基于频带共享的卫星通信关键技术研究

杨明文

(国家新闻出版广电总局北京地球站,北京　102206)

基于频带共享的卫星通信关键技术研究

杨明文

(国家新闻出版广电总局北京地球站,北京102206)

笔者在文中就如何提高卫星通信系统对于频带信号的利用率进行了探讨,认为基于频带共享技术的通信系统是不二之选,笔者提出的具体方案是双向链路频谱重叠共享频带技术,具体来说,小站和各个中心站之间的接入方式采用的是FDMA,中心站与小站之间的前向链路采用的广播方式是TDM,这两种技术的使用对提高频率的利用率意义重大,然后对此项技术在卫星通信应用中的关键性技术进行了探讨。

频带共享卫星通信关键技术

从对目前国内外卫星通信系统研究现状分析来看，在业内被广泛应用的主要是DVB-S系统，他有一个非常明显的特点即系统中存在一个前向广播载波的同时还有很多相对较小的双向或反向的FDMA载波，这些载波在传统的应用模式中往往是彼此独立，互相没有交集的，意即每一个载波独自占用一段频率区间，相邻载波之间还需要留有安全间隙才能保证系统的正常工作，为了最大限度地提高系统频率的利用率，我们可以考虑基于频带共享技术来完成卫星通信传输。

1　基于频带共享的卫星通信技术系统概况

基于频带共享的卫星通信技术系统是一种通过频带重叠实现频带共享的技术，对于频率资源的利用率可以提高一倍以上，基本工作原理是将一对用户的双向链路信号的频谱区域加以重叠，然后公用一个转发器进行信号的传输，其主要模式是非对称模式和对称模式两种，在非对称状态下，主站和用户站之间形成一个星状的网络，反向链路和前向链路的信号会在频域内发生重叠，两者同用转发器中的同一频带，在对称状态下，主站和用户站之间信号发射频率基本相互符合，每个用户的独立的频带构成一个网状的网络形态。

图1　基于频带共享的卫星通信系统组成结构图

图2　单级串行干扰抵消器的构造原理图

对于基于频带共享的卫星通信技术系统来说，最大限度的减小甚至消除主站和用户站之间的信号干扰是其中比较关键性的技术要求，为了达到此目的，信号接收端重新估计和重构经由转发器有反馈给自己的由接收端本身发出去的信号，并将这一部分信号从所有的接收信号中剔除出去，由此实现对接受的信号的优化，提高系统对信号的接收心性，通过这样的方法，不仅可以降低对链路传输系统性能的影响还能使通信系统对频带的利用率得到大幅度的提升。

在双向链路频谱重叠共享频带系统中，由各个小站发送的FDMA载波信号以及有中心站发射的TDM载波信号共用一个频带完成信号的传输，地球上的信号接收端接到的TDM载波信号的波谱密度比FDMA信号的功率谱密度要高出很多，其组成结构如图1所示。

与传统的通信系统相比较，频带共享的卫星通信系统具有很大的优势，比如由于FDMA和TDA载波通过共同的频带进行传输，可以实现对宽带的节约;在一定程度上对卫星通信信号的抗截获能力予以优化，在频带共享系统中，地球上的信号接收端接到的TDM载波信号的波谱密度比FDMA信号的功率谱密度要高出很多。这样的话，可以认为是TDM载波将FDMA载波进行了隐藏，使得FDMA信号受到干扰的可能性大大降低。不过不可否认的是，相较于传统通信系统，基于频带共享的卫星通信系统的传输性能有所下降，因为是频带共享的，小站在对来自中心站的TDM信号进行接收时，会受到来自小站自己发射的FDMA载波信号的干扰，而这种干扰对中心站和小站来说其实是互相的，因此，要想最大限度地提高基于频带共享的卫星通信系统对频带的利用率，实现信号的高质量传输，就需要尽量降低二者之间的相互干扰作用。

2　中心站与小站之间信号干扰的分析

在基于双向链路频带共享的卫星通信系统中，中心站与各个小站之间的TDM载波信号以及各个小站与中心站之间的FDMA载波信号是通过公用信号转发器通过同一个频带进行数据的传输的，从上图1中还可以看到地球上各个信号收发系统所处理的信号频谱图。从图中可以看到，与传统的通信系统相比较，基于双向链路频带共享的卫星通信系统具有高出其一倍以上的信号频率的利用率，但同时它也是一种具有自干扰的系统，因此它对信号的传输性能与传统系统会有一定的悬殊，甚至达到了恶化的程度。在整个通信系统中，前向链路和反向链路的频谱会发生相互重叠，然后公用一个频带。

当各个小站在接收来自中心站发射的TDM载波信号时，其自身也在发射FDMA载波信号，这会对其信号接收产生一定的干扰，这对于小站来说，如果没有相关的先验性知识的指导，就很难实现这种干扰的控制与消除，因此，一般都基于相对来说系统设备比较完善，经过合理的仿真验证的设计中，以此来限制干扰，并预留一部分链路使小站信号接受质量的最优化，由此可见，需要保障系统中的TDM信号的载波功率谱的密度要比FDMA载波功率谱密度大才能使小站比较正常的接收TDM信号。

当中心站在接受来自小站的发射的FDMA载波信号时，自身也会发射TDM载波信号，再加上中心站的干扰功率比有用功率还多，不过好在中心站非常清楚自己所发送的信号，这样就可以在接收FDMA载波信号的时候对干扰信号进行提剔除，从而保证接收信号的质量，但在消除了信号干扰的同时，接收的载波信号的信噪比就会有所恶化，仍然没有解决系统对信号的传输性能方面的优化。

3　中心站与小站之间信号干扰的处理

通过对上述关于中心站与各小站之间干扰问题及信号传输性能进行分析后，笔者提出了以下解决方案。

对于返现链路来说，中心站经过自身发送的信号进行重建然后对传输的延时加以准确地估算，最大限度地提高TDM载波信号干扰的消除力度，然后再进行信号的检查，又从改善了FDMA信号的传输性能，获得比较好的反向链路传输质量。

对于正向链路来说，各个小站的接收机还不能做到自身对干扰信号的消除，不过通过对系统本身的优化与改进可以限制用户的发射信号的功率大小，获得较高的链路余量，进而保证小站的信号接收质量。

此外，还可以通过单级串行干扰抵消器对信号加以处理，其构造原理如图2所示。

其中，对信道和干扰信号参数的估计主要包括对载波信号的相位、幅度、传输延时等几个参量的估计，之后再对干扰信号进行重建，将重建后的干扰信号从信号接收机中剔除，使干扰减少或消除。实践表明，由于干扰器和对干扰信号以及信道的参数的估计的准确度对于干扰性能的消除程度起了直接性决定性作用，而在提取干扰信号及信道的参数时也不可避免的受到有效信号的影响，所以并不推荐仅仅采用单级串行干扰抵消器，而考虑多级迭代的方法进行消除干扰的系统的构建。

4　分析系统的信号传输性能

通过以上方法对基于频带共享的卫星通信系统的信号干扰问题进行了分析，并提出了解决方案，接下来对方案的可靠性加以验证分析，对于系统信号传输可靠性的分析主要通过仿真来完成。

首先对前向链路的传输性能进行分析，由于FDMA载波信号的排列具有随机性，不论是数量还是速率都会在一定的范围内有所波动，如果一次性对所有的因素进行会考虑，就会加大仿真的难度和准确性，笔者在文中假定FDMA信号同时发送，在这种情况下系统受到的干扰最大，经过仿真后发现，系统的误码特性主要受到信号干扰的影响比较大，当信噪比的值越来越大时，小站在接收TDM载波信号时的性能就会越好，地板效应也表现的越明显。

其次，对反向链路的传输性能进行分析，在基于双向链路频带共享的卫星通信系统中，中心站只会受到自身发射的TDM载波信号的干扰，所以，对系统通过多级串行干扰抵消器进行干扰信号的抵消具有合理性和科学性，干扰器直接从接收信号中对干扰信号加以估计并分离，然后进行信号的重建，系统的仿真也是在最恶劣的条件下进行的，即FDMA信号被全部排满，发现，FDMA载波信号的信噪比的波动范围是3-10dB，干扰消除后的信噪比被控制在了0.5 dB以下。

5　结语

本文对基于频带共享的卫星通信系统进行了研究，并提出了双向链路频谱重叠共享频带技术，着重介绍了如何消除信号传输过程中的信号干扰。频带共享技术在于使中心站和小站之间的信号传输处于同一段频带中，这样可以最大限度地提高频率的利用率，但相应的也带来了两站之间的接收信号与发射信号的干扰问题，进而使得数据的传输性能受到了较大程度的阻碍，因此又提出多级串行干扰抵消器的迭代应用，通过对仿真结果加以分析，认为基于频带共享的卫星通信系统可以使频带利用率提升一倍以上的同时还保证了信号的传输性能，这对提高卫星通信系统的高效性具有促进意义。

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[2]刘云,郭洁,叶芝慧,宋铁成.频谱重叠信号分离的循环平稳算法[J].东南大学学报(自然科学版),2012(1 3).

[3]李悦.郝英川.适用于多载波共频谱传输的干扰消除方式[J].无线电通信技术,2013(21).

杨明文(1974—),女,汉,北京人,值班员,工程师,研究方向:卫星广播电视传输。