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Ka频段卫星通信系统的设计

2/14/2005
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Ka频段卫星通信系统的设计(汪春霆、王爱华) 70年代后期,国外一些空间研究机构就开始致力于开发新的空间技术,以拓宽卫 星通信的应用范围。由于L、C、X、Ku等频段不能满足高速、宽带、小口径终端等应 用的需求,当时就已把开发Ka频段卫星通信技术列为研究项目。经过20多年的研究与 试验,Ka频段卫星通信系统已进入实用化阶段。 1系统特性 Ka频段的优点是可用带宽宽,干扰少,设备体积小。因此,Ka频段卫星通信系统 可为高速卫星通信、千兆比特级宽带数字传输、高清晰度电视(HDTV)、卫星新闻采 集(SNG)、VSAT业务、直接到家庭(DTH)业务及个人卫星通信等新业务提供一种崭 新的手段。Ka频段的缺点是雨衰较大,对器件和工艺的需求较高,但这些都可以采取 相关技术手段予以克服。总之,Ka频段卫星通信系统主要是在提供双向多媒体业务方 面具有较大优势。 (1)网状和星状拓扑结构 为了提高频段利用率,减少时延,直接到用户(DTU) 链路一般采用网状网,与公网(PSTN、ISDN等)互连的链路则优先采用星状网。 (2)开网和闭网 开网一般用于公网,闭网则用于特殊用户的专网。 (3)标准协议 多种传输协议共存,尤其是当同一用户需要多种业务时,大多 数Ka频段系统选择ATM或准ATM协议。 (4)多波束覆盖 为了提高卫星等效全向辐射功率(EIRP),Ka频段卫星波束 一般较窄(1°~2°)。因此,若要覆盖一个国家或地区,需要设置多波束。 (5)频谱可多次利用 由于是多波束使用,频谱利用率高。 (6)星上处理及交换。 (7)传输速率范围宽。 (8)小用户终端 在同等条件下,其用户终端要比 C/ Ku频段的小。对DTU链 路来说,典型的无线口径为0.6~2m,具体取决于链路余量及所处雨区。 2信道预算及仿真 鉴于Ka频段系统在频段、信道特性、空间资源、应用业务等方面的特点,在进行 信道预算时,可利用仿真软件来模拟各种信号处理、滤波器、非线性放大、混频等通 信环节的性能特性,进而仿真出各种系统性能。美国RST公司的ACOLADE仿真软件是基 于WINDOWS操作系统的传输链路层仿真软件包,主要用于无线通信系统的仿真,比较 适合卫星通信传输链路设计。它采用层次化框图结构表示欲仿真的通信系统,利用计 算机仿真通信系统的信息流波形。ACOLANE仿真可以分成4个基本步骤:(1)用信号 流框图建立系统仿真模型;(2)产生代表各种信号的样本函数;(3)根据系统组成 的功能框图,进行离散时间信号处理;(4)存储仿真波形,处理后获得系统各种性 能指标。 下面我们利用ACOLADE仿真软件进行Ka频段卫星通信链路性能仿真。用一伪随机 信号发生器作为数据源模型,产生数据比特流,该数据流经级联编码器送入 QPSK调 制器。级联编码器用 (256,223)Reed-Solomon码作外码,用约束长度为人码率 为1/2的卷积码作内码。固态放大器(SSPA)的 AM/AM、AM/PM特性参照Ferranti 公司的SSPA特性,行波管放大器(TWTA)的AM/AM、AM/PM特性参照INTELSATTWTA 特性。上/下行链路噪声均用高斯噪声源模拟产生。接收机为一个积分清洗匹配滤 波器后接一个检测器。 系统中各点信号的复包络可通过多个正交星座图(I/Q)进行观测。可以看到, 发射机输出瑞信号由于没有噪声和任何失真,星座图为一个标准正方形。信号经过 非线性SSPA后,出现一些波动和失真。到达接收机输入端的信号由于叠加了上/下 行链路噪声及星上TWTA的放大,出现较大波动和失真。收端IIR滤波器用来滤除带外 干扰和噪声。从接收机输出星座图可以看出,当Eb/No增加时,该星座图变得越来 越清晰。 Ka频段卫星通信系统链路预算方法与C/Ku频段基本相同,主要区别在雨衰。 Ka频段卫星通信系统链路可用率范围为99.5%~99.8%,其雨衰的典型范围为6~9dB。 因此,不能简单地通过增加星上EIRP来克服雨衰。由于以下原因,通过采用自适应 编码技术,可以在获得较高系统容量的情况下,提高系统可用率。 (1)与天线波束覆盖区域相比,降雨区(大雨)很小,典型值约为5%,因此 两个用户同时处于雨衰区的可能性较小。 (2)由于雨衰的速度较慢,典型值为0.5~1dB/s,地球站有足够时间来识别 和补偿雨衰。 3设备研制 典型的Ka频段系统由中心站、远端站及星上转发器组成。我国目前首先要解决 Ka频段的相关射频器设备的设计和制造。由于中额及基带设备基本可与C/Ku频段 系统通用,在高速调制解调器应用方面,Ka频段又具特殊性,下面只介绍对Ka频段 射频设备和高速调制解调器的考虑。 3.1Ka频段射频设备 Ka频段射频设备主要由接收机、变频器及功放等部件组成。 (1)20GHz低噪声放大器 基本要求是要具有尽可能低的噪声系数和尽可能高的增益。达到上述要求的最 核心器件是低噪声放大器本身。早期的放大器一般用场效应管(FET),近几年主 要采用高电子迁移率管(HEMT)或异质结管(HBT)与FET器件相比,HEMT器件在高 频段(如Ka频段)表现更为出色,具有更低的噪声系数和更高的增益。 单片微波集成电路(MMIC)性能的进一步提高,使Ka频段射频设备的体积更小, 性能更好,成本更低。但Ka频段MMIC对设计、工艺等要求过高,在我国应用还相当 困难。因此,在研制20GHz低噪声放大器时,应采用HEMT与现有MMIC相结合的方式, 即低噪声加高增益。 (2)变频器 主要由本振、混频器、滤波器、放大器及室外电路等组成。从电路形式上看, 可以采用微带,也可以采用波导。由于微带电路体积小、重量轻,便于与外围电路 连接,所以宜采用微带结构形式。 3.2高速调制解调器 目前,国外300Mb/s和650Mb/s的卫星高速数传系统已投入实用,主要用于航 天测控通信数据的传输,1Gb/s以上高速数传系统正处于研究阶段。我国正在研究 地面和星上30MMb/s高速调制解调器。 (1)关键技术 ·并行数字处理技术 主要是为了提高系统集成度、降低设备成本及对器件的 要求,并在电路设计中将各种工艺类型的器件进行合理组合,满足星载设备的低功 耗和小型化需求。 ·并行数字成形滤波技术 由于受存储器硬件特性的限制,不能利用已有的数 字成形滤波方案,为此,需专门设计一个基于并行查表的数字滤波方案。 ·并行纠错编译码技术 采用RS为外码,卷积码为内码的8路并行处理编译码 方案。 ·微波载波恢复技术 采用反馈式载波相干恢复电路。即采用并行数字处理 技术来提取载波,然后将其反馈至压控振荡器(VCO),以控制VCO相位,完成载 波恢复和跟踪。 ·高速时钟提取技术 采用反馈法数字式时钟恢复电路。 (2)主要技术指标 调制方式:QPSK 幅度不平衡度:≤1dB 输出频率:1.2GHz 相位不平衡度:≤±2° 载波抑制:≥30dB 载波捕获范围:±1MHz 杂散抑制:≥50dB 时钟捕获范围:±50kHz 解调中频:1.2GHz 误码率特性: Eb/No= 9.5dB Pc≤1×10-8 4建议 我国的Ka频段卫星通信技术目前还处于研究阶段,地面相关设备及星上转发器 的研究工作在九五期间已经展开,部分专题已取得突破。但在功放、体积、重量等 方面,因受器件、工艺、仪器等因素制约,与国外先进水平仍有较大差别,离实用 化有较大距离,因此建议: (1)加快Ka频段星上/地面关键技术及关键设备的研制,尽快形成试验样机。 除透明转发器外,对星上处理转发器的关键技术也需抓紧立项研制。具体项目主 要有:20/30GHz低噪声放大器、变频器及SSPA和TWTA放大器等;固定及扫描多波 束无线;基带处理及交换矩阵;低成本地球站终端。 (2)尽快安排Ka频段转发器(哪怕是透明转发器)的搭载技术试验,以便开 展相关试验工作。如近期不能实现,也应利用外星Ka转发器(同步星或低轨星) 开展试验工作,逐步积累使用及设计经验。 (3)进一步重视Ka频段卫星通信系统仿真及专题仿真设计工作。在设备全面 开展应用之前,利用先进的仿真设计可以最大限度地发现问题,并为提出解决问 题的措施提供依据。 (4)抓紧Ka频段传播试验工作,建立我国目已的Ka频段雨衰模型。由于Ka频 段的最大缺点是雨衰较大,要有效克服这一问题,首先必须了解各地区的雨衰情 况,建立准确的雨衰模型。 (5)Ka频段的另一个重要特征是军事应用前景巨大。国家有关部门应尽快立 项,研究如何进一步拓宽Ka频段的军事应用。 (6)从长远发展考虑,国家应尽快开展相应的Ka频段仪器设备、测量方法以 及关键元部件的配套研究。 摘自《电信快报》