非线性功放对数字调制信号的影响研究

摘要：功放的非线性会带来调制信号的性能恶化，基于simulink建模，对比仿真了恒包络调制MSK和非恒包络调制BPSK，在功放线性和非线性区域时的误码性能，以及在带宽受限条件下，相邻信道干扰对信号误码性能影响。仿真结果表明，功放饱和对非恒包络调制信号影响更大，尤其是信道间隔较小的情况下，非恒包络调制信号的误码性能恶化严重。该研究为数字通信系统的工程设计提供了一种可借鉴分析方法。
关键词：非线性功放；数字通信；调制信号；邻道干扰

0 引言
功率放大器(简称功放)是通信系统必不可少的一个部件，通常工作在发射机的末端，用于提供较大的功率输出。本质上射频功放都是非线性的，即输出信号中会包含非线性引起的失真分量，输入电平越大，非线性越严重。非线性会引起发射信号的畸变，降低信号质量，增加误码率，同时使信号的频谱展宽，产生带外辐射，对邻道形成干扰。因此研究功放对数字调制信号的影响，不仅能够更进一步加深理论上的理解，而且对实际工程中的功放和调制方式的设计以及选择也具有重要的指导意义。
文献研究了恒包络调制的GMSK信号在非线性信道(C类功放)下的性能影响；文献研究了非恒包络的TCM-8PSK信号在非线性功放下的误码率性能，并采用LMS的均衡算法，改善非线性失真；文献仿真了非恒包络的BPSK，QPSK信号通过饱和功放后的频谱以及误码特性。以上文献没有对比分析非线性功放对恒包络和非恒包络调制信号的性能影响，也没有分析非线性功放下，调制信号的带外辐射对邻道信号的干扰影响。因此，本文首先建立非线性功放模型，然后分别从Eb／N0性能、频谱特性、星座图和相邻信道干扰下的误码性能等多个方面对比分析了非线性功放对恒包络调制(MSK)和非恒包络调制(BPSK)进行了对比分析，并且根据分析结果对实际工程中的功放和调制方式的设计和选择给出了建议。

1 通信系统性能评估
1．1 通用的评估方式
对数字通信系统，传统的性能评估指标是误码率BER和Eb／N0，Eb是单位比特的平均信号能量，N0是噪声单边功率谱密度，评估调制方式的一个方法是对于给定的BER，所需要的Eb／N0尽可能小。
不同的调制方式，其功率谱密度不同，某些调制方式有更紧凑的功率谱密度，可在相同的频率带宽内传输更多的比特，因此，评估调制方式的另一个方法，是在满足用户BER性能的情况下，在给定的带宽W下，获得尽可能高的用户速率Rb，一般以带宽效率来衡量，定义为：Rb／Wb／s·Hz-1。
调制方式的总目标是在满足一定误码率要求的情况下，所需的Eb／N0最小，带宽效率Rb／W最大。
1．2 带功放的通信系统评估
传统的性能评估方式Eb／N0中，假设发射功率相同，信号无失真，工程系统中，调制信号经过功放后，都会有一定的失真，只是不同的调制方式，对功放的非线性敏感程度不同，因此评估工程系统的BER性能时，应考虑经过功放后调制信号的Eb／N0。

另外，工程系统中，还要考虑邻道干扰，如图1所示。带宽效率定义为Rb／W’，W’定义为两相邻信道的频率间隔，假设相邻的左右两个信道采用同样的功放，同样的调制方式，则此时的系统BER性能不仅和带内的噪声相关，还与邻道信号的带外干扰有关。

2 系统模型
系统在matlab的simulink环境中进行仿真，仿真模型如图2所示。调制信号和功放产生用户信号，邻道信号和功放，产生邻道干扰信号，带通滤波器滤掉带外干扰，在白噪声信道中产生白噪声，信号分析对信号频谱和星座图进行分析，误码统计完成BER统计。带通滤波器、白噪声信道、信号分析和误码统计模块都采用simulink标准模块实现，下面主要介绍下调制信号、功放和邻道信号模块。

2．1 调制信号
恒包络调制的信号包络固定，而非恒包络调制的信号包络随时间变化。恒包络调制不受非线性功放传输函数(AM／AM)的影响，但相对于非恒包络调制，其主瓣带宽更大，这在信道间频率间隔较小的情况下，会引起邻道干扰。
为了公平地比较，选择了均为二进制的数字调制方式：恒包络调制MSK和非恒包络调制BPSK，符号速率均为50 Mb／s，其中，BPSK采用滚降系数为0．35的根升余弦滤波器。并且在实验中分别针对45～75 MHz两种信道间隔进行了分析。
2．2 功放模型
功放是典型的非线性器件，基本认为是无记忆系统，当前时刻的输出只与当前时刻的输入相关。放大器可以用一个无记忆非线性系统来进行建模。若输入信号为：
x(t)=a(t)cos[ωt+φ(t)] (1)
则非线性放大输出后为：
y(t)=f[a(t)]cos{ωt+φ(t)+g[a(t)]) (2)
式中：f(·)和g(·)分别表示非线性器件的幅度一幅度(AM-AM)和幅度-相位(AM-PM)的传递特性。
功放模型采用matlab中的General Amplifier，功放系数采用rfdata．data，射频频率为2．1 GHz，功率输入输出特性如图3所示。