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　　當今，通信技術飛速發展。由于數字通信具有抗干擾能力強、信道差錯可通過編碼控制、通信設備易于集成化、易于對信號進行加密處理、易于與各種數字終端實現對接等特點，數字通信技術發展勢頭強勁。作為數字設備前端不可缺少的重要器件，模數轉換器(ADC)在衛星有效載荷的應用中發揮著至關重要的作用，它將中頻模擬信號轉變為可進行各種處理的數字信號。在某種程度上說，ADC的性能好壞直接影響著星上處理轉發器性能的發揮。因此，研究ADC對多路數字已調信號性能的影響具有重要的理論和現實意義。

　　1 信道化技術

　　信道化，簡單地說，是指通過指定信道對通信實施管理的過程，進而可以指采用多信道傳輸數據的結構。信道化技術可以將同時輸入的不同頻率信號分開，在不同的信道內處理，以達到同時處理多個信號的目的。在衛星通信系統中，數字信道化技術是一種運用數字信號處理方法實現對多路信號靈活處理交換的技術，該技術可以在傳統透明轉發器下用模擬濾波器和中頻交換矩陣實現對信號的處理交換，它融合了透明轉發器和處理轉發器的優點，是一種新型的星上信號處理技術。

　　衛星通信中的數字信道化技術大致可分為三個步驟：第一，模擬信號和數字信號之間的轉換，包括模數轉換器(ADC)和數模轉換器(DA C);第二，信號的解復用和復用;第三，星上處理，包括數字子信號的處理和交換等過程。模數轉換和數模轉換是數字信號處理的前提，也是信道化技術發展必須解決的首要問題。實現數字信道化的方法很多，綜合起來有以下幾種：解析信號法、多相/離散傅里葉變換(PDFT)法、頻域濾波(FFT濾波)法、樹型濾波器組(多相濾波器)法等。實現數字信道化技術的星上設備稱之為數字信道器，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表示模數轉換器，DAC表示數模轉換器，MCD表示多路信號分離器，MCM表示多路復用器，OBP表示星上處理。

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　　2 數字信道化器中ADC的性能分析

　　2.1 模數轉換器

　　模數轉換器(ADC)，是實現將連續的模擬信號轉換為時間離散、幅度離散的數字信號的器件。ADC在軟件無線電、數據的監控采樣等方面應用十分廣泛，發揮著重要的作用。一般的ADC包括四個主要部分：(1)防混疊濾波器：用于濾除可通過采樣而混疊進入信號帶寬內的其它信號和干擾;(2)采樣保持器：在數字化期間，保持輸入信號不變;(3)量化編碼器：在采樣保持的基礎上，將模擬電壓轉換為數字電壓;(4)數字緩存器：對待輸出信號進行緩存并輸出信號，減輕后續器件的處理能力。ADC的基本結構如圖2所示。ADC與接收機有關的重要參數還包括：量化比特位數、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。

　　星上數字信道化技術具有極大的靈活性和較高的通信容量，這一切都要歸功于所有的處理過程都是在數字域進行的。數字信道化器前端的ADC將接收到的中頻模擬信號轉換為數字信號。因此，數字信道化器前端的ADC對于整個數字信道化器功能的實現和性能的發揮具有重要作用。衛星通信系統中，上行鏈路的射頻信號下變頻為中頻信號后進入ADC，ADC輸出的數字信號用于信道化、交換等后續處理。為了防止采樣后頻譜混疊，無失真地重構原信號，ADC的采樣速率至少是接收信號帶寬的兩倍。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的非均勻量化產生的量化噪聲也會引起信號失真;并且，當輸入信號是一系列數字已調信號時，ADC可能產生寄生信號;當輸入信號的瞬時幅值超過量化器的最大線性范圍時，會出現信號剪切效應。通過功率控制，理論上可以控制輸入信號的功率使其不超過量化器的最大線性范圍，但是實際信號具有隨機性以及夾雜著隨機干擾信號，使得量化器的剪切效應不可避免。因此，ADC的性能直接影響著后續信道化處理，也是實現數字信道化的重要制約因素之一。

　　2.2 ADC對數字已調信號的影響

　　ADC將中頻模擬信號數字化后，在數字域實現信道化、交換等各種處理功能。一方面，在數字域對信號進行的處理、交換，可以采用大量集成度高的數字設備，減輕衛星有效載荷的重量，使其運行更加靈活、高效;另一方面，這種系統也會產生寄生信號，寄生信號可能來自ADC、頻率綜合器和數字信號處理器部分的其它子系統。寄生信號的存在會嚴重惡化通信系統的性能。另外，ADC本身固有的特性也會不可避免的產生量化噪聲。文獻對此做了詳細的分析。

　　寬帶全球衛星系統(WGS)是美軍新一代的寬帶衛星系統，其星載有效載荷上采用了許多先進技術，其中就包括星上數字信道化技術。WGS衛星上的數字信道器將4.875GHz的瞬時可交換帶寬劃分為39個獨立的信道，每個信道125 MHz，此信道又可劃分為48個2.6 MHz的子信道，從而形成1 872個帶寬為2.6 MHz的子信道。每個獨立子信道的帶寬可以從2.6 MHz等帶寬地擴展到125MHz。WGS數字信道化有效載荷與傳統的透明轉發器不同：傳統透明轉發器僅僅對上行信號進行濾波、變頻和放大，并不對信號進行處理交換等過程。數字信道化有效載荷與再生式處理轉發器也不相同：再生式轉發器要對信號進行解碼、解調處理，恢復出原始信號流，轉發器對其進行一定處理后，重新編碼、調制、放大后送入下行信號。而WGS數字信道化有效載荷在數字域內對信號進行處理，交換前后并不對信號進行編譯碼和解調調制，實現方式更加靈活，是一種新型的透明數字彎管轉發器。

　　假設ADC的輸入信號為N路數字已調信號之和，仿真分析中采用的調制方式為正交相移鍵控QPSK，在沒有干擾和噪聲的情況下，ADC的輸入信號可表示為：

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　　其中，Ai表示調制載波的幅度，fi表示調制載波的頻率，θid表示第i個信號的數據相位調制，φi表示調制載波的初相位，θid=(2n+1)π/4，n=0，1，2，3。

　　根據圖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信號通過不同量化位數的ADC后的比特誤碼率性能，6路信號仿真參數設置如下：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，信號帶寬為200Hz，信號保護間隔為100 Hz;圖3繪出了6路信號的頻譜圖。

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　　假定ADC的最大線性范圍為第一路信號幅度的最小值和最大值，即[S1min，S1max]。那么ADC對于第一路QPSK信號來說是最佳的均勻量化。然而，隨著ADC量化比特位數的變化，第一路QPSK信號解調后比特誤碼率性能會受到影響。出現這種情況的主要原因是：雖然輸入信號始終都在ADC的滿量程輸入范圍內，但是隨著ADC量化比特位數Ⅳ的減小，ADC的N比特2N階量化電平數不足以對輸入信號進行精確地量化，導致輸入信號的量化誤差逐漸增大，接收端解調后的錯誤比特數增加。圖4仿真了不同量化比特位數時，對第一路信號解調性能的影響。

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　　由通信課程的學習我們知道，隨著ADC量化比特位數N的增大，接收端解調后的錯誤比特數應該逐漸減少，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ADC量化比特位數Ⅳ大于等于6的時候，仿真的比特誤碼率曲線逼近理論曲線。當Eb/No=10 dB，ADC的量化位數N大于等于4時，比特誤碼率小于10-5。為了進一步研究ADC量化比特位數N對輸入數字已調信號性能的影響，圖5繪出了ADC量化比特位數N與比特誤碼率之間的關系。理論上講，仿真中隨著ADC量化比特位數N不斷增大，仿真曲線應該與理論曲線重合，實際仿真中發現，仿真的曲線總會和理論曲線有一定的距離。其原因可能是因為ADC固有的量化誤差所引起的。

　　3 結束語

　　文章以美軍WGS衛星上數字信道器的基本原理為背景，仿真了星上數字信道化器信號解調后比特誤碼率性能，分析了數字信道器前端的重要部件——ADC對傳輸帶寬內多路數字已調信號之間的影響，提出了初步的結論。