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        星載轉(zhuǎn)發(fā)器體制研究

        2017-10-09 12:13:05曹強
        世紀之星·交流版 2017年6期
        關(guān)鍵詞:信號系統(tǒng)

        [摘 要]空天信息網(wǎng)絡(luò)的接入網(wǎng)絡(luò)相比地面接入網(wǎng)絡(luò)一個顯著區(qū)別,在于接入性能受衛(wèi)星有效載荷能力制約較大,合理分配衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬資源及功率資源,是實現(xiàn)接入容量最大化的重要因素。本文就衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器類型及各自具有的特點進行粗略介紹。

        [關(guān)鍵詞]轉(zhuǎn)發(fā)器

        隨著通信技術(shù)不斷發(fā)展和終端類型的日益增多,寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)的格局,單址、單頻、單星窄帶的現(xiàn)象逐漸被多址、多頻和多星寬帶的網(wǎng)絡(luò)模式所替代,其中對以高容量、高靈活性的數(shù)學(xué)信道化衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研究最為突出,而數(shù)字信道化衛(wèi)星通信系統(tǒng)的形成,衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的不斷改進起著不可磨滅的作用,所以下面具體介紹衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器類型及各自具有的特點,并確定未來發(fā)展方向。

        一、轉(zhuǎn)發(fā)器分類

        1.透明轉(zhuǎn)發(fā)器

        透明轉(zhuǎn)發(fā)的信號交換過程是在模擬濾波器和中頻交換矩陣中實現(xiàn)的,如果信號的載波頻率不發(fā)生大的改變,那么信號調(diào)制和解調(diào)的類型以及編碼譯碼的準則變化對透明轉(zhuǎn)發(fā)器影響甚微,這些特性造就了透明轉(zhuǎn)發(fā)器性能靈活,適應(yīng)上下行鏈路通信協(xié)議的能力較強,因此,透明轉(zhuǎn)發(fā)器依舊是目前大多數(shù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的首要選擇方式,然而它也存在不可忽略的缺陷,比如星上信號交換矩陣全部屬于硬連接范疇,且網(wǎng)絡(luò)路由是固定選擇模式,使得系統(tǒng)不能隨著業(yè)務(wù)量的變化而變化,信號交換帶寬一般情況下都需要占用轉(zhuǎn)發(fā)器的全部帶寬,甚至以波束為單位進行信號的交鏈,無法進行較為細致的交換行為,此外,由于高功率放大器存在的非線性的問題,通常需要在多載波的情況下還必須采取一定的功率回退措施,導(dǎo)致系統(tǒng)容量、頻率資源利用率的部分降低。

        2.再生式轉(zhuǎn)發(fā)器

        轉(zhuǎn)發(fā)整個過程包括對信號的解調(diào)、譯碼、編碼和調(diào)制等一系列處理單元,所以相比較透明轉(zhuǎn)發(fā)器而言,再生式轉(zhuǎn)發(fā)器可以有效地提高通信系統(tǒng)的容量和頻率資源利用率,尤其是利用自適應(yīng)編碼技術(shù)使得系統(tǒng)的性能進一步達到了提升。顯而易見,此種模式的星載處理器相比較透明轉(zhuǎn)發(fā)器來說,其物理層中信號處理單元是體現(xiàn)其優(yōu)越性能的核心技術(shù),但是這種依賴物理層的星載處理器也存在很大的風(fēng)險,如衛(wèi)星在其服役的整個生涯過程中,一旦上下行鏈路的通信協(xié)議進行了升級更新,則可能導(dǎo)致衛(wèi)星通信系統(tǒng)無法有效地收發(fā)數(shù)據(jù),完全處于癱瘓狀態(tài)。從這方面來看,其適應(yīng)性相比較透明轉(zhuǎn)發(fā)器來說差很多,目前,僅有少數(shù)的衛(wèi)星搭載此類轉(zhuǎn)發(fā)器。

        3.數(shù)字信道化轉(zhuǎn)發(fā)器

        透明轉(zhuǎn)發(fā)器和再生式轉(zhuǎn)發(fā)器既有突出的優(yōu)點又有不可忽略的缺陷,那么存不存在一種可以將這兩種方式結(jié)合在一起的辦法呢?伴隨軟件無線電知識的不斷更新,此問題有了最佳答案,即軟件定義有效載荷(Software Define payload,SDP)方式,即將透明轉(zhuǎn)發(fā)器靈活性強但無法適應(yīng)業(yè)務(wù)量變化的特點和再生式轉(zhuǎn)發(fā)器純依賴物理層提升系統(tǒng)容量的特點結(jié)合在一起,做到揚長避短,互相兼容,從理論上提升轉(zhuǎn)發(fā)器處理信號的效率,但是這種理想轉(zhuǎn)發(fā)器方式在經(jīng)過人們長時間研究和實踐操作之后,始終在設(shè)備體積、重量、功耗等難題上無法跨越,與SDP所描述的思想存在很大的差距,所幸的是近年來數(shù)字信號處理技術(shù)的不斷完善,并伴隨著芯片制造工藝的日益精良,人們結(jié)合這兩種技術(shù)設(shè)計了數(shù)字信道化轉(zhuǎn)發(fā)器模型,并且通過它實現(xiàn)了部分SDP的功能。

        數(shù)字信道化轉(zhuǎn)發(fā)器信號處理具體過程為:衛(wèi)星接收天線接收到衛(wèi)星上行信號之后,送入低噪聲放大器中進行放大,放大的信號被傳送給下變頻單元變?yōu)楹线m的中頻信號送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并傳入數(shù)字域中進行處理,送進來的數(shù)字信號經(jīng)過信道解復(fù)用、數(shù)字信道交換、信道復(fù)用三個單元處理之后再變換為模擬信號,經(jīng)過上變頻和高功放,之后由衛(wèi)星發(fā)射天線送出,從而完成了整個星載信號交換過程。

        相比較透明轉(zhuǎn)發(fā)器而言(信號交換時占據(jù)整個信道的帶寬),此種轉(zhuǎn)發(fā)器中信號交換帶寬要節(jié)省得多。而且利用數(shù)字信道化技術(shù)能夠使得上行信道在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中被分為若干個子信道,其信道帶寬窄,便于系統(tǒng)根據(jù)實際情況進行合理地選擇配置,按需分配;系統(tǒng)還可以復(fù)制單個子信道用來進行廣播、組播和抑制備用信道等等,以上數(shù)字信號化器的特點使得系統(tǒng)在數(shù)字域中對鏈路損耗進行一定的補償,降低高功率放大器的非線性效應(yīng),提高通信靈活性和可靠性,達到衛(wèi)星信號與頻率資源之間的靈活互換。

        二、轉(zhuǎn)發(fā)器體制選擇

        從各種轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)體制的特點分析,數(shù)字信道化轉(zhuǎn)發(fā)器的特點更加適應(yīng)未來衛(wèi)星通信系統(tǒng)多頻、多址、多星和多波束的特點,應(yīng)該將它作為天基寬帶接入衛(wèi)星系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)器采用的模式。目前,采用此有轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)的衛(wèi)星有:亞洲蜂窩衛(wèi)星(Aces)系統(tǒng)的Garuda-1,Thuraya衛(wèi)星系統(tǒng),國際海事衛(wèi)星 Inmarsat-4、美國移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)SkyTerra以及移動用戶目標系統(tǒng)(MUOS)、寬帶全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)(WGS)等。而上述衛(wèi)星中除了WGS之外,其他數(shù)字信道化衛(wèi)星通信系統(tǒng)全部屬于窄帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)范疇,并且要求各個用戶終端子信道帶寬全部相同。與WGS通信系統(tǒng)相比,它們在通信過程中靈活性稍差,通信容量和頻帶利用率方面稍顯遜色。而WGS作為美軍未來軍事衛(wèi)星體系中新一代寬帶衛(wèi)星系統(tǒng),為美軍獲取各種信息情報提供了迅速且精確地通信服務(wù)保障,滿足了各種空中通信任務(wù)額外的轉(zhuǎn)換需求,提供了其他衛(wèi)星所不能提供的重要特征。所以,未來空天信息網(wǎng)絡(luò)寬帶接入衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器體制可以借鑒WGS的轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)體制進行設(shè)計。

        作者簡介:曹強(1967-),男,浙江嘉興人,武警士官學(xué)校教授,研究方向:船舶輪機、船舶通信技術(shù)。

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