某Ku頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)計?

李幾超

某Ku頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)計?

李幾超

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

為了讓兩個地面站通過衛(wèi)星鏈路進(jìn)行無線通信，設(shè)計了一個Ku頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)，數(shù)據(jù)速率是512 kbit／s～4.096 Mbit／s，速率可調(diào)步進(jìn)1 bit／s。選取了一種較簡潔的Ku頻段地面站設(shè)計方案，信道的本振為固定點頻，調(diào)制解調(diào)器的中頻范圍是950～1 450 MHz。對衛(wèi)星通信鏈路功率進(jìn)行了預(yù)算。地面站的組成設(shè)備，如調(diào)制解調(diào)器、低噪聲放大器、上變頻單元、下變頻單元等均選用成熟的商用貨架產(chǎn)品，降低了設(shè)計風(fēng)險和成本。本系統(tǒng)研制周期短，通信穩(wěn)定可靠，得到了用戶的認(rèn)可。

衛(wèi)星通信；鏈路功率預(yù)算；低噪聲放大器；上變頻單元；下變頻單元

1 引言

根據(jù)用戶需求，相隔千里、均處于沙漠地帶的兩個工作單位要進(jìn)行無線通信，用戶要求通信的數(shù)據(jù)速率范圍是512 kbit／s～4.096 Mbit／s，速率可調(diào)步進(jìn)為1 bit／s。

衛(wèi)星通信（簡稱衛(wèi)通）具有頻帶寬、容量大、性能穩(wěn)定、成本與通信距離無關(guān)等優(yōu)點，成為現(xiàn)代通信的一種重要方式。超短波通信距離在300 km左右，而衛(wèi)星通信距離可在2 000 km以上，短波通信距離遠(yuǎn)但傳輸速率低，因此遠(yuǎn)距離寬帶無線通信建議選用衛(wèi)星通信方式。衛(wèi)星通信的工作頻段很多，有UHF、S、C、Ku和Ka等頻段。目前，國內(nèi)的主流衛(wèi)通頻段還是Ku頻段，同時在Ku頻段的工程設(shè)計經(jīng)驗豐富。根據(jù)用戶單位的地理位置及物質(zhì)條件，我們?yōu)橛脩袅可矶ㄖ屏艘粋€Ku頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成

一個基本的衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示，該系統(tǒng)至少包含兩個衛(wèi)通站（可以是地面固定站，也可以是移動站）和必要的衛(wèi)星資源。

圖1 某衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Composition diagram of a satellite communications system

在衛(wèi)星通信中，Ku頻段常用的發(fā)射頻率范圍是14.0～14.5 GHz，帶寬為500 MHz；接收頻率范圍是12.25～12.75 GHz，帶寬為500 MHz。

一個衛(wèi)通站主要包括衛(wèi)通天線、信道設(shè)備、調(diào)制解調(diào)器、信息收發(fā)設(shè)備，衛(wèi)通站組成框圖見圖2。對于信道設(shè)備，上變頻器和功放單元劃分為一個整體，稱為上變頻單元（BUC），下變頻器稱為下變頻單元（BDC），頻率合成器隱含在上變頻器、下變頻器中，這里不單獨列出。

圖2所示為衛(wèi)通地面站的組成原理框圖，按照調(diào)制解調(diào)器的收中頻、發(fā)中頻頻率是否固定可將衛(wèi)通站組成細(xì)分為兩種，如圖3和圖4所示。

圖2 某衛(wèi)通站組成原理框圖Fig.2 Composition diagram of a satellite communications station

圖3 本振固定的衛(wèi)通站組成原理框圖Fig.3 A satellite communications station with fixed frequency synthesizer

圖4 本振可變的衛(wèi)通站組成原理框圖Fig.4 A satellite communications station with alterable frequency synthesizer

對比圖3和圖4，由于收發(fā)中頻固定的調(diào)制解調(diào)器和收發(fā)中頻可變的調(diào)制解調(diào)器都是貨架產(chǎn)品，在民用市場上可選的種類很多，且解調(diào)性能、價格基本一致；如果選擇中頻可變的調(diào)制解調(diào)器，則信道設(shè)備的本振頻率是固定的，信道設(shè)備的設(shè)計相對比較簡單，系統(tǒng)總體也不需要加載控制信道設(shè)備的頻率。總之，本振固定、中頻可變的衛(wèi)通站的設(shè)計方案相對比較簡練，適合工程實際應(yīng)用，本文將對圖3所述的衛(wèi)通站進(jìn)行設(shè)計分析。

2.1衛(wèi)星資源的選擇

在系統(tǒng)應(yīng)用中，選擇“中衛(wèi)一號”衛(wèi)星。“中衛(wèi)一號”衛(wèi)星有Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器20個，預(yù)計在軌壽命15年以上。該衛(wèi)星采用洛克希德·馬丁公司推出的面向21世紀(jì)商業(yè)通信衛(wèi)星平臺，具有模塊化設(shè)計、可靠性高、智能程度高、軌道測控操作簡便靈活、功率大、接收靈敏度高、可支持多種通信業(yè)務(wù)等特點。“中衛(wèi)一號”通信衛(wèi)星可覆蓋中國本土和南亞、西亞、東亞、中亞及東南亞地區(qū)，波束覆蓋如圖5所示。

圖5 Ku頻段衛(wèi)星EIRP覆蓋圖Fig.5 The chart of a Ku band satellite equivalent isotropic radiated power（EIRP）

“中衛(wèi)一號”衛(wèi)星主要任務(wù)是保證國內(nèi)郵電公用網(wǎng)通信、各大公司VSAT專網(wǎng)通信和廣播電視服務(wù)，以及解決邊遠(yuǎn)地區(qū)的通信問題，并可為周邊國家提供通信服務(wù)。

2.2地面站衛(wèi)通天線

對于一個衛(wèi)通系統(tǒng)，地面站衛(wèi)通天線的選取應(yīng)考慮以下因素：價格預(yù)算、安裝要素、電性能。綜合考慮后確定衛(wèi)通天線基本技術(shù)性能如下：

（1）天線形式：2.4 m拋物面天線；

（2）發(fā)射頻率：14.0～14.5 GHz；

（3）接收頻率：12.25～12.75 GHz；

（4）發(fā)射增益：大于等于48.5 dBi；

（5）接收增益：大于等于47.5 dBi；

（6）地面站衛(wèi)通天線G／T值：25.3 dB／K。

天線系統(tǒng)組成如圖6所示。

圖6 天線組成圖Fig.6 Composition diagram of the antenna

衛(wèi)星通信天線可劃分為射頻分機、伺服分機、結(jié)構(gòu)分機和跟蹤接收機。射頻分機主要由天線主反射面、副反射面、饋源、饋線、極化面調(diào)整裝置、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)等組成，衛(wèi)星發(fā)射的電波經(jīng)過天線主副反射面的兩次反射后，經(jīng)饋源、饋線、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)通道把信號傳送給跟蹤接收機。跟蹤接收機包括差LNA、跟蹤下變頻器和跟蹤接收機等。差路LNA安裝在天線座上，跟蹤下變頻器把Ku頻段跟蹤信號變頻到L頻段；跟蹤接收機的體制是單脈沖自跟蹤，解調(diào)出的誤差電壓對應(yīng)天線對準(zhǔn)衛(wèi)星的偏差，把誤差電壓送到伺服分機，從而跟蹤衛(wèi)星。伺服分機包括天線控制單元（ACU）、天線驅(qū)動單元（ADU）、電機、角位置傳感器、角速率陀螺等，伺服分機用來控制天線實時指向衛(wèi)星，確保信道暢通。天線結(jié)構(gòu)分機主要由天線反射器、天線座、高低頻滑環(huán)、傳動和安全保護(hù)裝置等組成，主要任務(wù)是完成天線座上的方位軸和俯仰軸的精密轉(zhuǎn)動。

2.3調(diào)制解調(diào)器

目前，在民用市場上，衛(wèi)星通信專用的調(diào)制解調(diào)器種類多、價格適中、性能優(yōu)良，有收發(fā)中頻固定的調(diào)制解調(diào)器，也有收發(fā)中頻可變的調(diào)制解調(diào)器，這里只列出圖3表述的調(diào)制解調(diào)器的基本技術(shù)性能：

（1）發(fā)中頻頻率范圍：能覆蓋950～1 450 MHz；

（2）收中頻頻率范圍：能覆蓋950～1 450 MHz；

（3）發(fā)中頻電平范圍：-40～0 dBm；

（4）收中頻電平范圍：-80～-40 dBm；

（5）發(fā)送數(shù)據(jù)速率：512 kbit／s～4.096 Mbit／s，連續(xù)可變；

（6）接收數(shù)據(jù)速率：512 kbit／s～4.096 Mbit／s，連續(xù)可變；

（7）調(diào)制解調(diào)方式：BPSK、QPSK、8PSK可選；

（8）編碼方式：Turbo碼；

（9）解調(diào)門限：Eb／N0≤4 dB（對應(yīng)誤碼率小于等于1×10-6）。

調(diào)制解調(diào)器的組成如圖7所示。

圖7 調(diào)制解調(diào)器組成圖Fig.7 Composition diagram of the modem

發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換、組幀處理后再進(jìn)行信道編碼，完成加擾碼、差分編碼、FEC前向糾錯編碼，再經(jīng)濾波處理、PSK調(diào)制后，以發(fā)中頻的形式進(jìn)入衛(wèi)通鏈路的射頻信道；收中頻信號經(jīng)PSK解調(diào)后產(chǎn)生基帶數(shù)據(jù)，之后進(jìn)行信道譯碼，完成FEC譯碼、差分解碼、去擾碼，處理后的數(shù)據(jù)再經(jīng)過解幀處理、接口電平轉(zhuǎn)換后送用戶。

調(diào)制解調(diào)器編碼方式采用Turbo碼，調(diào)制解調(diào)方式有BPSK、QPSK、8PSK供用戶選擇，當(dāng)調(diào)制解調(diào)參數(shù)采用Turbo編碼、編碼率為3／4、QPSK調(diào)制時，解調(diào)門限Eb／N0≤4 dB，對應(yīng)的誤比特率小于等于1×10-6。

2.4對信道設(shè)備的說明

信道設(shè)備包含低噪聲放大器（LNA）、下變頻單元（BDC）、上變頻單元（BUC），通常BUC包含功率放大器。可以先對信道設(shè)備的技術(shù)性能做初步的了解，待系統(tǒng)鏈路計算完成后再確定LNA、BDC、BUC的技術(shù)指標(biāo)。常用的Ku頻段低噪聲放大器（LNA）工作頻段是12.25～12.75 GHz，增益在40～60 dB之間，噪聲系數(shù)在0.8～2 dB之間。Ku頻段功率放大器輸出功率常用的有10 W、25 W、40 W、70 W等，具體輸出功率值可根據(jù)工程需要來確定。

3 系統(tǒng)鏈路計算

圖1中的衛(wèi)通站1和衛(wèi)通站2設(shè)備配置和參數(shù)一致，如天線形式、天線尺寸、天線G／T值、信道設(shè)備、調(diào)制解調(diào)器等要素完全相同，因此前向鏈路（衛(wèi)通站1→衛(wèi)星→衛(wèi)通站2鏈路）與返向鏈路（衛(wèi)通站2→衛(wèi)星→衛(wèi)通站1鏈路）完全對稱，我們分析其中一條鏈路即可。

3.1衛(wèi)通站1至衛(wèi)星鏈路

本文中用［x］表示x的分貝值。有效全向輻射功率（EIRP）（單位為dBW）計算公式為［1］

式中，PTE代表信道功放的輸出功率，20 W的功放對應(yīng)［PTE］為13 dBW；取功放至天線的饋線損耗［LF］值為1 dB；衛(wèi)通站1的天線發(fā)射增益［GT］值為48.5 dB；則衛(wèi)通站1的有效全向輻射功率［EIRP］= 13-1+48.5=60.5 dBW。

衛(wèi)通鏈路接收信號載噪比（單位為dBHz）計算公式為［1］

式中，［EIRP］已知；經(jīng)查閱，“中衛(wèi)一號”衛(wèi)星的［G／T］值為5 dB／K；在不考慮雨衰的情況下，該鏈路傳輸損耗［L］包含自由空間傳播損耗、大氣損耗、天線極化損耗等，取值為208.27 dB；則衛(wèi)通站1至衛(wèi)星鏈路的接收信號載噪比（單位為dBHz）為

3.2衛(wèi)星至衛(wèi)通站2鏈路

按照公式（2）可計算衛(wèi)星至衛(wèi)通站2鏈路接收信號的載噪比。“中衛(wèi)一號”衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器飽和EIRP值在50～54 dBW之間，但衛(wèi)通站1的發(fā)射信號無法將衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器推至飽和，經(jīng)工程評估后取衛(wèi)星［EIRP］值為38 dBW；衛(wèi)通站2的天線接收［G／T］值為25.3 dB／K；該鏈路傳輸損耗［L］包含自由空間傳播損耗、大氣損耗、天線極化損耗等，取值為208.16 dB；則衛(wèi)星至衛(wèi)通站2鏈路的接收信號載噪比為

式（3）和式（4）的載噪比值可用公式（5）來綜合，公式（5）表述為［2］

根據(jù)公式（5）計算出前向鏈路（衛(wèi)通站1→衛(wèi)星→衛(wèi)通站2鏈路）總的接收信號載噪比為81.6 dBHz。

接收信號載噪比的另外一種等值計算公式為［1］

本衛(wèi)星通信系統(tǒng)最高傳輸速率為4.096 Mbit／s，則按理論分析，衛(wèi)通站2接收信號的Eb／N0值（單位dB）為

衛(wèi)通站2調(diào)制解調(diào)器解調(diào)門限為4 dB，在不考慮雨衰的情況下，鏈路余量為11.5 dB，當(dāng)衛(wèi)通鏈路傳輸速率低于4.096 Mbit／s時，系統(tǒng)鏈路余量更大，此時可以把衛(wèi)通站1的功放輸出功率適當(dāng)調(diào)小。

4 信道設(shè)備的指標(biāo)確認(rèn)及系統(tǒng)無線對星試驗情況

通過本文第3節(jié)的計算驗證可知：信道設(shè)備BUC的功放功率定在20 W比較合適；在衛(wèi)通站1實際輸出功率小于等于20 W的前提下，衛(wèi)通站2接收信號電平（從低噪聲放大器LNA輸入端口處觀測）小于等于-92.66 dBm（-92.66 dBm是由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器實際EIRP值加上衛(wèi)通站2的天線接收增益，減去鏈路傳輸損耗得出的）。

4.1對低噪聲放大器技術(shù)性能的確認(rèn)

考慮到衛(wèi)通站2的接收信號電平（從LNA輸入端口處觀測）小于等于-92.66 dBm，而調(diào)制解調(diào)器的接收中頻電平范圍是-80～-40 dBm，則LNA的增益定在40 dB比較合適，故LNA基本技術(shù)性能如下：工作頻率范圍為12.25～12.75 GHz；增益為40 dB；噪聲系數(shù)為1.058 dB。

4.2對下變頻單元技術(shù)性能的確認(rèn)

考慮到LNA輸出信號電平小于等于-52.66 dBm，結(jié)合通用調(diào)制解調(diào)器的技術(shù)性能，比如調(diào)制解調(diào)器的接收中頻輸入電平范圍是-80～-40 dBm，則BDC基本技術(shù)性能確定如下：輸入射頻頻率范圍12.25～12.75 GHz；輸入射頻電平范圍-80～-40 dBm；輸出中頻頻率范圍950～1 450 MHz；變頻增益為0 dB；噪聲系數(shù)小于等于6 dB。

4.3對上變頻單元技術(shù)性能的確認(rèn)

本文第3節(jié)鏈路分析確定了功率放大器的線性輸出功率P-1為20 W，而調(diào)制解調(diào)器的發(fā)中頻電平范圍是-40～0 dBm，設(shè)-17 dBm的中頻信號能將BUC推至P-1功率，0 dBm的中頻信號能將BUC推至飽和且不燒毀（BUC中具備限幅電路），則BUC基本技術(shù)性能確定如下：輸入中頻頻率范圍為950～1 450 MHz；變頻增益為60 dB（典型值）；輸出射頻頻率范圍為14～14.5 GHz；功放線性輸出P-1功率為20 W。

4.4衛(wèi)星通信系統(tǒng)無線對星試驗的結(jié)果

本衛(wèi)星通信系統(tǒng)經(jīng)過了多次無線對星試驗，衛(wèi)星資源是租用“中衛(wèi)一號”衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，通信效果良好。試驗基本情況如表1所示。

表1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)試驗結(jié)果Table 1 The experimental result of the satellite communications system

5 結(jié)論

本文對一個具體的Ku頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行了方案選取、設(shè)計、鏈路計算，依據(jù)理論計算分配了各組成設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)，構(gòu)建了衛(wèi)星通信系統(tǒng)并進(jìn)行了驗證。該衛(wèi)星通信系統(tǒng)包含衛(wèi)通天線、低噪聲放大器、上變頻單元、下變頻單元、調(diào)制解調(diào)器，各設(shè)備指標(biāo)分配合理可行，系統(tǒng)設(shè)計思路比較清晰；經(jīng)過系統(tǒng)無線對星試驗驗證，本文中的鏈路設(shè)計數(shù)據(jù)與實測值吻合（誤差小于1 dB），具有一定的工程設(shè)計參考價值。還可從以下兩個方面進(jìn)一步研究：第一，本課題涉及的衛(wèi)通站是地面固定站，衛(wèi)通天線是拋物面天線，而相控陣天線在天線高度、重量等方面具有較大優(yōu)勢，值得衛(wèi)通領(lǐng)域的工程技術(shù)人員去深入研究；第二，本課題使用的是Turbo碼，在調(diào)制解調(diào)方面，在相同的外界條件下，LDPC編碼的解調(diào)門限比Turbo碼的解調(diào)門限約低1.2 dB；此外，LDPC編碼也可作為一個專題加以研究。

［1］蔡劍銘，呂海寰，甘仲民，等.衛(wèi)星通信系統(tǒng)［M］.2版.北京：人民郵電出版社，1994.

CAI Jian-ming，LV Hai-huan，GAN Zhong-min，et al. Satellite communications system［M］.2nd ed.Beijing：People′s Posts＆Telecom Press，1994.（in Chinese）

［2］Roddy D.衛(wèi)星通信［M］.3版.張更新，劉愛軍，張杭，等，譯.北京：人民郵電出版社，2002.

Roddy D.Satellite communications［M］.3rd ed.Translated by ZHANG Geng-xin，LIU Ai-jun，ZHANG Hang，et al. Beijing：People′s Posts＆Telecom Press，2002.（in Chinese）

［3］劉旭東.衛(wèi)星通信技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2000.

LIU Xu-dong.Satellite communications technology［M］. Beijing：National Defense Industry Press，2000.（in Chinese）

［4］Wavestream Corporation.16W／25W／40W Ku-Band Matchbox BUC datasheet［EB／OL］.［2011-03-25］.http：／／www.wavestream.com／pdf／datasheets／Ku-Band%2016W -25W-40W%20Matchbox%20BUC.pdf.

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［6］Comtech EF Data Corporation.CDM625 Advanced Satellite Modem Installation and Operation Manual［EB／OL］.［2011 -10-11］.http：／／www.comtechefdata.com／files／manuals／mn-modems-pdf／mn-cdm625-r11.pdf.

［7］Comtech EF Data Corporation.CDM700 High speed Satellite Modem Installation and Operation Manual［EB／OL］.［2008-12-12］.http：／／www.comtechefdata.com／files／manuals／mn-modems-pdf／MN-CDM700-r5.pdf.

Design of a Ku Band Satellite Communications System

LI Ji-chao
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

To realize communication between two ground stations via satellite wireless link，a Ku band satellite communications system is designed.The data rate range is 512 kbit／s～4.096 Mbit／s in 1 bit／s step.A relatively simple design is selected for the ground station.The local oscillator（LO）of channel has a fixed frequency synthesizer.The intermediate frequency（IF）range of modem is 950～1 450 MHz.Satellite link power is budgeted.The ground station is composed of modem，low noise amplifier（LNA），block up converters（BUCs），block down converters（BDCs），which are off-the-shelf products so that the design risk and cost is reduced.The communication system is featured by short development cycle，stable and reliable communication.It has been authorized by users.

satellite communications；link power budget；low noise amplifier（LNA）；block up converters（BUC）；block down converters（BDC）

the B.S.degree and the M.S.degree in 2002 and 2009，respectively.He is now an engineer.His research direction is satellite communications.

1001-893X（2012）05-0649-05

2011-09-30；

2012-05-07

TN927

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.05.009

李幾超（1979—），男，湖北仙桃人，2002年獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，2009年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向為衛(wèi)星通信。

Emai：ljc-hust＠126.com

LI Ji-chao was born in Xiantao，Hubei Province，in 1979.He