通信衛星轉發器系統的仿真設計

徐海生

中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊，050000

0 引言

現階段，在5G時代背景下，衛星通信技術得以迅猛發展，這無疑增加了通信衛星轉發器系統內部結構的復雜度，增加了該系統的研發難度，從而引發了極大的人力成本、物力成本和財力成本，而計算機輔助設計技術的應用，可以很好地解決這一問題，通過利用該技術，完成對4通道C頻道通信衛星轉發器系統的設計，可以在第一時間內及時發現和處理該系統異常問題，從而提前預防和管控系統隱形故障問題，為進一步提高該系統的風險防控能力提供重要技術支持。所以，在計算機輔助設計技術的應用背景下，如何科學地設計4通道C頻道通信衛星轉發器系統是技術人員必須思考和解決的問題。

1 轉發器系統概述

轉發器系統主要用于對地面站內微弱信號的及時接收，并對接收到的微弱信號進行轉換處理，使其被直接轉換為下行信號和上行信號，一旦發現補償空間段出現嚴重衰減現象，轉發器系統可以憑借自身的高靈敏接收能力以及大功率發射能力，對這一問題進行處理。轉發器系統原理框圖如圖1所示，可以看出，該系統主要是由輸入多工器、輸出多工器、功率放大器、電源、微波開關等部分組成。該系統工作原理如下：首先，向濾波器內輸入所接收到的上行信號，然后，利用低噪聲放大器，對濾波器的寬帶進行放大處理，同時，利用接收機內置的變頻器，對所接收到的信號頻率進行處理，使其被直接轉換為下行信號；接著，利用分路濾波器，對大量的通道進行智能化控制，并利用多臺功率放大器，對所獲得的信號功率進行放大處理；最后，借助輸出多工器，對信號功率進行合成處理，當信號功率合成結束后，需要利用發射天線，將形成的下行信號發送到地面站中，此時，信號中繼轉發工作圓滿完成。對于轉發器系統而言，在實際運行中，通常表現出較高的通信能力和信號處理能力，可以結合當前衛星軌道狀況，精確地計算出衛星的工作頻率、輸出功率，同時，還能對轉發器的變頻噪聲和下行功率進行精確化計算。另外，轉發器系統主要涉及了輸入輸出特性、諧波和雜波特性、噪聲系數、誤碼率等參數特性，接下來，分別對這些參數特性進行仿真設計，從而確保轉發器系統具有更加穩定的性能指標，為進一步提高該系統的運行性能、保證系統衛星通信能力打下堅實的基礎。

圖1 轉發器系統原理框圖

2 轉發器系統仿真設計

為了更好地完成該系統仿真設計目標，技術人員要結合轉發器系統實際設計需求，對仿真部件和模塊電路進行規范化封裝處理，從而形成若干個單機模型，然后，將這些單機模型結合為一個完整的單通道轉發器[1]，便于后期單通道仿真設計工作的有效開展。通過采用單通道仿真方法，可以有效地驗證系統輸入輸出特性、噪聲系數等特性測試結果的精確性。最后，還要對輸入多工器和輸出多工器進行一系列的優化和改造，從而形成如圖2所示的轉發器系統單通道電路模型。從圖2可以看出，該模型主要是由輸入濾波器、輸入多工路、功率放大器和輸出多工器等部分組成。

2.1 轉發器系統輸入輸出仿真設計

系統輸入輸出指標作為轉發器系統的重要指標，可以真實、有效地反映出該系統輸出功率大小。在對該系統進行聯調期間，需要從輸入輸出調試入手，當輸入信號逐漸增加時，轉發器增益曲線會逐漸變為飽和狀態[2]，此時，采用信號源設置的方式，將輸出功率點統一設置為1dB壓縮點，在此基礎上，通過對衰減器進行科學匹配，可以精確地確定出衰減器當前位置坐標，確保該系統即使處于噪聲環境下也能正常、穩定地工作。在測試期間，經常會受到電纜的影響，導致功率放大器的輸出曲線出現一定程度的波動。為了解決這一問題，需要采用多次配平增益的方式，獲得最佳性能指標[3]。另外，還要在全面結合轉發器動態變化特點的基礎上，將該系統電平掃描范圍設置為-110～-80dBm，C頻段轉發器系統輸入輸出仿真特性圖和仿真增益圖分別如圖3、圖4所示。從圖3、圖4中可以看出，當系統仿真輸入頻率達到-89dBm時，其輸出功率達到額定值，此時，通道匹配衰減器可以從原來的3dB逐漸上升到130dB額定增益值，說明本次仿真結果可以很好地滿足該系統的指標要求。通過將該仿真結果與實物測試數據進行對比分析，該系統輸入輸出特性取得良好的仿真模擬效果，有效地保證系統初步電平配置效率和效果。

圖3 C頻段轉發器系統輸入輸出仿真特性圖

圖4 C頻段轉發器系統仿真增益圖

2.2 轉發器系統諧波和雜波特性仿真設計

電源雜波對該系統輸出諧波和雜波產生了直接性的影響，一旦通道濾波器沒有得到有效抑制，將會導致該系統的諧波和雜波特性出現進一步惡化[4]。為了避免以上不良現象的發生，現利用轉發器模型，對該系統諧波和雜波進行真實化仿真處理，提前預測和了解該系統的諧波和雜波特性[5]。另外，還要將輸入信號傳輸到轉發器輸入端中，確保該系統通道快速進入最佳工作狀態。在此基礎上，還要利用轉發器系統模型[6]，落實好諧波和雜波掃描平衡工作，從而獲得如圖5所示的轉發器系統單通道仿真諧、雜波特性圖。從圖5～6中可以看出，當二次諧波幅值達到-158dBm時，系統通道所對應的幅值會出現顯著提升現象，這表明該系統整體諧波和雜波控制效果良好。

圖5 轉發器系統單通道仿真諧、雜波特性

轉發器系統4通道仿真諧、雜波特性如圖6所示。從圖6中可以看出，當通道數量不斷上升時，通道內會出現大量的混頻產物，這無疑增加了通道間的干擾程度[7]。當測量幅度被控制在-30dBm以下時，其干擾影響程度可以忽略不計。此時，如果繼續增加通道數量，將會導致該系統功率電平出現較大的波動。所以，對功率放大器進行回退處理，可以起到降低通道干擾幅度的作用。

圖6 轉發器系統4通道仿真諧、雜波特性

2.3 轉發器系統噪聲系數仿真設計

噪聲系數的接收量以及濾波器的損耗程度會對轉發器系統噪聲系數大小產生直接性的影響，同時，還還會對轉發器系統的G/T指標產生直接影響[8]，甚至還會直接影響用戶的使用體驗。對于輸入濾波器而言，其帶寬通常為160MHz，通過對該系統噪聲特性進行全面的掃描，可以全面地了解和掌握當前中頻濾波器的特性變化情況。當該系統噪聲功率達到65dB時，通過采用仿真分析法，可以全面地了解該系統噪聲系數特性，由于C段所對應的增益值相對較高，所以并不會對36MHz邊帶產生不良影響。轉發器噪聲系數仿真結果如圖7所示。從圖7可以看出，與C頻段輸入濾波器性能相比，C頻段接收機性能基本吻合，其噪聲系數均被控制在1.5以下，完全符合轉發器系統指標控制的相關標準和要求。在對該系統噪聲系數進行實際測量期間，主要用到了Agilent346AC噪聲源，通過利用該噪聲源測量，發現該系統在全輸入頻段內所對應的噪聲系數均在1.8以上，有效地保證了該系統最終仿真設計的科學性和合理性。

2.4 轉發器系統誤碼率仿真設計

為了直觀、形象地觀察該系統通信性能，在對該系統誤碼率進行仿真期間，借助利用上下性鏈路，將圖片信息安全、可靠地傳輸到地面站中[9]，通過全面地對比所接收的圖片信息和所發射的圖片信息，精確地判斷該系統的通信性能。同時，經過仿真測量系統誤碼率后，發現所發射的圖片在實際傳輸期間，要事先轉換為十進制數據[10]，然后在地面站進行發送，地面站發送圖片信息和接收圖片信息代碼如下：

Handles=imead(’：＼Picture.jpg’)；

fp=fopen(’.＼Picture—RGB—Send.txt，’wt’)；//wt表示在文件尾部寫入數據

for i=l：size(Handles，3)

for j=1：size(Handles，2)

for k=l：size(Handles，1)

fprintf(fp，’%df’Handles(k′j，i))；//將每個數據寫入句柄fp文件

fprintf(fp，’＼n’)； //將每個數據在文件用換行隔開

end

end

end

H=dlmread(’：＼Picture—RGB—Receive.txt’)；

H 1=uintS(H)；

H1=H1(1：size(Handles，1)半size(Handles，2)木size(Handles，3))；

H1=reshape(H1，size(Handles，1)，size(Handles，2)，size(Handles，3))；

image(H1)；//顯示接收圖片

3 轉發器系統實測結果分析

3.1 轉發器系統實物測試情況

對于轉發器系統而言，其所用到的事務測試方法主要用到了電性件產品，該產品屬于系統C頻段，并采用自制單檢控制法[11]，對Agilent6675A程控電源進行遠程化控制。此外，所選用的測試系統主要是由臺E8257D信號源和頻譜儀RSFSUP50兩個部分組成，該系統測試流程如下：首先對需要測試的系統進行校準處理，并將上行電纜和下行電纜安全、可靠地連接到開關柜陣中，然后借助開關柜陣的幅度平坦度特性，測試系統會自動顯示最終測量結果。

3.1.1 輸入輸出測量方法

通過利用AgilentVEE軟件，對信號源和開關柜陣進行遠程化控制，該系統輸入輸出測量流程如下：首先，利用上行輸入頻率，單10MHz參考源連接到進入啟動狀態的轉發器系統中，然后利用頻譜儀，完成對下行輸出頻率的科學設置；其次，對計算機所對應的運行程序進行實時控制和調整，確保輸入輸出掃描結果的精確性和真實性；最后，使用功率計對繪制好的曲線進行矯正。

3.1.2 諧、雜波測量方法

通過將上行信號安全、可靠地輸入到功率計中，確保該系統所對應的輸出工作始終集中分布于飽和點附近。同時，借助頻譜分析對諧波幅值和雜波幅值進行精確化測量。經過測量發現，諧波始終在噪聲-80dBm以下，有效地驗證了轉發器系統設計的科學性和合理性。

3.1.3 噪聲系數測量方法

在對系統噪聲系數進行測量期間，要利用噪聲源，對該系統進行校準，然后，將上行電纜連接到C頻道轉發器接口處，并確保最終測量結果控制在1.8以下。

3.1.4 誤碼率測量方法

通過將兩個信號源輸入頻率以及信號間隔頻率分別設置為F0-2.5MHz、F0+2.5MHz、5MHz，然后，將上行信號安全、可靠地注入到轉發器系統中。此時，采用控制計算機的方式，對開關柜陣的輸出功率進行科學調節，并利用頻譜儀器，實現對交調信號幅度值的全面化采集。

3.2 轉發器系統的仿真與實測數據對比分析

通過對該系統進行建模仿真設計，完成對4通道C頻道通信衛星轉發器系統的科學設計。通過對該系統地面聯試過程進行真實化模擬，全面地仿真分析了該系統的輸入輸出特性、諧、雜波特性、噪聲系數和誤碼率等特性，并得到如表1所示的轉發器系統通道性能仿真結果。

表1 轉發器系統通道性能仿真結果

從表1中的數據可以看出，仿真結果與實際測試結果會存在一定的誤差，其根本原因是由于仿真建模方法存在差異。由于選用了濾波器，所以，幅頻特性相對較高，經過對比，發現本文所采用的轉發器系統仿真設計方案在某種程度上提高了4通道C頻道通信衛星轉發器系統的研發質量，使得該系統能夠正常、穩定、安全地運行。

4 結語

綜上所述，在計算機輔助設計技術的應用背景下，本文通過對4通道C頻道通信衛星轉發器系統進行仿真設計，不僅可以有效地驗證系統仿真建模的有效性和可靠性，還能全面分析轉發器系統性能的影響因素，及時發現和定位系統當前出現的故障問題，并采用行之有效的解決方案，提前解決系統故障問題，使得系統具有較高的風險防控能力，為進一步提高轉發器系統研發效率和效果創造了良好的條件。