào)，來補(bǔ)償非線性失真對(duì)MAPSK調(diào)制信號(hào)帶來的相位和幅度的影響。
參考文獻(xiàn)
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