70年代后期,国外一些空间研究机构就开始致力于开发新的空间技术,以拓宽卫星通信的应用范围。由于L、C、X、Ku等频段不能满足高速、宽带、小口径终端等应用的需求,当时就已把开发Ka频段卫星通信技术列为研究项目。经过20多年的研究与试验,Ka频段卫星通信系统已进入实用化阶段。
1.系统特性
Ka频段的优点是可用带宽宽,干扰少,设备体积小。因此,Ka频段卫星通信系统可为高速卫星通信、千兆比特级宽带数字传输、高清晰度电视(HDTV)、卫星新闻采集(SNG)、VSAT业务、直接到家庭(DTH)业务及个人卫星通信等新业务提供一种崭新的手段。Ka频段的缺点是雨衰较大,对器件和工艺的需求较高,但这些都可以采取相关技术手段予以克服。总之,Ka频段卫星通信系统主要是在提供双向多媒体业务方面具有较大优势。
(1)网状和星状拓扑结构 为了提高频段利用率,减少时延,直接到用户(DTU)链路一般采用网状网,与公网(PSTN、ISDN等)互连的链路则优先采用星状网。
(2)开网和闭网 开网一般用于公网,闭网则用于特殊用户的专网。
(3)标准协议 多种传输协议共存,尤其是当同一用户需要多种业务时,大多数Ka频段系统选择ATM或准ATM协议。
(4)多波束覆盖 为了提高卫星等效全向辐射功率(EIRP),Ka频段卫星波束一般较窄(1°~2°)。因此,若要覆盖一个国家或地区,需要设置多波束。
(5)频谱可多次利用 由于是多波束使用,频谱利用率高。
(6)星上处理及交换。
(7)传输速率范围宽。
(8)小用户终端 在同等条件下,其用户终端要比 C/ Ku频段的小。对DTU链路来说,典型的无线口径为0.6~2m,具体取决于链路余量及所处雨区。
2.信道预算及仿真
鉴于Ka频段系统在频段、信道特性、空间资源、应用业务等方面的特点,在进行信道预算时,可利用仿真软件来模拟各种信号处理、滤波器、非线性放大、混频等通信环节的性能特性,进而仿真出各种系统性能。美国RST公司的ACOLADE仿真软件是基于WINDOWS操作系统的传输链路层仿真软件包,主要用于无线通信系统的仿真,比较适合卫星通信传输链路设计。它采用层次化框图结构表示欲仿真的通信系统,利用计算机仿真通信系统的信息流波形。ACOLANE仿真可以分成4个基本步骤:(1)用信号流框图建立系统仿真模型;(2)产生代表各种信号的样本函数;(3)根据系统组成的功能框图,进行离散时间信号处理;(4)存储仿真波形,处理后获得系统各种性能指标。
下面我们利用ACOLADE仿真软件进行Ka频段卫星通信链路性能仿真。用一伪随机信号发生器作为数据源模型,产生数据比特流,该数据流经级联编码器送入 QPSK调制器。级联编码器用 (256,223)Reed-Solomon码作外码,用约束长度为人码率为1/2的卷积码作内码。固态放大器(SSPA)的 AM/AM、AM/PM特性参照Ferranti公司的SSPA特性,行波管放大器(TWTA)的AM/AM、AM/PM特性参照INTELSATTWTA特性。上/下行链路噪声均用高斯噪声源模拟产生。接收机为一个积分清洗匹配滤波器后接一个检测器。
系统中各点信号的复包络可通过多个正交星座图(I/Q)进行观测。可以看到,发射机输出瑞信号由于没有噪声和任何失真,星座图为一个标准正方形。信号经过非线性SSPA后,出现一些波动和失真。到达接收机输入端的信号由于叠加了上/下行链路噪声及星上TWTA的放大,出现较大波动和失真。收端IIR滤波器用来滤除带外干扰和噪声。从接收机输出星座图可以看出,当Eb/No增加时,该星座图变得越来越清晰。
Ka频段卫星通信系统链路预算方法与C/Ku频段基本相同,主要区别在雨衰。Ka频段卫星通信系统链路可用率范围为99.5%~99.8%,其雨衰的典型范围为6~9dB。因此,不能简单地通过增加星上EIRP来克服雨衰。由于以下原因,通过采用自适应编码技术,可以在获得较高系统容量的情况下,提高系统可用率。