寬帶衛(wèi)星通信數(shù)字信道化技術(shù)研究

呂芝輝

（國家新聞出版廣電總局北京地球站 北京 102206）

0 引言

1958年12月，我國成功發(fā)射了低軌Project SCORE(Signal Communications by Orbiting Relay Equipment)試驗(yàn)通信衛(wèi)星，這是TI衛(wèi)星的發(fā)展歷史開端。之后的幾十年里，通信系統(tǒng)不斷完善，最初有限地面站來承擔(dān)提供信息任務(wù)的畫面一去不復(fù)還，取而代之的是更為廣泛、復(fù)雜的通信系統(tǒng)。通信衛(wèi)星經(jīng)過幾十年的研究，其技術(shù)和結(jié)構(gòu)上都多少得到改善，并且能多方位的工作。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人們生活水平的提高，通信衛(wèi)星在日常生活中的影響越來越大。因此，衛(wèi)星的制造商和運(yùn)營商不斷增加，他們想借助衛(wèi)星的發(fā)展前景來謀取暴利。但是為獲利而降低投入、減小成本的方法卻成為了現(xiàn)在衛(wèi)星行業(yè)發(fā)展的一大問題。

1 數(shù)字信道化技術(shù)發(fā)展概況

為了能讓上行波束的某些個體信號能夠路由到不同或相同頻段的一個下行波束中，以至于成功完成星間交鏈，經(jīng)過多年以來的努力，研發(fā)出來了數(shù)字信道化器,而它的核心作用就是在一個FDMA（或者M(jìn)F-TDMA)上行信道中，提取出有用的的用戶信號，然后交換到所預(yù)期的的某個下行信道。例如，可以將上下行均為X頻段或是上行為X頻段、下行為Ka頻段的上行波傳入同一個下行波中。除此之外，數(shù)字信道化技術(shù)還有許多應(yīng)用，在一些商業(yè)或是軍事中也尤為重要，比如ACeS(Garuda-1)，Thuraya，Inmarsat-4、移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)MOUS,SkyTerra這些衛(wèi)星通信系統(tǒng)都在商業(yè)和軍事中廣泛應(yīng)用。這些衛(wèi)星都屬于窄帶衛(wèi)星，具有均勻的帶寬，而美國的通信衛(wèi)星則是非均勻帶寬，總而言之，無論信號帶寬是否均勻，都可以順利完成交換。

2 現(xiàn)有的數(shù)字信道化方法及其局限性

(1) 現(xiàn)有的數(shù)字信道化方法

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，寬帶衛(wèi)星通信交換技術(shù)也不斷提高，同樣也面臨著許許多多的挑戰(zhàn)，例如信道帶寬的配置不統(tǒng)一，或是帶寬不均勻等一系列的問題，就拿帶寬“非均勻”情況來說，數(shù)字信道化技術(shù)實(shí)現(xiàn)非均勻帶寬交換的示意圖如圖3-1所示。

圖1 數(shù)字信道化技術(shù)實(shí)現(xiàn)非均勻帶寬交換

圖1中，不同的形狀表示不同的用戶子信道。具體地說，我們所討論的問題中，上行信道基于FDMA方式。假設(shè)一個上行信道被均勻劃分成V個基本子信道，而基本子信道帶寬等于2π/V，任何一個用戶可以占用一個或者相鄰的幾個基本子信道。

(2) 現(xiàn)有的數(shù)字信道化的局限性

現(xiàn)有的信道化方法要求用戶子信號帶寬相同，或者要求用戶數(shù)不能太高，因此不能滿足寬帶衛(wèi)星通信中非均勻帶寬星載交換的需求，存在著局限性?，F(xiàn)有數(shù)字信道化方法的局限性見下表3-1

表1 ：數(shù)字信道化方法的局限性

3 對現(xiàn)有數(shù)字信道化技術(shù)的改進(jìn)

3.1 調(diào)制濾波器組的數(shù)字信道化方法

調(diào)制濾波器組是一種較為理想的濾波器組，它可以完成較多信道的轉(zhuǎn)化，通過改變中心頻率和帶寬使其有效的對各個信道進(jìn)行分解，使復(fù)雜的工作變得簡單。普通的濾波器沒有這種可調(diào)節(jié)的特性，所以他們無法完成成百上千信道的轉(zhuǎn)化。而調(diào)制濾波器則是源自一個具有線性相位的低通濾波器，通過對常見的濾波器進(jìn)行余弦調(diào)制而做出的，通過計算得到第k個分析和綜合濾波器分別表示為：

3.2 非均勻帶寬星載數(shù)字信道化器

根據(jù)上文1和2節(jié)中講述的數(shù)字信道化方法，我們提出數(shù)字信道化器原理結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)非均勻帶寬星載交換功能。非均勻帶寬數(shù)字信道化器共有四部分組成，分別是速率變換模塊、分析濾波模塊、交換模塊和綜合濾波模塊。首先是上行信號x(z）進(jìn)入，經(jīng)過速率變換這一結(jié)構(gòu)，不斷增加上行基本子信道的數(shù)量，由最基礎(chǔ)的V擴(kuò)展到V'=2log(v);然后，便是經(jīng)過分析濾波，不同濾波器組分出的路數(shù)不同，通常上講，信號都是經(jīng)過2M相分析濾波器組Hk(z),k=0,1,2M-1后，被均分為2M路，這樣分出的信號經(jīng)M倍降采樣后便離開了分析濾波模塊，進(jìn)入下一模塊;經(jīng)過交換模塊，會將得到的信號進(jìn)行排序，根據(jù)規(guī)定好的路數(shù)，將各個用戶子信道排在自己設(shè)定的位置上，最后進(jìn)入綜合濾波模塊，得到下行信號X(z)。

3.3 .數(shù)字信道化衛(wèi)星通信系統(tǒng)的鏈路可支持性

（1）鏈路可支持性

鏈路可支持性是表示通信系統(tǒng)中頻率資源和功率資源利用率的概念。對于一個衛(wèi)星通信系統(tǒng)，它的功率資源極為重要。功率資源影響著轉(zhuǎn)化率的高低，即指轉(zhuǎn)化器的功率越高，系統(tǒng)對資源的利用率越高，從而獲得的鏈路余量相對較多，而這一切都和系統(tǒng)的鏈路數(shù)有關(guān)，只有將鏈路可支持性的問題解決，使正常通信的鏈路數(shù)增多，才能極大地提高系統(tǒng)對資源的利用率。

（2）逐信道增益控制

信道都會分離成獨(dú)立的數(shù)字信道，可以以此解決對容量的抑制問題，從而可以大大的提高系統(tǒng)的容量。

5 總結(jié)

在濾波器這一設(shè)計中，優(yōu)化理論起著重要的作用，一直應(yīng)用在這個領(lǐng)域當(dāng)中。不僅如此，在許多方面，優(yōu)化理論也起著至關(guān)重要的作用，如星載交換、處理等方面。我們還可以利用優(yōu)化理論來解決一些建模的問題，或是找尋一種簡單高效的解題方法等?？偠灾瑑?yōu)化理論在數(shù)字信道化微信通信的應(yīng)用無可限量，值得每一個學(xué)者研究和探索。

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