文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2012)04-0098-04
衛星通信系統的主要優勢在于能夠大范圍地進行數字多媒體的傳播。為了最大限度地利用有限功率，衛星的高功放（HPA）必須工作在飽和狀態下，這樣產生了非常嚴峻的非線性環境，影響了衛星通信系統的性能。過去，矩形MQAM調制具有較高的頻譜利用率，并且在AWGN信道下有很好的性能，但是在非線性信道中，性能惡化比較嚴重。1974年，THOMAS等人提出并研究了一種環形MAPSK調制[1]，這種星座能夠有效地克服由于HPA引起的非線性失真。對于MAPSK星座如何選用匹配的星座參數，GAUDENZI對APSK星座基于最小歐氏距離最大化和互信息最大化兩種原則進行了星座優化設計[2-3]。本文針對衛星通信系統的非線性信道，通過對映射星座進行相應的非對稱旋轉，以補償非線性失真對通信系統的影響。沒有硬件復雜性的影響和帶外輻射的增加，并且允許放大器工作在飽和狀態，是一種簡單有效克服非線性失真的方法。
1 衛星非線性信道數學模型
圖1可認為是跟蹤與數據中繼衛星返向信道的模型。其中，星上功率放大器(TWTA)是一個非線性器件，該器件將引起包括幅度和相位在內的非線性失真。
2.2 非線性失真對MAPSK的影響
總的來說,信道非線性特性對信號的影響有兩方面。(1)造成映射的信號點的幅度和相位的失真,星座信號點的相對位置發生變化;(2)盡管是無記憶非線性系統，但在接收端會出現碼間干擾（ISI）。
對于4-12APSK調制信號,當經過衛星非線性信道后，其信號點的相位和幅度發生了變化，圖3是比較了經過非線性信道前后信號點幅度和相位的變化情況。
由圖3知，經非線性信道后,幅度和相位失真比較嚴重。對于4-12APSK來說,相對應的內環半徑為0.188 3,外環半徑為0.508 5。經過非線性放大器后內環半徑為0.390 6,外環半徑為0.845 8,內環放大2.074 3倍,外環放大1.663 3倍。內環星座點向左旋轉7.626 9°,外環星座點向左旋轉38.696 8°。
2.3 MAPSK星座非對稱設計理論分析
從上面的分析得知，衛星信道的非線性特性使通信質量嚴重下降。通過在調制端選取最優的相對半徑ρ和相對相位?漬，使其在非線性信道下性能得到提升。根據HPA的AM/AM、AM/PM轉換特性，得到經過HPA的星座，對星座的相對半徑和相對相位進行修正。這種星座優化設計方法就是根據HPA非線性失真特性測算星座點幅度和相位的變化，在調制端對星座進行非對稱設計,使其經過HPA,使相位和幅度恢復原來的標準映射星座,而在解調端解調時,仍然以標準的映射星座進行解調，提高信號抵抗非線性失真的能力。
非對稱性星座參數優化步驟如下：
(1)無白噪聲進行傳輸時，計算自匹配濾波器的S組有W個符號的質心；
(2)計算每組最后的錯誤符號；
(3)對星座的信號點進行更新。
最后一步可以通過迭代的LMS算法來進行。其原理如下式：
由圖5和圖6可知，非線性信道下，采用非對稱設計參數的16APSK和32APAK性能遠遠好于對稱的16APSK和32APSK。
不同測量參數表征的非線性模型的非線性程度不同。下面，根據表2的優化星座參數，比較4-12APSK在非線性程度不同的非線性信道模型下的誤碼率性能，如圖7 ，Hetrakul and Taylor測量參數下優化的星座性能最好，而Eric測量參數和Berman測量參數優化的星座性能接近。實際衛星通信中，應該對影響通信質量最嚴重HPA表征參數，選擇合適的測量參數模型，以期達到跟實際相符。
針對衛星信道的非線性失真特性，在衛星通信系統中采用DVB-S2標準中的具有較高功率和頻譜利用率的MAPSK調制技術，利用其包絡起伏較小并具有內在的對抗非線性失真能力的優點，來提高衛星通信系統的通信質量。在利用不同的測量參數來表征非線性信道非線性程度的基礎上，提出了在調制端對MAPSK映射星座進行非對稱設計，在解調端采用標準的解映射星座進行解調，來補償非線性失真對MAPSK調制信號帶來的相位和幅度的影響。
參考文獻
[1] THOMAS C M, WEIDNER M Y, DURRANI S H. Digital amplitude 2 phase keying with M-ary alphabets[J].IEEE Trans Commun ,1974,22(2):168-180.
[2] GAUDENZI R D, GUILLEN I F A, MARTINEZ A. Turbocoded APSK modulations design for satellite broad-band communications[J]. International Journal of Satellite Communications and Networking,2006(24):261-281.
[3] GAUDENZI R D, GUILLEN I F A, MARTINEZ A. Performance analysis of turbo-coded APSK modulations over nonlinear satellite channels[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2006,5(9):2396-2407.
[4] SALEH A A M． Frequency-independent and frequency-dependent nonlinear models for TWT amplifiers[J]．IEEE Transactions on Communications，November 1981，29(11)：1715-1720.
[5] KAYE A R，GEORGE D A，ERIC M J． Analysis and compensation of bandpass nonlinearities for communications[J]． IEEE Trans． Communications Technology，October 1972，20(10)：965-972.