Ka频段卫星通信系统的设计

发布: 2010-10-20 00:52 | 作者: | 来源: | 字体: 小中大

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Ka频段卫星通信系统的设计（汪春霆、王爱华）
    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。
    （1）与天线波束覆盖区域相比，降雨区（大雨）很小，典型值约为5％，因此
两个用户同时处于雨衰区的可能性较小。
    （2）由于雨衰的速度较慢，典型值为0.5～1dB／s，地球站有足够时间来识别
和补偿雨衰。
3设备研制
    典型的Ka频段系统由中心站、远端站及星上转发器组成。我国目前首先要解决
Ka频段的相关射频器设备的设计和制造。由于中额及基带设备基本可与C／Ku频段
系统通用，在高速调制解调器应用方面，Ka频段又具特殊性，下面只介绍对Ka频段
射频设备和高速调制解调器的考虑。
3.1Ka频段射频设备
    Ka频段射频设备主要由接收机、变频器及功放等部件组成。
    （1）20GHz低噪声放大器
    基本要求是要具有尽可能低的噪声系数和尽可能高的增益。达到上述要求的最
核心器件是低噪声放大器本身。早期的放大器一般用场效应管（FET），近几年主
要采用高电子迁移率管（HEMT）或异质结管（HBT）与FET器件相比，HEMT器件在高
频段（如Ka频段）表现更为出色，具有更低的噪声系数和更高的增益。
    单片微波集成电路（MMIC）性能的进一步提高，使Ka频段射频设备的体积更小，
性能更好，成本更低。但Ka频段MMIC对设计、工艺等要求过高，在我国应用还相当
困难。因此，在研制20GHz低噪声放大器时，应采用HEMT与现有MMIC相结合的方式，
即低噪声加高增益。
    （2）变频器
    主要由本振、混频器、滤波器、放大器及室外电路等组成。从电路形式上看，
可以采用微带，也可以采用波导。由于微带电路体积小、重量轻，便于与外围电路
连接，所以宜采用微带结构形式。
3.2高速调制解调器
    目前，国外300Mb／s和650Mb／s的卫星高速数传系统已投入实用，主要用于航
天测控通信数据的传输，1Gb／s以上高速数传系统正处于研究阶段。我国正在研究
地面和星上30MMb／s高速调制解调器。
    （1）关键技术
    ·并行数字处理技术  主要是为了提高系统集成度、降低设备成本及对器件的
要求，并在电路设计中将各种工艺类型的器件进行合理组合，满足星载设备的低功
耗和小型化需求。
    ·并行数字成形滤波技术  由于受存储器硬件特性的限制，不能利用已有的数
字成形滤波方案，为此，需专门设计一个基于并行查表的数字滤波方案。
    ·并行纠错编译码技术  采用RS为外码，卷积码为内码的8路并行处理编译码
方案。
    ·微波载波恢复技术  采用反馈式载波相干恢复电路。即采用并行数字处理
技术来提取载波，然后将其反馈至压控振荡器（VCO），以控制VCO相位，完成载
波恢复和跟踪。
    ·高速时钟提取技术  采用反馈法数字式时钟恢复电路。
    （2）主要技术指标
调制方式：QPSK			幅度不平衡度：≤1dB
输出频率：1.2GHz		相位不平衡度：≤±2°
载波抑制：≥30dB		载波捕获范围：±1MHz
杂散抑制：≥50dB		时钟捕获范围：±50kHz
解调中频：1.2GHz		误码率特性：  Eb／No= 9.5dB
                                      Pc≤1×10-8
4建议
    我国的Ka频段卫星通信技术目前还处于研究阶段，地面相关设备及星上转发器
的研究工作在九五期间已经展开，部分专题已取得突破。但在功放、体积、重量等
方面，因受器件、工艺、仪器等因素制约，与国外先进水平仍有较大差别，离实用
化有较大距离，因此建议：
    （1）加快Ka频段星上／地面关键技术及关键设备的研制，尽快形成试验样机。
除透明转发器外，对星上处理转发器的关键技术也需抓紧立项研制。具体项目主
要有：20／30GHz低噪声放大器、变频器及SSPA和TWTA放大器等；固定及扫描多波
束无线；基带处理及交换矩阵；低成本地球站终端。
    （2）尽快安排Ka频段转发器（哪怕是透明转发器）的搭载技术试验，以便开
展相关试验工作。如近期不能实现，也应利用外星Ka转发器（同步星或低轨星）
开展试验工作，逐步积累使用及设计经验。
    （3）进一步重视Ka频段卫星通信系统仿真及专题仿真设计工作。在设备全面
开展应用之前，利用先进的仿真设计可以最大限度地发现问题，并为提出解决问
题的措施提供依据。
    （4）抓紧Ka频段传播试验工作，建立我国目已的Ka频段雨衰模型。由于Ka频
段的最大缺点是雨衰较大，要有效克服这一问题，首先必须了解各地区的雨衰情
况，建立准确的雨衰模型。
    （5）Ka频段的另一个重要特征是军事应用前景巨大。国家有关部门应尽快立
项，研究如何进一步拓宽Ka频段的军事应用。
    （6）从长远发展考虑，国家应尽快开展相应的Ka频段仪器设备、测量方法以
及关键元部件的配套研究。


摘自《电信快报》