Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

70年代后期，國外一些空間研究機(jī)構(gòu)就開始致力于開發(fā)新的空間技術(shù)，以拓寬衛(wèi)星通信的應(yīng)用范圍。由于L、C、X、Ku等頻段不能滿足高速、寬帶、小口徑終端等應(yīng)用的需求，當(dāng)時(shí)就已把開發(fā)Ka頻段衛(wèi)星通信技術(shù)列為研究項(xiàng)目。經(jīng)過20多年的研究與試驗(yàn)，Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)已進(jìn)入實(shí)用化階段。

1.系統(tǒng)特性

Ka頻段的優(yōu)點(diǎn)是可用帶寬寬，干擾少，設(shè)備體積小。因此，Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)可為高速衛(wèi)星通信、千兆比特級(jí)寬帶數(shù)字傳輸、高清晰度電視（HDTV）、衛(wèi)星新聞采集（SNG）、VSAT業(yè)務(wù)、直接到家庭（DTH）業(yè)務(wù)及個(gè)人衛(wèi)星通信等新業(yè)務(wù)提供一種嶄新的手段。Ka頻段的缺點(diǎn)是雨衰較大，對(duì)器件和工藝的需求較高，但這些都可以采取相關(guān)技術(shù)手段予以克服�？傊�，Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要是在提供雙向多媒體業(yè)務(wù)方面具有較大優(yōu)勢(shì)。

（1）網(wǎng)狀和星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 為了提高頻段利用率，減少時(shí)延，直接到用戶（DTU）鏈路一般采用網(wǎng)狀網(wǎng)，與公網(wǎng)（PSTN、ISDN等）互連的鏈路則優(yōu)先采用星狀網(wǎng)。
    （2）開網(wǎng)和閉網(wǎng) 開網(wǎng)一般用于公網(wǎng)，閉網(wǎng)則用于特殊用戶的專網(wǎng)。
    （3）標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議 多種傳輸協(xié)議共存，尤其是當(dāng)同一用戶需要多種業(yè)務(wù)時(shí)，大多數(shù)Ka頻段系統(tǒng)選擇ATM或準(zhǔn)ATM協(xié)議。
    （4）多波束覆蓋 為了提高衛(wèi)星等效全向輻射功率（EIRP），Ka頻段衛(wèi)星波束一般較窄（1°～2°）。因此，若要覆蓋一個(gè)國家或地區(qū)，需要設(shè)置多波束。
    （5）頻譜可多次利用 由于是多波束使用，頻譜利用率高。
    （6）星上處理及交換。
    （7）傳輸速率范圍寬。
    （8）小用戶終端 在同等條件下，其用戶終端要比 C／ Ku頻段的小。對(duì)DTU鏈路來說，典型的無線口徑為0.6～2m，具體取決于鏈路余量及所處雨區(qū)。

2.信道預(yù)算及仿真

鑒于Ka頻段系統(tǒng)在頻段、信道特性、空間資源、應(yīng)用業(yè)務(wù)等方面的特點(diǎn)，在進(jìn)行信道預(yù)算時(shí)，可利用仿真軟件來模擬各種信號(hào)處理、濾波器、非線性放大、混頻等通信環(huán)節(jié)的性能特性，進(jìn)而仿真出各種系統(tǒng)性能。美國RST公司的ACOLADE仿真軟件是基于WINDOWS操作系統(tǒng)的傳輸鏈路層仿真軟件包，主要用于無線通信系統(tǒng)的仿真，比較適合衛(wèi)星通信傳輸鏈路設(shè)計(jì)。它采用層次化框圖結(jié)構(gòu)表示欲仿真的通信系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)仿真通信系統(tǒng)的信息流波形。ACOLANE仿真可以分成4個(gè)基本步驟：（1）用信號(hào)流框圖建立系統(tǒng)仿真模型；（2）產(chǎn)生代表各種信號(hào)的樣本函數(shù)；（3）根據(jù)系統(tǒng)組成的功能框圖，進(jìn)行離散時(shí)間信號(hào)處理；（4）存儲(chǔ)仿真波形，處理后獲得系統(tǒng)各種性能指標(biāo)。

下面我們利用ACOLADE仿真軟件進(jìn)行Ka頻段衛(wèi)星通信鏈路性能仿真。用一偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器作為數(shù)據(jù)源模型，產(chǎn)生數(shù)據(jù)比特流，該數(shù)據(jù)流經(jīng)級(jí)聯(lián)編碼器送入 QPSK調(diào)制器。級(jí)聯(lián)編碼器用 （256，223）Reed－Solomon碼作外碼，用約束長度為人碼率為1／2的卷積碼作內(nèi)碼。固態(tài)放大器（SSPA）的 AM／AM、AM／PM特性參照Ferranti公司的SSPA特性，行波管放大器（TWTA）的AM／AM、AM／PM特性參照INTELSATTWTA特性。上／下行鏈路噪聲均用高斯噪聲源模擬產(chǎn)生。接收機(jī)為一個(gè)積分清洗匹配濾波器后接一個(gè)檢測(cè)器。

系統(tǒng)中各點(diǎn)信號(hào)的復(fù)包絡(luò)可通過多個(gè)正交星座圖（I／Q）進(jìn)行觀測(cè)�？梢钥吹剑�發(fā)射機(jī)輸出瑞信號(hào)由于沒有噪聲和任何失真，星座圖為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正方形。信號(hào)經(jīng)過非線性SSPA后，出現(xiàn)一些波動(dòng)和失真。到達(dá)接收機(jī)輸入端的信號(hào)由于疊加了上／下行鏈路噪聲及星上TWTA的放大，出現(xiàn)較大波動(dòng)和失真。收端IIR濾波器用來濾除帶外干擾和噪聲。從接收機(jī)輸出星座圖可以看出，當(dāng)Eb／No增加時(shí)，該星座圖變得越來越清晰。

Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈路預(yù)算方法與C／Ku頻段基本相同，主要區(qū)別在雨衰。Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈路可用率范圍為99.5%～99.8%，其雨衰的典型范圍為6～9dB。因此，不能簡單地通過增加星上EIRP來克服雨衰。由于以下原因，通過采用自適應(yīng)編碼技術(shù)，可以在獲得較高系統(tǒng)容量的情況下，提高系統(tǒng)可用率。