QPSK调制系统性能仿真分析

QPSK调制系统性能仿真分析于晓丰北京航空航天大学电子信息工程学院电磁兼容实验室北京100191摘要：利用ADS仿真软件建立0PSK调制发射机模型。采用仿真方法分析本振相位噪声、行波管放大器非线 性效应对0PSK信号幅频特性和发射系统误码特性的影响。对改进发射机性能具有指导意义。关键词：QPSK误码率相位噪声AM/AM AM/PM图1 QPSK调制发射机行为级模型入虫仞丿二KA?TsAsin(ct)_(0_現几一、引言卫星数据传输系统大多釆用QPSK调 制方式，数传发射机是卫星数据传输系统中 的重要组成部分，主要由本振源，调制器、 滤波器和行波管放大器（TWTA丿或固态放大 器等组成。基带信号经调制器调制到载波 上，经过滤波、放大，直接送入行波管放大 器或固态放大器，通过天线发向地面。实际 的发射机都是非理想的，存在着各种恶化因 素（如木振相位噪声、TWTA的非线性效应 等），影响系统的性能，降低数据传输的质 量，浪费发射功率。因此，分析恶化因素对 0PSK调制系统性能影响，对发射机的设计 具有很好的指导作用。随着通信系统越来越复杂，利用计算机 仿真技术分析系统性能，已成为强有力的方 法之一。Agilent公司的ADS软件是一个功 能强大的射频电路设计和仿真软件，行为级 仿真能力很强，它为用户提供了类型丰富、 功能齐全的模块，通过对模块参数的调整， 可以快速的建立通信系统模型。二、QPSK信号及发射机模型QPSK调制是种四相制的相位键控， 每个码元包含两位二进制信息，通过载波的 四种不同相位信息来表征传递数字的信息。 输入数据为双极性非归零码，经串/并变换 后，分成两路比和。为了避免接收端的 相位模糊，通常要在发送端加上差分编码， 使发送信息用相对码表示。经过差分编码后 的两路信号分别去调制同相载波和正交载 波，得到同相支路/和正交支路Q,相加后 得到QPSK调制信号。QPSK调制信号可以 看作是两路正交的BPSK信号之和，其数学 表达式为8Sqp9 (t丿=工 g(t - kTs丿 cos(69ct + gk=-oo88二工 g(t -kTs 丿 cogt -KTs)sin qt k=ook=-co对仃丿式进行傅里叶变换，可得QPSK调 制信号的功率谱式中，g（t丿为矩形脉冲，脉冲宽度等于 码元周期；比和q为比特码元；久为受调 相位（有4种不同的相位取值丿；为载波角 频率；zk =cos（p, Q = sin 。KA2 为Q 电阻上的信号功率，Ts=2Tb（7；为比特持续 时间丿。本文所研究的数传发射机采用传统结 构形式，主要由中频调制器、中频本振源、 变频器本振源、变频器以及滤波器、放大器 等构成。中频调制器将信源产生的2Mbit/s 的数据流调制到1GHz,再经一次上变频调 制到发射频率9.4GHz.基带信号被1和Q 路调制到载波上吋，将会产生很宽的信号频 谱，一般采用Nyquist升余弦滤波器对矩形 信号进行滤波，以降低信号传输所需的频谱 带宽，升余弦滤波器的滚降系数。的值越 小，表示所需的传输带宽越窄。在ADS中 建立发射机的行为级模型，如图/所示，其 中Nyquist升余弦滤波器的滚降系数。设为 0.5。-图1中所示的模型，相位噪声为零，三 个放大器完全理想。设置各器件的噪声系 数，对发射链路进行仿真分析，并将此时的 仿真结果称为理想状态仿真结果。图2(。丿为 经发射链路传输后，QPSK信号时域波形。 (b)为经QPSK信号功率谱密度。图3为理想 状态下，基带信号传输时的误码特性。图2 (a) QPSK信号时域波形ulnJ9uMkfreq. Mllz(b)QPSK信号功率谱密度图3理想状态下信号传输过程的误码特性图5信号传输过程的误码特性time, usee图6 QPSK信号时域波形三、相位噪声对发射机性能的影响相位噪声可以看成是各种类型的随机 噪声信号对相位的调制作用。从频域表现来 看，噪声边带连续地分布在载波频率的上下 两边，本振频谱不再是一根离散的谱线，而 带有一定的带宽。当信号与本振信号混合并 从基带频率转换为射频频率时，相位噪声就 会进入到信号中。在实际的QPSK数字解调 系统中，发射机本振源的相位噪声会引起载 波频率相位产生误差，导致系统性能恶化。为了分析载波相位噪声对系统性能的 影响，将图1所示电路的中频本振源换成专 门用于相位仿真的本振源OSCwPhNoise, 札I位噪声设为100Hz, ldB, lOKHz, 2dB, lOOKHz, 4dB, 1MHz，-8dB.用 Envelope 仿真器进行仿真分析，加入相位噪声后 QPSK信号的频谱特性、系统的误码特性分 别如图4和图5所示。图4 QPSK信号功率谱密度由图4和图5可知，当载波含有相噪时, QPSK信号的功率谱被扩展了，但不是很明 显。可是此吋的误码率却增加很大，这是因 为相位噪声使得QPSK调制信号的相位出 现严重失真，如图6所示。从图5还可以看 出，存在相位噪声时，发射系统比特信噪比 增加对误码性能的改善远没有理想情况提 高的大。在发射链路中，各器件共同决定发射机 的性能。图7给出了 Nyquist升余弦滤波器 滚降系数Q不同值的情况下，系统误码性能 的变化情况。图7滚降系数Q对EBR的影响从图7可知，随着滚降系数的增加，系 统误码特性得到改善。所以在相噪的存在 时，可以通过适当调整滤波器或增大发射功 率的方法对发射机的性能进行改善。四、TWTA对发射机性能的影响在数据传输系统中，TWTA用于对信号 进行放大。为了获得较高的输出功率，行波 管通常工作在饱和状态，此时输出功率最高，效率最高，但非线性失真也最严重。TWTA的AM / AM和AM / PM非线性特 性，给传输信号带来非线性失真，制约了传 输效率，使得误码率增大、信号频谱岀现扩 展现象。在进行AM/4M特性仿真分析时，将 图1电路中最后一级功率放大器(TWTA)的 三阶截断点设为20,其他参数不变。在进行 AM / PM仿真分析时，将图1电路中最后 一级功率放大器(TWTA)的AM2PM参数设 为0.5,其他参数不变。用Envelope仿真器 进行仿真分析。仿真结果如下，如图8为 QPSK调制信号的功率谱密度，图9为信号 传输过程屮的误码特性。freq. MHzfreq. MHz图8 (a) AM/AM(b) AM / PM图9 (a) AM/AM AM/PM从图8中可以看出TWTA的AM/AM 和AM/PM非线性特性都导致QPSK信号功 率谱出现较明显的扩展现象，并且使得系统 误码特性降低。但是AM/PM对系统性能恶 化的影响更大，这是因为QPSK调制是利用 载波的不同相位来表征数字信息的一种相 位调制，因此QPSK调制对AM / PM特性 的影响更敏感。同样，在TWTA非线性作用下，对不 同滚降系数下的发射性能进行仿真分析，具 体结果如图M和所示。图 11 (a) AM / AM(b) AM/PM如图和图11所示，滚降系数增大对 频谱扩展的改善并不明显。但从误码率的角 度，可以看出，滚降系数增大误码性能有所 提高，尤其是对改善AM/PM对系统造成的 影响较明显。实际工程中，可以通过幅度和 相位预失真校正TWTA的非线性特性，也 可以采用接收端相位补偿的方法减小 AM/PM的影响。五、结论本文就相位噪声.TWTA的AM/AM和 AM/PM非线性特性对发射机性能的影响进 行仿真分析。从这儿种情况的对比中，得出 0PSK调制系统对相位噪声最敏感。并给出 不同滚降系数下，发射机的性能，对如何改 进发射机性能具有借鉴意义。六、参考文献1张爱兵.基于QPSK调制的遥感卫星输出系统 的仿真与优化.硕士论文.2004.1/2丿陈兴华.毫米波卫星接收机发射电路设计.硕 士论文.2007.53 侯利明，李惠杰，林孝康.AM/PM变换对QPSK 调制误码率的影响.清华大学学报.2008.48(4)4 刘西峰，马伟.QPSK系统微波本振相位噪声 与BE/?的定量关系.空间电子技术.2005. (3)5 胡君，朱立东，吴诗其.非线性对卫星通信性 能影响分析及仿真.系统工程与电子技 术.2005.27(5)