Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)計

（汪春霆、王愛華）




　　70年代后期，國外一些空間研究機構(gòu)就開始致力于開發(fā)新的空間技術(shù)，以拓寬衛(wèi)星通信的應(yīng)用范圍。由于L、C、X、Ku等頻段不能滿足高速、寬帶、小口徑終端等應(yīng)用的需求，當(dāng)時就已把開發(fā)Ka頻段衛(wèi)星通信技術(shù)列為研究項目。經(jīng)過20多年的研究與試驗，Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)已進入實用化階段。

1系統(tǒng)特性

    Ka頻段的優(yōu)點是可用帶寬寬，干擾少，設(shè)備體積小。因此，Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)可為高速衛(wèi)星通信、千兆比特級寬帶數(shù)字傳輸、高清晰度電視（HDTV）、衛(wèi)星新聞采集（SNG）、VSAT業(yè)務(wù)、直接到家庭（DTH）業(yè)務(wù)及個人衛(wèi)星通信等新業(yè)務(wù)提供一種嶄新的手段。Ka頻段的缺點是雨衰較大，對器件和工藝的需求較高，但這些都可以采取相關(guān)技術(shù)手段予以克服�？傊�，Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要是在提供雙向多媒體業(yè)務(wù)方面具有較大優(yōu)勢。

（1）網(wǎng)狀和星狀拓撲結(jié)構(gòu)
為了提高頻段利用率，減少時延，直接到用戶（DTU）鏈路一般采用網(wǎng)狀網(wǎng)，與公網(wǎng)（PSTN、ISDN等）互連的鏈路則優(yōu)先采用星狀網(wǎng)。

（2）開網(wǎng)和閉網(wǎng)
開網(wǎng)一般用于公網(wǎng)，閉網(wǎng)則用于特殊用戶的專網(wǎng)。

（3）標準協(xié)議
多種傳輸協(xié)議共存，尤其是當(dāng)同一用戶需要多種業(yè)務(wù)時，大多數(shù)Ka頻段系統(tǒng)選擇ATM或準ATM協(xié)議。

（4）多波束覆蓋 為了提高衛(wèi)星等效全向輻射功率（EIRP），Ka頻段衛(wèi)星波束一般較窄（1°～2°）。因此，若要覆蓋一個國家或地區(qū)，需要設(shè)置多波束。

（5）頻譜可多次利用 由于是多波束使用，頻譜利用率高。

（6）星上處理及交換。

（7）傳輸速率范圍寬。

（8）小用戶終端 在同等條件下，其用戶終端要比 C／ Ku頻段的小。對DTU鏈路來說，典型的無線口徑為0.6～2m，具體取決于鏈路余量及所處雨區(qū)。

2信道預(yù)算及仿真

    鑒于Ka頻段系統(tǒng)在頻段、信道特性、空間資源、應(yīng)用業(yè)務(wù)等方面的特點，在進行信道預(yù)算時，可利用仿真軟件來模擬各種信號處理、濾波器、非線性放大、混頻等通信環(huán)節(jié)的性能特性，進而仿真出各種系統(tǒng)性能。美國RST公司的ACOLADE仿真軟件是基于WINDOWS操作系統(tǒng)的傳輸鏈路層仿真軟件包，主要用于無線通信系統(tǒng)的仿真，比較適合衛(wèi)星通信傳輸鏈路設(shè)計。它采用層次化框圖結(jié)構(gòu)表示欲仿真的通信系統(tǒng)，利用計算機仿真通信系統(tǒng)的信息流波形。ACOLANE仿真可以分成4個基本步驟：（1）用信號流框圖建立系統(tǒng)仿真模型；（2）產(chǎn)生代表各種信號的樣本函數(shù)；（3）根據(jù)系統(tǒng)組成的功能框圖，進行離散時間信號處理；（4）存儲仿真波形，處理后獲得系統(tǒng)各種性能指標。

    下面我們利用ACOLADE仿真軟件進行Ka頻段衛(wèi)星通信鏈路性能仿真。用一偽隨機信號發(fā)生器作為數(shù)據(jù)源模型，產(chǎn)生數(shù)據(jù)比特流，該數(shù)據(jù)流經(jīng)級聯(lián)編碼器送入
QPSK調(diào)制器。級聯(lián)編碼器用 （256，223）Reed－Solomon碼作外碼，用約束長度為人碼率為1／2的卷積碼作內(nèi)碼。固態(tài)放大器（SSPA）的
AM／AM、AM／PM特性參照Ferranti公司的SSPA特性，行波管放大器（TWTA）的AM／AM、AM／PM特性參照INTELSATTWTA特性。上／下行鏈路噪聲均用高斯噪聲源模擬產(chǎn)生。接收機為一個積分清洗匹配濾波器后接一個檢測器。

   
系統(tǒng)中各點信號的復(fù)包絡(luò)可通過多個正交星座圖（I／Q）進行觀測。可以看到，發(fā)射機輸出瑞信號由于沒有噪聲和任何失真，星座圖為一個標準正方形。信號經(jīng)過非線性SSPA后，出現(xiàn)一些波動和失真。到達接收機輸入端的信號由于疊加了上／下行鏈路噪聲及星上TWTA的放大，出現(xiàn)較大波動和失真。收端IIR濾波器用來濾除帶外干擾和噪聲。從接收機輸出星座圖可以看出，當(dāng)Eb／No增加時，該星座圖變得越來越清晰。

    Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈路預(yù)算方法與C／Ku頻段基本相同，主要區(qū)別在雨衰。Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈路可用率范圍為99.5%～99.8%，其雨衰的典型范圍為6～9dB。因此，不能簡單地通過增加星上EIRP來克服雨衰。由于以下原因，通過采用自適應(yīng)編碼技術(shù)，可以在獲得較高系統(tǒng)容量的情況下，提高系統(tǒng)可用率。

（1）與天線波束覆蓋區(qū)域相比，降雨區(qū)（大雨）很小，典型值約為5％，因此兩個用戶同時處于雨衰區(qū)的可能性較小。

（2）由于雨衰的速度較慢，典型值為0.5～1dB／s，地球站有足夠時間來識別和補償雨衰。

3設(shè)備研制

    典型的Ka頻段系統(tǒng)由中心站、遠端站及星上轉(zhuǎn)發(fā)器組成。我國目前首先要解決Ka頻段的相關(guān)射頻器設(shè)備的設(shè)計和制造。由于中額及基帶設(shè)備基本可與C／Ku頻段系統(tǒng)通用，在高速調(diào)制解調(diào)器應(yīng)用方面，Ka頻段又具特殊性，下面只介紹對Ka頻段射頻設(shè)備和高速調(diào)制解調(diào)器的考慮。

3.1Ka頻段射頻設(shè)備

    Ka頻段射頻設(shè)備主要由接收機、變頻器及功放等部件組成。

    （1）20GHz低噪聲放大器

   
基本要求是要具有盡可能低的噪聲系數(shù)和盡可能高的增益。達到上述要求的最核心器件是低噪聲放大器本身。早期的放大器一般用場效應(yīng)管（FET），近幾年主要采用高電子遷移率管（HEMT）或異質(zhì)結(jié)管（HBT）與FET器件相比，HEMT器件在高頻段（如Ka頻段）表現(xiàn)更為出色，具有更低的噪聲系數(shù)和更高的增益。單片微波集成電路（MMIC）性能的進一步提高，使Ka頻段射頻設(shè)備的體積更小，性能更好，成本更低。但Ka頻段MMIC對設(shè)計、工藝等要求過高，在我國應(yīng)用還相當(dāng)困難。因此，在研制20GHz低噪聲放大器時，應(yīng)采用HEMT與現(xiàn)有MMIC相結(jié)合的方式，即低噪聲加高增益。

    （2）變頻器

   
主要由本振、混頻器、濾波器、放大器及室外電路等組成。從電路形式上看，可以采用微帶，也可以采用波導(dǎo)。由于微帶電路體積小、重量輕，便于與外圍電路連接，所以宜采用微帶結(jié)構(gòu)形式。

3.2高速調(diào)制解調(diào)器

    目前，國外300Mb／s和650Mb／s的衛(wèi)星高速數(shù)傳系統(tǒng)已投入實用，主要用于航天測控通信數(shù)據(jù)的傳輸，1Gb／s以上高速數(shù)傳系統(tǒng)正處于研究階段。我國正在研究地面和星上30MMb／s高速調(diào)制解調(diào)器。

    （1）關(guān)鍵技術(shù)

·    并行數(shù)字處理技術(shù)
主要是為了提高系統(tǒng)集成度、降低設(shè)備成本及對器件的要求，并在電路設(shè)計中將各種工藝類型的器件進行合理組合，滿足星載設(shè)備的低功耗和小型化需求。

    ·并行數(shù)字成形濾波技術(shù)
由于受存儲器硬件特性的限制，不能利用已有的數(shù)字成形濾波方案，為此，需專門設(shè)計一個基于并行查表的數(shù)字濾波方案。

    ·并行糾錯編譯碼技術(shù) 采用RS為外碼，卷積碼為內(nèi)碼的8路并行處理編譯碼方案。

·    微波載波恢復(fù)技術(shù)
采用反饋式載波相干恢復(fù)電路。即采用并行數(shù)字處理技術(shù)來提取載波，然后將其反饋至壓控振蕩器（VCO），以控制VCO相位，完成載波恢復(fù)和跟蹤。

·    高速時鐘提取技術(shù)
采用反饋法數(shù)字式時鐘恢復(fù)電路。

    （2）主要技術(shù)指標

    調(diào)制方式：QPSK 幅度不平衡度：≤1dB

    輸出頻率：1.2GHz 相位不平衡度：≤±2°

    載波抑制：≥30dB 載波捕獲范圍：±1MHz

    雜散抑制：≥50dB 時鐘捕獲范圍：±50kHz

    解調(diào)中頻：1.2GHz 誤碼率特性： Eb／No= 9.5dB

    Pc≤1×10-8

4建議

   我國的Ka頻段衛(wèi)星通信技術(shù)目前還處于研究階段，地面相關(guān)設(shè)備及星上轉(zhuǎn)發(fā)器的研究工作在九五期間已經(jīng)展開，部分專題已取得突破。但在功放、體積、重量等方面，因受器件、工藝、儀器等因素制約，與國外先進水平仍有較大差別，離實用化有較大距離，因此建議：

    （1）加快Ka頻段星上／地面關(guān)鍵技術(shù)及關(guān)鍵設(shè)備的研制，盡快形成試驗樣機。除透明轉(zhuǎn)發(fā)器外，對星上處理轉(zhuǎn)發(fā)器的關(guān)鍵技術(shù)也需抓緊立項研制。具體項目主要有：20／30GHz低噪聲放大器、變頻器及SSPA和TWTA放大器等；固定及掃描多波束無線；基帶處理及交換矩陣；低成本地球站終端。

    （2）盡快安排Ka頻段轉(zhuǎn)發(fā)器（哪怕是透明轉(zhuǎn)發(fā)器）的搭載技術(shù)試驗，以便開展相關(guān)試驗工作。如近期不能實現(xiàn)，也應(yīng)利用外星Ka轉(zhuǎn)發(fā)器（同步星或低軌星）開展試驗工作，逐步積累使用及設(shè)計經(jīng)驗。

    （3）進一步重視Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)仿真及專題仿真設(shè)計工作。在設(shè)備全面開展應(yīng)用之前，利用先進的仿真設(shè)計可以最大限度地發(fā)現(xiàn)問題，并為提出解決問題的措施提供依據(jù)。

    （4）抓緊Ka頻段傳播試驗工作，建立我國目已的Ka頻段雨衰模型。由于Ka頻段的最大缺點是雨衰較大，要有效克服這一問題，首先必須了解各地區(qū)的雨衰情況，建立準確的雨衰模型。

    （5）Ka頻段的另一個重要特征是軍事應(yīng)用前景巨大。國家有關(guān)部門應(yīng)盡快立項，研究如何進一步拓寬Ka頻段的軍事應(yīng)用。

    （6）從長遠發(fā)展考慮，國家應(yīng)盡快開展相應(yīng)的Ka頻段儀器設(shè)備、測量方法以及關(guān)鍵元部件的配套研究。





摘自《電信快報》