用于衛(wèi)星通信設(shè)計的寬帶通道模擬器

如今，現(xiàn)代衛(wèi)星通信系統(tǒng)面臨了諸多挑戰(zhàn)。主要是：
 
     1．通信帶寬增大，容量增加
　　
     在衛(wèi)星通信中，數(shù)據(jù)傳輸速率是性能的重要指標(biāo)。近期的研究發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星的平均功耗增加了350%，設(shè)計壽命從10年增加到近14年，衛(wèi)星的外形和復(fù)雜度也增加了2到5倍。Shin公司的新一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)衛(wèi)星iPSTAR總?cè)萘窟_(dá)到了40Gbps，據(jù)稱是現(xiàn)有衛(wèi)星容量的40倍。美國休斯網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)公司的SPACEWAY每個點(diǎn)波束的下行鏈路數(shù)據(jù)速率為800Mbps。現(xiàn)代信息技術(shù)需要更寬的衛(wèi)星傳輸帶寬。
　　
     2．根據(jù)環(huán)境因素和設(shè)計目標(biāo)，更嚴(yán)格地控制設(shè)計余度
 
     當(dāng)今正在開發(fā)的先進(jìn)寬帶通信衛(wèi)星的設(shè)計、制造和部署成本都較高。衛(wèi)星設(shè)計者盡量增加衛(wèi)星的有效載荷能力，以便在投入使用之后能夠最大限度地獲取利潤。
 
     這對于設(shè)計衛(wèi)星的工程師來說，意味著：因為先進(jìn)的通信衛(wèi)星要求最大限度地增加數(shù)據(jù)速率和容量，所以留給設(shè)計者的誤差余度很小。如果未能分析或者考慮到任何相關(guān)參數(shù)或者真實效應(yīng)，都可能導(dǎo)致設(shè)備性能下降，從而減少收益。與此相反的情況是設(shè)計過于縝密，亦即因為考慮了所有未知因素或者按照最差情況來設(shè)計而導(dǎo)致參數(shù)余度過大，從而增加了不必要的成本、部件、重量和復(fù)雜度。
 
     3．衛(wèi)星通信質(zhì)量的影響因素
 
     圖1給出了傳統(tǒng)“彎管”式衛(wèi)星下行鏈路的整體示意圖，其中包括了主要的部件。衛(wèi)星部分只顯示了一個轉(zhuǎn)發(fā)器圖像。實際上，一個衛(wèi)星可能帶有30到50個轉(zhuǎn)發(fā)器。

圖1 ：“彎管”式衛(wèi)星下行鏈路示意圖
 
      每個部件都有會降低系統(tǒng)整體功能的不理想性能。首當(dāng)其沖的、最基本的壞損是熱噪聲。通過載波功率來設(shè)置信道內(nèi)的載噪比(CNR)或者信噪比(SNR)。在指定了信噪比和帶寬的情況下，通過香農(nóng)定律來定義每秒鐘的最大信道容量(位數(shù))，不過在實際操作中永遠(yuǎn)不會達(dá)到這個最大值。要確保最佳系統(tǒng)設(shè)計，就必須對信道內(nèi)所有真實存在的壞損進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。
 
      針對挑戰(zhàn)的仿真測試解決方案
 
      全面、真實的通信通道仿真是設(shè)計和驗證的需要。針對衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，設(shè)計人員需要更為有效的仿真測試設(shè)備，要求它具有寬帶仿真和測試功能，真實地模擬通道中環(huán)境壞損因素、以及通道中各部件對系統(tǒng)的影響。這樣，設(shè)計人員才能在設(shè)計階段有效地控制設(shè)計余度，同時滿足成本、可靠性和容量的要求。
 
      幾種測試方案的比較
 
      目前，衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計者在設(shè)計過程中可以使用若干種輔助工具。設(shè)計模擬和測試工具主要有以下三種：
　　
      1． 計算機(jī)建模和模擬工具
      2． 制造和發(fā)射試驗衛(wèi)星
      3． 衛(wèi)星通道模擬器
 
      借助計算機(jī)建模和模擬工具，設(shè)計者可以建立多種信道壞損的模型，并通過模型綜合考慮系統(tǒng)的總體性能。這些工具能夠完成基本設(shè)計，并進(jìn)行性能評估。此類軟件用于臺式機(jī)和高級工作站。為了得到準(zhǔn)確的結(jié)果，即便使用最快的處理器也需要花費(fèi)大量的計算時間，這樣一來就限制了模擬對象的數(shù)量，也限制了能夠分析的綜合壞損模型。這些模型也有可能不會正確反映實際情況。
 
      另外一方面，相關(guān)單位已經(jīng)制造并發(fā)射了實驗衛(wèi)星，以便在真實環(huán)境中通過真實的硬件和軟件來檢測新的通信技術(shù)和理念。這些衛(wèi)星包括ACT、Artemis、 Kopernikus、N-Star、Superbird以及Italsat F1。這些衛(wèi)星的制造成本昂貴，但是它們?yōu)楫?dāng)今寬帶衛(wèi)星設(shè)計的精細(xì)技術(shù)和定義方法提供了頗有價值的實驗環(huán)境。衛(wèi)星位于整個設(shè)計金字塔的塔尖，它們的性能通過設(shè)計來確定，根據(jù)需要更改技術(shù)規(guī)格的余地則很小。同樣，也很難通過更改壞損機(jī)制來檢測它們對系統(tǒng)整體性能的影響。
 
      衛(wèi)星信道模擬器把測試環(huán)境和模擬環(huán)境很好地結(jié)合起來，為用戶提供所需的精確度和實時性能。Aeroflex生產(chǎn)的Celerity CS80000寬帶信道模擬器(BCS)系列(圖2)就是很好的例子。

圖2 Celerity CS80000寬帶信道模擬器

 
      這些模擬器在實驗室中通過受控的、精確的、可重復(fù)的方式創(chuàng)建帶有壞損機(jī)制的真實信道。因為這些信道是帶有寬帶射頻輸入和輸出的實時系統(tǒng)，所以在測試過程中可以使用真實的硬件終端。和軟件模型相比，這種實時測試可以運(yùn)行更多檢測對象，進(jìn)而能夠進(jìn)行更詳細(xì)的測試。它們的特點(diǎn)如下：
　　
      1． 穩(wěn)定的、可重復(fù)的模擬，帶有定義好的、受控的壞損機(jī)制
      2． 時和全帶寬信道，能夠支持真實的硬件和快速測試時間
      3． 最壞情況模擬，可以包含任何綜合壞損模型
      4． 通過實驗室設(shè)備來最大限度地減少高成本測試或者實際衛(wèi)星測試時間

圖3 兩通道BCS結(jié)構(gòu)框圖
    
       Aeroflex寬帶通道模擬器簡介
 
      Aeroflex 寬帶信道仿真器模擬(BCS)可以為高速通信系統(tǒng),點(diǎn)對點(diǎn)微波和衛(wèi)星通信建立精確的和可重復(fù)的信道，提供帶寬最寬的通道模擬和連接仿真，實現(xiàn)最全面的干擾信號模擬。實時的仿真可提供帶寬達(dá)500MHz、時間延遲最大達(dá)10秒，并同時可提供1至4個獨(dú)立的通道仿真。BCS可實時為輸入信號加入干擾信號，模擬實際傳輸通道的干擾。
 
      可提供的干擾信號包括：動態(tài)延遲(從地面到GEO衛(wèi)星往返的短時間延遲)、動態(tài)多普勒、精確的相位噪聲、Ricean和 Rayleigh衰落、附加白高斯噪聲、平衰落、rain衰落、附加CW和調(diào)制的干擾信號、通帶幅度和相位畸變。用于相關(guān)或獨(dú)立信道的變頻器，可以對輸入 /輸出信號進(jìn)行變頻控制。

     衛(wèi)星仿真軟件包，使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的TLE組件，可產(chǎn)生24小時的多普勒和延遲仿真文件。Aeroflex的通道模擬已成功應(yīng)用于多個衛(wèi)星工程中，用于模擬信號往返路徑，可在衛(wèi)星發(fā)射之前對衛(wèi)星和地面站進(jìn)行全面測試。