某Ku頻段衛星通信系統的設計?

李幾超

某Ku頻段衛星通信系統的設計?

李幾超

（中國西南電子技術研究所，成都610036）

為了讓兩個地面站通過衛星鏈路進行無線通信，設計了一個Ku頻段衛星通信系統，數據速率是512 kbit／s～4.096 Mbit／s，速率可調步進1 bit／s。選取了一種較簡潔的Ku頻段地面站設計方案，信道的本振為固定點頻，調制解調器的中頻范圍是950～1 450 MHz。對衛星通信鏈路功率進行了預算。地面站的組成設備，如調制解調器、低噪聲放大器、上變頻單元、下變頻單元等均選用成熟的商用貨架產品，降低了設計風險和成本。本系統研制周期短，通信穩定可靠，得到了用戶的認可。

衛星通信；鏈路功率預算；低噪聲放大器；上變頻單元；下變頻單元

1 引言

根據用戶需求，相隔千里、均處于沙漠地帶的兩個工作單位要進行無線通信，用戶要求通信的數據速率范圍是512 kbit／s～4.096 Mbit／s，速率可調步進為1 bit／s。

衛星通信（簡稱衛通）具有頻帶寬、容量大、性能穩定、成本與通信距離無關等優點，成為現代通信的一種重要方式。超短波通信距離在300 km左右，而衛星通信距離可在2 000 km以上，短波通信距離遠但傳輸速率低，因此遠距離寬帶無線通信建議選用衛星通信方式。衛星通信的工作頻段很多，有UHF、S、C、Ku和Ka等頻段。目前，國內的主流衛通頻段還是Ku頻段，同時在Ku頻段的工程設計經驗豐富。根據用戶單位的地理位置及物質條件，我們為用戶量身定制了一個Ku頻段衛星通信系統。

2 衛星通信系統的組成

一個基本的衛星通信系統組成示意圖如圖1所示，該系統至少包含兩個衛通站（可以是地面固定站，也可以是移動站）和必要的衛星資源。

圖1 某衛星通信系統組成示意圖Fig.1 Composition diagram of a satellite communications system

在衛星通信中，Ku頻段常用的發射頻率范圍是14.0～14.5 GHz，帶寬為500 MHz；接收頻率范圍是12.25～12.75 GHz，帶寬為500 MHz。

一個衛通站主要包括衛通天線、信道設備、調制解調器、信息收發設備，衛通站組成框圖見圖2。對于信道設備，上變頻器和功放單元劃分為一個整體，稱為上變頻單元（BUC），下變頻器稱為下變頻單元（BDC），頻率合成器隱含在上變頻器、下變頻器中，這里不單獨列出。

圖2所示為衛通地面站的組成原理框圖，按照調制解調器的收中頻、發中頻頻率是否固定可將衛通站組成細分為兩種，如圖3和圖4所示。

圖2 某衛通站組成原理框圖Fig.2 Composition diagram of a satellite communications station

圖3 本振固定的衛通站組成原理框圖Fig.3 A satellite communications station with fixed frequency synthesizer

圖4 本振可變的衛通站組成原理框圖Fig.4 A satellite communications station with alterable frequency synthesizer

對比圖3和圖4，由于收發中頻固定的調制解調器和收發中頻可變的調制解調器都是貨架產品，在民用市場上可選的種類很多，且解調性能、價格基本一致；如果選擇中頻可變的調制解調器，則信道設備的本振頻率是固定的，信道設備的設計相對比較簡單，系統總體也不需要加載控制信道設備的頻率?？傊?，本振固定、中頻可變的衛通站的設計方案相對比較簡練，適合工程實際應用，本文將對圖3所述的衛通站進行設計分析。

2.1衛星資源的選擇

在系統應用中，選擇“中衛一號”衛星?！爸行l一號”衛星有Ku頻段轉發器20個，預計在軌壽命15年以上。該衛星采用洛克希德·馬丁公司推出的面向21世紀商業通信衛星平臺，具有模塊化設計、可靠性高、智能程度高、軌道測控操作簡便靈活、功率大、接收靈敏度高、可支持多種通信業務等特點?！爸行l一號”通信衛星可覆蓋中國本土和南亞、西亞、東亞、中亞及東南亞地區，波束覆蓋如圖5所示。

圖5 Ku頻段衛星EIRP覆蓋圖Fig.5 The chart of a Ku band satellite equivalent isotropic radiated power（EIRP）

“中衛一號”衛星主要任務是保證國內郵電公用網通信、各大公司VSAT專網通信和廣播電視服務，以及解決邊遠地區的通信問題，并可為周邊國家提供通信服務。

2.2地面站衛通天線

對于一個衛通系統，地面站衛通天線的選取應考慮以下因素：價格預算、安裝要素、電性能。綜合考慮后確定衛通天線基本技術性能如下：

（1）天線形式：2.4 m拋物面天線；

（2）發射頻率：14.0～14.5 GHz；

（3）接收頻率：12.25～12.75 GHz；

（4）發射增益：大于等于48.5 dBi；

（5）接收增益：大于等于47.5 dBi；

（6）地面站衛通天線G／T值：25.3 dB／K。

天線系統組成如圖6所示。

圖6 天線組成圖Fig.6 Composition diagram of the antenna

衛星通信天線可劃分為射頻分機、伺服分機、結構分機和跟蹤接收機。射頻分機主要由天線主反射面、副反射面、饋源、饋線、極化面調整裝置、旋轉關節等組成，衛星發射的電波經過天線主副反射面的兩次反射后，經饋源、饋線、旋轉關節通道把信號傳送給跟蹤接收機。跟蹤接收機包括差LNA、跟蹤下變頻器和跟蹤接收機等。差路LNA安裝在天線座上，跟蹤下變頻器把Ku頻段跟蹤信號變頻到L頻段；跟蹤接收機的體制是單脈沖自跟蹤，解調出的誤差電壓對應天線對準衛星的偏差，把誤差電壓送到伺服分機，從而跟蹤衛星。伺服分機包括天線控制單元（ACU）、天線驅動單元（ADU）、電機、角位置傳感器、角速率陀螺等，伺服分機用來控制天線實時指向衛星，確保信道暢通。天線結構分機主要由天線反射器、天線座、高低頻滑環、傳動和安全保護裝置等組成，主要任務是完成天線座上的方位軸和俯仰軸的精密轉動。

2.3調制解調器

目前，在民用市場上，衛星通信專用的調制解調器種類多、價格適中、性能優良，有收發中頻固定的調制解調器，也有收發中頻可變的調制解調器，這里只列出圖3表述的調制解調器的基本技術性能：

（1）發中頻頻率范圍：能覆蓋950～1 450 MHz；

（2）收中頻頻率范圍：能覆蓋950～1 450 MHz；

（3）發中頻電平范圍：-40～0 dBm；

（4）收中頻電平范圍：-80～-40 dBm；

（5）發送數據速率：512 kbit／s～4.096 Mbit／s，連續可變；

（6）接收數據速率：512 kbit／s～4.096 Mbit／s，連續可變；

（7）調制解調方式：BPSK、QPSK、8PSK可選；

（8）編碼方式：Turbo碼；

（9）解調門限：Eb／N0≤4 dB（對應誤碼率小于等于1×10-6）。

調制解調器的組成如圖7所示。

圖7 調制解調器組成圖Fig.7 Composition diagram of the modem

發送數據經過電平轉換、組幀處理后再進行信道編碼，完成加擾碼、差分編碼、FEC前向糾錯編碼，再經濾波處理、PSK調制后，以發中頻的形式進入衛通鏈路的射頻信道；收中頻信號經PSK解調后產生基帶數據，之后進行信道譯碼，完成FEC譯碼、差分解碼、去擾碼，處理后的數據再經過解幀處理、接口電平轉換后送用戶。

調制解調器編碼方式采用Turbo碼，調制解調方式有BPSK、QPSK、8PSK供用戶選擇，當調制解調參數采用Turbo編碼、編碼率為3／4、QPSK調制時，解調門限Eb／N0≤4 dB，對應的誤比特率小于等于1×10-6。

2.4對信道設備的說明

信道設備包含低噪聲放大器（LNA）、下變頻單元（BDC）、上變頻單元（BUC），通常BUC包含功率放大器?？梢韵葘π诺涝O備的技術性能做初步的了解，待系統鏈路計算完成后再確定LNA、BDC、BUC的技術指標。常用的Ku頻段低噪聲放大器（LNA）工作頻段是12.25～12.75 GHz，增益在40～60 dB之間，噪聲系數在0.8～2 dB之間。Ku頻段功率放大器輸出功率常用的有10 W、25 W、40 W、70 W等，具體輸出功率值可根據工程需要來確定。

3 系統鏈路計算

圖1中的衛通站1和衛通站2設備配置和參數一致，如天線形式、天線尺寸、天線G／T值、信道設備、調制解調器等要素完全相同，因此前向鏈路（衛通站1→衛星→衛通站2鏈路）與返向鏈路（衛通站2→衛星→衛通站1鏈路）完全對稱，我們分析其中一條鏈路即可。

3.1衛通站1至衛星鏈路

本文中用［x］表示x的分貝值。有效全向輻射功率（EIRP）（單位為dBW）計算公式為［1］

式中，PTE代表信道功放的輸出功率，20 W的功放對應［PTE］為13 dBW；取功放至天線的饋線損耗［LF］值為1 dB；衛通站1的天線發射增益［GT］值為48.5 dB；則衛通站1的有效全向輻射功率［EIRP］= 13-1+48.5=60.5 dBW。

衛通鏈路接收信號載噪比（單位為dBHz）計算公式為［1］

式中，［EIRP］已知；經查閱，“中衛一號”衛星的［G／T］值為5 dB／K；在不考慮雨衰的情況下，該鏈路傳輸損耗［L］包含自由空間傳播損耗、大氣損耗、天線極化損耗等，取值為208.27 dB；則衛通站1至衛星鏈路的接收信號載噪比（單位為dBHz）為

3.2衛星至衛通站2鏈路

按照公式（2）可計算衛星至衛通站2鏈路接收信號的載噪比?！爸行l一號”衛星轉發器飽和EIRP值在50～54 dBW之間，但衛通站1的發射信號無法將衛星轉發器推至飽和，經工程評估后取衛星［EIRP］值為38 dBW；衛通站2的天線接收［G／T］值為25.3 dB／K；該鏈路傳輸損耗［L］包含自由空間傳播損耗、大氣損耗、天線極化損耗等，取值為208.16 dB；則衛星至衛通站2鏈路的接收信號載噪比為

式（3）和式（4）的載噪比值可用公式（5）來綜合，公式（5）表述為［2］

根據公式（5）計算出前向鏈路（衛通站1→衛星→衛通站2鏈路）總的接收信號載噪比為81.6 dBHz。

接收信號載噪比的另外一種等值計算公式為［1］

本衛星通信系統最高傳輸速率為4.096 Mbit／s，則按理論分析，衛通站2接收信號的Eb／N0值（單位dB）為

衛通站2調制解調器解調門限為4 dB，在不考慮雨衰的情況下，鏈路余量為11.5 dB，當衛通鏈路傳輸速率低于4.096 Mbit／s時，系統鏈路余量更大，此時可以把衛通站1的功放輸出功率適當調小。

4 信道設備的指標確認及系統無線對星試驗情況

通過本文第3節的計算驗證可知：信道設備BUC的功放功率定在20 W比較合適；在衛通站1實際輸出功率小于等于20 W的前提下，衛通站2接收信號電平（從低噪聲放大器LNA輸入端口處觀測）小于等于-92.66 dBm（-92.66 dBm是由衛星轉發器實際EIRP值加上衛通站2的天線接收增益，減去鏈路傳輸損耗得出的）。

4.1對低噪聲放大器技術性能的確認

考慮到衛通站2的接收信號電平（從LNA輸入端口處觀測）小于等于-92.66 dBm，而調制解調器的接收中頻電平范圍是-80～-40 dBm，則LNA的增益定在40 dB比較合適，故LNA基本技術性能如下：工作頻率范圍為12.25～12.75 GHz；增益為40 dB；噪聲系數為1.058 dB。

4.2對下變頻單元技術性能的確認

考慮到LNA輸出信號電平小于等于-52.66 dBm，結合通用調制解調器的技術性能，比如調制解調器的接收中頻輸入電平范圍是-80～-40 dBm，則BDC基本技術性能確定如下：輸入射頻頻率范圍12.25～12.75 GHz；輸入射頻電平范圍-80～-40 dBm；輸出中頻頻率范圍950～1 450 MHz；變頻增益為0 dB；噪聲系數小于等于6 dB。

4.3對上變頻單元技術性能的確認

本文第3節鏈路分析確定了功率放大器的線性輸出功率P-1為20 W，而調制解調器的發中頻電平范圍是-40～0 dBm，設-17 dBm的中頻信號能將BUC推至P-1功率，0 dBm的中頻信號能將BUC推至飽和且不燒毀（BUC中具備限幅電路），則BUC基本技術性能確定如下：輸入中頻頻率范圍為950～1 450 MHz；變頻增益為60 dB（典型值）；輸出射頻頻率范圍為14～14.5 GHz；功放線性輸出P-1功率為20 W。

4.4衛星通信系統無線對星試驗的結果

本衛星通信系統經過了多次無線對星試驗，衛星資源是租用“中衛一號”衛星轉發器，通信效果良好。試驗基本情況如表1所示。

表1 衛星通信系統試驗結果Table 1 The experimental result of the satellite communications system

5 結論

本文對一個具體的Ku頻段衛星通信系統進行了方案選取、設計、鏈路計算，依據理論計算分配了各組成設備的技術指標，構建了衛星通信系統并進行了驗證。該衛星通信系統包含衛通天線、低噪聲放大器、上變頻單元、下變頻單元、調制解調器，各設備指標分配合理可行，系統設計思路比較清晰；經過系統無線對星試驗驗證，本文中的鏈路設計數據與實測值吻合（誤差小于1 dB），具有一定的工程設計參考價值。還可從以下兩個方面進一步研究：第一，本課題涉及的衛通站是地面固定站，衛通天線是拋物面天線，而相控陣天線在天線高度、重量等方面具有較大優勢，值得衛通領域的工程技術人員去深入研究；第二，本課題使用的是Turbo碼，在調制解調方面，在相同的外界條件下，LDPC編碼的解調門限比Turbo碼的解調門限約低1.2 dB；此外，LDPC編碼也可作為一個專題加以研究。

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CAI Jian-ming，LV Hai-huan，GAN Zhong-min，et al. Satellite communications system［M］.2nd ed.Beijing：People′s Posts＆Telecom Press，1994.（in Chinese）

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Roddy D.Satellite communications［M］.3rd ed.Translated by ZHANG Geng-xin，LIU Ai-jun，ZHANG Hang，et al. Beijing：People′s Posts＆Telecom Press，2002.（in Chinese）

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Design of a Ku Band Satellite Communications System

LI Ji-chao
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

To realize communication between two ground stations via satellite wireless link，a Ku band satellite communications system is designed.The data rate range is 512 kbit／s～4.096 Mbit／s in 1 bit／s step.A relatively simple design is selected for the ground station.The local oscillator（LO）of channel has a fixed frequency synthesizer.The intermediate frequency（IF）range of modem is 950～1 450 MHz.Satellite link power is budgeted.The ground station is composed of modem，low noise amplifier（LNA），block up converters（BUCs），block down converters（BDCs），which are off-the-shelf products so that the design risk and cost is reduced.The communication system is featured by short development cycle，stable and reliable communication.It has been authorized by users.

satellite communications；link power budget；low noise amplifier（LNA）；block up converters（BUC）；block down converters（BDC）

the B.S.degree and the M.S.degree in 2002 and 2009，respectively.He is now an engineer.His research direction is satellite communications.

1001-893X（2012）05-0649-05

2011-09-30；

2012-05-07

TN927

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.05.009

李幾超（1979—），男，湖北仙桃人，2002年獲工學學士學位，2009年獲碩士學位，現為工程師，主要研究方向為衛星通信。

Emai：ljc-hust＠126.com

LI Ji-chao was born in Xiantao，Hubei Province，in 1979.He