多載波柔性轉發器衛星系統

[摘 要]由于透明和隨著新的軍事和商業衛星通信系統的發展，空天信息網絡寬帶衛星需要滿足種類多、數量大、速率高的接入需求，由此，多星、多業務、多波束成為未來空天信息網絡多址接入系統的發展趨勢。但是與地面接入系統不同，空天信息網絡的接入節點——通信衛星是帶寬和功率受限系統，僅僅設計多址接入技術和信號調制方式并不能完全解決空天信息網絡的多址接入問題，必須結合衛星轉發器特點，研究衛星功率控制策略，解決多址方式實現信道資源的最優配置，進而最大化系統容量，結合寬帶衛星轉發器的發展趨勢，在空天信息網絡接入節點——衛星上設計采用一種基于非均勻濾波器組的星載數字化處理轉發器，即柔性轉發器。

[關鍵詞]柔性轉發器

柔性轉發器是通過任意組合交換各子信道之間以及相鄰子信道的信號，并結合非均勻子信道增益，可以有效克服衛星轉發器中大載波對小載波抑制問題，大大提高功放的效率，進而提高系統的容量。柔性轉發器可以靈活分配衛星轉發器資源，非常適合空天信息網絡支持多平臺、多種業務的多址接入需求。其中用戶終端及轉發器子信道的功率分配算法，是影響多址接入系統容量的重要因素，對未來空天寬帶衛星網絡的發展具有重要實踐指導意義再生式轉發器分別存在對業務的適應性差和對通信體制的依賴性強的不足，基于數字化處理方式的柔性轉發器系統應運而生，其技術特點有：靈活多變的數字信道化濾波技術、非均勻帶寬交換的場景下進行星上信號分析綜合、甚至跨波束的靈活交換技術，在很大程度上克服了透明和再生式轉發器存在的問題，使衛星轉發器系統具備通信體制的按需分配、信道的最佳劃分和臨時組網的能力，提高了寬帶衛星通信的擴展性與可靠性，實現衛星信號和空間資源的靈活交換作為一個能量受限的設備，功率資源是衛星轉發器中最為寶貴的資源，寬帶衛星系統通常采用多載波通信，多個載波同時在轉發器的功率放大器中得到放大并下發。多載波的工作狀態將使得各個子信道相互影響和制約，大小載波共存以及轉發器功率使用效率問題一直是困擾多載波衛星轉發器的主要問題。基于近年提出的非均勻化子信道增益概念，進行優化多載波柔性轉發器的通信系統鏈路可支持性問題，將能有效克服多載波存在的問題，提高系統容量。

柔性轉發器作為數字信道化器的一種，區別于其他數字信道化器，其各個子信道的增益可以根據實際需求進行單獨設置，我們以WGS系統中的星載有效載荷為參考，并且根據數字信道化器突出特征：需要通過三個步驟（信道解復用、信道交換、信道復用）實現轉發器中任何一個子信道從任意輸入波束到任意輸出波束的路由過程，一個柔性轉發器中有N個子信道，并通過這N個子信道容納M條鏈路，轉發器的非線性效應全部集中在一個高功率放大器中，同時，根據系統實際應用場景，假定不考慮轉發器天線的個數，模型中功率大的載波可以占用幾個子信道進行通信，而功率小的多個載波可以共同占用一個子信道進行通信，利用數字信道化的特點，我們可以靈活地設定子信道增益，避免大載波抑制小載波問題和減小高功放中非線性效應的影響，從而充分利用頻譜資源和提高系統的通信容量。

數字信道化衛星通信系統中，存在M條鏈路i（i=1、2、...、M），其地面站發射終端Txi上行鏈路的有效全向輻射功率（Effective isotropic Radiated Power，EIRP）定義為Ei，ai為信號的上行鏈路路徑總損耗，它包括信號的自由空間損耗、散射損耗以及衛星接收的天線增益Gu，a。而其下行鏈路路徑損耗bi包括衛星發射的天線增益，自由空間損耗Lup，散射損耗和地面站接收天線增益Gda。令xi表示轉發器輸入的載波功率，令yi表示相應的轉發器輸出功率，Ts表示衛星轉發器輸入的等效噪聲溫度。Kc為玻耳茲曼常數，其值為1.23×10-23，從而將整個衛星轉發器建立為一個包含三部分的模型：（1）功率密度值為KcTs的加性噪聲；（2）增益為Gn為（n=1，2，...，N）的理想子信道；（3）一個無記憶非線性高功放。對于此模型中的所有子信道來說，加性噪聲和非線性效用對其影響都是共同的，但理想增益和濾波特性對于每個子信道來說是不同的，轉發器所有增益包括高效率功放都體現在子信道增益Gn中。

在地面接收終端處，內部噪聲的功率密度為KcTi，其中Ti表示該接收終端的噪聲溫度。為了分析鏈路可支持性，必須需要確定轉發器的工作點z。轉發器工作。

點z定義為轉發器總的輸出功率和飽和功率P的比值。表達式如下所示。

公式中Bn代表第n個子信道的帶寬，Gn代表第n個子信道增益，n（i）表示該系統中第i條鏈路占用第n個子信道。

方便起見，假設所有轉發器鏈路的增益非線性函數都一致，其為轉發器工作點z的函數，由此可知，鏈路i經過衛星轉發器所得到的輸出載波功率為

此外，高功率放大器存在一定的非線性效應（非線性幅度轉移特性、和調幅調相轉換特性），這里為了簡要分析，可將交調干擾（Inter-Modulation，IM）產物近似看作為衛星轉發器信道中的白噪聲，其功率譜密度函數和轉發器工作點z相關，用h（z）來表示，交調歸一化的特征函數，也是與轉發器工作點z有關，表示為交調歸一化的特征函數。所以轉發器中實際輸出的IM譜密度表達式為h（z）P / B，B表示轉發器的總帶寬。

常見的衛星轉發器非線性交調特征函數h（z）和增益非線性函數g（z）表征公式如下：

上式中的和表示了高功率放大器的非線性效應，其中為小信號抑制因子，一般取值，為高功率放大器飽和狀態下交調譜密度函數因子，一般取值。

在多載波柔性轉發器中，鏈路i 在鏈路j中產生的頻譜混疊函數為，其表達式為：

其中，和分別表示鏈路i載波和鏈路j載波的歸一化功率譜密度。

作者簡介：張玲玲（1978-），女，河南焦作人，武警杭州士官學校機電基礎教研室副教授，研究方向：電工電子技術。