空間信息網(wǎng)絡(luò)星載轉(zhuǎn)發(fā)器體制初探論文
1.透明轉(zhuǎn)發(fā)器
透明轉(zhuǎn)發(fā)的信號交換過程是在模擬濾波器和中頻交換矩陣中實(shí)現(xiàn)的，如果信號的載波頻率不發(fā)生大的改變，那么信號調(diào)制和解調(diào)的類型以及編碼譯碼的準(zhǔn)則變化對透明轉(zhuǎn)發(fā)器影響甚微，這些特性造就了透明轉(zhuǎn)發(fā)器性能靈活，適應(yīng)上下行鏈路通信協(xié)議的能力較強(qiáng)[1]，因此，透明轉(zhuǎn)發(fā)器依舊是目前大多數(shù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)路由是固定選擇模式，使得系統(tǒng)不能隨著業(yè)務(wù)量的變化而變化，信號交換帶寬一般情況下都需要占用轉(zhuǎn)發(fā)器的全部帶寬，甚至以波束為單位進(jìn)行信號的交鏈，無法進(jìn)行較為細(xì)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(dǎo)致系統(tǒng)容量、頻率資源利用率的部分降低。
2.再生式轉(zhuǎn)發(fā)器
再生式轉(zhuǎn)發(fā)器整個過程包括對信號的解調(diào)、譯碼、編碼和調(diào)制等一系列處理單元，所以相比較透明轉(zhuǎn)發(fā)器而言，再生式轉(zhuǎn)發(fā)器可以有效地提高通信系統(tǒng)的容量和頻率資源利用率，尤其是利用自適應(yīng)編碼技術(shù)使得系統(tǒng)的性能進(jìn)一步達(dá)到了提升，顯而易見，此種模式的星載處理器相比較透明轉(zhuǎn)發(fā)器來說，其物理層中信號的處理單元是體現(xiàn)其優(yōu)越性能的'核心技術(shù)，但是這種依賴物理層的星載處理器也存在很大的風(fēng)險(xiǎn)，如衛(wèi)星在其服役的整個生涯過程中，一旦上下行鏈路的通信協(xié)議進(jìn)行了升級更新，則可能導(dǎo)致衛(wèi)星通信系統(tǒng)無法有效地收發(fā)數(shù)據(jù)，完全處于癱瘓狀態(tài)，從這方面來看，其適應(yīng)性相比較透明轉(zhuǎn)發(fā)器來說差很多，目前，僅有少數(shù)的衛(wèi)星搭載此類轉(zhuǎn)發(fā)器[2]。
3.數(shù)字信道化轉(zhuǎn)發(fā)器
透明轉(zhuǎn)發(fā)器和再生式轉(zhuǎn)發(fā)器既有突出的優(yōu)點(diǎn)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(jié)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（SoftwareDefinepayload，SDP）方式，SDP的主要構(gòu)思內(nèi)容是將透明轉(zhuǎn)發(fā)器靈活性強(qiáng)但無法適應(yīng)業(yè)務(wù)量變化的特點(diǎn)和再生式轉(zhuǎn)發(fā)器中的純依賴物理層提升系統(tǒng)容量的特點(diǎn)結(jié)合在一起，做到揚(yáng)長避短，互相兼容，從理論上提升轉(zhuǎn)發(fā)器處理信號的效率，但是這種理想的轉(zhuǎn)發(fā)器方式在經(jīng)過人們長時(shí)間研究和實(shí)踐操作之后，始終在設(shè)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(shù)字信號處理技術(shù)的不斷完善，同時(shí)伴隨著芯片制造工藝的日益精良，人們結(jié)合這兩種技術(shù)設(shè)計(jì)了數(shù)字信道化轉(zhuǎn)發(fā)器模型，并且通過它實(shí)現(xiàn)了部分SDP的功能。如圖1所示。
數(shù)字信道化轉(zhuǎn)發(fā)器的信號處理過程具體內(nèi)容為：衛(wèi)星上行信號經(jīng)衛(wèi)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(jìn)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?yōu)楹线m的中頻信號，隨后系統(tǒng)又將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并送入數(shù)字域中進(jìn)行處理，送進(jìn)來的數(shù)字信號經(jīng)過信道解復(fù)用處理之后，進(jìn)入數(shù)字信道交換單元，交換過后的信號經(jīng)過信道復(fù)用、數(shù)模轉(zhuǎn)換之后，變成了模擬中頻信號，此中頻信號經(jīng)模擬上變頻、高功放放大，被饋入衛(wèi)星發(fā)射天線，從而完成了整個星載信號交換過程[3]。所以數(shù)字信道化器共分了三步驟完成：信道解復(fù)用（子信道分離）、信道交換（子信道交換）、以及信道復(fù)用（子信道綜合）。相比較透明轉(zhuǎn)發(fā)器而言（信號交換時(shí)所占據(jù)整個信道的帶寬），此種轉(zhuǎn)發(fā)器中信號交換帶寬要節(jié)省得多，而且利用數(shù)字信道化技術(shù)能夠使得上行信道在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中被分為若干個子信道，其信道帶寬窄，便于系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理地選擇配置，占用一個或幾個信道進(jìn)行通信，對于轉(zhuǎn)發(fā)器中每個子信道的增益，可以被系統(tǒng)按需分配，系統(tǒng)復(fù)制單個子信道用來進(jìn)行廣播、組播和抑制備用信道等，從而使得系統(tǒng)在數(shù)字域中對鏈路損耗進(jìn)行一定的補(bǔ)償，降低高功率放大器的非線性效應(yīng)，提高通信靈活性和可靠性，達(dá)到衛(wèi)星信號與頻率資源之間的靈活互換。
參考文獻(xiàn)：
[1]陽志明，周坡，曹志剛.一種基于復(fù)指數(shù)調(diào)制精確重構(gòu)濾波的寬帶星載數(shù)字信道化器[J].電子與信息學(xué)報(bào),2010,32(11):2554-2559．
[2]張飛,邊東明,張更新．星載柔性轉(zhuǎn)發(fā)器中一種近似精確重構(gòu)原型濾波器的設(shè)計(jì)[J].電子與信息學(xué)報(bào),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(wèi)星容量分析[J].宇航學(xué)報(bào),2013,34(08):1122-1129．
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