数字信道化技术中ADC的性能分析

摘要：在卫星通信系统中，数字信道化技术的应用越来越广泛，而模数转换器(ADC)作为数字信道化器前端不可缺少的一部分起着至关重要的作用。基于ADC基本原理和性能，仿真分析了在ADC量化位数不同的条件下，ADC对数字已调信号解调性能的影响。
关键词：卫星通信；数字信道化；模数转换器

0 引言
    当今，通信技术飞速发展。由于数字通信具有抗干扰能力强、信道差错可通过编码控制、通信设备易于集成化、易于对信号进行加密处理、易于与各种数字终端实现对接等特点，数字通信技术发展势头强劲。在卫星通信领域亦是如此，早期的卫星转发器基本上都是采用透明转发器。随着卫星通信技术软硬件的不断发展更新，星上处理转发器逐渐得到人们的青睐，尤其在军事活动中应用较为广泛。作为数字设备前端不可缺少的重要器件，模数转换器(ADC)在卫星有效载荷的应用中发挥着至关重要的作用，它将中频模拟信号转变为可进行各种处理的数字信号。在某种程度上说，ADC的性能好坏直接影响着星上处理转发器性能的发挥。因此，研究ADC对多路数字已调信号性能的影响具有重要的理论和现实意义。

1 信道化技术
    信道化，简单地说，是指通过指定信道对通信实施管理的过程，进而可以指采用多信道传输数据的结构。信道化技术可以将同时输入的不同频率信号分开，在不同的信道内处理，以达到同时处理多个信号的目的。在卫星通信系统中，数字信道化技术是一种运用数字信号处理方法实现对多路信号灵活处理交换的技术，该技术可以在传统透明转发器下用模拟滤波器和中频交换矩阵实现对信号的处理交换，它融合了透明转发器和处理转发器的优点，是一种新型的星上信号处理技术。
    卫星通信中的数字信道化技术大致可分为三个步骤：第一，模拟信号和数字信号之间的转换，包括模数转换器(ADC)和数模转换器(DA C)；第二，信号的解复用和复用；第三，星上处理，包括数字子信号的处理和交换等过程。模数转换和数模转换是数字信号处理的前提，也是信道化技术发展必须解决的首要问题。实现数字信道化的方法很多，综合起来有以下几种：解析信号法、多相／离散傅里叶变换(PDFT)法、频域滤波(FFT滤波)法、树型滤波器组(多相滤波器)法等。实现数字信道化技术的星上设备称之为数字信道器，如图1所示。其中LNA表示低噪声放大器，HPA表示高功率放大器，DC表示下变频器，UC表示上变频器，ADC表示模数转换器，DAC表示数模转换器，MCD表示多路信号分离器，MCM表示多路复用器，OBP表示星上处理。

2 数字信遒化器中ADC的性能分析
2．1 模数转换器
   模数转换器(ADC)，是实现将连续的模拟信号转换为时间离散、幅度离散的数字信号的器件。ADC在软件无线电、数据的监控采样等方面应用十分广泛，发挥着重要的作用。一般的ADC包括四个主要部分：(1)防混叠滤波器：用于滤除可通过采样而混叠进入信号带宽内的其它信号和干扰；(2)采样保持器：在数字化期间，保持输入信号不变；(3)量化编码器：在采样保持的基础上，将模拟电压转换为数字电压；(4)数字缓存器：对待输出信号进行缓存并输出信号，减轻后续器件的处理能力。ADC的基本结构如图2所示。ADC与接收机有关的重要参数还包括：量化比特位数、量化噪声、最大采样频率、最大输入功率和满量程输入范围等。
    星上数字信道化技术具有极大的灵活性和较高的通信容量，这一切都要归功于所有的处理过程都是在数字域进行的。数字信道化器前端的ADC将接收到的中频模拟信号转换为数字信号。因此，数字信道化器前端的ADC对于整个数字信道化器功能的实现和性能的发挥具有重要作用。卫星通信系统中，上行链路的射频信号下变频为中频信号后进入ADC，ADC输出的数字信号用于信道化、交换等后续处理。为了防止采样后频谱混叠，无失真地重构原信号，ADC的采样速率至少是接收信号带宽的两倍。这就要求ADC满足高速、高精度和大的线性范围的要求。其次，ADC的非均匀量化产生的量化噪声也会引起信号失真；并且，当输入信号是一系列数字已调信号时，ADC可能产生寄生信号；当输入信号的瞬时幅值超过量化器的最大线性范围时，会出现信号剪切效应。通过功率控制，理论上可以控制输入信号的功率使其不超过量化器的最大线性范围，但是实际信号具有随机性以及夹杂着随机干扰信号，使得量化器的剪切效应不可避免。因此，ADC的性能直接影响着后续信道化处理，也是实现数字信道化的重要制约因素之一。
2．2 ADC对数字已调信号的影响
    ADC将中频模拟信号数字化后，在数字域实现信道化、交换等各种处理功能。一方面，在数字域对信号进行的处理、交换，可以采用大量集成度高的数字设备，减轻卫星有效载荷的重量，使其运行更加灵活、高效；另一方面，这种系统也会产生寄生信号，寄生信号可能来自ADC、频率综合器和数字信号处理器部分的其它子系统。寄生信号的存在会严重恶化通信系统的性能。另外，ADC本身固有的特性也会不可避免的产生量化噪声。文献对此做了详细的分析。
    宽带全球卫星系统(WGS)是美军新一代的宽带卫星系统，其星载有效载荷上采用了许多先进技术，其中就包括星上数字信道化技术。WGS卫星上的数字信道器将4．875GHz的瞬时可交换带宽划分为39个独立的信道，每个信道125 MHz，此信道又可划分为48个2．6 MHz的子信道，从而形成1 872个带宽为2．6 MHz的子信道。每个独立子信道的带宽可以从2．6 MHz等带宽地扩展到125MHz。WGS数字信道化有效载荷与传统的透明转发器不同：传统透明转发器仅仅对上行信号进行滤波、变频和放大，并不对信号进行处理交换等过程。数字信道化有效载荷与再生式处理转发器也不相同：再生式转发器要对信号进行解码、解调处理，恢复出原始信号流，转发器对其进行一定处理后，重新编码、调制、放大后送入下行信号。而WGS数字信道化有效载荷在数字域内对信号进行处理，交换前后并不对信号进行编译码和解调调制，实现方式更加灵活，是一种新型的透明数字弯管转发器。
    假设ADC的输入信号为N路数字已调信号之和，仿真分析中采用的调制方式为正交相移键控QPSK，在没有干扰和噪声的情况下，ADC的输入信号可表示为：
   

    其中，Ai表示调制载波的幅度，fi表示调制载波的频率，θid表示第i个信号的数据相位调制，φi表示调制载波的初相位，θid=(2n+1)π／4，n=0，1，2，3。
    根据图1的信道模型，利用MATLAB 7．4．0软件仿真了多路相同带宽、相同功率的QPSK信号通过不同量化位数的ADC后的比特误码率性能，6路信号仿真参数设置如下：载波的频率分别取200 Hz、500 Hz、800 Hz、1 100 Hz、1 400 Hz、1700 Hz，载波的幅度为1，信号带宽为200Hz，信号保护间隔为100 Hz；图3绘出了6路信号的频谱图。

    假定ADC的最大线性范围为第一路信号幅度的最小值和最大值，即[S1min，S1max]。那么ADC对于第一路QPSK信号来说是最佳的均匀量化。然而，随着ADC量化比特位数的变化，第一路QPSK信号解调后比特误码率性能会受到影响。出现这种情况的主要原因是：虽然输入信号始终都在ADC的满量程输入范围内，但是随着ADC量化比特位数Ⅳ的减小，ADC的N比特2N阶量化电平数不足以对输入信号进行精确地量化，导致输入信号的量化误差逐渐增大，接收端解调后的错误比特数增加。图4仿真了不同量化比特位数时，对第一路信号解调性能的影响。

    由通信课程的学习我们知道，随着ADC量化比特位数N的增大，接收端解调后的错误比特数应该逐渐减少，比特误码率逐渐下降。仿真图表明：理论分析与仿真基本吻合，并且当ADC量化比特位数Ⅳ大于等于6的时候，仿真的比特误码率曲线逼近理论曲线。当Eb／No=10 dB，ADC的量化位数N大于等于4时，比特误码率小于10-5。为了进一步研究ADC量化比特位数N对输入数字已调信号性能的影响，图5绘出了ADC量化比特位数N与比特误码率之间的关系。理论上讲，仿真中随着ADC量化比特位数N不断增大，仿真曲线应该与理论曲线重合，实际仿真中发现，仿真的曲线总会和理论曲线有一定的距离。其原因可能是因为ADC固有的量化误差所引起的。

3 结束语
    文章以美军WGS卫星上数字信道器的基本原理为背景，仿真了星上数字信道化器信号解调后比特误码率性能，分析了数字信道器前端的重要部件——ADC对传输带宽内多路数字已调信号之间的影响，提出了初步的结论。