通信卫星转发器系统的仿真设计

徐海生

中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄，050000

0 引言

现阶段，在5G时代背景下，卫星通信技术得以迅猛发展，这无疑增加了通信卫星转发器系统内部结构的复杂度，增加了该系统的研发难度，从而引发了极大的人力成本、物力成本和财力成本，而计算机辅助设计技术的应用，可以很好地解决这一问题，通过利用该技术，完成对4通道C频道通信卫星转发器系统的设计，可以在第一时间内及时发现和处理该系统异常问题，从而提前预防和管控系统隐形故障问题，为进一步提高该系统的风险防控能力提供重要技术支持。所以，在计算机辅助设计技术的应用背景下，如何科学地设计4通道C频道通信卫星转发器系统是技术人员必须思考和解决的问题。

1 转发器系统概述

转发器系统主要用于对地面站内微弱信号的及时接收，并对接收到的微弱信号进行转换处理，使其被直接转换为下行信号和上行信号，一旦发现补偿空间段出现严重衰减现象，转发器系统可以凭借自身的高灵敏接收能力以及大功率发射能力，对这一问题进行处理。转发器系统原理框图如图1所示，可以看出，该系统主要是由输入多工器、输出多工器、功率放大器、电源、微波开关等部分组成。该系统工作原理如下：首先，向滤波器内输入所接收到的上行信号，然后，利用低噪声放大器，对滤波器的宽带进行放大处理，同时，利用接收机内置的变频器，对所接收到的信号频率进行处理，使其被直接转换为下行信号；接着，利用分路滤波器，对大量的通道进行智能化控制，并利用多台功率放大器，对所获得的信号功率进行放大处理；最后，借助输出多工器，对信号功率进行合成处理，当信号功率合成结束后，需要利用发射天线，将形成的下行信号发送到地面站中，此时，信号中继转发工作圆满完成。对于转发器系统而言，在实际运行中，通常表现出较高的通信能力和信号处理能力，可以结合当前卫星轨道状况，精确地计算出卫星的工作频率、输出功率，同时，还能对转发器的变频噪声和下行功率进行精确化计算。另外，转发器系统主要涉及了输入输出特性、谐波和杂波特性、噪声系数、误码率等参数特性，接下来，分别对这些参数特性进行仿真设计，从而确保转发器系统具有更加稳定的性能指标，为进一步提高该系统的运行性能、保证系统卫星通信能力打下坚实的基础。

图1 转发器系统原理框图

2 转发器系统仿真设计

为了更好地完成该系统仿真设计目标，技术人员要结合转发器系统实际设计需求，对仿真部件和模块电路进行规范化封装处理，从而形成若干个单机模型，然后，将这些单机模型结合为一个完整的单通道转发器[1]，便于后期单通道仿真设计工作的有效开展。通过采用单通道仿真方法，可以有效地验证系统输入输出特性、噪声系数等特性测试结果的精确性。最后，还要对输入多工器和输出多工器进行一系列的优化和改造，从而形成如图2所示的转发器系统单通道电路模型。从图2可以看出，该模型主要是由输入滤波器、输入多工路、功率放大器和输出多工器等部分组成。

2.1 转发器系统输入输出仿真设计

系统输入输出指标作为转发器系统的重要指标，可以真实、有效地反映出该系统输出功率大小。在对该系统进行联调期间，需要从输入输出调试入手，当输入信号逐渐增加时，转发器增益曲线会逐渐变为饱和状态[2]，此时，采用信号源设置的方式，将输出功率点统一设置为1dB压缩点，在此基础上，通过对衰减器进行科学匹配，可以精确地确定出衰减器当前位置坐标，确保该系统即使处于噪声环境下也能正常、稳定地工作。在测试期间，经常会受到电缆的影响，导致功率放大器的输出曲线出现一定程度的波动。为了解决这一问题，需要采用多次配平增益的方式，获得最佳性能指标[3]。另外，还要在全面结合转发器动态变化特点的基础上，将该系统电平扫描范围设置为-110～-80dBm，C频段转发器系统输入输出仿真特性图和仿真增益图分别如图3、图4所示。从图3、图4中可以看出，当系统仿真输入频率达到-89dBm时，其输出功率达到额定值，此时，通道匹配衰减器可以从原来的3dB逐渐上升到130dB额定增益值，说明本次仿真结果可以很好地满足该系统的指标要求。通过将该仿真结果与实物测试数据进行对比分析，该系统输入输出特性取得良好的仿真模拟效果，有效地保证系统初步电平配置效率和效果。

图3 C频段转发器系统输入输出仿真特性图

图4 C频段转发器系统仿真增益图

2.2 转发器系统谐波和杂波特性仿真设计

电源杂波对该系统输出谐波和杂波产生了直接性的影响，一旦通道滤波器没有得到有效抑制，将会导致该系统的谐波和杂波特性出现进一步恶化[4]。为了避免以上不良现象的发生，现利用转发器模型，对该系统谐波和杂波进行真实化仿真处理，提前预测和了解该系统的谐波和杂波特性[5]。另外，还要将输入信号传输到转发器输入端中，确保该系统通道快速进入最佳工作状态。在此基础上，还要利用转发器系统模型[6]，落实好谐波和杂波扫描平衡工作，从而获得如图5所示的转发器系统单通道仿真谐、杂波特性图。从图5～6中可以看出，当二次谐波幅值达到-158dBm时，系统通道所对应的幅值会出现显著提升现象，这表明该系统整体谐波和杂波控制效果良好。

图5 转发器系统单通道仿真谐、杂波特性

转发器系统4通道仿真谐、杂波特性如图6所示。从图6中可以看出，当通道数量不断上升时，通道内会出现大量的混频产物，这无疑增加了通道间的干扰程度[7]。当测量幅度被控制在-30dBm以下时，其干扰影响程度可以忽略不计。此时，如果继续增加通道数量，将会导致该系统功率电平出现较大的波动。所以，对功率放大器进行回退处理，可以起到降低通道干扰幅度的作用。

图6 转发器系统4通道仿真谐、杂波特性

2.3 转发器系统噪声系数仿真设计

噪声系数的接收量以及滤波器的损耗程度会对转发器系统噪声系数大小产生直接性的影响，同时，还还会对转发器系统的G/T指标产生直接影响[8]，甚至还会直接影响用户的使用体验。对于输入滤波器而言，其带宽通常为160MHz，通过对该系统噪声特性进行全面的扫描，可以全面地了解和掌握当前中频滤波器的特性变化情况。当该系统噪声功率达到65dB时，通过采用仿真分析法，可以全面地了解该系统噪声系数特性，由于C段所对应的增益值相对较高，所以并不会对36MHz边带产生不良影响。转发器噪声系数仿真结果如图7所示。从图7可以看出，与C频段输入滤波器性能相比，C频段接收机性能基本吻合，其噪声系数均被控制在1.5以下，完全符合转发器系统指标控制的相关标准和要求。在对该系统噪声系数进行实际测量期间，主要用到了Agilent346AC噪声源，通过利用该噪声源测量，发现该系统在全输入频段内所对应的噪声系数均在1.8以上，有效地保证了该系统最终仿真设计的科学性和合理性。

2.4 转发器系统误码率仿真设计

为了直观、形象地观察该系统通信性能，在对该系统误码率进行仿真期间，借助利用上下性链路，将图片信息安全、可靠地传输到地面站中[9]，通过全面地对比所接收的图片信息和所发射的图片信息，精确地判断该系统的通信性能。同时，经过仿真测量系统误码率后，发现所发射的图片在实际传输期间，要事先转换为十进制数据[10]，然后在地面站进行发送，地面站发送图片信息和接收图片信息代码如下：

Handles=imead(’：＼Picture.jpg’)；

fp=fopen(’.＼Picture—RGB—Send.txt，’wt’)；//wt表示在文件尾部写入数据

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))；//将每个数据写入句柄fp文件

fprintf(fp，’＼n’)； //将每个数据在文件用换行隔开

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)；//显示接收图片

3 转发器系统实测结果分析

3.1 转发器系统实物测试情况

对于转发器系统而言，其所用到的事务测试方法主要用到了电性件产品，该产品属于系统C频段，并采用自制单检控制法[11]，对Agilent6675A程控电源进行远程化控制。此外，所选用的测试系统主要是由台E8257D信号源和频谱仪RSFSUP50两个部分组成，该系统测试流程如下：首先对需要测试的系统进行校准处理，并将上行电缆和下行电缆安全、可靠地连接到开关柜阵中，然后借助开关柜阵的幅度平坦度特性，测试系统会自动显示最终测量结果。

3.1.1 输入输出测量方法

通过利用AgilentVEE软件，对信号源和开关柜阵进行远程化控制，该系统输入输出测量流程如下：首先，利用上行输入频率，单10MHz参考源连接到进入启动状态的转发器系统中，然后利用频谱仪，完成对下行输出频率的科学设置；其次，对计算机所对应的运行程序进行实时控制和调整，确保输入输出扫描结果的精确性和真实性；最后，使用功率计对绘制好的曲线进行矫正。

3.1.2 谐、杂波测量方法

通过将上行信号安全、可靠地输入到功率计中，确保该系统所对应的输出工作始终集中分布于饱和点附近。同时，借助频谱分析对谐波幅值和杂波幅值进行精确化测量。经过测量发现，谐波始终在噪声-80dBm以下，有效地验证了转发器系统设计的科学性和合理性。

3.1.3 噪声系数测量方法

在对系统噪声系数进行测量期间，要利用噪声源，对该系统进行校准，然后，将上行电缆连接到C频道转发器接口处，并确保最终测量结果控制在1.8以下。

3.1.4 误码率测量方法

通过将两个信号源输入频率以及信号间隔频率分别设置为F0-2.5MHz、F0+2.5MHz、5MHz，然后，将上行信号安全、可靠地注入到转发器系统中。此时，采用控制计算机的方式，对开关柜阵的输出功率进行科学调节，并利用频谱仪器，实现对交调信号幅度值的全面化采集。

3.2 转发器系统的仿真与实测数据对比分析

通过对该系统进行建模仿真设计，完成对4通道C频道通信卫星转发器系统的科学设计。通过对该系统地面联试过程进行真实化模拟，全面地仿真分析了该系统的输入输出特性、谐、杂波特性、噪声系数和误码率等特性，并得到如表1所示的转发器系统通道性能仿真结果。

表1 转发器系统通道性能仿真结果

从表1中的数据可以看出，仿真结果与实际测试结果会存在一定的误差，其根本原因是由于仿真建模方法存在差异。由于选用了滤波器，所以，幅频特性相对较高，经过对比，发现本文所采用的转发器系统仿真设计方案在某种程度上提高了4通道C频道通信卫星转发器系统的研发质量，使得该系统能够正常、稳定、安全地运行。

4 结语

综上所述，在计算机辅助设计技术的应用背景下，本文通过对4通道C频道通信卫星转发器系统进行仿真设计，不仅可以有效地验证系统仿真建模的有效性和可靠性，还能全面分析转发器系统性能的影响因素，及时发现和定位系统当前出现的故障问题，并采用行之有效的解决方案，提前解决系统故障问题，使得系统具有较高的风险防控能力，为进一步提高转发器系统研发效率和效果创造了良好的条件。