卫星转发器设计课案.docx
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卫星转发器设计课案
实验一卫星转发器仿真设计
一设计思想
卫星转发器的任务是把接收信号放大，并利用变频器变换为下行频率再发射出去。
通过Matlab可以对接受信号的下变频、中频放大、上变频、行波管放大等过程进行仿真。
这里用到的行波管放大是一种非线性放大。
通过仿真，可以验证转发器的原理，观察非线性放大带来的干扰。
二实现流程
Figure1转发器整体框图
Figure2转发器具体实现流程
这里表示输入信号为9路DSB信号之和，代表9地球站的上行信号之和（采用FDMA制）。
上行信号采用6GHz，相邻2路信号载波间隔为300MHz，DSB信号带宽为100MHz。
接收信号首先经过本地载波相干解调，再通过低通滤波器滤出低频部分，恢复出中频信号。
之后经过中频线性放大，再进行上变频到4GHz。
之后通过行波管功率放大。
进行TWTA放大时应用非线性放大模型。
三结论分析
Figure3
图3显示了接收信号的时域波形和频谱。
通过频谱可以看出，接收信号是一个以6GHz为中心的一簇信号。
Figure4
图4显示了经过下变频之后的信号和其频谱。
通过频谱可以看出，此时信号相当于集中分布在低频和高频段。
假设一路信号为，则与6GHz相乘之后，得到：
则频谱分量中有低频，高频。
为了得到中频信号，下一步进行带通滤波。
Figure5
图5显示了经过下变频之后的信号再经过BPF之后得到的中频信号和其频谱。
这里使用4阶的巴特沃斯带通滤波器，截止频率设为0.1GHz，2GHz。
可以看到中频信号得到了很好的恢复。
由于变频之后幅度有衰减，于是对信号进行线性放大，也就是乘以2倍。
Figure6
图6显示了经过4GHz上变频的信号及其频谱，可以看到中频的已放大信号完全线性搬移到了4GHz频段上。
Figure7
图7显示了经过TWTA放大的下行信号及其频谱。
这里可以看到经过非线性放大之后，信号波形与放大前有了很大变化，且有了新的频谱分量，低旁瓣被放大。
这里就必须考虑非线性放大效应。
因此，作出了TWTA输出功率-输入功率以及TWTA相移-输入功率曲线图。
可以看到，在较低输入功率段TWTA输出功率近似与输入功率成线性关系，但是在高输入功率段，出现了非线性部分。
当输入功率较大时，相移也表现出非线性的关系，由于在一定条件下相移会转化为频率变化，即产生新的频率分量（AM/PM转换），所以才对于多载波输入时TWTA放大会引起频率上的干扰。
Figure8
图8显示了非线性放大器的输入-输出功率和相移-输入功率曲线图。
可以看到当输入功率大于-4dB后出现了明显的非线性特性，而且在输入功率为0dB时达到饱和。
这时如果我们将输入功率回退到一定范围，则可以保证输出功率与输入功率近似成线性关系。
因此我们将输入功率人为降低，也即回退到较小值。
Figure9
图9中设定回退量为40dB。
可以看出虽然还是有一些新的频率分量产生，但是干扰比较小。
如果回退量继续增大，则干扰进一步减小直至没有（如回退60dB），但是会引起此时TWTA放大信号功率大幅减小。
四思考题解答
（一）思考卫星转发器的各种模型？
1.双变频转发器
接收信号变换到中频，经过放大、限幅，然后变换到发射频率，再经行波管功率放大。
2.单变频转发器
接收信号直接放大，直接变频为下行频率，再经行波管功率放大。
3.处理转发器
接收信号变换到中频，进行相干检测和数据处理，从而得到基带数字信号，再调制到中频，再上变频到下行频率上。
这其中，单变频转发器适用于多载波输入的情形。
处理转发器适用于数字卫星通信，通过解调、纠错、编码、调制一系列过程，有利于消除噪声积累。
（二）处理转发器与透明转发器之间比较，须增加哪些模块？
处理转发器由于要得到基带数字信号，还需要增加解调、调制模块。
由于要进行数据处理，所以还需要检错、纠错模块。
由于要对信号进行再编码，所以还需要加入信道编码模块。
相当于进行了一个完整的解调、再调制过程。
五源代码及说明
主函数
clear;
closeall;
fs=1200;
T=1/fs;
Tp=1;%1S;
N=Tp*fs;
n=1:
N;
%%
%产生9路DSB信号
df=30;
x0=cos（600*pi*n*T）.*cos（10*pi*n*T）;%DSB
x1=cos（（600+df）*pi*n*T）.*cos（10*pi*n*T）;
x2=cos（（600-df）*pi*n*T）.*cos（10*pi*n*T）;
x3=cos（（600+2*df）*pi*n*T）.*cos（10*pi*n*T）;
x4=cos（（600-2*df）*pi*n*T）.*cos（10*pi*n*T）;
x5=cos（（600+3*df）*pi*n*T）.*cos（10*pi*n*T）;
x6=cos（（600-3*df）*pi*n*T）.*cos（10*pi*n*T）;
x7=cos（（600+4*df）*pi*n*T）.*cos（10*pi*n*T）;
x8=cos（（600-4*df）*pi*n*T）.*cos（10*pi*n*T）;
xn=x1+x2+x3+x4+x5+x6+x7+x8;
figure
subplot（3,2,1）
plot（n*T,xn,'-'）;
axis（[01-1.2*max（xn）1.2*max（xn）]）
xlabel（'t'）;
ylabel（'xout'）;
title（'转发器接收射频信号'）;
gridon
f=2*fs*（0:
（N/2））/N/100;
P1=fft128（xn,N）;
subplot（3,2,2）
plot（f,10*log10（P1））
title（'转发器接收射频信号频谱'）
xlabel（'Freq（GHz）'）
ylabel（'|X（f）|'）
gridon
%%
%6G下变频
xn_down=cos（600*pi*n*T）.*xn;%6GHz相干解调
subplot（3,2,3）
plot（n*T,xn_down,'-'）;
axis（[01-1.2*max（xn）1.2*max（xn）]）
xlabel（'t'）;
ylabel（'xout'）;
title（'6G下变频信号'）;
gridon
P1=fft128（xn_down,N）;
subplot（3,2,4）
plot（f,10*log10（P1））
title（'6G下变频信号频谱'）
xlabel（'Freq（GHz）'）
ylabel（'|X（f）|'）
gridon
%带通滤波
wn=[0.1/fs200/fs];%设置截止频率
[bmi,ami]=butter（4,wn）;%巴特沃斯4阶带通滤波器
xout=filter（bmi,ami,xn_down）;
subplot（3,2,5）
plot（n*T,xout,'-'）;
axis（[01-1.2*max（xn）1.2*max（xn）]）
xlabel（'t'）;
ylabel（'xout'）;
title（'通过BPF后的6G下变频信号'）;
gridon
P1=fft128（xout,N）;
subplot（3,2,6）
plot（f,10*log10（P1））
title（'通过BPF后的6G下变频信号频谱'）
xlabel（'Freq（GHz）'）
ylabel（'|X（f）|'）
gridon
%%
%2倍信号放大
xout=2*xout;
%%
%上变频
x_up=xout.*cos（400*pi*n*T）;
figure
subplot（3,2,1）
plot（n*T,x_up,'-'）;
axis（[01-1.2*max（xn）1.2*max（xn）]）
xlabel（'t'）;
ylabel（'xout'）;
title（'4G上变频信号'）;
gridon
P1=fft128（x_up,N）;
subplot（3,2,2）
plot（f,10*log10（P1））
title（'4G上变频信号频谱'）
xlabel（'Freq（GHz）'）
ylabel（'|X（f）|'）
gridon
%%
%TWTA行波管放大
backoff=0;
y=salehs_model（x_up,backoff,N）;
subplot（3,2,3）
plot（n*T,real（y）,'-'）;
xlabel（'t'）;
ylabel（'xout'）;
title（'TWTA放大信号'）;
gridon
P1=fft128（y,N）;
subplot（3,2,4）
plot（f,10*log10（P1））
title（'TWTA放大信号频谱'）
xlabel（'Freq（GHz）'）
ylabel（'|X（f）|'）
gridon
subplot（3,2,5）
pin=10*log10（abs（x_up））;
pout=10*log10（abs（y））;
plot（pin,pout）;
grid;
xlabel（'输入功率（dB）'）;
ylabel（'输出功率（dB）'）;
title（'TWTA输出功率-输入功率'）
subplot（3,2,6）
plot（pin,（180/pi）*unwrap（angle（y）））;grid;
xlabel（'输入功率（dB）'）;
ylabel（'相移（度）'）;
title（'TWTA相移-输入功率'）
%figure
%[logpsd,freq,ptotal,pmax]=log_psd（x_up,1200,T）;
%plot（freq,logpsd）;
salehs_model非线性放大函数仿真TWTA
function[y]=salehs_model（x,backoff,n）
y=zeros（1,n）*（1.0+i*1.0）;
af=1.1587;
bf=1.15;
ag=4.0;
bg=2.1;
c=10^（backoff/20）;
fork=1:
n
ain=c*abs（x（k））;
thetain（k）=angle（x（k））;
aout=af*ain/（1+bf*ain^2）;
thetapm（k）=ag*ain^2/（1+bg*ain^2）;
thetaout（k）=thetain（k）+thetapm（k）;
y（k）=aout*exp（i*thetaout（k））;
end
fft128128点FFT函数去掉负频率部分
functionP1=fft128（xn,N）
Y=fft（xn）;
P2=abs（Y/N）;
P1=P2（1:
N/2+1）;
P1（2:
end-1）=2*P1（2:
end-1）;
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