非線性功放對數字調制信號的影響研究

摘要：功放的非線性會帶來調制信號的性能惡化，基于simulink建模，對比仿真了恒包絡調制MSK和非恒包絡調制BPSK，在功放線性和非線性區域時的誤碼性能，以及在帶寬受限條件下，相鄰信道干擾對信號誤碼性能影響。仿真結果表明，功放飽和對非恒包絡調制信號影響更大，尤其是信道間隔較小的情況下，非恒包絡調制信號的誤碼性能惡化嚴重。該研究為數字通信系統的工程設計提供了一種可借鑒分析方法。
關鍵詞：非線性功放；數字通信；調制信號；鄰道干擾

0 引言
功率放大器(簡稱功放)是通信系統必不可少的一個部件，通常工作在發射機的末端，用于提供較大的功率輸出。本質上射頻功放都是非線性的，即輸出信號中會包含非線性引起的失真分量，輸入電平越大，非線性越嚴重。非線性會引起發射信號的畸變，降低信號質量，增加誤碼率，同時使信號的頻譜展寬，產生帶外輻射，對鄰道形成干擾。因此研究功放對數字調制信號的影響，不僅能夠更進一步加深理論上的理解，而且對實際工程中的功放和調制方式的設計以及選擇也具有重要的指導意義。
文獻研究了恒包絡調制的GMSK信號在非線性信道(C類功放)下的性能影響；文獻研究了非恒包絡的TCM-8PSK信號在非線性功放下的誤碼率性能，并采用LMS的均衡算法，改善非線性失真；文獻仿真了非恒包絡的BPSK，QPSK信號通過飽和功放后的頻譜以及誤碼特性。以上文獻沒有對比分析非線性功放對恒包絡和非恒包絡調制信號的性能影響，也沒有分析非線性功放下，調制信號的帶外輻射對鄰道信號的干擾影響。因此，本文首先建立非線性功放模型，然后分別從Eb／N0性能、頻譜特性、星座圖和相鄰信道干擾下的誤碼性能等多個方面對比分析了非線性功放對恒包絡調制(MSK)和非恒包絡調制(BPSK)進行了對比分析，并且根據分析結果對實際工程中的功放和調制方式的設計和選擇給出了建議。

1 通信系統性能評估
1．1 通用的評估方式
對數字通信系統，傳統的性能評估指標是誤碼率BER和Eb／N0，Eb是單位比特的平均信號能量，N0是噪聲單邊功率譜密度，評估調制方式的一個方法是對于給定的BER，所需要的Eb／N0盡可能小。
不同的調制方式，其功率譜密度不同，某些調制方式有更緊湊的功率譜密度，可在相同的頻率帶寬內傳輸更多的比特，因此，評估調制方式的另一個方法，是在滿足用戶BER性能的情況下，在給定的帶寬W下，獲得盡可能高的用戶速率Rb，一般以帶寬效率來衡量，定義為：Rb／Wb／s·Hz-1。
調制方式的總目標是在滿足一定誤碼率要求的情況下，所需的Eb／N0最小，帶寬效率Rb／W最大。
1．2 帶功放的通信系統評估
傳統的性能評估方式Eb／N0中，假設發射功率相同，信號無失真，工程系統中，調制信號經過功放后，都會有一定的失真，只是不同的調制方式，對功放的非線性敏感程度不同，因此評估工程系統的BER性能時，應考慮經過功放后調制信號的Eb／N0。

另外，工程系統中，還要考慮鄰道干擾，如圖1所示。帶寬效率定義為Rb／W’，W’定義為兩相鄰信道的頻率間隔，假設相鄰的左右兩個信道采用同樣的功放，同樣的調制方式，則此時的系統BER性能不僅和帶內的噪聲相關，還與鄰道信號的帶外干擾有關。

2 系統模型
系統在matlab的simulink環境中進行仿真，仿真模型如圖2所示。調制信號和功放產生用戶信號，鄰道信號和功放，產生鄰道干擾信號，帶通濾波器濾掉帶外干擾，在白噪聲信道中產生白噪聲，信號分析對信號頻譜和星座圖進行分析，誤碼統計完成BER統計。帶通濾波器、白噪聲信道、信號分析和誤碼統計模塊都采用simulink標準模塊實現，下面主要介紹下調制信號、功放和鄰道信號模塊。

2．1 調制信號
恒包絡調制的信號包絡固定，而非恒包絡調制的信號包絡隨時間變化。恒包絡調制不受非線性功放傳輸函數(AM／AM)的影響，但相對于非恒包絡調制，其主瓣帶寬更大，這在信道間頻率間隔較小的情況下，會引起鄰道干擾。
為了公平地比較，選擇了均為二進制的數字調制方式：恒包絡調制MSK和非恒包絡調制BPSK，符號速率均為50 Mb／s，其中，BPSK采用滾降系數為0．35的根升余弦濾波器。并且在實驗中分別針對45～75 MHz兩種信道間隔進行了分析。