CN109740225B - 一种用于宽带行波管计算评估的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于宽带行波管计算评估的方法，应用于行波管模型和性能评估领域，针对传统窄带模型难以满足当前宽带行波管和宽带卫星通信应用的需求的问题，本发明在传统窄带非线性模型的基础上，引入频率相关的非线性模型结构，同时利用非线性结构构建三阶交调；完成对行波管进行宽带建模，并利用笛卡尔坐标形式的函数对行波管进行建模和参数提取，通过傅立叶级数对行波管非线性模型进行分解并对其进行频谱分析，提高了表征传输特性与交调失真关系的准确度。

Description

一种用于宽带行波管计算评估的方法
技术领域
本发明属于行波管模型和性能评估领域，特别涉及一种行波管功率放大器非线性特性的仿真技术。
背景技术
随着卫星通信的发展其卫星业务通信量急剧增加，需要带宽更宽、频谱效率更高的通信体制，当前一些宽带数字传输技术和高频谱利用率的调制方式(M-QAM等)用于卫星通信***。但是采用这些技术所传输的信号具有非恒定包络、宽频带和高峰平比等特点，当调制信号通过非线性的功率放大器后将产生带内和带外失真，输出信号频谱扩展，干扰邻近信道，增大通信***误码率。因此，现代卫星通信***对射频功率放大器的带宽和线性度提出了很高的要求。因此，需要对宽带行波管进行性能计算评估其是否适用于卫星通信。另一方面，为减少行波管功率放大器的回退，以保证在行波管的效率的情况下提高其线性度，需要利用线性化器对行波管进行线性化，因此也需要对行波管的线性性能进行建模以便于线性化器的设计。
传统的行波管模型和性能评估采用Saleh模型或多项式模型，其利用功率放大器包络特性提取模型很好的将输入输出特性与模型匹配起来。但是Saleh模型为窄带模型，当前随着通信事业的发展对行波管带宽的要求越来越宽，传统窄带模型难以满足当前宽带行波管和宽带卫星通信应用的需求，需要研制频率相关的行波管特性模型。同时由于其不易计算三阶交调尤其是与线性化器级联后的三阶交调计算。在计算三阶交调时，利用级数展开为多项式计算三阶交调，则会带来误差问题。并且随着多项式级数阶数增加，其误差并不趋于0；对精度有一定的影响。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种用于宽带行波管计算评估的方法，在Saleh模型基础上进行频率相关性扩展，可以仿真宽带行波管频率相关的输入输出幅度/相位特性、增益特性和三阶交调特性等。
本发明采用的技术方案为：一种用于宽带行波管计算评估的方法，在传统的Saleh模型的基础上，引入频率相关项滤波器来表征行波管非线性的频率特性，所述频率相关项滤波器包括同相非线性频率特性滤波器、正交非线性频率特性滤波器。包括以下步骤：
S1、在带内不同频率条件下，测试宽带行波管幅度和相位的输入输出特性。建立行波管输入输出特性模型，利用最小方差法对输入输出特性拟合其曲线，建立宽带行波管频率相关的输入输出模型。
S2、根据行波管输入输出特性模型，构建行波管模型笛卡尔坐标形式。这里的行波管输入输出特性模型具体为：引入频率相关参数与原来的宽带行波管同相失真频率分量/宽带行波管正交失真频率分量，进行相乘生成频率相关函数来表征非线性频率特性。
分别构建行波管模型同相分量、行波管模型正交分量；
S3、根据行波管模型笛卡尔坐标形式，分别对行波管模型同相和正交非线性分量进行三阶交调计算。
S4、根据同相和正交分量的三阶交调计算值，得到最终的三阶交调分量。
本发明的有益效果：本发明基于通信卫星应用的行波管放大器超宽带线性能分析与仿真研究在传统的幅度维上引入频域维构建行波管特性二维模型，线性化行波管特性＝f(输入电平,频率)，频域滤波器用于表征行波管非线性的频率特性，从而能够表征行波管非线性频域特性；最后对行波管进行建模并计算评估传输特性与交调失真的关系；同时本发明为提高表征传输特性与交调失真关系的准确度，利用笛卡尔坐标形式的函数对行波管进行建模和参数提取，通过傅立叶级数对行波管非线性模型进行分解并对其进行频谱分析，本发明的计算方法考虑了频率特性，提高其准确度。
附图说明
图1为传统Saleh模型的笛卡尔坐标形式框图；
图2为本发明提供的频率相关行波管放大器非线性模型的笛卡尔坐标形式框图；
图3为图2的详细示意图；
其中，11为窄带行波管同相失真分量；12为90度移相；13为窄带行波管正交失真分量；21为宽带行波管同相失真频率特性滤波器；22为宽带行波管正交失真频率特性滤波器；31为宽带行波管同相非线性频率特性滤波器；32为宽带行波管正交非线性频率特性滤波器。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
本实施例首先对窄带行波管非线性计算过程进行说明，如图1所示为传统Saleh模型的笛卡尔坐标形式框图，当多载波余弦信号
Figure BDA0001920876150000021
输入行波管时，fm为第m个载波的输入频率，Vm是第m个输入载波的幅度，t是时间。窄带行波管同相失真分量11可以表示为P(r)，窄带行波管正交失真分量13可以表示为Q(r)，其中，
行波管同相与正交信号输出分别为：
YI(t)＝F(A)cos[θ(A)]cos(2πf0+σ0)
YQ(t)＝F(A)sin[θ(A)]cos(2πf0+σ0)
其中，A表示信号幅度，F(A)cos[θ(A)]和F(A)sin[θ(A)]是频率无关幅度非线性，因此只能表征频率无关的窄带行波管非线性，本身在中下标I/Q(In-phase/Quadrature)用于表示同相/正交。
其同相与正交非线性可以由贝塞尔函数表示为：
Figure BDA0001920876150000031
Figure BDA0001920876150000032
其中，J1(·)是第一类一阶贝塞尔函数。2D是所测输入电压的动态范围，D表示从零到最大电压的绝对值取值。
Figure BDA0001920876150000038
是行波管同相/正交模型的系数，可以由行波管非线性输入输出信号包络幅度或相位非线性数据计算拟合得到。
行波管输出信号频率分量为：
Figure BDA0001920876150000033
输出信号幅度为：
Figure BDA0001920876150000034
其中，
Figure BDA0001920876150000035
其中，αm表示贝塞尔函数的阶数，可以为正数、负数或零；J|αi|(·)是一类|αi|阶贝塞尔函数，表示第i个输入载波对输出非线性的影响；
Figure BDA0001920876150000036
是输出频率分量的阶数并且为奇数，
Figure BDA0001920876150000037
为输出同相/正交分量的幅度，
Figure BDA0001920876150000039
是模型系数，可通过函数拟合得到。
为表征频率相关的特性，如图2所示，宽带行波管非线性计算过程中，本发明引入了频率相关参数
Figure BDA0001920876150000041
与原来的
Figure BDA0001920876150000042
进行相乘生成频率相关函数
Figure BDA0001920876150000043
表征非线性频率特性，频率相关函数
Figure BDA0001920876150000044
定义为：
Figure BDA0001920876150000045
Figure BDA0001920876150000046
其中，
Figure BDA0001920876150000047
表示
Figure BDA0001920876150000048
中频率无关参数部分，
Figure BDA0001920876150000049
表示
Figure BDA00019208761500000410
中频率无关参数部分，
Figure BDA00019208761500000411
是频率f的函数，其乘积代表原非线性模型。
如图3所示，对行波管非线性每一项非线性为：
Figure BDA00019208761500000412
Figure BDA00019208761500000413
则本发明的方法通过加入频率相关项滤波器同相分量
Figure BDA00019208761500000414
和正交分量
Figure BDA00019208761500000415
表征了行波管非线性的频率特性。
在宽带情况下，行波管输出信号频率分量依然定义为：
Figure BDA00019208761500000416
Figure BDA00019208761500000417
I、Q分别表示同相和正交分量。
宽带输入激励下的行波管非线性输出信号幅度为：
Figure BDA00019208761500000418
其中，
Figure BDA00019208761500000419
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种用于宽带行波管计算评估的方法，其特征在于，在传统的Saleh模型的基础上，引入频率相关项滤波器来表征行波管非线性的频率特性；所述频率相关项滤波器包括同相非线性频率特性滤波器、正交非线性频率特性滤波器；采用笛卡尔坐标形式对行波管进行建模及参数提取，得到宽带行波管输出模型同相、正交分量的幅度分别为：
Figure FDA0003412537780000011
Figure FDA0003412537780000012
其中，αm表示贝塞尔函数的阶数，m＝1,2,…,M；
Figure FDA0003412537780000013
是一类|αi|阶贝塞尔函数，i表示第i个输入载波；fm为第m个载波的输入频率，Vi是第i个输入载波的幅度，D表示从零到最大电压的绝对值取值，
Figure FDA0003412537780000014
是输出频率分量的阶数并且为奇数，
Figure FDA0003412537780000015
为宽带行波管输出模型同相分量的幅度，
Figure FDA0003412537780000016
为宽带行波管输出模型正交分量的幅度，
Figure FDA0003412537780000017
为行波管输出信号同相频率分量，
Figure FDA0003412537780000018
为行波管输出信号正交频率分量，
Figure FDA0003412537780000019
是宽带行波管输出模型同相分量系数，
Figure FDA00034125377800000110
是宽带行波管输出模型正交分量系数。
2.根据权利要求1所述的一种用于宽带行波管计算评估的方法，其特征在于，所述
Figure FDA00034125377800000111
Figure FDA00034125377800000112
分别由行波管非线性输入输出信号包络幅度、相位非线性数据计算拟合得来。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于宽带行波管计算评估的方法，其特征在于，根据行波管笛卡尔坐标模型形式，分别对行宽带波管模型同相与正交分量进行三阶交调计算。
4.根据权利要求3所述的一种用于宽带行波管计算评估的方法，其特征在于，根据行波管模型同相分量与正交分量的三阶交调计算结果，计算得到最终的三阶交调分量。
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