数字信道化技术中ADC的性能分析

数字信道化技术中ADC的性能分析

　　2 数字信道化器中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。