空間信息網(wǎng)絡(luò)星載轉(zhuǎn)發(fā)器體制研究

張玲玲，南小回（武警杭州士官學(xué)校，杭州 310023）

空間信息網(wǎng)絡(luò)星載轉(zhuǎn)發(fā)器體制研究

張玲玲，南小回
（武警杭州士官學(xué)校，杭州 310023）

隨著通信技術(shù)不斷發(fā)展和終端類(lèi)型的日益增多，寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)的格局，單址、單頻、單星窄帶的現(xiàn)象逐漸被多址、多頻和多星寬帶的網(wǎng)絡(luò)模式所替代，其中對(duì)以高容量、高靈活性的數(shù)學(xué)信道化衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研究最為突出，而數(shù)字信道化衛(wèi)星通信系統(tǒng)的形成，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的不斷改進(jìn)起著不可磨滅的作用。

轉(zhuǎn)發(fā)器；數(shù)字信道化；WGS

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.117

1　透明轉(zhuǎn)發(fā)器

透明轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)交換過(guò)程是在模擬濾波器和中頻交換矩陣中實(shí)現(xiàn)的，如果信號(hào)的載波頻率不發(fā)生大的改變，那么信號(hào)調(diào)制和解調(diào)的類(lèi)型以及編碼譯碼的準(zhǔn)則變化對(duì)透明轉(zhuǎn)發(fā)器影響甚微，這些特性造就了透明轉(zhuǎn)發(fā)器性能靈活，適應(yīng)上下行鏈路通信協(xié)議的能力較強(qiáng)［1］，因此，透明轉(zhuǎn)發(fā)器依舊是目前大多數(shù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的首要選擇方式，然而它也存在不可忽略的缺陷，比如星上信號(hào)交換矩陣全部屬于硬連接范疇，且網(wǎng)絡(luò)路由是固定選擇模式，使得系統(tǒng)不能隨著業(yè)務(wù)量的變化而變化，信號(hào)交換帶寬一般情況下都需要占用轉(zhuǎn)發(fā)器的全部帶寬，甚至以波束為單位進(jìn)行信號(hào)的交鏈，無(wú)法進(jìn)行較為細(xì)致的交換行為，此外，由于高功率放大器存在的非線性的問(wèn)題，通常需要在多載波的情況下還必須采取一定的功率回退措施，導(dǎo)致系統(tǒng)容量、頻率資源利用率的部分降低。

2　再生式轉(zhuǎn)發(fā)器

再生式轉(zhuǎn)發(fā)器整個(gè)過(guò)程包括對(duì)信號(hào)的解調(diào)、譯碼、編碼和調(diào)制等一系列處理單元，所以相比較透明轉(zhuǎn)發(fā)器而言，再生式轉(zhuǎn)發(fā)器可以有效地提高通信系統(tǒng)的容量和頻率資源利用率，尤其是利用自適應(yīng)編碼技術(shù)使得系統(tǒng)的性能進(jìn)一步達(dá)到了提升，顯而易見(jiàn)，此種模式的星載處理器相比較透明轉(zhuǎn)發(fā)器來(lái)說(shuō)，其物理層中信號(hào)的處理單元是體現(xiàn)其優(yōu)越性能的核心技術(shù)，但是這種依賴(lài)物理層的星載處理器也存在很大的風(fēng)險(xiǎn)，如衛(wèi)星在其服役的整個(gè)生涯過(guò)程中，一旦上下行鏈路的通信協(xié)議進(jìn)行了升級(jí)更新，則可能導(dǎo)致衛(wèi)星通信系統(tǒng)無(wú)法有效地收發(fā)數(shù)據(jù)，完全處于癱瘓狀態(tài)，從這方面來(lái)看，其適應(yīng)性相比較透明轉(zhuǎn)發(fā)器來(lái)說(shuō)差很多，目前，僅有少數(shù)的衛(wèi)星搭載此類(lèi)轉(zhuǎn)發(fā)器［2］。

3　數(shù)字信道化轉(zhuǎn)發(fā)器

透明轉(zhuǎn)發(fā)器和再生式轉(zhuǎn)發(fā)器既有突出的優(yōu)點(diǎn)又有不可忽略的缺陷，那么存不存在一種可以將這兩種方式結(jié)合在一起的辦法呢？伴隨軟件無(wú)線電知識(shí)的不斷更新，此問(wèn)題有了最佳答案，即軟件定義有效載荷（Software Define payload，SDP）方式，SDP的主要構(gòu)思內(nèi)容是將透明轉(zhuǎn)發(fā)器靈活性強(qiáng)但無(wú)法適應(yīng)業(yè)務(wù)量變化的特點(diǎn)和再生式轉(zhuǎn)發(fā)器中的純依賴(lài)物理層提升系統(tǒng)容量的特點(diǎn)結(jié)合在一起，做到揚(yáng)長(zhǎng)避短，互相兼容，從理論上提升轉(zhuǎn)發(fā)器處理信號(hào)的效率，但是這種理想的轉(zhuǎn)發(fā)器方式在經(jīng)過(guò)人們長(zhǎng)時(shí)間研究和實(shí)踐操作之后，始終在設(shè)備的體積、重量、功耗等難題上無(wú)法跨越，與SDP所描述的思想存在很大的差距，所幸的是，近年來(lái)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的不斷完善，同時(shí)伴隨著芯片制造工藝的日益精良，人們結(jié)合這兩種技術(shù)設(shè)計(jì)了數(shù)字信道化轉(zhuǎn)發(fā)器模型，并且通過(guò)它實(shí)現(xiàn)了部分SDP的功能。如圖1所示。數(shù)字信道化轉(zhuǎn)發(fā)器的信號(hào)處理過(guò)程具體內(nèi)容為：衛(wèi)星上行信號(hào)經(jīng)衛(wèi)星接收天線的接收之后，將接收到的信號(hào)送入低噪聲放大器中進(jìn)行放大，之后將放大的信號(hào)傳送給下變頻單元，從中改變信號(hào)頻率，變?yōu)楹线m的中頻信號(hào)，隨后系統(tǒng)又將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并送入數(shù)字域中進(jìn)行處理，送進(jìn)來(lái)的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)信道解復(fù)用處理之后，進(jìn)入數(shù)字信道交換單元，交換過(guò)后的信號(hào)經(jīng)過(guò)信道復(fù)用、數(shù)模轉(zhuǎn)換之后，變成了模擬中頻信號(hào)，此中頻信號(hào)經(jīng)模擬上變頻、高功放放大，被饋入衛(wèi)星發(fā)射天線，從而完成了整個(gè)星載信號(hào)交換過(guò)程［3］。所以數(shù)字信道化器共分了三步驟完成：信道解復(fù)用（子信道分離）、信道交換（子信道交換）、以及信道復(fù)用（子信道綜合）。

圖1　數(shù)字信道化轉(zhuǎn)發(fā)器

相比較透明轉(zhuǎn)發(fā)器而言（信號(hào)交換時(shí)所占據(jù)整個(gè)信道的帶寬），此種轉(zhuǎn)發(fā)器中信號(hào)交換帶寬要節(jié)省得多，而且利用數(shù)字信道化技術(shù)能夠使得上行信道在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中被分為若干個(gè)子信道，其信道帶寬窄，便于系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理地選擇配置，占用一個(gè)或幾個(gè)信道進(jìn)行通信，對(duì)于轉(zhuǎn)發(fā)器中每個(gè)子信道的增益，可以被系統(tǒng)按需分配，系統(tǒng)復(fù)制單個(gè)子信道用來(lái)進(jìn)行廣播、組播和抑制備用信道等，從而使得系統(tǒng)在數(shù)字域中對(duì)鏈路損耗進(jìn)行一定的補(bǔ)償，降低高功率放大器的非線性效應(yīng)，提高通信靈活性和可靠性，達(dá)到衛(wèi)星信號(hào)與頻率資源之間的靈活互換。

［1］陽(yáng)志明，周坡，曹志剛.一種基于復(fù)指數(shù)調(diào)制精確重構(gòu)濾波的寬帶星載數(shù)字信道化器［J］.電子與信息學(xué)報(bào)，2010，32（11）：2554-2559.

［2］張飛，邊東明，張更新.星載柔性轉(zhuǎn)發(fā)器中一種近似精確重構(gòu)原型濾波器的設(shè)計(jì)［J］.電子與信息學(xué)報(bào)，2013（03）：171-176.

［3］張飛，邊東明，張更新等.非均勻信道增益控制的多載波衛(wèi)星容量分析［J］.宇航學(xué)報(bào)，2013，34（08）：1122-1129.

張玲玲，現(xiàn)任武警杭州士官學(xué)校基礎(chǔ)部副教授。