摘要：在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，數(shù)字信道化技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)作為數(shù)字信道化器前端不可缺少的一部分起著至關(guān)重要的作用。基于ADC基本原理和性能，仿真分析了在ADC量化位數(shù)不同的條件下，ADC對(duì)數(shù)字已調(diào)信號(hào)解調(diào)性能的影響。
關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信；數(shù)字信道化；模數(shù)轉(zhuǎn)換器

0 引言
    當(dāng)今，通信技術(shù)飛速發(fā)展。由于數(shù)字通信具有抗干擾能力強(qiáng)、信道差錯(cuò)可通過(guò)編碼控制、通信設(shè)備易于集成化、易于對(duì)信號(hào)進(jìn)行加密處理、易于與各種數(shù)字終端實(shí)現(xiàn)對(duì)接等特點(diǎn)，數(shù)字通信技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。在衛(wèi)星通信領(lǐng)域亦是如此，早期的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器基本上都是采用透明轉(zhuǎn)發(fā)器。隨著衛(wèi)星通信技術(shù)軟硬件的不斷發(fā)展更新，星上處理轉(zhuǎn)發(fā)器逐漸得到人們的青睞，尤其在軍事活動(dòng)中應(yīng)用較為廣泛。作為數(shù)字設(shè)備前端不可缺少的重要器件，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)在衛(wèi)星有效載荷的應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它將中頻模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蛇M(jìn)行各種處理的數(shù)字信號(hào)。在某種程度上說(shuō)，ADC的性能好壞直接影響著星上處理轉(zhuǎn)發(fā)器性能的發(fā)揮。因此，研究ADC對(duì)多路數(shù)字已調(diào)信號(hào)性能的影響具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 信道化技術(shù)
    信道化，簡(jiǎn)單地說(shuō)，是指通過(guò)指定信道對(duì)通信實(shí)施管理的過(guò)程，進(jìn)而可以指采用多信道傳輸數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)。信道化技術(shù)可以將同時(shí)輸入的不同頻率信號(hào)分開(kāi)，在不同的信道內(nèi)處理，以達(dá)到同時(shí)處理多個(gè)信號(hào)的目的。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，數(shù)字信道化技術(shù)是一種運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理方法實(shí)現(xiàn)對(duì)多路信號(hào)靈活處理交換的技術(shù)，該技術(shù)可以在傳統(tǒng)透明轉(zhuǎn)發(fā)器下用模擬濾波器和中頻交換矩陣實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的處理交換，它融合了透明轉(zhuǎn)發(fā)器和處理轉(zhuǎn)發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)，是一種新型的星上信號(hào)處理技術(shù)。
    衛(wèi)星通信中的數(shù)字信道化技術(shù)大致可分為三個(gè)步驟：第一，模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DA C)；第二，信號(hào)的解復(fù)用和復(fù)用；第三，星上處理，包括數(shù)字子信號(hào)的處理和交換等過(guò)程。模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換是數(shù)字信號(hào)處理的前提，也是信道化技術(shù)發(fā)展必須解決的首要問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)數(shù)字信道化的方法很多，綜合起來(lái)有以下幾種：解析信號(hào)法、多相／離散傅里葉變換(PDFT)法、頻域?yàn)V波(FFT濾波)法、樹(shù)型濾波器組(多相濾波器)法等。實(shí)現(xiàn)數(shù)字信道化技術(shù)的星上設(shè)備稱(chēng)之為數(shù)字信道器，如圖1所示。其中LNA表示低噪聲放大器，HPA表示高功率放大器，DC表示下變頻器，UC表示上變頻器，ADC表示模數(shù)轉(zhuǎn)換器，DAC表示數(shù)模轉(zhuǎn)換器，MCD表示多路信號(hào)分離器，MCM表示多路復(fù)用器，OBP表示星上處理。

2 數(shù)字信遒化器中ADC的性能分析
2．1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器
   模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，是實(shí)現(xiàn)將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散、幅度離散的數(shù)字信號(hào)的器件。ADC在軟件無(wú)線電、數(shù)據(jù)的監(jiān)控采樣等方面應(yīng)用十分廣泛，發(fā)揮著重要的作用。一般的ADC包括四個(gè)主要部分：(1)防混疊濾波器：用于濾除可通過(guò)采樣而混疊進(jìn)入信號(hào)帶寬內(nèi)的其它信號(hào)和干擾；(2)采樣保持器：在數(shù)字化期間，保持輸入信號(hào)不變；(3)量化編碼器：在采樣保持的基礎(chǔ)上，將模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓；(4)數(shù)字緩存器：對(duì)待輸出信號(hào)進(jìn)行緩存并輸出信號(hào)，減輕后續(xù)器件的處理能力。ADC的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。ADC與接收機(jī)有關(guān)的重要參數(shù)還包括：量化比特位數(shù)、量化噪聲、最大采樣頻率、最大輸入功率和滿量程輸入范圍等。
    星上數(shù)字信道化技術(shù)具有極大的靈活性和較高的通信容量，這一切都要?dú)w功于所有的處理過(guò)程都是在數(shù)字域進(jìn)行的。數(shù)字信道化器前端的ADC將接收到的中頻模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。因此，數(shù)字信道化器前端的ADC對(duì)于整個(gè)數(shù)字信道化器功能的實(shí)現(xiàn)和性能的發(fā)揮具有重要作用。衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，上行鏈路的射頻信號(hào)下變頻為中頻信號(hào)后進(jìn)入ADC，ADC輸出的數(shù)字信號(hào)用于信道化、交換等后續(xù)處理。為了防止采樣后頻譜混疊，無(wú)失真地重構(gòu)原信號(hào)，ADC的采樣速率至少是接收信號(hào)帶寬的兩倍。這就要求ADC滿足高速、高精度和大的線性范圍的要求。其次，ADC的非均勻量化產(chǎn)生的量化噪聲也會(huì)引起信號(hào)失真；并且，當(dāng)輸入信號(hào)是一系列數(shù)字已調(diào)信號(hào)時(shí)，ADC可能產(chǎn)生寄生信號(hào)；當(dāng)輸入信號(hào)的瞬時(shí)幅值超過(guò)量化器的最大線性范圍時(shí)，會(huì)出現(xiàn)信號(hào)剪切效應(yīng)。通過(guò)功率控制，理論上可以控制輸入信號(hào)的功率使其不超過(guò)量化器的最大線性范圍，但是實(shí)際信號(hào)具有隨機(jī)性以及夾雜著隨機(jī)干擾信號(hào)，使得量化器的剪切效應(yīng)不可避免。因此，ADC的性能直接影響著后續(xù)信道化處理，也是實(shí)現(xiàn)數(shù)字信道化的重要制約因素之一。
2．2 ADC對(duì)數(shù)字已調(diào)信號(hào)的影響
    ADC將中頻模擬信號(hào)數(shù)字化后，在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)信道化、交換等各種處理功能。一方面，在數(shù)字域?qū)π盘?hào)進(jìn)行的處理、交換，可以采用大量集成度高的數(shù)字設(shè)備，減輕衛(wèi)星有效載荷的重量，使其運(yùn)行更加靈活、高效；另一方面，這種系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生寄生信號(hào)，寄生信號(hào)可能來(lái)自ADC、頻率綜合器和數(shù)字信號(hào)處理器部分的其它子系統(tǒng)。寄生信號(hào)的存在會(huì)嚴(yán)重惡化通信系統(tǒng)的性能。另外，ADC本身固有的特性也會(huì)不可避免的產(chǎn)生量化噪聲。文獻(xiàn)對(duì)此做了詳細(xì)的分析。
    寬帶全球衛(wèi)星系統(tǒng)(WGS)是美軍新一代的寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)，其星載有效載荷上采用了許多先進(jìn)技術(shù)，其中就包括星上數(shù)字信道化技術(shù)。WGS衛(wèi)星上的數(shù)字信道器將4．875GHz的瞬時(shí)可交換帶寬劃分為39個(gè)獨(dú)立的信道，每個(gè)信道125 MHz，此信道又可劃分為48個(gè)2．6 MHz的子信道，從而形成1 872個(gè)帶寬為2．6 MHz的子信道。每個(gè)獨(dú)立子信道的帶寬可以從2．6 MHz等帶寬地?cái)U(kuò)展到125MHz。WGS數(shù)字信道化有效載荷與傳統(tǒng)的透明轉(zhuǎn)發(fā)器不同：傳統(tǒng)透明轉(zhuǎn)發(fā)器僅僅對(duì)上行信號(hào)進(jìn)行濾波、變頻和放大，并不對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理交換等過(guò)程。數(shù)字信道化有效載荷與再生式處理轉(zhuǎn)發(fā)器也不相同：再生式轉(zhuǎn)發(fā)器要對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼、解調(diào)處理，恢復(fù)出原始信號(hào)流，轉(zhuǎn)發(fā)器對(duì)其進(jìn)行一定處理后，重新編碼、調(diào)制、放大后送入下行信號(hào)。而WGS數(shù)字信道化有效載荷在數(shù)字域內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，交換前后并不對(duì)信號(hào)進(jìn)行編譯碼和解調(diào)調(diào)制，實(shí)現(xiàn)方式更加靈活，是一種新型的透明數(shù)字彎管轉(zhuǎn)發(fā)器。
    假設(shè)ADC的輸入信號(hào)為N路數(shù)字已調(diào)信號(hào)之和，仿真分析中采用的調(diào)制方式為正交相移鍵控QPSK，在沒(méi)有干擾和噪聲的情況下，ADC的輸入信號(hào)可表示為：
   
    其中，Ai表示調(diào)制載波的幅度，fi表示調(diào)制載波的頻率，θid表示第i個(gè)信號(hào)的數(shù)據(jù)相位調(diào)制，φi表示調(diào)制載波的初相位，θid=(2n+1)π／4，n=0，1，2，3。
    根據(jù)圖1的信道模型，利用MATLAB 7．4．0軟件仿真了多路相同帶寬、相同功率的QPSK信號(hào)通過(guò)不同量化位數(shù)的ADC后的比特誤碼率性能，6路信號(hào)仿真參數(shù)設(shè)置如下：載波的頻率分別取200 Hz、500 Hz、800 Hz、1 100 Hz、1 400 Hz、1700 Hz，載波的幅度為1，信號(hào)帶寬為200Hz，信號(hào)保護(hù)間隔為100 Hz；圖3繪出了6路信號(hào)的頻譜圖。

    假定ADC的最大線性范圍為第一路信號(hào)幅度的最小值和最大值，即[S1min，S1max]。那么ADC對(duì)于第一路Q(chēng)PSK信號(hào)來(lái)說(shuō)是最佳的均勻量化。然而，隨著ADC量化比特位數(shù)的變化，第一路Q(chēng)PSK信號(hào)解調(diào)后比特誤碼率性能會(huì)受到影響。出現(xiàn)這種情況的主要原因是：雖然輸入信號(hào)始終都在ADC的滿量程輸入范圍內(nèi)，但是隨著ADC量化比特位數(shù)Ⅳ的減小，ADC的N比特2N階量化電平數(shù)不足以對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行精確地量化，導(dǎo)致輸入信號(hào)的量化誤差逐漸增大，接收端解調(diào)后的錯(cuò)誤比特?cái)?shù)增加。圖4仿真了不同量化比特位數(shù)時(shí)，對(duì)第一路信號(hào)解調(diào)性能的影響。

    由通信課程的學(xué)習(xí)我們知道，隨著ADC量化比特位數(shù)N的增大，接收端解調(diào)后的錯(cuò)誤比特?cái)?shù)應(yīng)該逐漸減少，比特誤碼率逐漸下降。仿真圖表明：理論分析與仿真基本吻合，并且當(dāng)ADC量化比特位數(shù)Ⅳ大于等于6的時(shí)候，仿真的比特誤碼率曲線逼近理論曲線。當(dāng)Eb／No=10 dB，ADC的量化位數(shù)N大于等于4時(shí)，比特誤碼率小于10-5。為了進(jìn)一步研究ADC量化比特位數(shù)N對(duì)輸入數(shù)字已調(diào)信號(hào)性能的影響，圖5繪出了ADC量化比特位數(shù)N與比特誤碼率之間的關(guān)系。理論上講，仿真中隨著ADC量化比特位數(shù)N不斷增大，仿真曲線應(yīng)該與理論曲線重合，實(shí)際仿真中發(fā)現(xiàn)，仿真的曲線總會(huì)和理論曲線有一定的距離。其原因可能是因?yàn)锳DC固有的量化誤差所引起的。

3 結(jié)束語(yǔ)
    文章以美軍WGS衛(wèi)星上數(shù)字信道器的基本原理為背景，仿真了星上數(shù)字信道化器信號(hào)解調(diào)后比特誤碼率性能，分析了數(shù)字信道器前端的重要部件——ADC對(duì)傳輸帶寬內(nèi)多路數(shù)字已調(diào)信號(hào)之間的影響，提出了初步的結(jié)論。