楊明文

(國家新聞出版廣電總局北京地球站,北京　102206)

基于頻帶共享的衛(wèi)星通信關(guān)鍵技術(shù)研究

楊明文

(國家新聞出版廣電總局北京地球站,北京102206)

筆者在文中就如何提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)對于頻帶信號的利用率進(jìn)行了探討,認(rèn)為基于頻帶共享技術(shù)的通信系統(tǒng)是不二之選,筆者提出的具體方案是雙向鏈路頻譜重疊共享頻帶技術(shù),具體來說,小站和各個(gè)中心站之間的接入方式采用的是FDMA,中心站與小站之間的前向鏈路采用的廣播方式是TDM,這兩種技術(shù)的使用對提高頻率的利用率意義重大,然后對此項(xiàng)技術(shù)在衛(wèi)星通信應(yīng)用中的關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行了探討。

頻帶共享衛(wèi)星通信關(guān)鍵技術(shù)

從對目前國內(nèi)外衛(wèi)星通信系統(tǒng)研究現(xiàn)狀分析來看，在業(yè)內(nèi)被廣泛應(yīng)用的主要是DVB-S系統(tǒng)，他有一個(gè)非常明顯的特點(diǎn)即系統(tǒng)中存在一個(gè)前向廣播載波的同時(shí)還有很多相對較小的雙向或反向的FDMA載波，這些載波在傳統(tǒng)的應(yīng)用模式中往往是彼此獨(dú)立，互相沒有交集的，意即每一個(gè)載波獨(dú)自占用一段頻率區(qū)間，相鄰載波之間還需要留有安全間隙才能保證系統(tǒng)的正常工作，為了最大限度地提高系統(tǒng)頻率的利用率，我們可以考慮基于頻帶共享技術(shù)來完成衛(wèi)星通信傳輸。

1　基于頻帶共享的衛(wèi)星通信技術(shù)系統(tǒng)概況

基于頻帶共享的衛(wèi)星通信技術(shù)系統(tǒng)是一種通過頻帶重疊實(shí)現(xiàn)頻帶共享的技術(shù)，對于頻率資源的利用率可以提高一倍以上，基本工作原理是將一對用戶的雙向鏈路信號的頻譜區(qū)域加以重疊，然后公用一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行信號的傳輸，其主要模式是非對稱模式和對稱模式兩種，在非對稱狀態(tài)下，主站和用戶站之間形成一個(gè)星狀的網(wǎng)絡(luò)，反向鏈路和前向鏈路的信號會在頻域內(nèi)發(fā)生重疊，兩者同用轉(zhuǎn)發(fā)器中的同一頻帶，在對稱狀態(tài)下，主站和用戶站之間信號發(fā)射頻率基本相互符合，每個(gè)用戶的獨(dú)立的頻帶構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)狀的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)。

圖1　基于頻帶共享的衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

圖2　單級串行干擾抵消器的構(gòu)造原理圖

對于基于頻帶共享的衛(wèi)星通信技術(shù)系統(tǒng)來說，最大限度的減小甚至消除主站和用戶站之間的信號干擾是其中比較關(guān)鍵性的技術(shù)要求，為了達(dá)到此目的，信號接收端重新估計(jì)和重構(gòu)經(jīng)由轉(zhuǎn)發(fā)器有反饋給自己的由接收端本身發(fā)出去的信號，并將這一部分信號從所有的接收信號中剔除出去，由此實(shí)現(xiàn)對接受的信號的優(yōu)化，提高系統(tǒng)對信號的接收心性，通過這樣的方法，不僅可以降低對鏈路傳輸系統(tǒng)性能的影響還能使通信系統(tǒng)對頻帶的利用率得到大幅度的提升。

在雙向鏈路頻譜重疊共享頻帶系統(tǒng)中，由各個(gè)小站發(fā)送的FDMA載波信號以及有中心站發(fā)射的TDM載波信號共用一個(gè)頻帶完成信號的傳輸，地球上的信號接收端接到的TDM載波信號的波譜密度比FDMA信號的功率譜密度要高出很多，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

與傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)相比較，頻帶共享的衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有很大的優(yōu)勢，比如由于FDMA和TDA載波通過共同的頻帶進(jìn)行傳輸，可以實(shí)現(xiàn)對寬帶的節(jié)約;在一定程度上對衛(wèi)星通信信號的抗截獲能力予以優(yōu)化，在頻帶共享系統(tǒng)中，地球上的信號接收端接到的TDM載波信號的波譜密度比FDMA信號的功率譜密度要高出很多。這樣的話，可以認(rèn)為是TDM載波將FDMA載波進(jìn)行了隱藏，使得FDMA信號受到干擾的可能性大大降低。不過不可否認(rèn)的是，相較于傳統(tǒng)通信系統(tǒng)，基于頻帶共享的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的傳輸性能有所下降，因?yàn)槭穷l帶共享的，小站在對來自中心站的TDM信號進(jìn)行接收時(shí)，會受到來自小站自己發(fā)射的FDMA載波信號的干擾，而這種干擾對中心站和小站來說其實(shí)是互相的，因此，要想最大限度地提高基于頻帶共享的衛(wèi)星通信系統(tǒng)對頻帶的利用率，實(shí)現(xiàn)信號的高質(zhì)量傳輸，就需要盡量降低二者之間的相互干擾作用。

2　中心站與小站之間信號干擾的分析

在基于雙向鏈路頻帶共享的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，中心站與各個(gè)小站之間的TDM載波信號以及各個(gè)小站與中心站之間的FDMA載波信號是通過公用信號轉(zhuǎn)發(fā)器通過同一個(gè)頻帶進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸?shù)?，從上圖1中還可以看到地球上各個(gè)信號收發(fā)系統(tǒng)所處理的信號頻譜圖。從圖中可以看到，與傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)相比較，基于雙向鏈路頻帶共享的衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有高出其一倍以上的信號頻率的利用率，但同時(shí)它也是一種具有自干擾的系統(tǒng)，因此它對信號的傳輸性能與傳統(tǒng)系統(tǒng)會有一定的懸殊，甚至達(dá)到了惡化的程度。在整個(gè)通信系統(tǒng)中，前向鏈路和反向鏈路的頻譜會發(fā)生相互重疊，然后公用一個(gè)頻帶。

當(dāng)各個(gè)小站在接收來自中心站發(fā)射的TDM載波信號時(shí)，其自身也在發(fā)射FDMA載波信號，這會對其信號接收產(chǎn)生一定的干擾，這對于小站來說，如果沒有相關(guān)的先驗(yàn)性知識的指導(dǎo)，就很難實(shí)現(xiàn)這種干擾的控制與消除，因此，一般都基于相對來說系統(tǒng)設(shè)備比較完善，經(jīng)過合理的仿真驗(yàn)證的設(shè)計(jì)中，以此來限制干擾，并預(yù)留一部分鏈路使小站信號接受質(zhì)量的最優(yōu)化，由此可見，需要保障系統(tǒng)中的TDM信號的載波功率譜的密度要比FDMA載波功率譜密度大才能使小站比較正常的接收TDM信號。

當(dāng)中心站在接受來自小站的發(fā)射的FDMA載波信號時(shí)，自身也會發(fā)射TDM載波信號，再加上中心站的干擾功率比有用功率還多，不過好在中心站非常清楚自己所發(fā)送的信號，這樣就可以在接收FDMA載波信號的時(shí)候?qū)Ω蓴_信號進(jìn)行提剔除，從而保證接收信號的質(zhì)量，但在消除了信號干擾的同時(shí)，接收的載波信號的信噪比就會有所惡化，仍然沒有解決系統(tǒng)對信號的傳輸性能方面的優(yōu)化。

3　中心站與小站之間信號干擾的處理

通過對上述關(guān)于中心站與各小站之間干擾問題及信號傳輸性能進(jìn)行分析后，筆者提出了以下解決方案。

對于返現(xiàn)鏈路來說，中心站經(jīng)過自身發(fā)送的信號進(jìn)行重建然后對傳輸?shù)难訒r(shí)加以準(zhǔn)確地估算，最大限度地提高TDM載波信號干擾的消除力度，然后再進(jìn)行信號的檢查，又從改善了FDMA信號的傳輸性能，獲得比較好的反向鏈路傳輸質(zhì)量。

對于正向鏈路來說，各個(gè)小站的接收機(jī)還不能做到自身對干擾信號的消除，不過通過對系統(tǒng)本身的優(yōu)化與改進(jìn)可以限制用戶的發(fā)射信號的功率大小，獲得較高的鏈路余量，進(jìn)而保證小站的信號接收質(zhì)量。

此外，還可以通過單級串行干擾抵消器對信號加以處理，其構(gòu)造原理如圖2所示。

其中，對信道和干擾信號參數(shù)的估計(jì)主要包括對載波信號的相位、幅度、傳輸延時(shí)等幾個(gè)參量的估計(jì)，之后再對干擾信號進(jìn)行重建，將重建后的干擾信號從信號接收機(jī)中剔除，使干擾減少或消除。實(shí)踐表明，由于干擾器和對干擾信號以及信道的參數(shù)的估計(jì)的準(zhǔn)確度對于干擾性能的消除程度起了直接性決定性作用，而在提取干擾信號及信道的參數(shù)時(shí)也不可避免的受到有效信號的影響，所以并不推薦僅僅采用單級串行干擾抵消器，而考慮多級迭代的方法進(jìn)行消除干擾的系統(tǒng)的構(gòu)建。

4　分析系統(tǒng)的信號傳輸性能

通過以上方法對基于頻帶共享的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信號干擾問題進(jìn)行了分析，并提出了解決方案，接下來對方案的可靠性加以驗(yàn)證分析，對于系統(tǒng)信號傳輸可靠性的分析主要通過仿真來完成。

首先對前向鏈路的傳輸性能進(jìn)行分析，由于FDMA載波信號的排列具有隨機(jī)性，不論是數(shù)量還是速率都會在一定的范圍內(nèi)有所波動(dòng)，如果一次性對所有的因素進(jìn)行會考慮，就會加大仿真的難度和準(zhǔn)確性，筆者在文中假定FDMA信號同時(shí)發(fā)送，在這種情況下系統(tǒng)受到的干擾最大，經(jīng)過仿真后發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的誤碼特性主要受到信號干擾的影響比較大，當(dāng)信噪比的值越來越大時(shí)，小站在接收TDM載波信號時(shí)的性能就會越好，地板效應(yīng)也表現(xiàn)的越明顯。

其次，對反向鏈路的傳輸性能進(jìn)行分析，在基于雙向鏈路頻帶共享的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，中心站只會受到自身發(fā)射的TDM載波信號的干擾，所以，對系統(tǒng)通過多級串行干擾抵消器進(jìn)行干擾信號的抵消具有合理性和科學(xué)性，干擾器直接從接收信號中對干擾信號加以估計(jì)并分離，然后進(jìn)行信號的重建，系統(tǒng)的仿真也是在最惡劣的條件下進(jìn)行的，即FDMA信號被全部排滿，發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)DMA載波信號的信噪比的波動(dòng)范圍是3-10dB，干擾消除后的信噪比被控制在了0.5 dB以下。

5　結(jié)語

本文對基于頻帶共享的衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并提出了雙向鏈路頻譜重疊共享頻帶技術(shù)，著重介紹了如何消除信號傳輸過程中的信號干擾。頻帶共享技術(shù)在于使中心站和小站之間的信號傳輸處于同一段頻帶中，這樣可以最大限度地提高頻率的利用率，但相應(yīng)的也帶來了兩站之間的接收信號與發(fā)射信號的干擾問題，進(jìn)而使得數(shù)據(jù)的傳輸性能受到了較大程度的阻礙，因此又提出多級串行干擾抵消器的迭代應(yīng)用，通過對仿真結(jié)果加以分析，認(rèn)為基于頻帶共享的衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以使頻帶利用率提升一倍以上的同時(shí)還保證了信號的傳輸性能，這對提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的高效性具有促進(jìn)意義。

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楊明文(1974—),女,漢,北京人,值班員,工程師,研究方向:衛(wèi)星廣播電視傳輸。