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》