● 文|南京中網(wǎng)衛(wèi)星通信股份有限公司 李瑋 張偉

基于CDMA機(jī)載動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用

● 文|南京中網(wǎng)衛(wèi)星通信股份有限公司 李瑋 張偉

首先簡(jiǎn)單介紹了動(dòng)中通天線在機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，重點(diǎn)說(shuō)明了小型動(dòng)中通天線使用的局限性，通過(guò)引入CDMA擴(kuò)頻機(jī)制來(lái)有效降低小口徑天線存在的鄰星干擾，實(shí)現(xiàn)不同終端的頻率復(fù)用，最后對(duì)CDMA Modem在機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了可行性分析。

CDMA 動(dòng)中通衛(wèi)星天線 衛(wèi)星通信 鄰星干擾

一、引言

在社會(huì)需求和技術(shù)發(fā)展雙重推動(dòng)下，我國(guó)衛(wèi)星通信行業(yè)取得了較快進(jìn)步并不斷向更高的水平創(chuàng)新與發(fā)展。由于VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)中小站設(shè)備的天線口徑小，站點(diǎn)安裝方便、接入靈活等特點(diǎn)，世界各個(gè)國(guó)家紛紛在籌建衛(wèi)星地面站、車載站、船載站及機(jī)載站，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景不同廣泛服務(wù)于各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域[1]。隨著在移動(dòng)中實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，各行業(yè)用戶日益增多，作為一種體積小、重量輕、安裝維護(hù)方便的小口徑終端——“動(dòng)中通”，其技術(shù)的不斷成熟也從車載、船載逐漸應(yīng)用于更高要求的機(jī)載衛(wèi)星通信。

二、機(jī)載動(dòng)中通市場(chǎng)應(yīng)用前景

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的高速發(fā)展，覆蓋范圍廣、可靠性高的衛(wèi)星通信正成為解決空地寬帶數(shù)據(jù)通信的首要手段。機(jī)載動(dòng)中通衛(wèi)星通信是一種有效的高空移動(dòng)通信的接入方式，它具有通信距離遠(yuǎn)、通信質(zhì)量可靠、組網(wǎng)方便靈活，形成飛機(jī)在高速航行中通過(guò)衛(wèi)星與地面站遠(yuǎn)距離、不間斷業(yè)務(wù)通信，如圖1所示。在飛機(jī)上加裝衛(wèi)星通信系統(tǒng)，可將飛行數(shù)據(jù)參數(shù)、視頻監(jiān)控全程記錄并實(shí)時(shí)傳輸至地面，這不僅是提高飛機(jī)運(yùn)行效率的要求，也是提升飛行實(shí)時(shí)監(jiān)控安全水平的必要措施?？紤]到中小型飛機(jī)機(jī)體空間、載重和空氣動(dòng)力方面的問(wèn)題，總體上應(yīng)選用重量輕、體積小的動(dòng)中通設(shè)備；此外，為適應(yīng)中小型飛機(jī)對(duì)艙外天線安裝的要求，應(yīng)選用平面輻射單元的低輪廓天線[2]，其射頻性能應(yīng)等效于直徑為0.3～0.6m之間的圓口徑拋物面天線的發(fā)射與接收性能。由于小口徑天線的波束寬度比較大，因此調(diào)整天線對(duì)衛(wèi)星的指向相對(duì)比較容易；另外，對(duì)衛(wèi)星的漂移也不太敏感。

圖1 機(jī)載動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成框圖

機(jī)載動(dòng)中通解決了飛機(jī)在高速飛行過(guò)程中精確跟蹤地球同步衛(wèi)星，并建立寬帶衛(wèi)星通信鏈路，實(shí)現(xiàn)視頻圖像、話音、數(shù)據(jù)等多媒體業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)、不間斷傳輸，同時(shí)還可以和任何已有的應(yīng)急通信系統(tǒng)配合使用，可應(yīng)用于應(yīng)急通信保障、移動(dòng)指揮、實(shí)時(shí)新聞采集、災(zāi)情監(jiān)測(cè)等多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域，在軍用和民用兩個(gè)領(lǐng)域都有廣闊的市場(chǎng)前景。

三、機(jī)載動(dòng)中通主要問(wèn)題

為了滿足市場(chǎng)化需求，小型化天線是實(shí)現(xiàn)機(jī)載動(dòng)中通的必要條件，然而小口徑天線無(wú)可避免地帶來(lái)天線增益等技術(shù)特性的問(wèn)題，從天線增益公式定義中可以得出，天線的增益與天線半徑的平方成正比， 即天線口徑越小，其增益就越低。此外，由于天線的收發(fā)波束具有一定的寬度，根據(jù)波束寬度公式，波束寬度和天線口徑、信號(hào)頻率成反比，即天線工作在某一頻段時(shí)，口徑越小，波束寬度越大，其方向性就越弱。隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的高速發(fā)展，同步軌道衛(wèi)星越來(lái)越多，衛(wèi)星間隔度數(shù)越來(lái)越小，因此鄰星干擾在我們工作中會(huì)逐步增多。如圖2所示，上行鄰星干擾：當(dāng)鄰星終端用戶天線口徑小，上行功率電平過(guò)高，功率譜密度超出協(xié)調(diào)指標(biāo)，那么鄰星終端天線偏向當(dāng)前衛(wèi)星或其旁瓣指向當(dāng)前衛(wèi)星。下行鄰星干擾：當(dāng)相鄰衛(wèi)星與當(dāng)前衛(wèi)星的工作頻段與覆蓋區(qū)有重疊，在此區(qū)域內(nèi)，若終端天線口徑較小，那么當(dāng)前衛(wèi)星終端站在接收正常信號(hào)的同時(shí)，其旁瓣也會(huì)接收到鄰星上的信號(hào)。如果鄰星終端載波下行功率電平過(guò)高或接收終端天線未對(duì)準(zhǔn)，追求小口徑天線的終端也會(huì)存在下行鄰星干擾。在實(shí)際飛行過(guò)程中，衛(wèi)星通信中可能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)較明顯，造成接收信號(hào)的載頻發(fā)生頻移，小口徑天線更易產(chǎn)生鄰星干擾。

圖2 鄰星干擾

在衛(wèi)星通信技術(shù)的不斷進(jìn)步的今天，軌道環(huán)上的衛(wèi)星越來(lái)越密集，而衛(wèi)星功率越來(lái)越大，衛(wèi)星地球站的天線口徑則越來(lái)越小型化，鄰星干擾問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重化。如何使高速航行的飛機(jī)保證實(shí)時(shí)寬帶業(yè)務(wù)傳輸實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，又能對(duì)鄰星的干擾盡可能小，是我們首先需要考慮的問(wèn)題。因此，在衛(wèi)星鏈路中采用CDMA擴(kuò)頻體制，可有效地降低信號(hào)的功率譜密度，從而降低鄰星干擾[3]，這是解決該問(wèn)題的根本措施。

四、CDMA擴(kuò)頻系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)與特性

（1）克服鄰星干擾，抗干擾能力強(qiáng)

實(shí)際應(yīng)用中，由于機(jī)載動(dòng)中通選用的天線口徑受限，無(wú)法具備更窄的波束和較低的旁瓣，易受到鄰星的干擾和對(duì)鄰星造成干擾。在天線旁瓣特性和發(fā)射功率一定的情況下，通過(guò)減小單位帶寬上的功率，即降低信號(hào)的功率譜密度，可有效地克服鄰星干擾。

根據(jù)香農(nóng)（C.E.Shannon）在信息論研究中總結(jié)出的信道容量公式[3]，當(dāng)信號(hào)的傳輸速率C一定時(shí)，信號(hào)帶寬和信噪比可以實(shí)現(xiàn)互換，即增加信號(hào)帶寬可以降低對(duì)信噪比門限的要求，當(dāng)帶寬增加到一定程度，允許信噪比進(jìn)一步降低，有用信號(hào)功率接近噪聲功率甚至淹沒(méi)于噪聲之中也是可能的。對(duì)于擴(kuò)頻通信來(lái)說(shuō)，就是用擴(kuò)頻碼擴(kuò)展基帶信號(hào)的頻譜，使單位比特率bps的信號(hào)能量Eb與單位帶寬Hz的噪聲功率之比相應(yīng)降低，如圖3所示。根據(jù)香農(nóng)理論，只要相應(yīng)增加信道帶寬B，就可以對(duì)信噪比降低后的擴(kuò)頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)可靠傳輸。

圖3 信號(hào)功率譜圖

利用寬帶傳輸技術(shù)（擴(kuò)展頻譜），接收端既能在極低的信號(hào)功率譜密度條件下，通過(guò)相關(guān)解擴(kuò)解調(diào)恢復(fù)出有用信號(hào)，又能降低解調(diào)門限，從而克服了鄰星干擾的同時(shí)降低了系統(tǒng)的誤碼性能，改善了通信質(zhì)量。由于信號(hào)頻帶展寬可以換取信噪比的好處，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。而擴(kuò)頻增益Gp就是用來(lái)衡量克服干擾的程度，可表示為Gp=B2/B1。其中，B1是擴(kuò)頻前數(shù)字基帶信號(hào)帶寬，B2是擴(kuò)頻信號(hào)帶寬，也稱為擴(kuò)頻因子或擴(kuò)頻比。根據(jù)柯捷爾尼可夫提出的信息傳輸差錯(cuò)概率公式[3]，提高擴(kuò)頻因子就是提高信噪比，提高系統(tǒng)增益，同時(shí)降低了功率譜密度，有效地減少終端小口徑天線端對(duì)鄰星造成的干擾。

（2）通信隱蔽、保密性好

通過(guò)對(duì)比擴(kuò)頻前后信號(hào)的頻譜可知，經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻后信號(hào)的頻譜發(fā)生了變化，即信號(hào)在很寬的頻帶上被擴(kuò)展，從而單位帶寬上的功率變得很小，信號(hào)功率譜密度很低，信號(hào)可以淹沒(méi)于噪聲之中，達(dá)到了擴(kuò)頻通信對(duì)信號(hào)隱藏保密的目的；由于擴(kuò)頻碼的不確定，很難拾取其中的有用信號(hào)，而極低的功率譜密度也很少對(duì)于其他電子通信設(shè)備造成干擾。

（3）碼分實(shí)現(xiàn)終端區(qū)分、頻率復(fù)用

雖然用擴(kuò)頻碼擴(kuò)頻的結(jié)果使得信噪比降低，需要增加信道帶寬，但是，以擴(kuò)頻技術(shù)為基礎(chǔ)的多址技術(shù)CDMA，在其它方面獲得的好處是巨大的。擴(kuò)頻通信占用寬帶頻譜資源通信，改善了抗干擾能力，也提高了頻帶的利用率。正是由于擴(kuò)頻通信要用擴(kuò)頻碼進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制發(fā)送，而信號(hào)接收需要用相同的擴(kuò)頻碼作相關(guān)解擴(kuò)才能得到，這就給頻率復(fù)用和多址通信提供了基礎(chǔ)。充分利用不同碼型的擴(kuò)頻碼之間的相關(guān)特性，給不同終端分配不同的擴(kuò)頻碼，就可以區(qū)別不同的終端信號(hào)，多個(gè)終端只要合理配對(duì)使用自己的擴(kuò)頻碼，就可以互不干擾地同時(shí)使用同一頻率通信，從而實(shí)現(xiàn)了頻率復(fù)用，使擁擠的頻譜得到充分利用。發(fā)端可用不同的擴(kuò)頻碼，分別向不同的接收端發(fā)送數(shù)據(jù)；同樣，接收端用不同的擴(kuò)頻碼，就可以收到不同的發(fā)端傳送的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了多址通信。

五、CDMA Modem在機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的可行性分析

圖4 寬帶CDMA機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)原理框圖

如圖3所示，在寬帶CDMA機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星CDMA Modem主要完成L波段中頻信號(hào)的IQ調(diào)制解調(diào)及基帶對(duì)IQ信號(hào)的數(shù)據(jù)調(diào)制和解調(diào)，通過(guò)信道編譯碼產(chǎn)生信息比特流供與用戶接口單元之間實(shí)時(shí)交互[4]。BUC為上變頻高功放，完成L頻段信號(hào)功放級(jí)放大上變頻至Ku頻段需要的發(fā)射功率；LNB為低噪聲下變頻，完成Ku頻段信號(hào)放大下變頻至L頻段。天線控制器的主要功能是放大跟蹤接收機(jī)分系統(tǒng)和指向分系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差信號(hào)，驅(qū)動(dòng)并始終控制天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，保持衛(wèi)星通信的穩(wěn)定順暢。

北京國(guó)家體育場(chǎng)高分二號(hào)衛(wèi)星融合影像

該圖（成像時(shí)間2014年9月27日）為北京國(guó)家體育場(chǎng)區(qū)域高分二號(hào)衛(wèi)星真彩色影像（0.8m分辨率）。北京國(guó)家體育場(chǎng)（圖像正中央）位于北京市朝陽(yáng)區(qū)奧林匹克公園，是2008年北京奧運(yùn)會(huì)的主場(chǎng)館，由于其獨(dú)特造型又俗稱“鳥(niǎo)巢”。

中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心 供圖

1）衛(wèi)星CDMA Modem前向糾錯(cuò)機(jī)制（FEC）支持高性能LDPC編譯碼[5]，能獲得更高的編碼增益或占用更少的帶寬；在達(dá)到相同誤比特率下，可有效降低Eb/N0接收門限。

2）系統(tǒng)采用非對(duì)稱CDMA寬帶衛(wèi)星通信，能夠滿足小型天線高空作業(yè)時(shí)寬帶業(yè)務(wù)傳輸至地面的需求，并由地面站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3）系統(tǒng)考慮綜合傳輸速率和誤碼率，采用QPSK調(diào)制。

4）本系統(tǒng)選用的衛(wèi)星Modem在空地?cái)?shù)據(jù)通信寬帶業(yè)務(wù)傳輸時(shí)Eb/N0門限為4.1dB，可達(dá)到1×10-7的誤比特率要求，能夠保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)傳輸質(zhì)量。

表1 鏈路計(jì)算關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

根據(jù)表1中的參數(shù)設(shè)置，通過(guò)衛(wèi)星鏈路計(jì)算，對(duì)于上行鏈路：在所需相同功放發(fā)射功率的條件下，擴(kuò)頻后的占星帶寬約為未擴(kuò)頻時(shí)的8倍，信號(hào)功率譜密度可降低9dB/Hz，此時(shí)載干比C/I大幅降低；但接收端所需載噪比C/N門限卻可以為負(fù)值，表明載波信號(hào)在淹沒(méi)于噪聲之中也能被接收端成功解調(diào)；而下行鏈路中，占星帶寬是未擴(kuò)頻時(shí)的4倍，載噪比C/N接收門限降低5dB，在達(dá)到1×10-7的誤比特率要求下，接收端也能正常解調(diào)成功。

六、結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)香農(nóng)公式的定義可判定信噪比與帶寬互換，在此理論基礎(chǔ)上，將有用的信號(hào)擴(kuò)展到很寬的頻帶上，有效降低信號(hào)的功率譜密度；在解擴(kuò)過(guò)程中，干擾信號(hào)進(jìn)入與有用信號(hào)同頻帶內(nèi)的干擾功率大大降低，從而增加了輸出信號(hào)/干擾比，達(dá)到降低系統(tǒng)Eb/N0接收門限，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。載波功率譜密度低，降低了對(duì)鄰星造成的干擾，特別適用于小型口徑（0.6m以下）的VSAT系統(tǒng)。采用雙向非對(duì)稱寬帶CDMA傳輸調(diào)制方式，機(jī)載站與地面站的發(fā)射載波共用同一轉(zhuǎn)發(fā)器頻段，通過(guò)不同的擴(kuò)頻碼的正交性實(shí)現(xiàn)頻域重疊，實(shí)現(xiàn)不同終端區(qū)分，提高載噪比，提高頻帶利用率，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的可用性。因此，小型化天線在機(jī)載動(dòng)中通衛(wèi)星系統(tǒng)中的成功部署，可通過(guò)CDMA擴(kuò)頻體制滿足衛(wèi)星公司對(duì)小口徑天線的入網(wǎng)測(cè)試要求，實(shí)現(xiàn)小口徑動(dòng)中通天線在機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的市場(chǎng)應(yīng)用。

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