基于頻帶共享的衛星通信關鍵技術研究

楊明文

(國家新聞出版廣電總局北京地球站,北京　102206)

基于頻帶共享的衛星通信關鍵技術研究

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星通信系統對于頻帶信號的利用率進行了探討,認為基于頻帶共享技術的通信系統是不二之選,筆者提出的具體方案是雙向鏈路頻譜重疊共享頻帶技術,具體來說,小站和各個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,這兩種技術的使用對提高頻率的利用率意義重大,然后對此項技術在衛星通信應用中的關鍵性技術進行了探討。

頻帶共享衛星通信關鍵技術

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

1　基于頻帶共享的衛星通信技術系統概況

基于頻帶共享的衛星通信技術系統是一種通過頻帶重疊實現頻帶共享的技術，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域加以重疊，然后公用一個轉發器進行信號的傳輸，其主要模式是非對稱模式和對稱模式兩種，在非對稱狀態下，主站和用戶站之間形成一個星狀的網絡，反向鏈路和前向鏈路的信號會在頻域內發生重疊，兩者同用轉發器中的同一頻帶，在對稱狀態下，主站和用戶站之間信號發射頻率基本相互符合，每個用戶的獨立的頻帶構成一個網狀的網絡形態。

圖1　基于頻帶共享的衛星通信系統組成結構圖

圖2　單級串行干擾抵消器的構造原理圖

對于基于頻帶共享的衛星通信技術系統來說，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鍵性的技術要求，為了達到此目的，信號接收端重新估計和重構經由轉發器有反饋給自己的由接收端本身發出去的信號，并將這一部分信號從所有的接收信號中剔除出去，由此實現對接受的信號的優化，提高系統對信號的接收心性，通過這樣的方法，不僅可以降低對鏈路傳輸系統性能的影響還能使通信系統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中，由各個小站發送的FDMA載波信號以及有中心站發射的TDM載波信號共用一個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，其組成結構如圖1所示。

與傳統的通信系統相比較，頻帶共享的衛星通信系統具有很大的優勢，比如由于FDMA和TDA載波通過共同的頻帶進行傳輸，可以實現對寬帶的節約;在一定程度上對衛星通信信號的抗截獲能力予以優化，在頻帶共享系統中，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，可以認為是TDM載波將FDMA載波進行了隱藏，使得FDMA信號受到干擾的可能性大大降低。不過不可否認的是，相較于傳統通信系統，基于頻帶共享的衛星通信系統的傳輸性能有所下降，因為是頻帶共享的，小站在對來自中心站的TDM信號進行接收時，會受到來自小站自己發射的FDMA載波信號的干擾，而這種干擾對中心站和小站來說其實是互相的，因此，要想最大限度地提高基于頻帶共享的衛星通信系統對頻帶的利用率，實現信號的高質量傳輸，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星通信系統中，中心站與各個小站之間的TDM載波信號以及各個小站與中心站之間的FDMA載波信號是通過公用信號轉發器通過同一個頻帶進行數據的傳輸的，從上圖1中還可以看到地球上各個信號收發系統所處理的信號頻譜圖。從圖中可以看到，與傳統的通信系統相比較，基于雙向鏈路頻帶共享的衛星通信系統具有高出其一倍以上的信號頻率的利用率，但同時它也是一種具有自干擾的系統，因此它對信號的傳輸性能與傳統系統會有一定的懸殊，甚至達到了惡化的程度。在整個通信系統中，前向鏈路和反向鏈路的頻譜會發生相互重疊，然后公用一個頻帶。

當各個小站在接收來自中心站發射的TDM載波信號時，其自身也在發射FDMA載波信號，這會對其信號接收產生一定的干擾，這對于小站來說，如果沒有相關的先驗性知識的指導，就很難實現這種干擾的控制與消除，因此，一般都基于相對來說系統設備比較完善，經過合理的仿真驗證的設計中，以此來限制干擾，并預留一部分鏈路使小站信號接受質量的最優化，由此可見，需要保障系統中的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。

當中心站在接受來自小站的發射的FDMA載波信號時，自身也會發射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送的信號，這樣就可以在接收FDMA載波信號的時候對干擾信號進行提剔除，從而保證接收信號的質量，但在消除了信號干擾的同時，接收的載波信號的信噪比就會有所惡化，仍然沒有解決系統對信號的傳輸性能方面的優化。

3　中心站與小站之間信號干擾的處理

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

對于返現鏈路來說，中心站經過自身發送的信號進行重建然后對傳輸的延時加以準確地估算，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量。

對于正向鏈路來說，各個小站的接收機還不能做到自身對干擾信號的消除，不過通過對系統本身的優化與改進可以限制用戶的發射信號的功率大小，獲得較高的鏈路余量，進而保證小站的信號接收質量。

此外，還可以通過單級串行干擾抵消器對信號加以處理，其構造原理如圖2所示。

其中，對信道和干擾信號參數的估計主要包括對載波信號的相位、幅度、傳輸延時等幾個參量的估計，之后再對干擾信號進行重建，將重建后的干擾信號從信號接收機中剔除，使干擾減少或消除。實踐表明，由于干擾器和對干擾信號以及信道的參數的估計的準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時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行消除干擾的系統的構建。

4　分析系統的信號傳輸性能

通過以上方法對基于頻帶共享的衛星通信系統的信號干擾問題進行了分析，并提出了解決方案，接下來對方案的可靠性加以驗證分析，對于系統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行分析，由于FDMA載波信號的排列具有隨機性，不論是數量還是速率都會在一定的范圍內有所波動，如果一次性對所有的因素進行會考慮，就會加大仿真的難度和準確性，筆者在文中假定FDMA信號同時發送，在這種情況下系統受到的干擾最大，經過仿真后發現，系統的誤碼特性主要受到信號干擾的影響比較大，當信噪比的值越來越大時，小站在接收TDM載波信號時的性能就會越好，地板效應也表現的越明顯。

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

5　結語

本文對基于頻帶共享的衛星通信系統進行了研究，并提出了雙向鏈路頻譜重疊共享頻帶技術，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，但相應的也帶來了兩站之間的接收信號與發射信號的干擾問題，進而使得數據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用，通過對仿真結果加以分析，認為基于頻帶共享的衛星通信系統可以使頻帶利用率提升一倍以上的同時還保證了信號的傳輸性能，這對提高衛星通信系統的高效性具有促進意義。

[1]萬堅,許華,朱中梁.基于獨立分量分析的成對載波多址分離新算法[J].通信學報,2012(27).

[2]劉云,郭潔,葉芝慧,宋鐵成.頻譜重疊信號分離的循環平穩算法[J].東南大學學報(自然科學版),2012(1 3).

[3]李悅.郝英川.適用于多載波共頻譜傳輸的干擾消除方式[J].無線電通信技術,2013(21).

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