數(shù)字信道化技術(shù)中ADC的性能分析

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　　當(dāng)今，通信技術(shù)飛速發(fā)展。由于數(shù)字通信具有抗干擾能力強(qiáng)、信道差錯(cuò)可通過編碼控制、通信設(shè)備易于集成化、易于對信號進(jìn)行加密處理、易于與各種數(shù)字終端實(shí)現(xiàn)對接等特點(diǎn)，數(shù)字通信技術(shù)發(fā)展勢頭強(qiáng)勁。作為數(shù)字設(shè)備前端不可缺少的重要器件，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)在衛(wèi)星有效載荷的應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它將中頻模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蛇M(jìn)行各種處理的數(shù)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(zhuǎn)發(fā)器性能的發(fā)揮。因此，研究ADC對多路數(shù)字已調(diào)信號性能的影響具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

　　1 信道化技術(shù)

　　信道化，簡單地說，是指通過指定信道對通信實(shí)施管理的過程，進(jìn)而可以指采用多信道傳輸數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)。信道化技術(shù)可以將同時(shí)輸入的不同頻率信號分開，在不同的信道內(nèi)處理，以達(dá)到同時(shí)處理多個(gè)信號的目的。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，數(shù)字信道化技術(shù)是一種運(yùn)用數(shù)字信號處理方法實(shí)現(xiàn)對多路信號靈活處理交換的技術(shù)，該技術(shù)可以在傳統(tǒng)透明轉(zhuǎn)發(fā)器下用模擬濾波器和中頻交換矩陣實(shí)現(xiàn)對信號的處理交換，它融合了透明轉(zhuǎn)發(fā)器和處理轉(zhuǎn)發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)，是一種新型的星上信號處理技術(shù)。

　　衛(wèi)星通信中的數(shù)字信道化技術(shù)大致可分為三個(gè)步驟：第一，模擬信號和數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DA C);第二，信號的解復(fù)用和復(fù)用;第三，星上處理，包括數(shù)字子信號的處理和交換等過程。模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換是數(shù)字信號處理的前提，也是信道化技術(shù)發(fā)展必須解決的首要問題。實(shí)現(xiàn)數(shù)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?yàn)V波(FFT濾波)法、樹型濾波器組(多相濾波器)法等。實(shí)現(xiàn)數(shù)字信道化技術(shù)的星上設(shè)備稱之為數(shù)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(shù)轉(zhuǎn)換器，DAC表示數(shù)模轉(zhuǎn)換器，MCD表示多路信號分離器，MCM表示多路復(fù)用器，OBP表示星上處理。

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　　2 數(shù)字信道化器中ADC的性能分析

　　2.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，是實(shí)現(xiàn)將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散、幅度離散的數(shù)字信號的器件。ADC在軟件無線電、數(shù)據(jù)的監(jiān)控采樣等方面應(yīng)用十分廣泛，發(fā)揮著重要的作用。一般的ADC包括四個(gè)主要部分：(1)防混疊濾波器：用于濾除可通過采樣而混疊進(jìn)入信號帶寬內(nèi)的其它信號和干擾;(2)采樣保持器：在數(shù)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(chǔ)上，將模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓;(4)數(shù)字緩存器：對待輸出信號進(jìn)行緩存并輸出信號，減輕后續(xù)器件的處理能力。ADC的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。ADC與接收機(jī)有關(guān)的重要參數(shù)還包括：量化比特位數(shù)、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(shù)字信道化技術(shù)具有極大的靈活性和較高的通信容量，這一切都要?dú)w功于所有的處理過程都是在數(shù)字域進(jìn)行的。數(shù)字信道化器前端的ADC將接收到的中頻模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。因此，數(shù)字信道化器前端的ADC對于整個(gè)數(shù)字信道化器功能的實(shí)現(xiàn)和性能的發(fā)揮具有重要作用。衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，上行鏈路的射頻信號下變頻為中頻信號后進(jìn)入ADC，ADC輸出的數(shù)字信號用于信道化、交換等后續(xù)處理。為了防止采樣后頻譜混疊，無失真地重構(gòu)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(chǎn)生的量化噪聲也會引起信號失真;并且，當(dāng)輸入信號是一系列數(shù)字已調(diào)信號時(shí)，ADC可能產(chǎn)生寄生信號;當(dāng)輸入信號的瞬時(shí)幅值超過量化器的最大線性范圍時(shí)，會出現(xiàn)信號剪切效應(yīng)。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(shí)際信號具有隨機(jī)性以及夾雜著隨機(jī)干擾信號，使得量化器的剪切效應(yīng)不可避免。因此，ADC的性能直接影響著后續(xù)信道化處理，也是實(shí)現(xiàn)數(shù)字信道化的重要制約因素之一。

　　2.2 ADC對數(shù)字已調(diào)信號的影響

　　ADC將中頻模擬信號數(shù)字化后，在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)信道化、交換等各種處理功能。一方面，在數(shù)字域?qū)π盘栠M(jìn)行的處理、交換，可以采用大量集成度高的數(shù)字設(shè)備，減輕衛(wèi)星有效載荷的重量，使其運(yùn)行更加靈活、高效;另一方面，這種系統(tǒng)也會產(chǎn)生寄生信號，寄生信號可能來自ADC、頻率綜合器和數(shù)字信號處理器部分的其它子系統(tǒng)。寄生信號的存在會嚴(yán)重惡化通信系統(tǒng)的性能。另外，ADC本身固有的特性也會不可避免的產(chǎn)生量化噪聲。文獻(xiàn)對此做了詳細(xì)的分析。

　　寬帶全球衛(wèi)星系統(tǒng)(WGS)是美軍新一代的寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)，其星載有效載荷上采用了許多先進(jìn)技術(shù)，其中就包括星上數(shù)字信道化技術(shù)。WGS衛(wèi)星上的數(shù)字信道器將4.875GHz的瞬時(shí)可交換帶寬劃分為39個(gè)獨(dú)立的信道，每個(gè)信道125 MHz，此信道又可劃分為48個(gè)2.6 MHz的子信道，從而形成1 872個(gè)帶寬為2.6 MHz的子信道。每個(gè)獨(dú)立子信道的帶寬可以從2.6 MHz等帶寬地?cái)U(kuò)展到125MHz。WGS數(shù)字信道化有效載荷與傳統(tǒng)的透明轉(zhuǎn)發(fā)器不同：傳統(tǒng)透明轉(zhuǎn)發(fā)器僅僅對上行信號進(jìn)行濾波、變頻和放大，并不對信號進(jìn)行處理交換等過程。數(shù)字信道化有效載荷與再生式處理轉(zhuǎn)發(fā)器也不相同：再生式轉(zhuǎn)發(fā)器要對信號進(jìn)行解碼、解調(diào)處理，恢復(fù)出原始信號流，轉(zhuǎn)發(fā)器對其進(jìn)行一定處理后，重新編碼、調(diào)制、放大后送入下行信號。而WGS數(shù)字信道化有效載荷在數(shù)字域內(nèi)對信號進(jìn)行處理，交換前后并不對信號進(jìn)行編譯碼和解調(diào)調(diào)制，實(shí)現(xiàn)方式更加靈活，是一種新型的透明數(shù)字彎管轉(zhuǎn)發(fā)器。