VSAT衛(wèi)星便攜站的設(shè)計與實現(xiàn)

（南京熊貓漢達科技有限公司，南京 210004）

1 引言

VSAT（Very Small Aperture Terminal）是甚小口徑衛(wèi)星終端站，也稱為終端站，在軍事和民用領(lǐng)域都有著巨大的實用價值[1]。VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)是指利用大量小口徑的終端站與一個大口徑的主站協(xié)同工作組成的衛(wèi)星通信網(wǎng)[2]。在衛(wèi)星通信領(lǐng)域占據(jù)著舉足輕重的地位，通常工作在Ku波段或者Ka波段，可實現(xiàn)2Mb/s以上的數(shù)據(jù)通信。VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有可靠性高、靈活性強、成本低的特點，特別適合擁有較大信息量和管轄眾多偏遠分支機構(gòu)的部門使用。

本文設(shè)計的項目是某應(yīng)急管理部門的VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)，由1個VSAT中心站、幾十個固定站、上百個車載站和眾多個便攜站組成，可實現(xiàn)全國范圍內(nèi)應(yīng)急信息的互聯(lián)互通和信息資源共享，主要為應(yīng)急救援、應(yīng)急搜救、森林消防、護林防火等提供全國統(tǒng)一的應(yīng)急管理系統(tǒng)，在應(yīng)急響應(yīng)時形成高效聯(lián)動的整體合力。

VSAT衛(wèi)星便攜站要求融入國家應(yīng)急救援衛(wèi)星通信體系，緊密結(jié)合國家天空地一體化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展戰(zhàn)略，實現(xiàn)與VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)互聯(lián)互通，形成廣域覆蓋、隨遇接入的應(yīng)急通信能力，支撐應(yīng)急救援現(xiàn)場遠距離通信保障和扁平化的應(yīng)急指揮，促進應(yīng)急通信保障能力顯著提升[3]。因此，技術(shù)指標如下：可與北京地區(qū)7.3米天線衛(wèi)星地面站實現(xiàn)2Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸；結(jié)構(gòu)簡單，可單人背負使用。

2 總體設(shè)計

衛(wèi)星便攜站主要有通信主機、衛(wèi)星天線、組成。組成框圖見圖1。

圖1 VSAT便攜站組成框圖

通信主機主要有雙通道調(diào)制解調(diào)器、IP加速模塊、路由交換模塊等組成。天線設(shè)備由天饋設(shè)備、低噪放、功放組成。整站結(jié)構(gòu)效果圖如圖2所示。

圖2 VSAT便攜站效果圖

3 鏈路計算

本文設(shè)計的VSAT便攜站采用的天線等效口徑為0.75米，功放功率為16W。下面通過鏈路計算驗證天線口徑和功放功率滿足國內(nèi)任意地區(qū)的使用要求。

3.1 選定衛(wèi)星和工作頻率

本文所述VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)采用亞洲九號衛(wèi)星的資源，工作頻段為Ku頻段，上行頻率：13.75GHz-14.50GHz，下行頻率：12.25GHz-12.75GHz。

下面選擇烏魯木齊、沈陽、?？?、拉薩等四個具有代表性的城市進行鏈路計算和性能分析。根據(jù)衛(wèi)星公司提供的轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)如表1所示：

表1 城市及衛(wèi)星參數(shù)表

3.2 雨衰計算

計算雨衰值之前首先要獲得雨區(qū)的降雨強度RP和雨衰率YR。降雨強度可根據(jù)所在雨區(qū)從降雨強度表中查出，雨衰率可由雨衰率關(guān)系圖得出，雨衰估算可根據(jù)以下公式算得

經(jīng)計算可得出四個城市的雨衰值如表2所示。

表2 城市及雨衰值表

3.3 確定系統(tǒng)參數(shù)

本文設(shè)計的衛(wèi)星網(wǎng)采用的調(diào)制方式為QPSK，編譯碼方式為3/4LDPC，最大通信速率為2048kb/s，門限EB/N0為3.5dB。

第二，開磷擁有行業(yè)領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢。開磷自主研發(fā)的錨桿護頂分段空場采礦法和磷化工全廢料自膠凝充填采礦技術(shù)分別獲得國家科技進步一等獎、二等獎，采礦技術(shù)水平世界一流、國內(nèi)領(lǐng)先。獨創(chuàng)的不需染色的本色精品磷酸二銨產(chǎn)品已成為中國磷酸二銨的第一品牌。

主站采用7.3米自動跟蹤天線，跟蹤損耗和線纜損耗小于1dB。

在進行功率計算時設(shè)定1dB的功率回退，以保證網(wǎng)控信號與業(yè)務(wù)信號的正常同時發(fā)送，并保留2dB的系統(tǒng)余量。

3.4 計算結(jié)果

根據(jù)系統(tǒng)鏈路公式：

等計算結(jié)果如下：

0.75米VSAT便攜站發(fā)，7.3米主站收時，便攜站所需的功放功率值如表3所示：

表3 便攜站功放功率值表

可以看出16W功放可以滿足使用要求，余量充足，設(shè)計合理。

0.75米VSAT便攜站收，7.3米主站發(fā)時，主站所需的功放功率值及占星功率比如表4所示：

表4 主站功放功率值及占星功率比值表

可以看出主站的功放功率要求較小，占星功率比在合理范圍內(nèi)，設(shè)計合理。

綜上所述，本文設(shè)計的VSAT便攜站天線口徑采用等效0.75米，功放功率采用16W可以滿足在全國疆域范圍內(nèi)任意地區(qū)使用的要求。

4 通信主機設(shè)計

通信主機包括調(diào)制解調(diào)、網(wǎng)絡(luò)交換和加速等功能。

4.1 調(diào)制解調(diào)設(shè)計

本文設(shè)計的調(diào)制解調(diào)模塊包含兩路獨立收發(fā)調(diào)制解調(diào)器，一路用于寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，一路用于窄帶控制業(yè)務(wù)。寬帶調(diào)制解調(diào)器同時具有隨路話音功能，是通信雙方交流的保底手段，也可通過主站接入地面程控交換網(wǎng)絡(luò)，進而實現(xiàn)與市話的對接。

調(diào)制解調(diào)器硬件采用高中頻架構(gòu)的AD9361單芯片解決方案。AD9361是面向3G和4G基站應(yīng)用的高性能、高集成度的射頻收發(fā)芯片[4]。該器件集高速A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器，可以在多種工作模式下工作。同時集成了基帶、RF前端、頻率合成器等模塊，同時提供可配置的數(shù)字接口。AD9361擁有兩個獨立的直接收發(fā)變頻器，工作頻率范圍可達到6.0GHz，完全涵蓋衛(wèi)星中頻信號。

AD9361接收變頻器是一個直接變頻系統(tǒng)，擁有自動增益控制、自我校準、數(shù)字濾波等功能，使其具有良好的噪聲系數(shù)、線性度和采用精度。

圖4 AD9361接收器示意圖

AD9361發(fā)送變頻器同樣采用的是直接變頻架構(gòu)，提供差值濾波處理功能，在調(diào)制精度、動態(tài)范圍、噪聲等方面具有很好的表現(xiàn)。

圖5 AD9361發(fā)送器示意圖

有隨路話音功能采用的是AMBE 2000芯片解決方案。AMBE 2000就是這樣一種高性能、低功耗的實時語音編碼解碼芯片，并且本身具備FEC，VAD和DTMF功能[5][6]。本文設(shè)計實現(xiàn)了9.6kb/s低傳輸速率下優(yōu)良的語音通信效果。語音系統(tǒng)實現(xiàn)框圖如圖4所示：

圖6 AMBE2000實現(xiàn)框圖

4.2 網(wǎng)絡(luò)交換和加速設(shè)計

VSAT便攜站本地網(wǎng)絡(luò)分為控制網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，在不同的網(wǎng)段，通過靜態(tài)路由協(xié)議進行實現(xiàn)?？刂凭W(wǎng)絡(luò)用于本地便攜站的參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)顯示。業(yè)務(wù)網(wǎng)路連接寬帶業(yè)務(wù)信道，用于網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的傳輸。

圖7 網(wǎng)絡(luò)交換示意圖

衛(wèi)星通信的一些固有特性對TCP/IP傳輸有一定的負面影響，如傳播延遲大、傳輸誤碼率高、傳播阻塞等[7]。為此本文設(shè)計的VSAT便攜站業(yè)務(wù)信道端增加IP加速器，以提高TCP/IP協(xié)議在衛(wèi)星鏈路上的性能[8]。

5 天線設(shè)計

本文設(shè)計的VSAT便攜站天線采用0.75米偏饋碳纖維天線主面。單偏置拋物面天線是利用對稱拋物面的一部分而避開饋源及其支桿的遮擋，這樣不但消除了由于遮擋造成的旁瓣上升，又改善了饋源的輸入駐波比[9]。

5.1 理論計算

按照邊緣照射角度為39∞，直徑為750mm的要求，如圖8所示。

圖8 偏饋反射面計算原理圖

根據(jù)拋物面的基本定律，則有：

式中，f為母拋物面的焦距。

經(jīng)計算可得，反射面是由中心與Z軸相距435.6mm的圓柱截取焦距為434.7mm的拋物面部分而形成的，饋源的軸線與AO連線重合。

5.2 主面結(jié)構(gòu)

圖9 天線面結(jié)構(gòu)示意圖

主面采用便攜式碳纖維天線反射體，由六個反射板拼裝而成，反射板之間通過搭扣組件連接成一體，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、合理。拼裝結(jié)構(gòu)的反射面板方便攜帶和拆裝，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，使用壽命長，加工周期短。

6 結(jié)束語

本文通過鏈路計算、通信主機、天線等方面進行詳細的設(shè)計，提供了一套使用的VSAT衛(wèi)星通信便攜站設(shè)計方案和實施方法。設(shè)計出的VSAT便攜站體積小、重量輕、使用便捷，具有很強的推廣前景。