衛星通信信道中載波補償模式的實現*

雷東鵬

（工業和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

0 引 言

衛星是繞地球軌道運行的物體。軌道是一種能夠保持重力平衡而無需動力輔助即可繞地球旋轉的軌跡。牛頓和開普勒概念化的物理定律支配著軌道力學。

衛星已經成為現代生活必不可少的部分。衛星通信技術的重要應用包括視頻、語音、IP數據、無線電、地球和太空觀測、全球資源監視、軍事、定位（Global Positioning System，GPS）以及微重力科學等。從直接到家的電視到哈勃望遠鏡，衛星通信技術是現代的決定性技術之一。視頻是最成功的衛星商業應用，而直接到家庭的分發是目前該技術最有希望的應用。對于提供商、直接到家或辦公室而言，地球、GPS和互聯網訪問場所的“現場”圖像都是最成功的，而基于低空飛行衛星群的手機系統卻大失所望。但是，用于海上和移動服務的類似移動電話的連接（包括ISDN速度）已經存在了一段時間。

衛星服務具有一些巨大的優勢，如可以在地球上幾乎所有地方使用而無需有線，具有移動性，是理想的廣播媒體，且與協議無關。衛星通信技術的不利之處在于，衛星在地球上某個位置的可見性有限，或者往返時間較長，且它們廣播的數據可以被其下的任何人接收。此外，衛星傳輸也受到地面和太空天氣的影響。與光纖相比，它們的錯誤率更高，且從物理和法規角度來看，它們都是復雜的。

人造衛星通過航天飛機、高空飛行器或地面火箭從地球發射。發射后，有效載荷必須達到適當的高度和逃逸速度才能升入軌道。為了維持正確的軌道，從地球上的地面站控制衛星，該地面站發送命令并從衛星接收狀態和遙測。

地球軌道衛星是現代技術的奇跡。除了發射的壓力外，還必須承受太空的嚴酷考驗。在太空中，有極冷和極熱、輻射和微隕石以及太陽上的暴風雨。必須獲得相關并維護軌道，且必須監視關鍵系統。衛星的“地面計劃”與該技術的應用一樣多。

衛星上的主要系統包括動力、推進、制導，有時還包括科學儀器，當然還有通信和跟蹤系統。任何衛星的最低通信能力，無論其用途如何，都能夠發送和接收并執行命令，跟蹤和遙測低速鏈路。

衛星通信系統實際上是一種微波通信，以衛星作為中繼站轉發微波信號，在多個地面站之間通信。衛星通信的主要目的是實現對地面的“無縫隙”覆蓋，由于衛星工作于幾百、幾千甚至上萬公里的軌道上，因此覆蓋范圍遠大于一般的移動通信系統。但是，衛星通信要求地面設備具有較大的發射功率，因此不易普及使用。

衛星通信系統由衛星端、地面端和用戶端組成。衛星端在空中起中繼站的作用，即把地面站發上來的電磁波放大后再返送回另一地面站。衛星星體又包括星載設備和衛星母體兩大子系統。地面站是衛星系統與地面公眾網的接口，地面用戶也可以通過地面站出入衛星系統形成鏈路。地面站還包括地面衛星控制中心及其跟蹤、遙測和指令站。用戶端即是各種用戶終端。

在微波頻帶，整個通信衛星的工作頻帶約有500 MHz寬度。為了便于放大、發射及減少變調干擾，一般在星上設置若干個轉發器，每個轉發器被分配一定的工作頻帶。目前的衛星通信多采用頻分多址技術，不同的地球站占用不同的頻率，即采用不同的載波，比較適用于點對點大容量通信。近年來，時分多址技術也在衛星通信中得到了較多應用，即多個地球站占用同一頻帶，但占用不同的時隙。與頻分多址方式相比，時分多址技術不會產生互調干擾，不需用上下變頻把各地球站信號分開，適合數字通信，可根據業務量的變化按需分配傳輸帶寬，使實際容量大幅度增加。另一種多址技術是碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA），即不同的地球站占用同一頻率和同一時間，但利用不同的隨機碼對信息進行編碼來區分不同的地址。CDMA采用了擴展頻譜通信技術，具有抗干擾能力強、有較好的保密通信能力、可靈活調度傳輸資源等優點，比較適用于容量小、分布廣、有一定保密要求的系統。

在提供地面站與衛星之間的可靠通信中，特別是在采用功率有限的小型衛星的通信系統中存在許多挑戰。如果沒有正確利用稀缺資源和/或沒有正確管理干擾源，則可能導致較高的誤碼率（甚至是完全的通信失?。＠?，衛星上有限的電池和太陽能會限制用于數據無線傳輸的可用射頻（Radio Frequency，RF）功率，這可能導致低的信噪比和相應的高誤碼率。此外，地面站和軌道衛星之間的通信鏈路具有有限的時間窗口，這些時間窗口的噪聲/可靠性會根據干擾源、衛星方位角和相對于地面站的仰角等變化。此外，在同時發送時嘗試接收數據可能會使接收器不堪重負。因此，與衛星通信相關的許多因素會導致數據被延遲、亂序接收、高誤碼率接收和/或丟失。

在運行衛星通信網絡時，決定服務成本的費用中最重要的部分是衛星資源的租金，如頻率和能量，本文主要任務是提高有限衛星資源的利用效率[1]，提出實現載波信號的減法模式（載波補償）。該模式允許雙重使用頻率資源，從而減少能量或頻率損耗。因此，運營商將有機會將衛星通信信道的容量增加1倍，或者在不提高傳輸速度的情況下，顯著提高經濟績效（資源租賃成本、設備投資回收期等）。

圖1顯示了載波減法模式，每一側以相同的頻率發送信號[2]。通過自身發射信號，以延遲的方式和從遠端接收的信號形成混合式接收應答器信號。

1 載波補償模式的同步算法

需要考慮用于找到信號參數并在減去之前對其進行調整的算法[3]。圖2為載波補償模式結構圖。

圖1 載波減法模式

圖2 載波補償模式實現的結構

用于計算的輸入數據是接收到的總信號和發送的參考信號。該算法的結果是總信號，從該總信號中減去參考信號的延遲副本[4]。

它在計算中實現了以下基本功能：

（1）按延遲、頻率和相位在總信號中搜索傳輸信號的副本；

（2）跟蹤延遲、頻率和相位參數；

（3）從總信號中減去傳輸信號的延遲副本。

在調制器的輸入端接收到的已發送參考信號的樣本被寫入延遲緩沖器[5]。該緩沖區允許存儲持續時間長達0.3 s的信號，考慮到沿地球-航天器（Satellite Component，SC）路線和返回方向的信號傳播延遲，可以提供數據接收。

為了通過使用站點位置坐標和SC坐標的延遲來計算搜索窗口的邊界，考慮白天SC位置在軌道位置的不穩定性，設計這些數據來確定傾斜范圍并設置搜索窗口的邊界。

延遲信號搜索可以通過各種方法來實現[6]。在所考慮的實施方式中，使用順序搜索，并使用總接收信號和被拘留者發送信號之間的相關性的3個函數值C-1、C0、C+1，其中索引指示相對于設置延遲值。搜索分兩個階段進行：先通過延遲和頻率進行粗略搜索，后通過延遲進行精確搜索。

在粗略搜索階段，通過指定的延遲在指定的搜索窗口中搜索延遲值，并搜索最大相關系數C0。通過浮動窗口在信號樣本的間隔211～213上計算相關值。增加相關計算窗口將擴大總信號中各個信號之間功率譜密度差異的范圍，搜索算法可以在該范圍內找到并捕獲該信號。

將先前的相關值表示為C-1，偏相關值表示為C00，相位誤差計算（相位檢測器）為相關函數C0的兩個相鄰值之間的相位差：

設置新值后，搜索引擎將等待與要計算的搜索窗口值可比的相關值數量。這是捕獲頻率搜索環路所必需的。隨著頻率捕獲，相關函數的值增加。當找到相關函數C0的正最大值時，會發生固定的延遲，延遲粗信號捕獲[7]。

基于拉格朗日多項式的插值器用于查找確切的延遲同步。內插器步長是信號采樣之間距離的1/1 024。當每個符號的信號采樣數大于2時，它可以以小于1/2 000×Ts的延遲實現同步精度，其中Ts是符號的持續時間[8]。相關函數C-1和C+1的幅度用于確定精確延遲同步中的誤差。

Tserr錯誤值定義為：

利用對延遲的偏差估計，相關函數C0的能量重新分配給相鄰函數C-1和C+1。圖3為通過延遲（a）粗略捕獲時以及通過延遲（b）建立精確同步后的相關函數的值。

圖3 相關函數C-1、C0和C+1

相鄰相關函數的值之間的差異顯示出誤差，該差異的符號是延遲偏移方向。

在建立精確同步后，減去之前提供參考信號的自適應濾波。最小二乘法用于計算濾波器系數[9]。為了實現信噪比的最小損失（信號減法損失）和所需計算資源的最佳，濾波器中的系數限制為32個單位。

2 結 果

提出的載波補償方法和算法是在FPGA Xilinx 7系列的基礎上實現的[10]，占用的FPGA資源如表1所示。

表1 占用的FPGA資源

圖4顯示了一個典型的全雙工衛星鏈路，其中兩個載波彼此相鄰[11]。圖5顯示了在“載波補償”模式（載波補償）下工作的衛星信道，其中兩個載波使用相同的頻率范圍相互重疊[12]。

圖4 全雙工衛星鏈路

圖5 載波補償模式下工作的衛星信道

在頻譜分析儀上觀察信號時，只能目視觀察復合信號[13]。為了說明目的，給出了圖4中的載波信號1和載波信號2。

提出的方法在衛星路由器YAR-1040中實際實施的結果表明減少了相減時間，結果是減少了信號的搜索時間[14]。

與該領域中已知解決方案的比較分析表明，提出的算法以相同的信噪比損失實現了載波補償模式，而信號的搜索和捕獲時間少于2倍[15-16]。在信號減法中，實際獲得的SNR損耗率中獲得的實驗值取決于調制，并得出QPSK調制為0.2 dB、8PSK為0.3 dB、16APSK為0.5 dB。在解決方案[7]中，QPSK損耗的值為0.3 dB、8PSK為0.4 dB、16APSK為0.6 dB。

3 結 語

本文研究了在提供通信服務時補償租賃衛星資源的成本問題，主要任務是使頻率和能量損失最小化。為了支持該模式，進行了“載波補償”模式的模型和算法開發，并在在FPGA的基礎上創建了具有載波補償模式的設備。測試結果表明，最終的解決方案可以大大減少衛星通信信道的資源。