數字信道化多載波衛星通信系統的優化設計

葉益龍

摘要：針對多載波星載通信系統，文章建立了一種基于數字信道化的多載波星載通信系統的鏈路支撐優化模型。通過對此模型的求解，可以獲得每個子信道的最優增益以及每個子鏈路的最優傳輸功率。然后，研究一種鏈路支持模式下的衛星接收系統，以減小各載波間的功率差別，實現系統工作點向飽和點移動。由此，提高了接收機的能量利用效率，從而促進我國通信事業的發展。

關鍵詞：數字信道化；衛星通信系統；多載波；鏈路可支持性

中圖分類號：TN927 ?文獻標志碼：A

0 引言

隨著通信技術的不斷進步，業務特點以及終端的設計也在不斷地革新。其中，圍繞著終端與用戶之間的連接設計是一個非常關鍵的問題。為了保證業務數據的傳輸，需要對衛星鏈路進行合理的設計和管理。在此基礎上，將其與地面業務網相連接，以達到對其進行設計與管理的目的。但是，衛星自身的物理特性、接收端的性能以及衛星的軌道等都會對其產生影響。若使用一條全衛星線路傳送流量資料，則該線路是可靠且有效的。該課題的研究結果對陸基/固網、單雙工、窄帶服務等領域都有較大的實用意義。但是，這一問題對寬帶（或多址）衛星通信系統，尤其是對要求動態接入、話音/數據傳輸的場合，具有很大的挑戰。在進行通信鏈路設計時，要綜合考慮多種因素，如用戶設備特性、衛星信道特性等。本文主要目的為探索一種靈活的、可擴充的、可配置的數字多載波衛星通信的連接模式。本文的研究成果將為寬帶移動接入、窄帶數據傳輸、陸基/移動通信等業務的發展提供一種全新的技術手段。

1 衛星通信系統鏈路的定義與分類

1.1 定義

在衛星通信系統的信息傳送中，一個傳送鏈路由一個地球站、一個上行鏈路、一個衛星轉發器、一個下行鏈路、一個接收地球站組成。按照其在時空上的分布，又可分為星間鏈路和星地鏈路。其傳輸特性受發送方的傳輸功率、天線增益、傳輸過程中的損失、傳輸過程中的噪聲和干擾、接收方的天線增益和噪聲等多種因素的影響。在此情形中，為了確保發送容量，對接收器的輸入信號的噪聲進行更嚴格的控制是必要的。

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，在對流層、平流層、電離層和外層空間中，衛星無線電波的傳播同樣受到很多因素的影響。

2 衛星通信鏈路性能

2.1 衛星通信鏈路

衛星通信鏈路是由一顆通信衛星在發射臺與接收臺間傳遞的一條信號傳輸通道。在這種情況下，從發送臺向衛星發送的鏈路被稱作上行鏈路，而從衛星發送到接收臺的鏈路被稱作下行鏈路。衛星通信鏈路包括發射地面站、上行鏈路、衛星轉發器、下行鏈路、接收地面站，常見的鏈路類型如表1所示。

應答機在通信衛星中是非常重要的，其中，最常用的應答機有加工應答機（將接收到的信號再解調，并進行傳輸）以及透明應答機。該系統僅須將接收到的信號轉換成數字信號，并將其放大，實現簡單，成本低廉，它的使用范圍很廣。這里所描述的都是基于一個透明的轉發器的通信鏈路。由于上行鏈路信號沒有經過任何處理，傳輸過程中會產生衰減，同時還會產生一些噪聲，而噪聲又會對下行鏈路產生影響，因此，總體通信質量與下行鏈路和上行鏈路的質量有很大的關系。為了保證信號的可靠度，常用的指標是接收端的信噪比。在數據傳輸中，比特錯誤是影響數據傳輸質量的主要因素之一。這些雜音都是從接收機那里傳出來的。目前，大部分的衛星通信系統都使用QPSK，8PSK等數字頻率調相技術，它的振幅是根據載頻信號的振幅來確定的。一般而言，對衛星通信的評估，都是以載波對噪聲的比值（簡稱載噪比）來進行的，不同鏈路類型所需的門限載噪比如表2所示。利用上下行鏈路的載噪比值，對鏈路中的信道特性進行了分析，探討了影響上下行鏈路信道特性的關鍵因素［1］。

2.2 通信品質的影響因子

2.2.1 擴散損耗

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空氣中的輻射損耗。

2.2.2 噪聲

在上下行鏈路中，各個重要節點的噪聲源是不同的，在通信終端中，大氣噪聲、接收天線噪聲和接收系統噪聲是影響通信質量的重要因素；地站接收端噪聲包括地站天線噪聲、上行鏈路噪聲、接收機內噪聲和其他通信系統所引起的噪聲。本文提供了一種時延多重存取系統，其中，在地面站的接收機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，對于頻分復用系統，由于要對多個載波進行同步放大，以及響應機行波管的非線性，因此，在接收系統中，存在著上傳鏈路、下傳鏈路以及來自星載應答機的交變噪聲。這3種成分的噪聲在到達接收站的接收機輸入端時彼此混合，但因為各成分的噪聲彼此獨立，因此3個分量的噪聲可以被加上。

2.2.3 擾動

在工程鏈路的設計中，還要考慮到對載體的多種干擾，其中包括鄰近的上行星和下行星對載體的干擾。從同一顆衛星上傳到的上行鏈路和下行鏈路干擾。而這種干擾又會在載波接收機上產生噪聲，這就給整個衛星通信帶來了很大的沖擊。另外，在鏈路仿真過程中，通常可以通過系統設計、站點選址等方法來克服基站間的調制、相鄰中繼間的干擾、相鄰載波間的干擾以及地面環境等因素的影響。

2.2.4 雨水的衰減

在多雨天氣條件下，由于雨水的存在，在空氣中傳輸的電磁波將發生明顯的衰減，其衰減程度與降水量、發射信號的頻率等因素密切相關。其影響主要體現在以下幾個方面：一是會使信號產生衰減；二是將導致受話器的噪聲升高。Ku頻段的衛星通信受降水衰減及地理位置等因素的影響，具體計算可參考ITU-R564-4中的方法。

2.2.5 輸入量和輸出量補償

為了防止或減小FDMA系統中相互調制的影響，可以對行波管進行輸入補償，并盡可能保證行波管工作在一個線性的工作狀態。一般情況下，隨著輸入補償的增加，系統之間的干擾將被削弱甚至被消除，從而降低了系統的輸出功率，但是在上行、下行鏈路中的載噪比也將降低，使得轉發器的性能不能充分發揮。為確保星載鏈路在最佳發射狀態下運行，需要對星載鏈路進行適當的補償。

2.2.6 其他損失

傳統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來表示，但在對星過程中，會因天體漂移、天線跟蹤誤差等因素而使對星角與理論角發生偏差，從而造成天線跟蹤誤差損失。在同一臺接收機中，由于接收端的光束方向不同，使得 EIRP在不同的接收機之間也有較大的差異。在實際應用中，等高線的邊界（最差）和等高線的中央（最佳）是指標值，其他的點是指標值。另外，法拉第扭曲會使線偏振電磁波在穿過電離層時發生偏振效應，從而引起偏振損失［2］。

3 數字信道化多載波衛星通信系統鏈路模型

3.1 系統模型概述

本文研究的是一種能夠同時支持固/移動陸基網絡接入、寬帶移動接入（例如高速移動）和窄帶數據傳輸（例如話音/數據）的多載波數字信道化衛星通信系統。其中，一條多載波數字通道化的衛星通信線路由如下組成：一條用于在衛星通信信道上對各個信道的信號進行處理和均衡化的數字基頻處理模塊；數字中頻處理模塊，用于將所述基帶信號變換成所述中頻信號；一種用于下轉換、濾波器和放大器的數字射頻前端電路；將所述中頻信號轉換為所述基帶信號的數字下轉換模塊；采用了數字信道技術，實現了基帶信號的信道、均衡。

3.2 衛星鏈路的設計任務

衛星通信鏈路的設計主要包含兩個部分：第一部分是基于已經設定好的中繼器和地面站的參數，計算出地面站所能獲得的載噪之比，并給出對應的發送 EIRP。第二部分是設備的設計，也就是在已經設定好的中繼臺和接收臺的基礎上，以確定地面站的天線大小、傳輸功率等。在工程實踐中，兩者之間存在著一定的交叉。在通信系統的設計中，必須針對通信線路的特點，選取適當的通信方式和通信設備的配置。所以，在星載通信系統中，編碼方式、調制方式、功率放大器的輸出功率、天線口徑等都是設計中的關鍵問題。這4個元素可以有很多種不同的組合來達到需求，而鏈路的設計就是要按照系統的需求、原理等來選擇最佳的組合。

3.3 數字信道化多載波技術

在衛星通信中，多個載波是普遍采用的一種傳輸方式。一般情況下，一條衛星通信系統可以實現多載波的傳輸，這就需要采用正交 FDM、 SFM、多載波，以及直接序列擴展等技術。在此基礎上，采用了 BPSK， QPSK，16QAM等多種調制模式。而在數字通道化技術中，可以實現正交頻分復用，直接序列擴展，或者多載波調制解調器。

3.4 系統設計方法

本文提供了一個靈活、可擴充、高度可配置的星載鏈路。本文包括兩個方面，一個是服務的分析，另一個是服務的設計。在服務分析部分，本文重點針對多載波星載系統的特性，對其業務特征做了比較詳細的分析；在鏈路設計方面，本文從不同頻段對通信網絡進行了詳細的研究。先按照行業特征將行業劃分為若干個類別；然后，針對各種服務的特征，識別出服務的典型情景，并對服務進行連接。

3.5 設計的步驟與方法

本文通過對衛星通信鏈路的研究，對不同頻段下的信號進行對比分析，從而實現不同頻段下信號的有效傳輸。本文確定了人造衛星的通信參量，并估算了一些未知參量。通過對 BER值和 Eb/N0的分析，得出系統的鏈路余度。建立了系統的上行鏈路功率消耗和系統噪聲消耗的數學模型，并計算出系統的載噪比值。根據應答機（是一部能在收到無線電詢問信號時，自動對信號做出回應的電子設備）的增益或對應答機的補償，求出應答機的輸出功率。同時，針對接收地面站，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）的基站作為實例，分別計算各鏈路載波噪聲比，以及各鏈路載波噪聲比。對計算結果進行評價，并將其與需要的特定參數進行對比。如果達不到標準，再將其調整至可接受的總體噪聲比率或信號噪聲比率。只有獲取了能夠被接收的鏈路參數時，才能進行操作。分析衛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，分析和計算鏈路的可靠性。在聯結余量不夠的情況下，可以對該體系進行修正和再設計。對提出的參數的合理性、項目的可行性以及項目的連接預算進行了驗證［3］。

3.6 系統仿真

本文提出了一種基于數字通道的多載波星載通信系統模型。它包括鏈路控制器、信道化模塊、數字信號處理（DSP）模塊、載波調制解調模塊以及基帶信號產生模塊。載波調制解調模塊包括兩個部分，一個是多通道的載波調制，還有一種，則是用來進行解調的。同時，利用 DSP實現了對現有調制、解調信號的信道化，并在此基礎上產生了新的基帶信號。由此，本文提出了一種以 DSP為核心的 DSP產生電路，用以完成 DSP的數字處理。在此基礎上，利用 DSP產生一個基帶信號，將其輸入一個數字調制解調器中，以此完成數字通道的多載波星載通信系統的仿真。

4 結語

利用所建的最優模型，可以求出每個子信道的最優增益以及每個子信道的最優傳輸功率。盡管可以通過某些輔助軟件來降低工作難度，然而，在深入了解這一技術的前提下，必須根據用戶的實際需求，對其進行適當的鏈路設計，以提高其可用性和經濟性。

參考文獻

［1］王麗娜.衛星通信系統［M］.北京：國防工業出版社，2006.

［2］李志國，衛穎.衛星通信鏈路計算［J］.指揮信息系統與技術，2014（1）：73-76.

［3］張洪波.信道編碼技術在衛星通信中的重要應用［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