技术与标准丨卫星载荷放大器性能研究与波形体制选择

作者简介

马玉娟  

中国信息通信研究院技术与标准研究所工程师，主要从事卫星通信标准体制、卫星通信关键技术验证、卫星通信设备与器件性能研究与验证等工作。

姚怡  

中国卫通集团股份有限公司宽带事业部副总经理，高级工程师，主要从事高通量卫星通信业务运营维护等工作。

李建成  

银河航天（北京）通信技术有限公司技术负责人，主要从事卫星地面网络的系统架构研究（包括基带子系统、无线资源管理以及针对低轨卫星通信网络的适应性研究）等工作。

曹正玉  

中国卫通集团股份有限公司创新研发中心工程师，主要从事卫星通信系统论证以及卫星通信与地面移动通信网络的融合研究等工作。

黄秀莹  

银河航天（北京）通信技术有限公司软件工程师，主要从事低轨卫星通信地面网络相关的适应性设计以及星地系统功能和性能验证研究等工作。

论文引用格式：

马玉娟, 姚怡, 李建成, 等. 卫星载荷放大器性能研究与波形体制选择[J]. 信息通信技术与政策, 2022,48(1):89-96.

卫星载荷放大器性能研究与波形体制选择

马玉娟¹  姚怡²  李建成³  曹正玉²  黄秀莹³

（1. 中国信息通信研究院技术与标准研究所，北京 100191；2. 中国卫通集团股份有限公司，北京 100190；3. 银河航天（北京）通信技术有限公司，北京 100192）

摘要：卫星通信系统波形体制的定义，是体制标准制定的基础工作之一。既要考虑到体制波形自身的特点，也要考虑到系统中器件特性对信号传播的影响。对OFDM体制波形、DFT-s-OFDM体制波形在经过载荷放大器后的射频特性进行测量；通过EVM、PAPR、信噪比解调门限、效率等指标，评估两种体制信号在单载波、四载波场景下的性能质量，进而对波形体制的选择给出建议。

关键词：波形体制；波形验证；OFDM；DFT-s-OFDM；EVM；BER

中图分类号：TN722.75    文献标识码：A

引用格式：马玉娟, 姚怡, 李建成, 等. 卫星载荷放大器性能研究与波形体制选择[J]. 信息通信技术与政策, 2022,48(1):89-96.

DOI：10.12267/j.issn.2096-5931.2022.1.015

0  引言

卫星通信系统的组网形态和业务需求，给系统设计带来多项挑战。特别是卫星互联网超高速率传输需求，要求使用频谱利用率高的波形体制，以及几百兆赫兹甚至更宽的载波带宽。不仅体制设计复杂，也给器件实现带来挑战。在传统的卫星通信中，DVB信号体制广泛应用，而近年来，3GPP、ITU等组织均提出了基于5G的星地融合通信体制设计理念，并开展相关的研究验证。OFDM体制信号由于频谱效率高、抗多径能力强、频谱资源分配灵活而备受推崇。在地面5G系统中，下行选择OFDM体制，保证信号传输质量。上行使用DFT-s-OFDM体制，最大程度降低信号峰均比。而卫星通信由于功率受限，要求更低的信号峰均比，对波形体制提出更高的设计要求。此外，体制设计与还应考虑硬件实现方案和器件特性匹配性。目前，卫星载荷的设计方案，倾向于每个射频通道承载多个波束的信号，信号的叠加效应需要在体制设计初期给予考虑。射频器件非线性对信号特性的影响也需要进行摸底验证。本文基于一种载荷放大器，对两种体制信号波形在经过放大器后的特性进行验证，为卫星通信体制波形选择提供佐证。

1  卫星通信系统常用波形体制

传统的卫星通信系统广泛使用DVB-S标准，包括DVB-S、DVB-S2、DVB-S2X、DVB-RCS等。DVB体制为单载波系统，系统峰均比低，但资源调度缺乏灵活性。DVB帧结构不区分控制信道和业务信道，不区分用户，所有用户必须对所有数据进行解调，再从应用层分离信令和数据，不仅系统容量受限，还存在安全性问题。无广播控制信道的设计还导致系统缺乏随机接入机制。DVB体制的局限性导致其无法满足目前卫星移动通信支持海量终端、多种业务形态、高数据吞吐量的设计需求。

目前，ITU、3GPP等国际标准化组织相继开展了非地面网络的研究，标准研制工作重点为基于5G的星地融合通信体制设计。基于5G NR通信系统的空口波形包括OFDM和DFT-s-OFDM。OFDM信号不同子载波可以承载不同信道，可以关闭子载波实现干扰规避，资源调度灵活，同时可以使用频域均衡，系统复杂度低。DFT-s-OFDM不同子载波可以承载不同信道，但无法实现干扰规避，同时只能使用时域均衡，复杂度比OFDM高。

OFDM信号由多个独立的、经过调制的子载波信号叠加而成，合成的信号产生大的峰值功率，即带来较大的峰均比；而DFT-s-OFDM本质上是单载波调制系统，其峰均比低于OFDM。根据理论分析和仿真，DFT-s-OFDM比OFDM的峰均比低3 dB左右。

目前，星上载荷大多采用多波束设计，即单个放大器承载多个波束的信号。多个波束的DFT-s-OFDM信号叠加，峰均比会进一步抬升。而OFDM信号由于自身已是多个子载波信号叠加，多波束产生的叠加效应并不明显。根据理论分析，在一个波束内配置多路信号的情况下，OFDM和DFT-s-OFDM峰均比会趋于相似，DFT-s-OFDM不再具有峰均比优势。此种情况下需要通过试验验证，进一步明确二种波形的差异性。

2  载荷放大器分类

在卫星通信系统中，星载放大器是核心器件之一。目前，采用的高功率放大器（High Power Amplifier，HPA）主要包括3类：行波管放大器（Travelling Wave Tube Amplifier，TWTA）、固态功率放大器（Solid State Power Amplifier，SSPA）以及速调管放大器（Klystron Amplifier，KPA）。

KPA输出功率最大，但带宽仅有50~100 MHz，其广泛应用于电视广播系统的上行站和一些带宽较窄的FDMA地面站。TWTA输出功率较小，可支持较宽的带宽。例如，在Ka频段带宽可达2000 MHz。TWTA具有长寿命、重量轻和高效率的优点，被广泛应用，如中国卫通集团股份有限公司的中星16号高轨高通量卫星即采用行波管放大器。但由于TWTA作为真空管，采用了热阴极发射，需要精密的高压电源，制造成本和维护成本较高。SSPA输出功率最小，适合于低功率应用场景。随着固态技术和功率合成技术的不断发展，SSPA逐渐实现了大功率输出；且由于SSPA良好的线性度，使得在低轨卫星通信系统中，逐渐被载荷设计人员接受。目前，已知银河航天发射的首颗试验星即采用了SSPA。

3  波形验证测试项

传统针对放大器的测试包括噪声系数、三阶交调、1 dB压缩点、带内平坦度等。单靠其中一项参数不足以反映出器件的整体性能，需要对多项参数综合分析对比才能得到器件特性。此外，受信号格式、信号带宽、载波数量等影响，不同的体制信号经过放大器后性能也不尽相同。因此，针对宽带卫星通信系统的载荷放大器评估，需要使用体制信号作为被测波形，通过EVM、BLER、PAPR等通信性能指标进行验证。

3.1  误差向量幅度

误差向量幅度（Error Vector Magnitude，EVM）是指一个给定理想无误差基准信号与实际发射信号的向量差，能全面衡量调制信号的幅度误差和相位误差。EVM具体表示接收机对信号进行解调时产生的IQ分量与理想信号分量的接近程度，是评估调制信号质量的一种指标。EVM的恶化主要因为非线性引起（如PA的AM-AM失真），所以EVM通常作为衡量器件或设备线性性能的标志。

误差向量通常与I/Q调制方式有关，且常以解调符号的星座图表示。误差向量幅度定义为误差矢量信号平均功率的均方根与理想信号平均功率的均方根之比，并以百分比的形式表示。EVM越小，信号质量越好。与此同时，越高阶的调制方式，它的星座点越密，对EVM要求越高。

3. 2 信号峰均比

信号峰均比（Peak to Average Power Ratio，PAPR），是指信号峰值功率与均值功率的比值，通常用CCDF这样一个统计函数来表示。其曲线表示的是信号的功率（幅度）值和其对应的出现概率，测试中通常选用0.01%的概率。峰值功率太高会将放大器推入非线性区从而产生失真，往往峰值功率越高，放大器非线性越强，就需要回退更多的功率来减小非线性。此外，PAPR还会影响到发射机频谱再生，如邻道功率泄露。

3.3  信号解调信噪比门限

信号解调信噪比门限测试，是指针对某种调制编码方式（Modulation and Coding Scheme，MCS）的信号，在不超过给定的BLER（Block Error Rate）下，能够支持的最小的信道信噪比。在卫星通信系统中，网络调度用户时，会按照当前的信道特性，指示用户按照一个MCS进行数据映射和数据解调。通常会通过仿真给出MCS对应最小SNR矩阵表，但仍需要通过验证考察器件特性带来的影响。

BLER数据块差错率是对单位时间内信道上接收到错误数据块的一个统计参数，表示数据块经过CRC校验后的错误概率，它能够衡量接收机在噪声、衰落等复杂条件下的解调质量。因此，采用BLER作为解调信噪比门限的判定指标。

3.4  效率

卫星为功率受限系统，放大器的效率对系统设计至关重要。为了避免功放饱和对信号削峰造成信号质量恶化，放大器会工作在非饱和状态。而功率回退必然会导致效率变差，因此在验证体制信号时，需要考虑放大器工作点的效率。

4  试验方法及配置

本次试验旨在验证DFT-S-OFDM与OFDM信号，经过载荷放大器后的性能变化。为了保证充分性和完整性，测试在多种配置下开展。

4. 1  信号特征测试

信号特征测试包括EVM和PAPR。通过对比信号经过放大器后与原始信号的特征参数EVM、PAPR的变化，评估放大器对信号特征的影响。针对DFT-sOFDM、OFDM两种体制信号，分别验证QPSK、8PSK、16QAM、64QAM调制方式单载波及四载波配置下的信号特征。同时，为了充分评估放大器的影响，测试在放大器P1dB工作点及不同功率回退等级下开展。

如图1所示，EVM和PAPR测试由信号分析仪内置的测量功能测试。DFT-s-OFDM信号使用5G NR上行信号波形，OFDM信号使用5G NR下行信号波形。矢量信号源调用内部5G NR波形，并调制至功放中心频点，后通过放大器组件获得放大后的信号。放大后的信号通过耦合器分两路，其中一路接入信号分析仪，进行EVM、PAPR测量；另一路接入功率计监测放大器的工作状态。此外，为了验证测试方法比对测试结果，在正式测试前，先通过信号源与频谱仪直连，测试原始信号的EVM和PAPR。

图1  信号特征测试方案设备连接框图

4.2  信号解调信噪比门限测试测试信号经过放大器后，在满足BLER不大于10^-3条件下，能够支持的最小信噪比。针对DFT-sOFDM、OFDM两种体制信号，选择8PSK调制方式，3/4码率，分别在单载波、四载波配置下，针对放大器工作在P1dB、P3dB进行测试。
由于信号分析仪等通用仪表并不支持BLER的统计和计算，因此通过MATLAB搭建仿真平台，实现DFT-s-OFDM、OFDM体制信号的生成、解析及BLER计算功能。
如图2所示，由仿真平台产生DFT-s-OFDM、OFDM基带信号，送入矢量信号发生器中并调制至功放中心频点。通过放大器放大后的信号通过分为两路，其中一路用功率计监测放大器的工作点状态，另一路与AWGN噪声合路。合路后的信号输入至信号分析仪，并从信号分析仪提取出IQ数据，送入仿真平台进行解调和BLER计算。

图2  信号解调门限测试设备连接框图

4.3  放大器效率测试测试放大器在不同载波配置、不同调制方式下，以及不同的功率回退点下的效率，确定放大器不同工作状态下的效率特性。通过记录放大器工作的电流电压，以及输出功率，计算其效率。针对DFT-s-OFDM、OFDM两种体制信号，分别验证QPSK、8PSK、16QAM、64QAM调制方式单载波及四载波配置下的信号特征。同时，为了充分评估放大器的影响，测试在放大器P1dB工作点及不同功率回退等级下开展。效率测试，由可跟踪稳压电源实时显示放大器在不同工作状态下的电压和电流，由功率计记录功放的输出功率，进而计算出效率。效率测试系统连接与信号特征测试一致，在实际测试时，效率可与信号特征测试同时进行。
5  测试数据
5.1  信号特征测试5.1.1  EVM测试在正式测试前，首先测试仪表直连下系统EVM，测试结果显示，各种载波配置下，EVM最大值<2.5%，系统残余EVM值在可信区间。单载波与四载波配置EVM测试结果分别参见图3、图4，测试结果显示：在经过固态放大器之后，信号的EVM值发生较大恶化。随着输入功率回退，EVM随之改善。单载波场景下，相同的调制方式，DFT-s-OFDM体制的EVM明显优于OFDM体制。如在P1dB功率点，差异约10%。随着载波数量的增加，载波异逐渐缩小。DFT-s-OFDM体制与OFDM体制四载波的EVM值差小于单载波，相同的调制方式，在P1dB功率点，差异约4%。相同的调制方式下，OFDM体制波形四载波与单载波的EVM数值几乎一样。相同的调制方式下，DFT-s-OFDM体制波形四载波的EVM数值较单载波的差，即随着载波数量增加，EVM数值发生恶化。

图3  单载波EVM测试结果

图4  四载波EVM测试结果

5.1.2  PAPR测试在正式测试前，首先测试原始波形的PAPR。测试结果显示，DFT-s-OFDM体制信号，单载波不同调制方式PAPR在6.5~7 dB之间，四载波不同调制方式PAPR在9.5~10 dB之间；OFDM体制信号，单载波、四载波不同调制方式PAPR均在9~9.5 dB之间。测试结果与理论值保持一致。
OFDM体制与DFT-s-OFDM体制波形的PAPR测试结果分别参见图5、图6，测试结果显示：OFDM体制波形，四载波与单载波的PAPR数值几乎一样。DFTs-OFDM体制波形，四载波的PAPR数值大于单载波的数值。经过固态放大器之后，由于信号压缩导致PAPR数值变小。随着输入功率回退，PAPR数值逐渐抬升。在单载波场景下，DFT-s-OFDM体制波形的PAPR小于OFDM体制。在四载波场景下，两种调制方式PAPR数值相似。

图5  OFDM体制信号PAPR

图6  DFT-s-OFDM体制信号PAPR

5.2  信号解调信噪比门限测试结果由表1信号解调信噪比门限测试结果所示：经过放大器后，OFDM体制波形的解调门限高于DFT-sOFDM体制波形。随着功率回退，两种体制波形之间的差异逐渐缩小。经过放大器后，四载波的解调门限比单载波大，其中DFT-s-OFDM体制波形差异明显。随着功率回退，单载波与四载波间的差异逐渐缩小。在P1dB-3，两种体制波形的单载波与四载波均无差异。表1  信号解调信噪比门限测试结果

5.3  效率测试结果单载波与四载波配置下，效率测试结果分别参见图7、图8，测试结果显示：随着功率回退，放大器的效率逐渐降低。在单载波场景下，DFT-s-OFDM体制的效率略优于OFDM体制。在四载波场景下，两种体制的效率几乎相同。

图7  单载波效率测试结果

图8  四载波效率测试结果

6  在轨试验
为了进一步验证体制波形的适用性，在实验室测试的基础上，先后通过银河航天低轨卫星、中国卫通中星16号高轨、高通量卫星开展在轨试验，对体制波形在高低轨卫星真实通信场景中的性能进行了验证。
为了适应卫星通信信道特性，通信信号在3GPP 5G NR体制基础上进行了优化。如图9所示，测试平台生成下行DFT-s-OFDM体制的PDSCH信道信号，由信号源调制并发送至信关站中频接口，信关站对信号进行变频放大后通过天线发射向卫星。卫星将信号转发后，由终端接收。终端将信号接收放大后输出至频谱分析仪。频谱分析仪采集数据后，再由测试平台对数据进行分析。
试验结果显示，100 MHz带宽载波配置，经过中星16号高轨高通量卫星或银河航天低轨卫星转发后，单终端峰值通信速率均超过200 Mbit/s，满足卫星通信绝大数使用场景的需要。验证了优化的5G信号体制在高低轨卫星通信系统中的可用性。

图9  在轨测试系统连接图

7  结束语
本文介绍了OFDM体制、DFT-s-OFDM体制信号在经过载荷放大器后性能的变化。试验数据显示，针对卫星载荷单波束设计，DFT-s-OFDM体制信号在EVM、BLER性能方面优于OFDM体制波形。而在多波束设计方案中，由于波束间的叠加效应，DFT-sOFDM体制波形的性能逐渐趋近OFDM体制波形。在实际方案设计中，需要根据载荷设计方案，结合OFDM体制、DFT-s-OFDM体制两种体制波形的优缺点，综合考虑选定波形。
参考文献
[1] ZHOU F, JI R, SUN J L, et al. Analysis on the definition consistency problem of EVM measurement and its solution[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2019, 69(2):528-532.[2] 周峰, 张睿, 高攸纲, 等. 五种失真因素综合作用下的EVM[J]. 电子学报, 2012,40(3):607-610.[3] 李峰. 5G毫米波和超宽带功率放大器EVM测试的挑战和解决方案[J]. 电子产品世界, 2017,24(10):31-34.[4] REMLEY K, WILLIAMS D F, HALE P D, et al. Millimeter-wave modulated-signal and error-vector-magnitude measurement with uncertainty[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques, 2015,63(5):1710-1720.[5] 付延超. TD-LTE上行PUSCH信道EVM测量算法研究[D]. 厦门大学, 2014.[6] 唐博. 正交频分复用系统的峰均功率比抑制算法研究[D]. 电子科技大学, 2020.[7] 甘秉鸿. 数字通信系统误码率BER测试解决方案[J]. 电信网技术, 2014(4):87-93.[8] 孙玉伟, 齐昶. 不同E_b/N_0条件下误码性能测试[J]. 无线电通信技术, 2006(3):42-44.[9] 工业和信息化部. LTE FDD数字蜂窝移动通信网终端设备测试方法:YD-T_2578.2-2013[S], 2013.[10] 王丽君, 刘军, 陆绥熙, 等. 卫星通信链路大气和降雨衰减计算方法:YD/T 984-2020[S]. 北京:中国通信标准化协会, 2020.[11] 李文明. 固态功率放大器的优越性及其在卫星通信地球站中的成功应用[J]. 电子器件, 2000(1):25-30.
Satellite payload amplifier performance research and communication waveform selection
MA Yujuan¹, YAO Yi², LI Jiancheng³, CAO Zhengyu², HUANG Xiuying³
(1. Technology and Standards Research Institute, China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100191, China; 2. China Satellite Communications Co.,Ltd., Beijing 100190, China; 3. Galaxy Aerospace (Beijing) Communication Technology Co.,Ltd.,Beijing 100192, China)
Abstract: The definition of waveform system of satellite communication system is one of the basic work for the establishment of system standard. Both the characteristic of the system waveform and the influence of the device characteristic on the signal propagation should be considered. In this paper, the RF characteristics of OFDM system waveform and FTs-OFDM system waveform after passing through payload amplifier were measured. Through EVM, PAPR, SNR demodulation threshold, efficiency and other indicators, the performance quality of the two systems signals under single carrier and four carrier scenarios was evaluated. Furthermore, suggestions are given for the selection of waveform system.Keywords: waveform system; waveform verification; OFDM; DFT-s-OFDM; EVM; BER

本文刊于《信息通信技术与政策》2022年 第1期

主办：中国信息通信研究院

《信息通信技术与政策》是工业和信息化部主管、中国信息通信研究院主办的专业学术期刊。本刊定位于“信息通信技术前沿的风向标，信息社会政策探究的思想库”，聚焦信息通信领域技术趋势、公共政策、国家/产业/企业战略，发布前沿研究成果、焦点问题分析、热点政策解读等，推动5G、工业互联网、数字经济、人工智能、区块链、大数据、云计算等技术产业的创新与发展，引导国家技术战略选择与产业政策制定，搭建产、学、研、用的高端学术交流平台。

《信息通信技术与政策》官网开通啦！

为进一步提高期刊信息化建设水平，为广大学者提供更优质的服务，我刊于2020年11月18日起正式推出官方网站，现已进入网站试运行阶段。我们将以更专业的态度、更丰富的内容、更权威的报道，继续提供有前瞻性、指导性、实用性的优秀文稿，为建设网络强国和制造强国作出更大贡献！

《信息通信技术与政策》投稿指南！

   推荐阅读  

你“在看”我吗？