空間信息網絡星載轉發器體制研究

張玲玲，南小回（武警杭州士官學校，杭州 310023）

空間信息網絡星載轉發器體制研究

張玲玲，南小回
（武警杭州士官學校，杭州 310023）

隨著通信技術不斷發展和終端類型的日益增多，寬帶衛星通信系統打破了傳統的格局，單址、單頻、單星窄帶的現象逐漸被多址、多頻和多星寬帶的網絡模式所替代，其中對以高容量、高靈活性的數學信道化衛星通信系統的研究最為突出，而數字信道化衛星通信系統的形成，衛星轉發器的不斷改進起著不可磨滅的作用。

轉發器；數字信道化；WGS

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.117

1　透明轉發器

透明轉發的信號交換過程是在模擬濾波器和中頻交換矩陣中實現的，如果信號的載波頻率不發生大的改變，那么信號調制和解調的類型以及編碼譯碼的準則變化對透明轉發器影響甚微，這些特性造就了透明轉發器性能靈活，適應上下行鏈路通信協議的能力較強［1］，因此，透明轉發器依舊是目前大多數衛星通信系統的首要選擇方式，然而它也存在不可忽略的缺陷，比如星上信號交換矩陣全部屬于硬連接范疇，且網絡路由是固定選擇模式，使得系統不能隨著業務量的變化而變化，信號交換帶寬一般情況下都需要占用轉發器的全部帶寬，甚至以波束為單位進行信號的交鏈，無法進行較為細致的交換行為，此外，由于高功率放大器存在的非線性的問題，通常需要在多載波的情況下還必須采取一定的功率回退措施，導致系統容量、頻率資源利用率的部分降低。

2　再生式轉發器

再生式轉發器整個過程包括對信號的解調、譯碼、編碼和調制等一系列處理單元，所以相比較透明轉發器而言，再生式轉發器可以有效地提高通信系統的容量和頻率資源利用率，尤其是利用自適應編碼技術使得系統的性能進一步達到了提升，顯而易見，此種模式的星載處理器相比較透明轉發器來說，其物理層中信號的處理單元是體現其優越性能的核心技術，但是這種依賴物理層的星載處理器也存在很大的風險，如衛星在其服役的整個生涯過程中，一旦上下行鏈路的通信協議進行了升級更新，則可能導致衛星通信系統無法有效地收發數據，完全處于癱瘓狀態，從這方面來看，其適應性相比較透明轉發器來說差很多，目前，僅有少數的衛星搭載此類轉發器［2］。

3　數字信道化轉發器

透明轉發器和再生式轉發器既有突出的優點又有不可忽略的缺陷，那么存不存在一種可以將這兩種方式結合在一起的辦法呢？伴隨軟件無線電知識的不斷更新，此問題有了最佳答案，即軟件定義有效載荷（Software Define payload，SDP）方式，SDP的主要構思內容是將透明轉發器靈活性強但無法適應業務量變化的特點和再生式轉發器中的純依賴物理層提升系統容量的特點結合在一起，做到揚長避短，互相兼容，從理論上提升轉發器處理信號的效率，但是這種理想的轉發器方式在經過人們長時間研究和實踐操作之后，始終在設備的體積、重量、功耗等難題上無法跨越，與SDP所描述的思想存在很大的差距，所幸的是，近年來數字信號處理技術的不斷完善，同時伴隨著芯片制造工藝的日益精良，人們結合這兩種技術設計了數字信道化轉發器模型，并且通過它實現了部分SDP的功能。如圖1所示。數字信道化轉發器的信號處理過程具體內容為：衛星上行信號經衛星接收天線的接收之后，將接收到的信號送入低噪聲放大器中進行放大，之后將放大的信號傳送給下變頻單元，從中改變信號頻率，變為合適的中頻信號，隨后系統又將模擬信號轉換為數字信號并送入數字域中進行處理，送進來的數字信號經過信道解復用處理之后，進入數字信道交換單元，交換過后的信號經過信道復用、數模轉換之后，變成了模擬中頻信號，此中頻信號經模擬上變頻、高功放放大，被饋入衛星發射天線，從而完成了整個星載信號交換過程［3］。所以數字信道化器共分了三步驟完成：信道解復用（子信道分離）、信道交換（子信道交換）、以及信道復用（子信道綜合）。

圖1　數字信道化轉發器

相比較透明轉發器而言（信號交換時所占據整個信道的帶寬），此種轉發器中信號交換帶寬要節省得多，而且利用數字信道化技術能夠使得上行信道在衛星轉發器中被分為若干個子信道，其信道帶寬窄，便于系統根據實際情況進行合理地選擇配置，占用一個或幾個信道進行通信，對于轉發器中每個子信道的增益，可以被系統按需分配，系統復制單個子信道用來進行廣播、組播和抑制備用信道等，從而使得系統在數字域中對鏈路損耗進行一定的補償，降低高功率放大器的非線性效應，提高通信靈活性和可靠性，達到衛星信號與頻率資源之間的靈活互換。

［1］陽志明，周坡，曹志剛.一種基于復指數調制精確重構濾波的寬帶星載數字信道化器［J］.電子與信息學報，2010，32（11）：2554-2559.

［2］張飛，邊東明，張更新.星載柔性轉發器中一種近似精確重構原型濾波器的設計［J］.電子與信息學報，2013（03）：171-176.

［3］張飛，邊東明，張更新等.非均勻信道增益控制的多載波衛星容量分析［J］.宇航學報，2013，34（08）：1122-1129.

張玲玲，現任武警杭州士官學校基礎部副教授。