數(shù)字信道化多載波衛(wèi)星通信系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

葉益龍

摘要：針對(duì)多載波星載通信系統(tǒng)，文章建立了一種基于數(shù)字信道化的多載波星載通信系統(tǒng)的鏈路支撐優(yōu)化模型。通過(guò)對(duì)此模型的求解，可以獲得每個(gè)子信道的最優(yōu)增益以及每個(gè)子鏈路的最優(yōu)傳輸功率。然后，研究一種鏈路支持模式下的衛(wèi)星接收系統(tǒng)，以減小各載波間的功率差別，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作點(diǎn)向飽和點(diǎn)移動(dòng)。由此，提高了接收機(jī)的能量利用效率，從而促進(jìn)我國(guó)通信事業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信道化；衛(wèi)星通信系統(tǒng)；多載波；鏈路可支持性

中圖分類號(hào)：TN927 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，業(yè)務(wù)特點(diǎn)以及終端的設(shè)計(jì)也在不斷地革新。其中，圍繞著終端與用戶之間的連接設(shè)計(jì)是一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。為了保證業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸，需要對(duì)衛(wèi)星鏈路進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和管理。在此基礎(chǔ)上，將其與地面業(yè)務(wù)網(wǎng)相連接，以達(dá)到對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)與管理的目的。但是，衛(wèi)星自身的物理特性、接收端的性能以及衛(wèi)星的軌道等都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。若使用一條全衛(wèi)星線路傳送流量資料，則該線路是可靠且有效的。該課題的研究結(jié)果對(duì)陸基/固網(wǎng)、單雙工、窄帶服務(wù)等領(lǐng)域都有較大的實(shí)用意義。但是，這一問(wèn)題對(duì)寬帶（或多址）衛(wèi)星通信系統(tǒng)，尤其是對(duì)要求動(dòng)態(tài)接入、話音/數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)合，具有很大的挑戰(zhàn)。在進(jìn)行通信鏈路設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮多種因素，如用戶設(shè)備特性、衛(wèi)星信道特性等。本文主要目的為探索一種靈活的、可擴(kuò)充的、可配置的數(shù)字多載波衛(wèi)星通信的連接模式。本文的研究成果將為寬帶移動(dòng)接入、窄帶數(shù)據(jù)傳輸、陸基/移動(dòng)通信等業(yè)務(wù)的發(fā)展提供一種全新的技術(shù)手段。

1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈路的定義與分類

1.1 定義

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信息傳送中，一個(gè)傳送鏈路由一個(gè)地球站、一個(gè)上行鏈路、一個(gè)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、一個(gè)下行鏈路、一個(gè)接收地球站組成。按照其在時(shí)空上的分布，又可分為星間鏈路和星地鏈路。其傳輸特性受發(fā)送方的傳輸功率、天線增益、傳輸過(guò)程中的損失、傳輸過(guò)程中的噪聲和干擾、接收方的天線增益和噪聲等多種因素的影響。在此情形中，為了確保發(fā)送容量，對(duì)接收器的輸入信號(hào)的噪聲進(jìn)行更嚴(yán)格的控制是必要的。

1.2 分類

一是星地鏈路，它的傳輸損失與近地大氣層中的多種因素共同決定。二是星間鏈路，在對(duì)流層、平流層、電離層和外層空間中，衛(wèi)星無(wú)線電波的傳播同樣受到很多因素的影響。

2 衛(wèi)星通信鏈路性能

2.1 衛(wèi)星通信鏈路

衛(wèi)星通信鏈路是由一顆通信衛(wèi)星在發(fā)射臺(tái)與接收臺(tái)間傳遞的一條信號(hào)傳輸通道。在這種情況下，從發(fā)送臺(tái)向衛(wèi)星發(fā)送的鏈路被稱作上行鏈路，而從衛(wèi)星發(fā)送到接收臺(tái)的鏈路被稱作下行鏈路。衛(wèi)星通信鏈路包括發(fā)射地面站、上行鏈路、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、下行鏈路、接收地面站，常見(jiàn)的鏈路類型如表1所示。

應(yīng)答機(jī)在通信衛(wèi)星中是非常重要的，其中，最常用的應(yīng)答機(jī)有加工應(yīng)答機(jī)（將接收到的信號(hào)再解調(diào)，并進(jìn)行傳輸）以及透明應(yīng)答機(jī)。該系統(tǒng)僅須將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并將其放大，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本低廉，它的使用范圍很廣。這里所描述的都是基于一個(gè)透明的轉(zhuǎn)發(fā)器的通信鏈路。由于上行鏈路信號(hào)沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何處理，傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生衰減，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生一些噪聲，而噪聲又會(huì)對(duì)下行鏈路產(chǎn)生影響，因此，總體通信質(zhì)量與下行鏈路和上行鏈路的質(zhì)量有很大的關(guān)系。為了保證信號(hào)的可靠度，常用的指標(biāo)是接收端的信噪比。在數(shù)據(jù)傳輸中，比特錯(cuò)誤是影響數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的主要因素之一。這些雜音都是從接收機(jī)那里傳出來(lái)的。目前，大部分的衛(wèi)星通信系統(tǒng)都使用QPSK，8PSK等數(shù)字頻率調(diào)相技術(shù)，它的振幅是根據(jù)載頻信號(hào)的振幅來(lái)確定的。一般而言，對(duì)衛(wèi)星通信的評(píng)估，都是以載波對(duì)噪聲的比值（簡(jiǎn)稱載噪比）來(lái)進(jìn)行的，不同鏈路類型所需的門(mén)限載噪比如表2所示。利用上下行鏈路的載噪比值，對(duì)鏈路中的信道特性進(jìn)行了分析，探討了影響上下行鏈路信道特性的關(guān)鍵因素［1］。

2.2 通信品質(zhì)的影響因子

2.2.1 擴(kuò)散損耗

在上下行鏈路中，電磁波傳輸損耗主要包括：自由空間中的能量散射損耗；空氣中的氧分子和水蒸氣對(duì)空氣中的輻射損耗。

2.2.2 噪聲

在上下行鏈路中，各個(gè)重要節(jié)點(diǎn)的噪聲源是不同的，在通信終端中，大氣噪聲、接收天線噪聲和接收系統(tǒng)噪聲是影響通信質(zhì)量的重要因素；地站接收端噪聲包括地站天線噪聲、上行鏈路噪聲、接收機(jī)內(nèi)噪聲和其他通信系統(tǒng)所引起的噪聲。本文提供了一種時(shí)延多重存取系統(tǒng)，其中，在地面站的接收機(jī)終端處的總體噪聲是上行鏈路和下行鏈路的總體噪聲。但是，對(duì)于頻分復(fù)用系統(tǒng)，由于要對(duì)多個(gè)載波進(jìn)行同步放大，以及響應(yīng)機(jī)行波管的非線性，因此，在接收系統(tǒng)中，存在著上傳鏈路、下傳鏈路以及來(lái)自星載應(yīng)答機(jī)的交變?cè)肼?。這3種成分的噪聲在到達(dá)接收站的接收機(jī)輸入端時(shí)彼此混合，但因?yàn)楦鞒煞值脑肼暠舜霜?dú)立，因此3個(gè)分量的噪聲可以被加上。

2.2.3 擾動(dòng)

在工程鏈路的設(shè)計(jì)中，還要考慮到對(duì)載體的多種干擾，其中包括鄰近的上行星和下行星對(duì)載體的干擾。從同一顆衛(wèi)星上傳到的上行鏈路和下行鏈路干擾。而這種干擾又會(huì)在載波接收機(jī)上產(chǎn)生噪聲，這就給整個(gè)衛(wèi)星通信帶來(lái)了很大的沖擊。另外，在鏈路仿真過(guò)程中，通常可以通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、站點(diǎn)選址等方法來(lái)克服基站間的調(diào)制、相鄰中繼間的干擾、相鄰載波間的干擾以及地面環(huán)境等因素的影響。

2.2.4 雨水的衰減

在多雨天氣條件下，由于雨水的存在，在空氣中傳輸?shù)碾姶挪▽l(fā)生明顯的衰減，其衰減程度與降水量、發(fā)射信號(hào)的頻率等因素密切相關(guān)。其影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生衰減；二是將導(dǎo)致受話器的噪聲升高。Ku頻段的衛(wèi)星通信受降水衰減及地理位置等因素的影響，具體計(jì)算可參考ITU-R564-4中的方法。

2.2.5 輸入量和輸出量補(bǔ)償

為了防止或減小FDMA系統(tǒng)中相互調(diào)制的影響，可以對(duì)行波管進(jìn)行輸入補(bǔ)償，并盡可能保證行波管工作在一個(gè)線性的工作狀態(tài)。一般情況下，隨著輸入補(bǔ)償?shù)脑黾?，系統(tǒng)之間的干擾將被削弱甚至被消除，從而降低了系統(tǒng)的輸出功率，但是在上行、下行鏈路中的載噪比也將降低，使得轉(zhuǎn)發(fā)器的性能不能充分發(fā)揮。為確保星載鏈路在最佳發(fā)射狀態(tài)下運(yùn)行，需要對(duì)星載鏈路進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。

2.2.6 其他損失

傳統(tǒng)的下行鏈路算法一般采用全向等效輻射功率 EIRP或者飽和通量密度 Ws來(lái)表示，但在對(duì)星過(guò)程中，會(huì)因天體漂移、天線跟蹤誤差等因素而使對(duì)星角與理論角發(fā)生偏差，從而造成天線跟蹤誤差損失。在同一臺(tái)接收機(jī)中，由于接收端的光束方向不同，使得 EIRP在不同的接收機(jī)之間也有較大的差異。在實(shí)際應(yīng)用中，等高線的邊界（最差）和等高線的中央（最佳）是指標(biāo)值，其他的點(diǎn)是指標(biāo)值。另外，法拉第扭曲會(huì)使線偏振電磁波在穿過(guò)電離層時(shí)發(fā)生偏振效應(yīng)，從而引起偏振損失［2］。

3 數(shù)字信道化多載波衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈路模型

3.1 系統(tǒng)模型概述

本文研究的是一種能夠同時(shí)支持固/移動(dòng)陸基網(wǎng)絡(luò)接入、寬帶移動(dòng)接入（例如高速移動(dòng)）和窄帶數(shù)據(jù)傳輸（例如話音/數(shù)據(jù)）的多載波數(shù)字信道化衛(wèi)星通信系統(tǒng)。其中，一條多載波數(shù)字通道化的衛(wèi)星通信線路由如下組成：一條用于在衛(wèi)星通信信道上對(duì)各個(gè)信道的信號(hào)進(jìn)行處理和均衡化的數(shù)字基頻處理模塊；數(shù)字中頻處理模塊，用于將所述基帶信號(hào)變換成所述中頻信號(hào)；一種用于下轉(zhuǎn)換、濾波器和放大器的數(shù)字射頻前端電路；將所述中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為所述基帶信號(hào)的數(shù)字下轉(zhuǎn)換模塊；采用了數(shù)字信道技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基帶信號(hào)的信道、均衡。

3.2 衛(wèi)星鏈路的設(shè)計(jì)任務(wù)

衛(wèi)星通信鏈路的設(shè)計(jì)主要包含兩個(gè)部分：第一部分是基于已經(jīng)設(shè)定好的中繼器和地面站的參數(shù)，計(jì)算出地面站所能獲得的載噪之比，并給出對(duì)應(yīng)的發(fā)送 EIRP。第二部分是設(shè)備的設(shè)計(jì)，也就是在已經(jīng)設(shè)定好的中繼臺(tái)和接收臺(tái)的基礎(chǔ)上，以確定地面站的天線大小、傳輸功率等。在工程實(shí)踐中，兩者之間存在著一定的交叉。在通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，必須針對(duì)通信線路的特點(diǎn)，選取適當(dāng)?shù)耐ㄐ欧绞胶屯ㄐ旁O(shè)備的配置。所以，在星載通信系統(tǒng)中，編碼方式、調(diào)制方式、功率放大器的輸出功率、天線口徑等都是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題。這4個(gè)元素可以有很多種不同的組合來(lái)達(dá)到需求，而鏈路的設(shè)計(jì)就是要按照系統(tǒng)的需求、原理等來(lái)選擇最佳的組合。

3.3 數(shù)字信道化多載波技術(shù)

在衛(wèi)星通信中，多個(gè)載波是普遍采用的一種傳輸方式。一般情況下，一條衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多載波的傳輸，這就需要采用正交 FDM、 SFM、多載波，以及直接序列擴(kuò)展等技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，采用了 BPSK， QPSK，16QAM等多種調(diào)制模式。而在數(shù)字通道化技術(shù)中，可以實(shí)現(xiàn)正交頻分復(fù)用，直接序列擴(kuò)展，或者多載波調(diào)制解調(diào)器。

3.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

本文提供了一個(gè)靈活、可擴(kuò)充、高度可配置的星載鏈路。本文包括兩個(gè)方面，一個(gè)是服務(wù)的分析，另一個(gè)是服務(wù)的設(shè)計(jì)。在服務(wù)分析部分，本文重點(diǎn)針對(duì)多載波星載系統(tǒng)的特性，對(duì)其業(yè)務(wù)特征做了比較詳細(xì)的分析；在鏈路設(shè)計(jì)方面，本文從不同頻段對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了詳細(xì)的研究。先按照行業(yè)特征將行業(yè)劃分為若干個(gè)類別；然后，針對(duì)各種服務(wù)的特征，識(shí)別出服務(wù)的典型情景，并對(duì)服務(wù)進(jìn)行連接。

3.5 設(shè)計(jì)的步驟與方法

本文通過(guò)對(duì)衛(wèi)星通信鏈路的研究，對(duì)不同頻段下的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析，從而實(shí)現(xiàn)不同頻段下信號(hào)的有效傳輸。本文確定了人造衛(wèi)星的通信參量，并估算了一些未知參量。通過(guò)對(duì) BER值和 Eb/N0的分析，得出系統(tǒng)的鏈路余度。建立了系統(tǒng)的上行鏈路功率消耗和系統(tǒng)噪聲消耗的數(shù)學(xué)模型，并計(jì)算出系統(tǒng)的載噪比值。根據(jù)應(yīng)答機(jī)（是一部能在收到無(wú)線電詢問(wèn)信號(hào)時(shí)，自動(dòng)對(duì)信號(hào)做出回應(yīng)的電子設(shè)備）的增益或?qū)?yīng)答機(jī)的補(bǔ)償，求出應(yīng)答機(jī)的輸出功率。同時(shí)，針對(duì)接收地面站，建立鏈路功率噪聲平衡模型，選取處于波束成形邊緣（最壞情況）的基站作為實(shí)例，分別計(jì)算各鏈路載波噪聲比，以及各鏈路載波噪聲比。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，并將其與需要的特定參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。如果達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，再將其調(diào)整至可接受的總體噪聲比率或信號(hào)噪聲比率。只有獲取了能夠被接收的鏈路參數(shù)時(shí)，才能進(jìn)行操作。分析衛(wèi)星鏈路中的傳輸條件，判斷上行鏈路、下行鏈路中的雨量衰減，分析和計(jì)算鏈路的可靠性。在聯(lián)結(jié)余量不夠的情況下，可以對(duì)該體系進(jìn)行修正和再設(shè)計(jì)。對(duì)提出的參數(shù)的合理性、項(xiàng)目的可行性以及項(xiàng)目的連接預(yù)算進(jìn)行了驗(yàn)證［3］。

3.6 系統(tǒng)仿真

本文提出了一種基于數(shù)字通道的多載波星載通信系統(tǒng)模型。它包括鏈路控制器、信道化模塊、數(shù)字信號(hào)處理（DSP）模塊、載波調(diào)制解調(diào)模塊以及基帶信號(hào)產(chǎn)生模塊。載波調(diào)制解調(diào)模塊包括兩個(gè)部分，一個(gè)是多通道的載波調(diào)制，還有一種，則是用來(lái)進(jìn)行解調(diào)的。同時(shí)，利用 DSP實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)有調(diào)制、解調(diào)信號(hào)的信道化，并在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生了新的基帶信號(hào)。由此，本文提出了一種以 DSP為核心的 DSP產(chǎn)生電路，用以完成 DSP的數(shù)字處理。在此基礎(chǔ)上，利用 DSP產(chǎn)生一個(gè)基帶信號(hào)，將其輸入一個(gè)數(shù)字調(diào)制解調(diào)器中，以此完成數(shù)字通道的多載波星載通信系統(tǒng)的仿真。

4 結(jié)語(yǔ)

利用所建的最優(yōu)模型，可以求出每個(gè)子信道的最優(yōu)增益以及每個(gè)子信道的最優(yōu)傳輸功率。盡管可以通過(guò)某些輔助軟件來(lái)降低工作難度，然而，在深入了解這一技術(shù)的前提下，必須根據(jù)用戶的實(shí)際需求，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)逆溌吩O(shè)計(jì)，以提高其可用性和經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)

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［2］李志國(guó)，衛(wèi)穎.衛(wèi)星通信鏈路計(jì)算［J］.指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2014（1）：73-76.

［3］張洪波.信道編碼技術(shù)在衛(wèi)星通信中的重要應(yīng)用［J］.廣播電視信息，2015（8）：163-165.

（編輯 李春燕）

Optimization design of digital channelized multicarrier satellite communication system

Ye? Yilong

（The 54th Research Institute of CETC， Shijiazhuang 050081， China）

Abstract：? Aiming at the multi-carrier satellite-borne communication system， a link support optimization model based on digital channelization is established in this paper. By solving this model， the optimal gain of each sub-channel and the optimal transmission power of each sub-link can be obtained. Then， a satellite receiving system under link support mode is studied to reduce the power difference between different carriers and realize the system operating point moving to saturation point. Thus， the energy utilization efficiency of the receiver is improved and the development of Chinese communication industry is promoted.

Key words： digital channelization; satellite communication system; multi-carrier; link supportability