[摘 要]由于透明和隨著新的軍事和商業(yè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展，空天信息網(wǎng)絡(luò)寬帶衛(wèi)星需要滿(mǎn)足種類(lèi)多、數(shù)量大、速率高的接入需求，由此，多星、多業(yè)務(wù)、多波束成為未來(lái)空天信息網(wǎng)絡(luò)多址接入系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。但是與地面接入系統(tǒng)不同，空天信息網(wǎng)絡(luò)的接入節(jié)點(diǎn)——通信衛(wèi)星是帶寬和功率受限系統(tǒng)，僅僅設(shè)計(jì)多址接入技術(shù)和信號(hào)調(diào)制方式并不能完全解決空天信息網(wǎng)絡(luò)的多址接入問(wèn)題，必須結(jié)合衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器特點(diǎn)，研究衛(wèi)星功率控制策略，解決多址方式實(shí)現(xiàn)信道資源的最優(yōu)配置，進(jìn)而最大化系統(tǒng)容量，結(jié)合寬帶衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的發(fā)展趨勢(shì)，在空天信息網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點(diǎn)——衛(wèi)星上設(shè)計(jì)采用一種基于非均勻?yàn)V波器組的星載數(shù)字化處理轉(zhuǎn)發(fā)器，即柔性轉(zhuǎn)發(fā)器。

[關(guān)鍵詞]柔性轉(zhuǎn)發(fā)器

柔性轉(zhuǎn)發(fā)器是通過(guò)任意組合交換各子信道之間以及相鄰子信道的信號(hào)，并結(jié)合非均勻子信道增益，可以有效克服衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中大載波對(duì)小載波抑制問(wèn)題，大大提高功放的效率，進(jìn)而提高系統(tǒng)的容量。柔性轉(zhuǎn)發(fā)器可以靈活分配衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源，非常適合空天信息網(wǎng)絡(luò)支持多平臺(tái)、多種業(yè)務(wù)的多址接入需求。其中用戶(hù)終端及轉(zhuǎn)發(fā)器子信道的功率分配算法，是影響多址接入系統(tǒng)容量的重要因素，對(duì)未來(lái)空天寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展具有重要實(shí)踐指導(dǎo)意義再生式轉(zhuǎn)發(fā)器分別存在對(duì)業(yè)務(wù)的適應(yīng)性差和對(duì)通信體制的依賴(lài)性強(qiáng)的不足，基于數(shù)字化處理方式的柔性轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，其技術(shù)特點(diǎn)有：靈活多變的數(shù)字信道化濾波技術(shù)、非均勻帶寬交換的場(chǎng)景下進(jìn)行星上信號(hào)分析綜合、甚至跨波束的靈活交換技術(shù)，在很大程度上克服了透明和再生式轉(zhuǎn)發(fā)器存在的問(wèn)題，使衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)具備通信體制的按需分配、信道的最佳劃分和臨時(shí)組網(wǎng)的能力，提高了寬帶衛(wèi)星通信的擴(kuò)展性與可靠性，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)和空間資源的靈活交換作為一個(gè)能量受限的設(shè)備，功率資源是衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中最為寶貴的資源，寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)通常采用多載波通信，多個(gè)載波同時(shí)在轉(zhuǎn)發(fā)器的功率放大器中得到放大并下發(fā)。多載波的工作狀態(tài)將使得各個(gè)子信道相互影響和制約，大小載波共存以及轉(zhuǎn)發(fā)器功率使用效率問(wèn)題一直是困擾多載波衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的主要問(wèn)題。基于近年提出的非均勻化子信道增益概念，進(jìn)行優(yōu)化多載波柔性轉(zhuǎn)發(fā)器的通信系統(tǒng)鏈路可支持性問(wèn)題，將能有效克服多載波存在的問(wèn)題，提高系統(tǒng)容量。

柔性轉(zhuǎn)發(fā)器作為數(shù)字信道化器的一種，區(qū)別于其他數(shù)字信道化器，其各個(gè)子信道的增益可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置，我們以WGS系統(tǒng)中的星載有效載荷為參考，并且根據(jù)數(shù)字信道化器突出特征：需要通過(guò)三個(gè)步驟（信道解復(fù)用、信道交換、信道復(fù)用）實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)器中任何一個(gè)子信道從任意輸入波束到任意輸出波束的路由過(guò)程，一個(gè)柔性轉(zhuǎn)發(fā)器中有N個(gè)子信道，并通過(guò)這N個(gè)子信道容納M條鏈路，轉(zhuǎn)發(fā)器的非線(xiàn)性效應(yīng)全部集中在一個(gè)高功率放大器中，同時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，假定不考慮轉(zhuǎn)發(fā)器天線(xiàn)的個(gè)數(shù)，模型中功率大的載波可以占用幾個(gè)子信道進(jìn)行通信，而功率小的多個(gè)載波可以共同占用一個(gè)子信道進(jìn)行通信，利用數(shù)字信道化的特點(diǎn)，我們可以靈活地設(shè)定子信道增益，避免大載波抑制小載波問(wèn)題和減小高功放中非線(xiàn)性效應(yīng)的影響，從而充分利用頻譜資源和提高系統(tǒng)的通信容量。

數(shù)字信道化衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，存在M條鏈路i（i=1、2、...、M），其地面站發(fā)射終端Txi上行鏈路的有效全向輻射功率（Effective isotropic Radiated Power，EIRP）定義為Ei，ai為信號(hào)的上行鏈路路徑總損耗，它包括信號(hào)的自由空間損耗、散射損耗以及衛(wèi)星接收的天線(xiàn)增益Gu，a。而其下行鏈路路徑損耗bi包括衛(wèi)星發(fā)射的天線(xiàn)增益，自由空間損耗Lup，散射損耗和地面站接收天線(xiàn)增益Gda。令xi表示轉(zhuǎn)發(fā)器輸入的載波功率，令yi表示相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)器輸出功率，Ts表示衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器輸入的等效噪聲溫度。Kc為玻耳茲曼常數(shù)，其值為1.23×10-23，從而將整個(gè)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器建立為一個(gè)包含三部分的模型：（1）功率密度值為KcTs的加性噪聲；（2）增益為Gn為（n=1，2，...，N）的理想子信道；（3）一個(gè)無(wú)記憶非線(xiàn)性高功放。對(duì)于此模型中的所有子信道來(lái)說(shuō)，加性噪聲和非線(xiàn)性效用對(duì)其影響都是共同的，但理想增益和濾波特性對(duì)于每個(gè)子信道來(lái)說(shuō)是不同的，轉(zhuǎn)發(fā)器所有增益包括高效率功放都體現(xiàn)在子信道增益Gn中。

在地面接收終端處，內(nèi)部噪聲的功率密度為KcTi，其中Ti表示該接收終端的噪聲溫度。為了分析鏈路可支持性，必須需要確定轉(zhuǎn)發(fā)器的工作點(diǎn)z。轉(zhuǎn)發(fā)器工作。

點(diǎn)z定義為轉(zhuǎn)發(fā)器總的輸出功率和飽和功率P的比值。表達(dá)式如下所示。

公式中Bn代表第n個(gè)子信道的帶寬，Gn代表第n個(gè)子信道增益，n（i）表示該系統(tǒng)中第i條鏈路占用第n個(gè)子信道。

方便起見(jiàn)，假設(shè)所有轉(zhuǎn)發(fā)器鏈路的增益非線(xiàn)性函數(shù)都一致，其為轉(zhuǎn)發(fā)器工作點(diǎn)z的函數(shù)，由此可知，鏈路i經(jīng)過(guò)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器所得到的輸出載波功率為

此外，高功率放大器存在一定的非線(xiàn)性效應(yīng)（非線(xiàn)性幅度轉(zhuǎn)移特性、和調(diào)幅調(diào)相轉(zhuǎn)換特性），這里為了簡(jiǎn)要分析，可將交調(diào)干擾（Inter-Modulation，IM）產(chǎn)物近似看作為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器信道中的白噪聲，其功率譜密度函數(shù)和轉(zhuǎn)發(fā)器工作點(diǎn)z相關(guān)，用h（z）來(lái)表示，交調(diào)歸一化的特征函數(shù)，也是與轉(zhuǎn)發(fā)器工作點(diǎn)z有關(guān)，表示為交調(diào)歸一化的特征函數(shù)。所以轉(zhuǎn)發(fā)器中實(shí)際輸出的IM譜密度表達(dá)式為h（z）P / B，B表示轉(zhuǎn)發(fā)器的總帶寬。

常見(jiàn)的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器非線(xiàn)性交調(diào)特征函數(shù)h（z）和增益非線(xiàn)性函數(shù)g（z）表征公式如下：

上式中的和表示了高功率放大器的非線(xiàn)性效應(yīng)，其中為小信號(hào)抑制因子，一般取值，為高功率放大器飽和狀態(tài)下交調(diào)譜密度函數(shù)因子，一般取值。

在多載波柔性轉(zhuǎn)發(fā)器中，鏈路i 在鏈路j中產(chǎn)生的頻譜混疊函數(shù)為，其表達(dá)式為：

其中，和分別表示鏈路i載波和鏈路j載波的歸一化功率譜密度。

作者簡(jiǎn)介：張玲玲（1978-），女，河南焦作人，武警杭州士官學(xué)校機(jī)電基礎(chǔ)教研室副教授，研究方向：電工電子技術(shù)。