CN115037346B - 一种基于地面预失真的卫星功放线性化处理方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于地面预失真的卫星功放线性化处理方法及系统，该方法包括：根据校准信号及校准返回信号计算获取信号经上行信道传输的幅度与相位特性参数，生成上行信号修正信息；在地面站根据预设的预失真模型及上行信号修正信息对上行数据信息进行预失真处理，生成地面预失真处理后的上行数据信息；地面预失真处理后的上行数据信息经上行信道传输至卫星，经卫星功放生成线性放大的数据信息，实现卫星功放的线性化处理。本发明基于地面站对上行信号进行预失真处理，解决了使用传统星上功放线性化设计额外带来的技术复杂度以及可靠性风险。

Description

一种基于地面预失真的卫星功放线性化处理方法及系统
技术领域
本发明涉及一种基于地面预失真的卫星功放线性化处理方法及系统，属于卫星通信技术领域。
背景技术
在高通量卫星多载波工作状态，由于星上功率放大器的非线性特性致使其回退功率工作，从而造成系统频谱利用效率的降低，最终导致系统容量降低。卫星非线性信道的影响是高通量卫星通信系统中提升频谱效能需要克服的关键因素，采用预失真信号可以有效改善链路性能。
高通量卫星功放通过预失真进行线性化处理时，传统的方法存在如下的不足：在卫星功放前后增加额外的预失真电路，增加了系统的复杂度，提高了载荷研制成本，并占用了宝贵的星上资源；功放在空间状态下运行，与地面测试环境存在差异且存在后期器件老化等问题，预失真模型固化在星上，在轨调整存在一定难度和风险；采用数字预失真技术，需要在星上配置数字处理器件，存在单粒子翻转等问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于地面预失真的卫星功放线性化处理方法及系统，解决了使用传统星上功放线性化设计额外带来的技术复杂度以及可靠性风险，同时解决了星地传输对地面预失真的影响。
本发明的技术解决方案是：
一种基于地面预失真的卫星功放线性化处理方法，步骤如下：
S1、根据校准信号及校准返回信号计算获取信号经上行信道传输的幅度与相位特性参数，生成上行信号修正信息；
S2、在地面站根据预设的预失真模型及上行信号修正信息对上行数据信息进行预失真处理，生成地面预失真处理后的上行数据信息；
S3、地面预失真处理后的上行数据信息经上行信道传输至卫星，经卫星功放生成线性放大的数据信息，实现卫星功放的线性化处理。
优选的，所述步骤S1中，生成上行信号修正信息具体为：
S101、地面站生成全程校准信号x(t)，t为全程校准信号的发送时刻，经上行信道从地面站传输至卫星再从卫星经下行信道传输回地面站，生成全程校准返回信号xr(t)，根据x(t)与xr(t)计算获取信号经上行和下行全程信道传输的幅度特性参数ΔA与相位特性参数Δθ；
S102、卫星上生成下行校准信号x′(t′)，t′为下行校准信号的发送时刻，经下行信道从卫星传输至地面站，生成下行校准返回信号x′r(t′)，根据x′(t′)与x′r(t′)计算获取信号经下行信道传输的幅度特性参数ΔA'与相位特性参数Δθ'；
S103、根据ΔA、Δθ和ΔA'、Δθ'计算生成上行信号修正信息，包括上行信号幅度修正信息Aa与上行信号相位修正信息θa。
优选的，所述步骤S101或S102中，x(t)或x′(t′)为PN码信号，根据x(t)、x′r(t′)或x′(t′)、x′r(t′)通过PN码的自相关与互相关特性计算求得ΔA与Δθ或ΔA'与Δθ'；所述步骤S103中，Aa＝1/(ΔA·ΔA')，θa＝-(Δθ+Δθ')。
优选的，所述步骤S101中，全程校准信号x(t)的发送频率为100MHz；所述步骤S102中，下行校准信号x′(t′)的发送频率为100MHz；所述步骤S103中，计算上行信号修正信息的t与t′满足：|t-t'|＜200ms。
优选的，所述步骤S2中，地面预失真处理后的上行数据信息sp(t0)具体为：
其中，t0为上行数据信息的发送时刻，A0为上行数据信息的瞬时幅度，θ0上行数据信息的瞬时相位；A1为预失真模型的幅度特征参数，θ1为预失真模型的相位特征参数，满足其中A2为卫星功放的实际幅度特征参数，θ2为卫星功放的实际相位特征参数，A为卫星功放输入信号的实际幅度特征参数，k为卫星功放的实际增益值。
优选的，所述步骤S2中，上行数据信息上传时间t0与计算上行信号修正信息的全程校准信号发送时间t满足|t-t0|＜300ms。
一种基于地面预失真的卫星功放线性化处理系统，包括星地信道校准模块、预失真模块、功放模块；
所述星地信道校准模块用于根据校准信号及校准返回信号计算获取信号经上行信道传输的幅度与相位特性参数，生成上行信号修正信息；
所述预失真模块位于地面站，用于根据预设的预失真模型及上行信号修正信息对上行数据信息进行预失真处理，生成地面预失真处理后的上行数据信息；
所述功放模块位于卫星上，用于对上行至卫星的地面预失真处理后的上行数据信息进行功放，生成线性放大的数据信息。
优选的，所述星地信道校准模块包括地面站校准模块和星上校准模块，所述地面站校准模块位于地面站，所述星上校准模块位于卫星上；
地面站校准模块生成全程校准信号x(t)，t为全程校准信号的发送时刻，经上行信道从地面站传输至卫星再从卫星经下行信道传输回地面站，生成全程校准返回信号xr(t)，根据x(t)与xr(t)计算获取信号经上行和下行全程信道传输的幅度特性参数ΔA与相位特性参数Δθ；
星上校准模块生成下行校准信号x′(t′)，t′为下行校准信号的发送时刻，经下行信道从卫星传输至地面站，生成下行校准返回信号x′r(t′)，根据x′(t′)与x′r(t′)计算获取信号经下行信道传输的幅度特性参数ΔA'与相位特性参数Δθ'；
地面站校准模块根据ΔA、Δθ和ΔA'、Δθ'计算生成上行信号修正信息，包括上行信号幅度修正信息Aa与上行信号相位修正信息θa。
优选的，所述星地校准模块生成的x(t)或x′(t′)为PN码信号，根据x(t)、x′r(t′)或x′(t′)、x′r(t′)通过PN码的自相关与互相关特性计算求得ΔA与Δθ或ΔA'与Δθ'；Aa＝1/(ΔA·ΔA')，θa＝-(Δθ+Δθ')；全程校准信号x(t)的发送频率为100MHz；下行校准信号x′(t′)的发送频率为100MHz，计算上行信号修正信息的t与t′满足：|t-t'|＜200ms。
优选的，所述预失真模块生成的地面预失真处理后的上行数据信息sp(t0)具体为：其中，t0为上行数据信息的发送时刻，A0为上行数据信息的瞬时幅度，θ0上行数据信息的瞬时相位；A1为预失真模型的幅度特征参数，θ1为预失真模型的相位特征参数，满足/>其中A2为卫星功放的实际幅度特征参数，θ2为卫星功放的实际相位特征参数，A为卫星功放输入信号的实际幅度特征参数，k为卫星功放的实际增益值；上行数据信息上传时间t0与计算上行信号修正信息的全程校准信号发送时间t满足|t-t0|＜300ms。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)基于地面站对上行数据信息进行预失真处理，星上放大器无需做任何改变，解决了使用传统星上功放线性化设计额外带来的技术复杂度以及可靠性风险；
(2)通过星地信号校准，利用上行信号修正信息消除地面站上行信号注入卫星过程中因信道不确定性引起的畸变，解决了星地传输对地面预失真处理的影响。
附图说明
图1为本发明基于地面预失真的卫星功放线性化处理方法流程图；
图2为本发明基于地面预失真的卫星功放线性化处理系统架构图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
一种基于地面预失真的卫星功放线性化处理方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1、根据校准信号及校准返回信号计算获取信号经上行信道传输的幅度与相位特性参数，生成上行信号修正信息；
在本实施例中，生成上行信号修正信息包括以下步骤：
S101、地面站生成全程校准信号x(t)，为PN码信号，表示为：x(t)＝pn(t)，t为全程校准信号的发送时刻，发送频率为100MHz，经上行信道从地面站传输至卫星再从卫星经下行信道传输回地面站，生成全程校准返回信号xr(t)，可表示为：xr(t)＝pn(t-τ)ΔAejΔθ+N(t)，通过PN码的自相关与互相关特性计算求得信号经全程信道传输的幅度特性参数ΔA与相位特性参数Δθ；
S102、卫星上生成下行校准信号x′(t′)，为PN码信号，表示为：x′(t′)＝pn′(t′)，t′为下行校准信号的发送时刻，发送频率为100MHz，经下行信道从卫星传输至地面站，生成下行校准返回信号x′r(t′)，可表示为：x′r(t′)＝pn′(t′-τ′)ΔA'ejΔθ'+N′(t′)，通过PN码的自相关与互相关特性计算求得信号经下行信号传输模块传输的幅度特性参数ΔA'与相位特性参数Δθ'；
S103、根据ΔA、Δθ和ΔA'、Δθ'计算获取信号经上行信道传输的幅度特性参数ΔAu＝ΔA·ΔA'，相位特性参数Δθu＝Δθ+Δθ'；进一步生成上行信号修正信息，所述上行信号修正信息包括幅度修正信息和相位修正信息，幅度修正信息Aa＝1/ΔAu，相位修正信息θa＝-Δθu，从而消除星地上行信道的不确定性引起的幅度与相位的随机畸变；计算上行信号修正信息的t与t′满足：|t-t'|＜200ms。
S2、在地面站根据预设的预失真模型及上行信号修正信息对上行数据信息进行预失真处理，生成地面预失真处理后的上行数据信息；
预失真模型满足以下表达式：
其中，A1为预失真模型的幅度特征参数，θ1为预失真模型的相位特征参数，A2为卫星功放的实际幅度特征参数，θ2为卫星功放的实际相位特征参数，A为卫星功放输入信号的实际幅度特征参数，k为卫星功放的实际增益值。
对于上行数据信息s(t0)，其中t0为上行数据信息的发送时刻，A0为上行数据信息的瞬时幅度，θ0上行数据信息的瞬时相位；根据预设的预失真模型及上行信号修正信息对其进行预失真处理，得到的地面预失真处理后的上行数据信息表达式为：上行数据信息上传时间t0与计算上行信号修正信息的全程校准信号发送时间t满足|t-t0|＜300ms。
S3、地面预失真处理后的上行数据信息经上行信道传输至卫星，经卫星功放生成线性放大的数据信息，实现卫星功放的线性化处理。
一种基于地面预失真的卫星功放线性化处理系统，包括星地信道校准模块、预失真模块、功放模块；如图2所示，在本实施例中，上行数据信息由地面站通信处理设备产生，所述的通信处理设备，为通信卫星地面站的数据源设备，具有信息的产生及处理功能，用于产生及处理通信卫星需要上行的数据信息。
在本实施例中，星地信号通过上行信号传输模块和下行信号传输模块进行传输，所述上行信号传输模块用于对上行信号进行调制、传输、解调从地面站上行至卫星；所述下行信号传输模块用于对下行信号进行调制、传输、解调从卫星下行至地面站；
在本实施例中，上行信号传输模块包括射频转换设备的前向模块、地面站天线、卫星馈电链路上行通路、卫星馈电天线及卫星前向链路，所述射频转换设备的前向模块用于对上行信号进行中频到射频的上变频调制，可选用通信卫星地面站的调制设备，如输入/输出多工器、低噪放、接收机、滤波器、变频器、功放等；上行信号经射频转换设备中的前向模块调制后进入地面站天线，通过卫星馈电链路上行通路进入卫星馈电天线，经过卫星前向链路进行解调上行至卫星，所述卫星前向链路用于对卫星馈电链路上行通路进入卫星馈电天线后的信号进行处理，可选用通信卫星除功放以外的有效载荷，如输入/输出多工器、低噪放、接收机、滤波器、变频器等；
下行信号传输模块包括卫星返向链路、卫星馈电天线、卫星馈电链路下行通路、地面站天线、射频转换设备的返向模块，所述卫星返向链路用于对下行信号进行调制处理，可选用通信卫星的有效载荷，如输入/输出多工器、低噪放、接收机、滤波器、变频器、功放等；下行信号经过卫星返向链路进行调制后进入卫星馈电天线，通过卫星馈电链路下行通路进入地面站电天线，经过射频转换设备的返向模块进行解调下行至地面站，所述射频转换设备的返向模块用于对下行信号进行射频到中频的下变频解调处理，可选用通信卫星地面站的解调设备，如输入/输出多工器、低噪放、接收机、滤波器、变频器、功放等；
所述星地信道校准模块用于根据校准信号及校准返回信号计算获取信号经上行信道传输的幅度与相位特性参数，生成上行信号修正信息；
在本实施例中，所述星地信道校准模块包括地面站校准模块和星上校准模块，所述地面站校准模块位于地面站，用于生成全程校准信号并根据校准信号及校准返回信号生成上行信号修正信息；所述星上校准模块位于卫星上，用于生成下行校准信号；具体为：
地面站校准模块生成全程校准信号x(t)，为PN码信号，表示为：x(t)＝pn(t)，t为全程校准信号的发送时刻，发送频率为100MHz，经上行信道从地面站传输至卫星再从卫星经下行信道传输回地面站，生成全程校准返回信号xr(t)，可表示为：xr(t)＝pn(t-τ)ΔAej Δθ+N(t)，通过PN码的自相关与互相关特性计算求得信号经全程信道传输的幅度特性参数ΔA与相位特性参数Δθ；
星上校准模块生成下行校准信号x′(t′)，为PN码信号，表示为：x′(t′)＝pn′(t′)，t′为下行校准信号的发送时刻，发送频率为100MHz，经下行信道从卫星传输至地面站，生成下行校准返回信号x′r(t′)，可表示为：x′r(t′)＝pn′(t′-τ′)ΔA'ejΔθ'+N′(t′)，通过PN码的自相关与互相关特性计算求得信号经下行信号传输模块传输的幅度特性参数ΔA'与相位特性参数Δθ'；
根据ΔA、Δθ和ΔA'、Δθ'计算获取信号经上行信道传输的幅度特性参数ΔAu＝ΔA·ΔA'，相位特性参数Δθu＝Δθ+Δθ'；进一步生成上行信号修正信息，所述上行信号修正信息包括幅度修正信息和相位修正信息，幅度修正信息Aa＝1/ΔAu，相位修正信息θa＝-Δθu，从而消除星地上行信道的不确定性引起的幅度与相位的随机畸变；计算上行信号修正信息的t与t′满足：|t-t'|＜200ms。
所述预失真模块位于地面站，用于根据预设的预失真模型及上行信号修正信息对上行数据信息进行预失真处理，生成地面预失真处理后的上行数据信息，具体为：其中，t0为上行数据信息的发送时刻，A0为上行数据信息的瞬时幅度，θ0上行数据信息的瞬时相位；A1为预失真模型的幅度特征参数，θ1为预失真模型的相位特征参数，满足/>其中A2为卫星功放的实际幅度特征参数，θ2为卫星功放的实际相位特征参数，A为卫星功放输入信号的实际幅度特征参数，k为卫星功放的实际增益值；上行数据信息上传时间t0与计算上行信号修正信息的全程校准信号发送时间t满足|t-t0|＜300ms。
所述功放模块位于卫星上，对上行至卫星的地面预失真处理后的上行数据信息进行功放，生成线性放大的数据信息，实现卫星功放的线性化处理，进一步通过卫星用户天线，进入用户链路下行通路。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种基于地面预失真的卫星功放线性化处理方法，其特征在于步骤如下：
S1、根据校准信号及校准返回信号计算获取信号经上行信道传输的幅度与相位特性参数，生成上行信号修正信息；
S2、在地面站根据预设的预失真模型及上行信号修正信息对上行数据信息进行预失真处理，生成地面预失真处理后的上行数据信息；
S3、地面预失真处理后的上行数据信息经上行信道传输至卫星，经卫星功放生成线性放大的数据信息，实现卫星功放的线性化处理；
所述步骤S1中，生成上行信号修正信息具体为：
S101、地面站生成全程校准信号x(t)，t为全程校准信号的发送时刻，经上行信道从地面站传输至卫星再从卫星经下行信道传输回地面站，生成全程校准返回信号xr(t)，根据x(t)与xr(t)计算获取信号经上行和下行全程信道传输的幅度特性参数ΔA与相位特性参数Δθ；
S102、卫星上生成下行校准信号x′(t′)，t′为下行校准信号的发送时刻，经下行信道从卫星传输至地面站，生成下行校准返回信号x′r(t′)，根据x′(t′)与x′r(t′)计算获取信号经下行信道传输的幅度特性参数ΔA'与相位特性参数Δθ'；
S103、根据ΔA、Δθ和ΔA'、Δθ'计算生成上行信号修正信息，包括上行信号幅度修正信息Aa与上行信号相位修正信息θa；
所述步骤S101或S102中，x(t)或x′(t′)为PN码信号，根据x(t)、x′r(t′)或x′(t′)、x′r(t′)通过PN码的自相关与互相关特性计算求得ΔA与Δθ或ΔA'与Δθ'；所述步骤S103中，Aa＝1/(ΔA·ΔA')，θa＝-(Δθ+Δθ')。
2.根据权利要求1所述的一种基于地面预失真的卫星功放线性化处理方法，其特征在于，所述步骤S101中，全程校准信号x(t)的发送频率为100MHz；所述步骤S102中，下行校准信号x′(t′)的发送频率为100MHz；所述步骤S103中，计算上行信号修正信息的t与t′满足：|t-t'|＜200ms。
3.根据权利要求1～2之一所述的一种基于地面预失真的卫星功放线性化处理方法，其特征在于，所述步骤S2中，地面预失真处理后的上行数据信息sp(t0)具体为：
其中，t0为上行数据信息的发送时刻，A0为上行数据信息的瞬时幅度，θ0上行数据信息的瞬时相位；A1为预失真模型的幅度特征参数，θ1为预失真模型的相位特征参数，满足其中A2为卫星功放的实际幅度特征参数，θ2为卫星功放的实际相位特征参数，A为卫星功放输入信号的实际幅度特征参数，k为卫星功放的实际增益值。
4.根据权利要求3所述的一种基于地面预失真的卫星功放线性化处理方法，其特征在于，所述步骤S2中，上行数据信息上传时间t0与计算上行信号修正信息的全程校准信号发送时间t满足|t-t0|＜300ms。
5.一种基于地面预失真的卫星功放线性化处理系统，其特征在于，包括星地信道校准模块、预失真模块和功放模块；
所述星地信道校准模块用于根据校准信号及校准返回信号计算获取信号经上行信道传输的幅度与相位特性参数，生成上行信号修正信息；
所述预失真模块位于地面站，用于根据预设的预失真模型及上行信号修正信息对上行数据信息进行预失真处理，生成地面预失真处理后的上行数据信息；
所述功放模块位于卫星上，用于对上行至卫星的地面预失真处理后的上行数据信息进行功放，生成线性放大的数据信息；
所述星地信道校准模块包括地面站校准模块和星上校准模块，所述地面站校准模块位于地面站，所述星上校准模块位于卫星上；
地面站校准模块生成全程校准信号x(t)，t为全程校准信号的发送时刻，经上行信道从地面站传输至卫星再从卫星经下行信道传输回地面站，生成全程校准返回信号xr(t)，根据x(t)与xr(t)计算获取信号经上行和下行全程信道传输的幅度特性参数ΔA与相位特性参数Δθ；
星上校准模块生成下行校准信号x′(t′)，t′为下行校准信号的发送时刻，经下行信道从卫星传输至地面站，生成下行校准返回信号x′r(t′)，根据x′(t′)与x′r(t′)计算获取信号经下行信道传输的幅度特性参数ΔA'与相位特性参数Δθ'；
地面站校准模块根据ΔA、Δθ和ΔA'、Δθ'计算生成上行信号修正信息，包括上行信号幅度修正信息Aa与上行信号相位修正信息θa；
所述星地信道校准模块生成的x(t)或x′(t′)为PN码信号，根据x(t)、x′r(t′)或x′(t′)、x′r(t′)通过PN码的自相关与互相关特性计算求得ΔA与Δθ或ΔA'与Δθ'；Aa＝1/(ΔAΔA')，θa＝-(Δθ+Δθ')；全程校准信号x(t)的发送频率为100MHz；下行校准信号x′(t′)的发送频率为100MHz，计算上行信号修正信息的t与t′满足：|t-t'|＜200ms。
6.根据权利要求5所述的一种基于地面预失真的卫星功放线性化处理系统，其特征在于，所述预失真模块生成的地面预失真处理后的上行数据信息sp(t0)具体为：其中，t0为上行数据信息的发送时刻，A0为上行数据信息的瞬时幅度，θ0上行数据信息的瞬时相位；A1为预失真模型的幅度特征参数，θ1为预失真模型的相位特征参数，满足/>其中A2为卫星功放的实际幅度特征参数，θ2为卫星功放的实际相位特征参数，A为卫星功放输入信号的实际幅度特征参数，k为卫星功放的实际增益值；上行数据信息上传时间t0与计算上行信号修正信息的全程校准信号发送时间t满足|t-t0|＜300ms。
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