数字信道化多载波卫星通信系统的优化设计

叶益龙

摘要：针对多载波星载通信系统，文章建立了一种基于数字信道化的多载波星载通信系统的链路支撑优化模型。通过对此模型的求解，可以获得每个子信道的最优增益以及每个子链路的最优传输功率。然后，研究一种链路支持模式下的卫星接收系统，以减小各载波间的功率差别，实现系统工作点向饱和点移动。由此，提高了接收机的能量利用效率，从而促进我国通信事业的发展。

关键词：数字信道化；卫星通信系统；多载波；链路可支持性

中图分类号：TN927  文献标志码：A

0 引言

随着通信技术的不断进步，业务特点以及终端的设计也在不断地革新。其中，围绕着终端与用户之间的连接设计是一个非常关键的问题。为了保证业务数据的传输，需要对卫星链路进行合理的设计和管理。在此基础上，将其与地面业务网相连接，以达到对其进行设计与管理的目的。但是，卫星自身的物理特性、接收端的性能以及卫星的轨道等都会对其产生影响。若使用一条全卫星线路传送流量资料，则该线路是可靠且有效的。该课题的研究结果对陆基/固网、单双工、窄带服务等领域都有较大的实用意义。但是，这一问题对宽带（或多址）卫星通信系统，尤其是对要求动态接入、话音/数据传输的场合，具有很大的挑战。在进行通信链路设计时，要综合考虑多种因素，如用户设备特性、卫星信道特性等。本文主要目的为探索一种灵活的、可扩充的、可配置的数字多载波卫星通信的连接模式。本文的研究成果将为宽带移动接入、窄带数据传输、陆基/移动通信等业务的发展提供一种全新的技术手段。

1 卫星通信系统链路的定义与分类

1.1 定义

在卫星通信系统的信息传送中，一个传送链路由一个地球站、一个上行链路、一个卫星转发器、一个下行链路、一个接收地球站组成。按照其在时空上的分布，又可分为星间链路和星地链路。其传输特性受发送方的传输功率、天线增益、传输过程中的损失、传输过程中的噪声和干扰、接收方的天线增益和噪声等多种因素的影响。在此情形中，为了确保发送容量，对接收器的输入信号的噪声进行更严格的控制是必要的。

1.2 分类

一是星地链路，它的传输损失与近地大气层中的多种因素共同决定。二是星间链路，在对流层、平流层、电离层和外层空间中，卫星无线电波的传播同样受到很多因素的影响。

2 卫星通信链路性能

2.1 卫星通信链路

卫星通信链路是由一颗通信卫星在发射台与接收台间传递的一条信号传输通道。在这种情况下，从发送台向卫星发送的链路被称作上行链路，而从卫星发送到接收台的链路被称作下行链路。卫星通信链路包括发射地面站、上行链路、卫星转发器、下行链路、接收地面站，常见的链路类型如表1所示。

应答机在通信卫星中是非常重要的，其中，最常用的应答机有加工应答机（将接收到的信号再解调，并进行传输）以及透明应答机。该系统仅须将接收到的信号转换成数字信号，并将其放大，实现简单，成本低廉，它的使用范围很广。这里所描述的都是基于一个透明的转发器的通信链路。由于上行链路信号没有经过任何处理，传输过程中会产生衰减，同时还会产生一些噪声，而噪声又会对下行链路产生影响，因此，总体通信质量与下行链路和上行链路的质量有很大的关系。为了保证信号的可靠度，常用的指标是接收端的信噪比。在数据传输中，比特错误是影响数据传输质量的主要因素之一。这些杂音都是从接收机那里传出来的。目前，大部分的卫星通信系统都使用QPSK，8PSK等数字频率调相技术，它的振幅是根据载频信号的振幅来确定的。一般而言，对卫星通信的评估，都是以载波对噪声的比值（简称载噪比）来进行的，不同链路类型所需的门限载噪比如表2所示。利用上下行链路的载噪比值，对链路中的信道特性进行了分析，探讨了影响上下行链路信道特性的关键因素［1］。

2.2 通信品质的影响因子

2.2.1 扩散损耗

在上下行链路中，电磁波传输损耗主要包括：自由空间中的能量散射损耗；空气中的氧分子和水蒸气对空气中的辐射损耗。

2.2.2 噪声

在上下行链路中，各个重要节点的噪声源是不同的，在通信终端中，大气噪声、接收天线噪声和接收系统噪声是影响通信质量的重要因素；地站接收端噪声包括地站天线噪声、上行链路噪声、接收机内噪声和其他通信系统所引起的噪声。本文提供了一种时延多重存取系统，其中，在地面站的接收机终端处的总体噪声是上行链路和下行链路的总体噪声。但是，对于频分复用系统，由于要对多个载波进行同步放大，以及响应机行波管的非线性，因此，在接收系统中，存在着上传链路、下传链路以及来自星载应答机的交变噪声。这3种成分的噪声在到达接收站的接收机输入端时彼此混合，但因为各成分的噪声彼此独立，因此3个分量的噪声可以被加上。

2.2.3 扰动

在工程链路的设计中，还要考虑到对载体的多种干扰，其中包括邻近的上行星和下行星對载体的干扰。从同一颗卫星上传到的上行链路和下行链路干扰。而这种干扰又会在载波接收机上产生噪声，这就给整个卫星通信带来了很大的冲击。另外，在链路仿真过程中，通常可以通过系统设计、站点选址等方法来克服基站间的调制、相邻中继间的干扰、相邻载波间的干扰以及地面环境等因素的影响。

2.2.4 雨水的衰减

在多雨天气条件下，由于雨水的存在，在空气中传输的电磁波将发生明显的衰减，其衰减程度与降水量、发射信号的频率等因素密切相关。其影响主要体现在以下几个方面：一是会使信号产生衰减；二是将导致受话器的噪声升高。Ku频段的卫星通信受降水衰减及地理位置等因素的影响，具体计算可参考ITU-R564-4中的方法。

2.2.5 输入量和输出量补偿

为了防止或减小FDMA系统中相互调制的影响，可以对行波管进行输入补偿，并尽可能保证行波管工作在一个线性的工作状态。一般情况下，随着输入补偿的增加，系统之间的干扰将被削弱甚至被消除，从而降低了系统的输出功率，但是在上行、下行链路中的载噪比也将降低，使得转发器的性能不能充分发挥。为确保星载链路在最佳发射状态下运行，需要对星载链路进行适当的补偿。

2.2.6 其他损失

传统的下行链路算法一般采用全向等效辐射功率 EIRP或者饱和通量密度 Ws来表示，但在对星过程中，会因天体漂移、天线跟踪误差等因素而使对星角与理论角发生偏差，从而造成天线跟踪误差损失。在同一台接收机中，由于接收端的光束方向不同，使得 EIRP在不同的接收机之间也有较大的差异。在实际应用中，等高线的边界（最差）和等高线的中央（最佳）是指标值，其他的点是指标值。另外，法拉第扭曲会使线偏振电磁波在穿过电离层时发生偏振效应，从而引起偏振损失［2］。

3 数字信道化多载波卫星通信系统链路模型

3.1 系统模型概述

本文研究的是一种能够同时支持固/移动陆基网络接入、宽带移动接入（例如高速移动）和窄带数据传输（例如话音/数据）的多载波数字信道化卫星通信系统。其中，一条多载波数字通道化的卫星通信线路由如下组成：一条用于在卫星通信信道上对各个信道的信号进行处理和均衡化的数字基频处理模块；数字中频处理模块，用于将所述基带信号变换成所述中频信号；一种用于下转换、滤波器和放大器的数字射频前端电路；将所述中频信号转换为所述基带信号的数字下转换模块；采用了数字信道技术，實现了基带信号的信道、均衡。

3.2 卫星链路的设计任务

卫星通信链路的设计主要包含两个部分：第一部分是基于已经设定好的中继器和地面站的参数，计算出地面站所能获得的载噪之比，并给出对应的发送 EIRP。第二部分是设备的设计，也就是在已经设定好的中继台和接收台的基础上，以确定地面站的天线大小、传输功率等。在工程实践中，两者之间存在着一定的交叉。在通信系统的设计中，必须针对通信线路的特点，选取适当的通信方式和通信设备的配置。所以，在星载通信系统中，编码方式、调制方式、功率放大器的输出功率、天线口径等都是设计中的关键问题。这4个元素可以有很多种不同的组合来达到需求，而链路的设计就是要按照系统的需求、原理等来选择最佳的组合。

3.3 数字信道化多载波技术

在卫星通信中，多个载波是普遍采用的一种传输方式。一般情况下，一条卫星通信系统可以实现多载波的传输，这就需要采用正交 FDM、 SFM、多载波，以及直接序列扩展等技术。在此基础上，采用了 BPSK， QPSK，16QAM等多种调制模式。而在数字通道化技术中，可以实现正交频分复用，直接序列扩展，或者多载波调制解调器。

3.4 系统设计方法

本文提供了一个灵活、可扩充、高度可配置的星载链路。本文包括两个方面，一个是服务的分析，另一个是服务的设计。在服务分析部分，本文重点针对多载波星载系统的特性，对其业务特征做了比较详细的分析；在链路设计方面，本文从不同频段对通信网络进行了详细的研究。先按照行业特征将行业划分为若干个类别；然后，针对各种服务的特征，识别出服务的典型情景，并对服务进行连接。

3.5 设计的步骤与方法

本文通过对卫星通信链路的研究，对不同频段下的信号进行对比分析，从而实现不同频段下信号的有效传输。本文确定了人造卫星的通信参量，并估算了一些未知参量。通过对 BER值和 Eb/N0的分析，得出系统的链路余度。建立了系统的上行链路功率消耗和系统噪声消耗的数学模型，并计算出系统的载噪比值。根据应答机（是一部能在收到无线电询问信号时，自动对信号做出回应的电子设备）的增益或对应答机的补偿，求出应答机的输出功率。同时，针对接收地面站，建立链路功率噪声平衡模型，选取处于波束成形边缘（最坏情况）的基站作为实例，分别计算各链路载波噪声比，以及各链路载波噪声比。对计算结果进行评价，并将其与需要的特定参数进行对比。如果达不到标准，再将其调整至可接受的总体噪声比率或信号噪声比率。只有获取了能够被接收的链路参数时，才能进行操作。分析卫星链路中的传输条件，判断上行链路、下行链路中的雨量衰减，分析和计算链路的可靠性。在联结余量不够的情况下，可以对该体系进行修正和再设计。对提出的参数的合理性、项目的可行性以及项目的连接预算进行了验证［3］。

3.6 系统仿真

本文提出了一种基于数字通道的多载波星载通信系统模型。它包括链路控制器、信道化模块、数字信号处理（DSP）模块、载波调制解调模块以及基带信号产生模块。载波调制解调模块包括两个部分，一个是多通道的载波调制，还有一种，则是用来进行解调的。同时，利用 DSP实现了对现有调制、解调信号的信道化，并在此基础上产生了新的基带信号。由此，本文提出了一种以 DSP为核心的 DSP产生电路，用以完成 DSP的数字处理。在此基础上，利用 DSP产生一个基带信号，将其输入一个数字调制解调器中，以此完成数字通道的多载波星载通信系统的仿真。

4 结语

利用所建的最优模型，可以求出每个子信道的最优增益以及每个子信道的最优传输功率。尽管可以通过某些辅助软件来降低工作难度，然而，在深入了解这一技术的前提下，必须根据用户的实际需求，对其进行适当的链路设计，以提高其可用性和经济性。

参考文献

［1］王丽娜.卫星通信系统［M］.北京：国防工业出版社，2006.

［2］李志国，卫颖.卫星通信链路计算［J］.指挥信息系统与技术，2014（1）：73-76.

［3］张洪波.信道编码技术在卫星通信中的重要应用［J］.广播电视信息，2015（8）：163-165.

（编辑 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