衛(wèi)星光通信與微波通信之轉(zhuǎn)換技術(shù)研究

摘要　衛(wèi)星激光通信是解決星間通信“瓶頸”的最佳方法。介紹了衛(wèi)星光通信網(wǎng)絡(luò)與微波通信網(wǎng)絡(luò)并網(wǎng)的背景及重要意義，分析了衛(wèi)星光通信與微波通信相互轉(zhuǎn)換的方法。

關(guān)鍵詞　空間光通信　微波通信　調(diào)制

1、引言

隨著信息流量的爆炸性增長，目前以微波為載體的空間衛(wèi)星通信技術(shù)逐漸暴露出其自身的弱點(diǎn)，即隨著通信數(shù)據(jù)率的提高，作為傳統(tǒng)手段的微波開始逐漸接近其最高傳輸率的理論瓶頸。在此背景下，人們自然把目光轉(zhuǎn)移到了以激光作為信號(hào)載體的光通信，期待依靠激光通信的高數(shù)據(jù)傳輸率來解決問題。

衛(wèi)星光通信是一種嶄新的空間通信手段。利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)激光信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)在多個(gè)航天器之間以及航天器與地球站之間的通信。其傳輸速率高、安全性和可靠性高、保密性強(qiáng)、終端設(shè)備體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)吸引著各國專家鍥而不舍地探索[1-4]�？臻g激光通信系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上應(yīng)具有與微波通信的接口。目前還沒有一個(gè)國家建立了空間激光通信鏈路，所以對(duì)于星上微波通信與光通信的相互轉(zhuǎn)換過程的研究極少。在光通信領(lǐng)域已取得突破性進(jìn)展，成功地實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星-地面、衛(wèi)星-衛(wèi)星之間的光通信試驗(yàn)，預(yù)計(jì)近幾年將進(jìn)入實(shí)用化階段[5-6]。因此，空間光通信與微波通信的互連是必須解決的一個(gè)問題。

2、激光星間鏈路

激光星間鏈路主要包括同步軌道衛(wèi)星間的通信鏈路、同步軌道衛(wèi)星和中低軌道衛(wèi)星間的通信鏈路、中低軌衛(wèi)星間的通信鏈路以及衛(wèi)星和地面站間的通信鏈路。

基于空間環(huán)境的考慮，星地鏈路只能以微波為主。因此，為了滿足星上苛刻的功耗、體積和復(fù)雜程度的要求，必須研究星上光通信與微波通信的相互轉(zhuǎn)換技術(shù)。另外，現(xiàn)有衛(wèi)星網(wǎng)采用微波技術(shù)，為了使衛(wèi)星光通信充分發(fā)揮其效能，必須解決衛(wèi)星光通信與傳統(tǒng)衛(wèi)星通信的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，因此，在空間必然要進(jìn)行光通信與微波通信的相互轉(zhuǎn)換。

3、衛(wèi)星光通信與微波通信之轉(zhuǎn)換方法

對(duì)大部分衛(wèi)星而言，它既是微波鏈路和激光鏈路的轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，同時(shí)又是衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)路由交換節(jié)點(diǎn)，見圖1。一方面，當(dāng)節(jié)點(diǎn)上/下行鏈路時(shí)，衛(wèi)星必須完成微波/光與光/微波相互轉(zhuǎn)換。另一方面，路由的判定是由中間衛(wèi)星的星載處理器根據(jù)查找動(dòng)態(tài)路由表來完成的，這樣需要對(duì)經(jīng)過的數(shù)據(jù)包進(jìn)行復(fù)雜的解復(fù)用、解調(diào)制等過程和路由交換處理。

在中繼衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星(GEO-LEO)間的激光中繼鏈路中，需要返向發(fā)往地面的LEO高速數(shù)據(jù)先由LEO激光通信終端調(diào)制并發(fā)往中繼星，由GEO激光通信終端接收，經(jīng)解調(diào)再生處理得到基帶信號(hào)后，再由微波進(jìn)行QPSK調(diào)制、上變頻至Ka頻段，經(jīng)Ka頻段星地下行鏈路發(fā)往地面站。地面發(fā)往LEO的前向低速數(shù)據(jù)，經(jīng)擴(kuò)頻、BPSK調(diào)制后，由Ka頻段星地上行鏈路發(fā)往中繼星，GEO解調(diào)再生處理得到基帶信號(hào)后，輸入GEO激光通信終端進(jìn)行光調(diào)制，發(fā)往LEO激光通信終端。這種微波通信與光通信的相互轉(zhuǎn)換方式存在著處理過程復(fù)雜、設(shè)備體積笨重和網(wǎng)絡(luò)延遲增加等缺點(diǎn)，無法適應(yīng)星上有效載荷的要求。

文獻(xiàn)[7]，根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)高帶寬(下一代衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)高達(dá)10Gb/s)、節(jié)點(diǎn)數(shù)目相對(duì)較少和網(wǎng)絡(luò)連通度相對(duì)較低等特點(diǎn)，提出了一種不解基帶數(shù)據(jù)、無需包頭檢測、利用微波直接調(diào)制激光的微波通信與光通信相互轉(zhuǎn)換的方案。系統(tǒng)基本原理是：由地面發(fā)射處理機(jī)(TP)根據(jù)IP包頭信息、以所要到的目標(biāo)衛(wèi)星作為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行“衛(wèi)星流”的劃分，形成多路微波副載波信道(f1,f2,…，fn)，這里以副載波的頻率fi來表示其在衛(wèi)星網(wǎng)的路由信息；在首衛(wèi)星，首先根據(jù)副載波頻率完成副載波信道的星上交換和相同目標(biāo)“衛(wèi)星流”的聚合，然后根據(jù)多波長路由協(xié)議，在星際光網(wǎng)絡(luò)建立直達(dá)光路，完成多路副載波對(duì)激光發(fā)射陣列(0TA)的直接調(diào)制；在目標(biāo)衛(wèi)星和地面關(guān)口站，通過帶可調(diào)諧光濾波器(0F)的光接收機(jī)(0R)和帶快速可調(diào)諧副載波調(diào)制器的接收處理機(jī)(RP)來結(jié)束星際光路由和完成副載波的多址連接。

在這個(gè)系統(tǒng)中，為了增加光帶寬的利用率，通常光副載波系統(tǒng)都采用單邊帶調(diào)制技術(shù)。作為一種復(fù)用技術(shù)，多路副載波被加到同一光載波上，雖然光調(diào)制信號(hào)和強(qiáng)度輸出是線性關(guān)系，但在調(diào)制的過程中，由于執(zhí)行了單邊帶處理而引入了非線性過程，在高密度的副載波衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中必然會(huì)帶來交調(diào)扭曲，造成信號(hào)質(zhì)量下降。

另外，雖然光副載波調(diào)制技術(shù)并不需要光頻率的準(zhǔn)確控制，但對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星的多波長寬帶光接收機(jī)來說卻需要較寬的光頻率間隔。因?yàn)橹苯庸鈾z測器是一種平方律設(shè)備，頻率相鄰的光信號(hào)在探測器相互“敲打”，產(chǎn)生類似噪聲的光拍頻干擾(0BI)信號(hào)，因此正是OBI決定著多波長通道的間隔。

因此，光副載波調(diào)制的載噪比(CNR)和星上波長漂移造成的光拍頻干擾嚴(yán)重影響著圖3系統(tǒng)的性能、限制著系統(tǒng)的規(guī)模，文獻(xiàn)[7]給出了一些可以有效改善系統(tǒng)CNR的方法。但是，如何從根本上提高整個(gè)系統(tǒng)的規(guī)模和相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)沒有研究。

4、結(jié)束語

從以上分析可以看到，星上光通信與微波通信之相互轉(zhuǎn)換技術(shù)還沒有一個(gè)理想的方案，這也許是因?yàn)樾l(wèi)星光通信還沒有進(jìn)入實(shí)用化階段的原因。但是，隨著空間光通信涉及的關(guān)鍵技術(shù)的解決以及空間光通信技術(shù)與系統(tǒng)的日趨完善，可以預(yù)見，不久的將來衛(wèi)星光通信必將實(shí)現(xiàn)商業(yè)化目標(biāo)，星上的微波通信與光通信的相互轉(zhuǎn)換技術(shù)將是必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。