EHF頻段衛(wèi)星通信特點與關(guān)鍵技術(shù)分析

夏融

摘 要：隨著Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的逐步建立與普及，為獲得更多的通信資源，需要建立更高頻段的EHF頻段衛(wèi)星系統(tǒng)，該頻段的射頻器件、衛(wèi)星鏈路等相比傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)均有其自身特點，是未來設(shè)計EHF衛(wèi)星系統(tǒng)必須考慮的問題。文章分析了典型衛(wèi)星鏈路和鏈路中各環(huán)節(jié)需要的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：EHF；衛(wèi)星通信系統(tǒng)；頻段

極高頻（Extremely High Frequency，EHF）頻段衛(wèi)星通信作為下一代衛(wèi)星通信的發(fā)展方向之一，具有通信頻段高、頻率資源豐富、天線終端小、波束窄、抗干擾能力強的特點。在過去的幾十年中，其基礎(chǔ)技術(shù)研究得到了蓬勃發(fā)展，并逐步進入應(yīng)用階段，英、美等國家已經(jīng)設(shè)計并建設(shè)了多個不同類型的EHF頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)[1]。

美軍在其天基系統(tǒng)的規(guī)劃中，設(shè)計并完成了兩大EHF頻段的衛(wèi)星系統(tǒng)：Milstar和先進極高頻（Advanced Extremely High Frequency，AEHF）系統(tǒng)。首先建設(shè)完成的Milstar系統(tǒng)，工作在EHF頻帶，終端上行頻率為44 GHz的EHF，下行頻率為20 GHz的超高頻（Super High Frequency，SHF）或特高頻（Ultra High Frequency，UHF）頻段，衛(wèi)星上采用了調(diào)零天線，地球站大規(guī)模使用小型化的可移動終端，整個系統(tǒng)具有靈活、抗干擾強、頻帶寬的特點。AEHF衛(wèi)星作為Milstar的替代者，其衛(wèi)星點波束更小，功率更高，提高了通信的可靠性和數(shù)據(jù)率，也極大降低了敵方偵聽和干擾的可能性。

通過外軍EHF頻段系統(tǒng)的特點可見，EHF頻段頻率資源豐富、抗干擾能力強、通信終端體積小，且該頻段與一般民用通信系統(tǒng)距離較遠(yuǎn)，近地干擾小，在軍事應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。

1 典型EHF通信鏈路

一個典型的EHF頻段衛(wèi)星通信鏈路如圖1所示。

為完成一次完整的通信，系統(tǒng)需要具備如圖1所示的各類資源與設(shè)備。地面鏈路中的數(shù)據(jù)源設(shè)備將源用戶的視頻、話音、數(shù)據(jù)等信號源轉(zhuǎn)化為可供無線信道傳輸?shù)臄?shù)字信號；信道編解碼設(shè)備將待傳輸?shù)臄?shù)字信道進行編碼，提高無線信道傳輸?shù)目煽啃?，通常可采用低密度奇偶校驗碼（Low Density Parity Check，LDPC）或Turbo碼等編碼方式；調(diào)制解調(diào)設(shè)備將編碼后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為可無線傳輸?shù)碾姴ㄐ盘?，功放設(shè)備將電波信號放大后通過發(fā)射天線發(fā)送至空間鏈路。

空間鏈路中的衛(wèi)星信道需要根據(jù)實際所需的信號帶寬分配相應(yīng)的頻率資源，衛(wèi)星將衛(wèi)星信道中傳輸來的信號進行接收、處理、轉(zhuǎn)發(fā)，傳送至對端站，以完成一次完整的通信。

以上通信鏈路中包含信道部分的編解碼、調(diào)制解調(diào)，射頻部分的功率放大器、低噪聲放大器，EHF頻段衛(wèi)星信道等環(huán)節(jié)，相比現(xiàn)有通信頻段，在每個環(huán)節(jié)上EHF頻段均有其特點與關(guān)鍵技術(shù)點。

2 EHF主要關(guān)鍵技術(shù)及面臨的挑戰(zhàn)

如圖1所示，空間鏈路使用了EHF頻段，按照國際電聯(lián)的頻段劃分，總信道帶寬可達到幾十GHz，實際通信中通過各種復(fù)用手段，單次可分配的通信帶寬可達幾十至數(shù)百MHz，使得EHF系統(tǒng)可支持的數(shù)據(jù)傳輸速率相比現(xiàn)有系統(tǒng)大大提升[2]。

地面鏈路中的信道編解碼、調(diào)制解調(diào)所支持的帶寬大大提升，功率放大器、低噪聲放大器效率也得以提高，所需的天線口徑也可以減小，使得設(shè)備得以小型化、便攜化。

但應(yīng)注意到系統(tǒng)在獲得上述系統(tǒng)優(yōu)點的同時也需要突破一系列的關(guān)鍵技術(shù)，面臨各類挑戰(zhàn)。

2.1 小型化的天線伺服設(shè)備

按照天線設(shè)計的原則，在相同增益的條件下，頻段越高所需要的天線口徑越小，這使得EHF頻段天線得以小型化，美軍在其空間極其狹小的潛望鏡平臺上也部署了EHF頻段設(shè)備。EHF頻段設(shè)備在獲得天線口徑得以降低的優(yōu)勢的同時，其波束角相比Ka，Ku頻段都更為窄小，對星精度的要求遠(yuǎn)高于現(xiàn)有設(shè)備，對天線的伺服跟蹤系統(tǒng)的精度要求高于以前，需要使用更高精度的伺服電機，特別在高速運動的平臺上，實時的天線跟蹤技術(shù)顯得尤為重要，這對伺服的運動速度、加速度，平臺運動軌跡的精確度、刷新速度均提出了更高要求，在跟蹤技術(shù)上傳統(tǒng)的步進式跟蹤難以滿足需求，更高精度的單脈沖跟蹤方式也面臨著設(shè)備小型化、低功耗的設(shè)計難題，又制約了設(shè)備小型化、低功耗的設(shè)計。

2.2 射頻器件

EHF頻段射頻設(shè)備的效率要求與小型化要求也較以前更為苛刻，GaAs器件的普遍使用與GaN器件的逐步推廣，使EHF頻段在固態(tài)器件及其集成電路板（Integrated Circuit，IC）的研發(fā)領(lǐng)域有了新的突破[3]。這些新工藝、新技術(shù)在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器及地面站設(shè)備的研制中均起了至關(guān)重要的作用，主要包括：（1）低噪聲放大器。低噪聲放大器在放大極低電平的信號的同時引入較少的噪聲，在EHF頻段使用時可采用的高電子遷移率晶體管（High Electron Mobility Transistor，HEMT），相較于傳統(tǒng)的場效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor，F(xiàn)ET），其具有高效率、高增益、工作頻段高的優(yōu)點，更適合EHF頻段使用。（2）功率放大器。在EHF頻段，固態(tài)功率放大器正在逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的行波管放大器（Traveling-Wave Tube Amplifier，TWTA）。固態(tài)功率放大器具有體積重量小、噪聲低、畸變低、可靠性高等優(yōu)點，主要缺點是效率低，這需要在實際設(shè)備的設(shè)計中不斷優(yōu)化。

2.3 衛(wèi)星鏈路

EHF頻段的衛(wèi)星鏈路從星上載荷的處理技術(shù)到鏈路的評估/系統(tǒng)設(shè)計均不同于現(xiàn)有系統(tǒng)。

2.3.1 星上處理技術(shù)

通過星上處理技術(shù)，可以減少在上行鏈路中信號傳輸所受噪聲、干擾的影響，增強下行鏈路的抗干擾能力，減輕鄰道干擾，簡化地球站設(shè)計，EHF頻段星上處理技術(shù)一般包含以下兩類。

（1）波束動態(tài)調(diào)節(jié)。EHF衛(wèi)星為前向功率受限的系統(tǒng)，需要根據(jù)服務(wù)區(qū)的用戶和雨衰情況，采用功率集中或調(diào)節(jié)波束大小來調(diào)整輸出的功率，以滿足系統(tǒng)內(nèi)用戶的動態(tài)變化。endprint

（2）星上基帶處理。星上處理需要完成衛(wèi)星鏈路上模擬信號到數(shù)字基帶的轉(zhuǎn)化，再重新轉(zhuǎn)譯后再次進行發(fā)送，這樣才能降低上行鏈路傳輸過程中的影響，這不僅需要解調(diào)到數(shù)字比特流，而且還要進行譯碼、存儲、交換、重組幀、重編碼和重調(diào)制等，同時在器件上還需要考慮到太空中的宇宙射線輻射也會對地面普遍使用的現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）等電路帶來影響，這些均為星上處理的實現(xiàn)帶來挑戰(zhàn)。

2.3.2 多波束技術(shù)

EHF頻段在40 GHz以上，波束范圍窄，單個波束覆蓋面積小，如需實現(xiàn)常態(tài)化的全國或全球覆蓋則需要采用蜂窩式的波束，相較于傳統(tǒng)甚小天線地球站（Very Small Aperture Terminal，VSAT）形式的衛(wèi)星通信，需增加波束切換、漫游等功能。

2.3.3 星上交鏈技術(shù)

EHF頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要在用戶鏈路使用EHF頻段，以提供小體積終端設(shè)備。在饋電鏈路可采用SHF的設(shè)備，不太容易受到天氣因素的影響，提供較為穩(wěn)定可靠的通信鏈路，需要在衛(wèi)星上完成信號的交鏈處理。

2.3.4 雨衰的影響評估

EHF工作頻段高，受云層、雨衰的影響較大，在44 GHz頻段可以達到12～20 dB，在應(yīng)用系統(tǒng)的評估設(shè)計時應(yīng)充分考慮到天線的影響，具體到設(shè)計上則包括對調(diào)制解調(diào)器的動態(tài)范圍要求提高，系統(tǒng)內(nèi)各類站型的設(shè)計與配置的鏈路余量分配等，均需要重新設(shè)計評估，不能簡單地照搬現(xiàn)有系統(tǒng)。而EHF頻段在我國尚未大規(guī)模投入使用，實際工程數(shù)據(jù)較為缺乏，在國外也主也要用于軍事用途，數(shù)據(jù)獲取相對困難，其鏈路特性還有待進一步探索，對應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)使用形成制約。

3 結(jié)語

本文分析了國內(nèi)外衛(wèi)星系統(tǒng)的特點，并依據(jù)典型衛(wèi)星鏈路分析了通信中存在各種挑戰(zhàn)，點出了今后的設(shè)計研究需要突破的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展方向。隨著我國衛(wèi)星通信網(wǎng)的不斷發(fā)展及與之匹配的技術(shù)不斷完善，EHF頻段的衛(wèi)星通信在不久的將來將會被逐步推廣完善，完善與突破上述的關(guān)鍵技術(shù)有助于推進我國EHF衛(wèi)星通信事業(yè)的發(fā)展。

[參考文獻]

[1]苑超，譚東，張曉寧，等.EHF衛(wèi)星通信的特點與現(xiàn)狀[J].數(shù)字通信世界，2013（5）：54-58.

[2]袁飛，文志信，王松松.美軍EHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)[J].國防科技，2010（6）：22-26.

[3]甘仲民.衛(wèi)星通信技術(shù)的新發(fā)展[J].數(shù)字通信世界，2013（10）：12-13.

Abstract：With the gradual establishment and popularization of Ka-band satellite communication system， more EHF band satellite systems need to be established in order to obtain more communication resources. Compared with the traditional satellite communication systems， radio frequency devices， satellite links in EHF band and other have their own characteristics and are the issues that must be considered in future design of the EHF satellite system. This article analyzes the typical satellite link and analyzes the key technologies needed in the link.

Key words：EHF； satellite communication system； frequency bandendprint