CN113708827A - Mf-tdma卫星通信系统返向链路的功率均衡规划方法 - Google Patents

Mf-tdma卫星通信系统返向链路的功率均衡规划方法 Download PDF

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Abstract

一种MF‑TDMA卫星通信系统返向链路的功率均衡规划方法，包括步骤：确定返向链路接收机的模数变换器的最大采样量化位宽及其满位宽采样时的样本幅度值；确定系统要求的信号最小采样量化位宽；规划返向链路的载波数量以及每个载波的带宽，假设返向链路有N个载波，第n载波的带宽是Bn，n＝1,2,3,…,N，假设第i个载波的带宽最小，为
Figure DDA0003261091210000011
规划返向链路波形符号信噪比Es/N0的动态变化范围，假设符号信噪比的动态变化范围是(Es/N0)min≤Es/N0≤(Es/N0)max；计算出第n个载波的信号幅度An与第i个载波的信号幅度Ai的比值kn；验证不等式是否成立：若成立，则返向链路功率均衡的参数规划成功；若不成立，重新执行。应用规划成功后的参数，即使出现返向链路功率分配的最坏情况，在接收机ADC采样后，所有用户的量化位宽都能满足设计要求。

Description

MF-TDMA卫星通信系统返向链路的功率均衡规划方法
技术领域
本发明属于卫星通信领域，涉及MF-TDMA卫星通信系统的功率同步技术，尤其涉及一种MF-TDMA卫星通信系统返向链路的功率均衡规划方法。
背景技术
MF-TDMA卫星通信系统的返向链路通常包含多个载波，载波的带宽和功率可能各不相同。如果返向链路接收机采用宽带低通直接采样的方式对多个载波的混合信号进行模数变换，那么这些载波的信号将会共享接收机的模拟AGC和ADC，进而共享ADC的量化位宽资源。
在上述应用场景中，必然存在由于载波功率不均衡导致的量化位宽不均衡问题，即，功率相对大的载波信号将占有相对多的量化位宽；功率相对小的载波信号则占有相对少的量化位宽。而为了保证接收机的译码性能，通常对信号的最小量化位宽有明确要求，进而，对载波间的功率比例也有明确限制；因此，需要对返向链路所有载波的功率进行均衡。此外，对每一个载波而言，它又是一个多用户系统(一个端站就是一个用户)，因为接收机的模拟AGC不会针对每个用户都进行增益控制，所以在模拟AGC的增益一定时，每个用户信号的量化位宽多少将与其功率大小正相关；因此，也需要对同一载波内的所有用户进行功率均衡。
发明内容
为了解决上述相关现有技术问题，本发明提供一种MF-TDMA卫星通信系统返向链路的功率均衡规划方法，以实现在采用该方法进行返向链路功率均衡规划后，即使出现返向链路功率分配的最坏情况，在接收机ADC采样后，所有用户的量化位宽都能满足设计要求。
为了实现本发明的目的，本发明拟通过以下技术方案实现：
一种MF-TDMA卫星通信系统返向链路的功率均衡规划方法，包括步骤：
S1、确定返向链路接收机的模数变换器ADC的最大采样量化位宽WADC及其满位宽采样时的样本幅度值
Figure BDA0003261091190000021
S2、确定系统要求的信号最小采样量化位宽Wmin；
S3、规划返向链路的载波数量以及每个载波的带宽，假设返向链路有N个载波，第n载波的带宽是Bn，其中，n＝1,2,3,…,N，假设第i个载波的带宽最小，为
Figure BDA0003261091190000022
S4、规划返向链路波形符号信噪比Es/N0的动态变化范围，假设符号信噪比的动态变化范围是(Es/N0)min≤Es/N0≤(Es/N0)max；
S5、根据公式
Figure BDA0003261091190000023
计算出第n个载波的信号幅度An与第i个载波的信号幅度Ai的比值kn；
S6、验证不等式
Figure BDA0003261091190000024
是否成立：
若成立，则返向链路功率均衡的参数规划成功；
若不成立，则返向链路功率均衡的参数规划不成功，重新执行S3～S6。
本发明有益效果在于：
采用该方法进行返向链路的功率均衡规划，即使出现返向链路功率分配的最坏情况，在接收机ADC采样后，所有用户的量化位宽都能满足设计要求。
附图说明
图1是MF-TDMA返向链路功率均衡的示意图。
图2是SF-TDMA返向链路功率均衡的示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和具体实施方法更为清楚，结合附图实例对本申请进行进一步详细说明。
如图1所示，四个功率不同的载波被下变频到基带后，均位于同一个ADC的采样带宽范围内。当返向链路接收机采用宽带低通直接采样方式对接收信号进行模数变换时，这四个载波的信号将在时域混合后被一并采样变换为数字信号，其中，功率相对大的载波信号将占有相对多的量化位宽；而功率相对小的载波信号则占有相对少的量化位宽。同理，对于同一载波中的不同用户，功率相对大的用户信号将占有相对多的量化位宽；而功率相对小的用户信号则占有相对少的量化位宽。因此，对于多载波返向链路，既需要载波间功率均衡，又需要载波内的用户间功率均衡。
返向链路功率均衡的作用是保证返向链路中所有用户的功率差别不会太大，以至于出现大功率信号淹没小功率信号的情况；进而保证在接收机进行ADC采样时，所有用户都能获得足够的量化位宽资源。
本申请实施例提供一种MF-TDMA卫星通信系统返向链路的功率均衡规划方法，该方法的设计思路如下：
该方法基于最坏情况分析法进行设计。定义MF-TDMA通信系统返向链路功率分配的最坏情况是：在带宽最小的载波上传输符号信噪比Es/N0最小的波形，而在其余载波上均传输符号信噪比最大的波形。定义期望的功率均衡效果是：在遵循功率均衡规划的前提下，即使出现返向链路功率分配的最坏情况，在接收机ADC采样后，所有用户的量化位宽都能满足设计要求。
式(1)是信号功率的计算公式
Figure BDA0003261091190000041
其中，P是信号功率，Es是符号能量，Rs是符号速率，N0是白噪声的功率谱密度(仅与温度相关，与信号参数无关)，Es/N0是信号的符号信噪比(线性值)。根据式(1)可知，信号功率P是载波带宽B和符号信噪比Es/N0的函数。因此，本方法将通过调控返向链路的载波数量、各载波的带宽比例关系以及符号信噪比的动态变化范围来实现返向链路的功率均衡。
假设返向链路中所有用户采用的波形的符号信噪比Es/N0的动态变化范围是(Es/N0)min≤Es/N0≤(Es/N0)max。假设返向链路有N个载波，第n载波的带宽是Bn，信号的幅度是An，接收机ADC采样后的量化位宽是Wn。假设第i个载波的带宽最小，为
Figure BDA0003261091190000042
它的信号幅度是Ai，ADC采样后的量化位宽是Wi。
根据上文定义可知，MF-TDMA通信系统返向链路功率分配的最坏情况是：在带宽最小的载波上传输Es/N0最小的波形，而在其余载波上均传输Es/N0最大的波形。在这种情况下，第i个载波的功率最小。因此，ADC采样后，第i个载波的信号的量化位宽也最少，即
Figure BDA0003261091190000043
第n个载波的信号幅度An与第i个载波(带宽最小的载波)的信号幅度Ai的比值为
Figure BDA0003261091190000051
为了达到期望的功率均衡效果，各参数应当满足如下条件：
Figure BDA0003261091190000052
其中，AADC表示ADC满位宽采样时的样本幅度值，Wmin表示系统要求的用户信号的最小采样量化位宽。将(2)式代入不等式组(3)，得：
Figure BDA0003261091190000053
综上所述，如果规划的返向链路载波数量、各载波的带宽比例关系以及符号信噪比的动态变化范围能够使不等式(4)成立，那么，就能达到期望的返向链路功率均衡效果。
具体的，本实例的规划方法包括如下步骤：
1、确定返向链路接收机的模数变换器(ADC)的最大采样量化位宽WADC及其满位宽采样时的样本幅度值
Figure BDA0003261091190000054
2、确定系统要求的信号最小采样量化位宽Wmin。
3、规划返向链路的载波数量以及每个载波的带宽。假设返向链路有N个载波，第n载波的带宽是Bn，其中，n＝1,2,3,…,N。假设第i个载波的带宽最小，为
Figure BDA0003261091190000055
4、规划返向链路波形符号信噪比Es/N0的动态变化范围。假设符号信噪比的动态变化范围是(Es/N0)min≤Es/N0≤(Es/N0)max。
5、根据下式
Figure BDA0003261091190000061
计算出第n个载波的信号幅度An与第i个载波(带宽最小的载波)的信号幅度Ai的比值kn。
6、验证不等式
Figure BDA0003261091190000062
是否成立：如果成立，则返向链路功率均衡的参数规划成功；反之，则不成功，重新执行步骤3～步骤6。
特别地，如图2所示，当返向链路只有一个载波时，即SF-TDMA场景，所有用户信号的带宽都相同，因此，功率均衡问题就退化为载波内的用户间功率均衡问题了。这种场景下，只需要考虑如何规划Es/N0的动态变化范围。而本发明所述方法则可以用于估算Es/N0的动态变化范围，即，在已知Es/N0动态变化范围上下界其中一个值的条件下，估算出另一个值的取值范围。
单载波返向链路功率分配的最坏情况是：某些用户传输Es/N0最小的波形，某些用户传输Es/N0最大的波形，而模拟AGC的增益调整至保证Es/N0最大的波形的幅度达到AADC。这种情况下，功率最大的信号的幅度Amax与功率最小的信号的幅度Amin的比值为
Figure BDA0003261091190000071
为了达到期望的功率均衡效果，各参数应当满足如下条件：
Figure BDA0003261091190000072
将(5)式代入不等式组(6)，得：
Figure BDA0003261091190000073
当预先确定了(Es/N0)max时，根据式(5)和式(7)可得：
Figure BDA0003261091190000074
当预先确定了(Es/N0)min时，根据式(5)和式(7)可得：
Figure BDA0003261091190000075

Claims (1)

1.一种MF-TDMA卫星通信系统返向链路的功率均衡规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定返向链路接收机的模数变换器ADC的最大采样量化位宽WADC及其满位宽采样时的样本幅度值
Figure FDA0003261091180000011
S2、确定系统要求的信号最小采样量化位宽Wmin；
S3、规划返向链路的载波数量以及每个载波的带宽，假设返向链路有N个载波，第n载波的带宽是Bn，其中，n＝1,2,3,…,N，假设第i个载波的带宽最小，为
Figure FDA0003261091180000012
S4、规划返向链路波形符号信噪比Es/N0的动态变化范围，假设符号信噪比的动态变化范围是(Es/N0)min≤Es/N0≤(Es/N0)max；
S5、根据公式
Figure FDA0003261091180000013
计算出第n个载波的信号幅度An与第i个载波的信号幅度Ai的比值kn；
S6、验证不等式
Figure FDA0003261091180000014
是否成立：
若成立，则返向链路功率均衡的参数规划成功；
若不成立，则返向链路功率均衡的参数规划不成功，重新执行S3～S6。
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