多载波柔性转发器卫星系统

[摘 要]由于透明和随着新的军事和商业卫星通信系统的发展，空天信息网络宽带卫星需要满足种类多、数量大、速率高的接入需求，由此，多星、多业务、多波束成为未来空天信息网络多址接入系统的发展趋势。但是与地面接入系统不同，空天信息网络的接入节点——通信卫星是带宽和功率受限系统，仅仅设计多址接入技术和信号调制方式并不能完全解决空天信息网络的多址接入问题，必须结合卫星转发器特点，研究卫星功率控制策略，解决多址方式实现信道资源的最优配置，进而最大化系统容量，结合宽带卫星转发器的发展趋势，在空天信息网络接入节点——卫星上设计采用一种基于非均匀滤波器组的星载数字化处理转发器，即柔性转发器。

[关键词]柔性转发器

柔性转发器是通过任意组合交换各子信道之间以及相邻子信道的信号，并结合非均匀子信道增益，可以有效克服卫星转发器中大载波对小载波抑制问题，大大提高功放的效率，进而提高系统的容量。柔性转发器可以灵活分配卫星转发器资源，非常适合空天信息网络支持多平台、多种业务的多址接入需求。其中用户终端及转发器子信道的功率分配算法，是影响多址接入系统容量的重要因素，对未来空天宽带卫星网络的发展具有重要实践指导意义再生式转发器分别存在对业务的适应性差和对通信体制的依赖性强的不足，基于数字化处理方式的柔性转发器系统应运而生，其技术特点有：灵活多变的数字信道化滤波技术、非均匀带宽交换的场景下进行星上信号分析综合、甚至跨波束的灵活交换技术，在很大程度上克服了透明和再生式转发器存在的问题，使卫星转发器系统具备通信体制的按需分配、信道的最佳划分和临时组网的能力，提高了宽带卫星通信的扩展性与可靠性，实现卫星信号和空间资源的灵活交换作为一个能量受限的设备，功率资源是卫星转发器中最为宝贵的资源，宽带卫星系统通常采用多载波通信，多个载波同时在转发器的功率放大器中得到放大并下发。多载波的工作状态将使得各个子信道相互影响和制约，大小载波共存以及转发器功率使用效率问题一直是困扰多载波卫星转发器的主要问题。基于近年提出的非均匀化子信道增益概念，进行优化多载波柔性转发器的通信系统链路可支持性问题，将能有效克服多载波存在的问题，提高系统容量。

柔性转发器作为数字信道化器的一种，区别于其他数字信道化器，其各个子信道的增益可以根据实际需求进行单独设置，我们以WGS系统中的星载有效载荷为参考，并且根据数字信道化器突出特征：需要通过三个步骤（信道解复用、信道交换、信道复用）实现转发器中任何一个子信道从任意输入波束到任意输出波束的路由过程，一个柔性转发器中有N个子信道，并通过这N个子信道容纳M条链路，转发器的非线性效应全部集中在一个高功率放大器中，同时，根据系统实际应用场景，假定不考虑转发器天线的个数，模型中功率大的载波可以占用几个子信道进行通信，而功率小的多个载波可以共同占用一个子信道进行通信，利用數字信道化的特点，我们可以灵活地设定子信道增益，避免大载波抑制小载波问题和减小高功放中非线性效应的影响，从而充分利用频谱资源和提高系统的通信容量。

数字信道化卫星通信系统中，存在M条链路i（i=1、2、...、M），其地面站发射终端Txi上行链路的有效全向辐射功率（Effective isotropic Radiated Power，EIRP）定义为Ei，ai为信号的上行链路路径总损耗，它包括信号的自由空间损耗、散射损耗以及卫星接收的天线增益Gu，a。而其下行链路路径损耗bi包括卫星发射的天线增益，自由空间损耗Lup，散射损耗和地面站接收天线增益Gda。令xi表示转发器输入的载波功率，令yi表示相应的转发器输出功率，Ts表示卫星转发器输入的等效噪声温度。Kc为玻耳兹曼常数，其值为1.23×10-23，从而将整个卫星转发器建立为一个包含三部分的模型：（1）功率密度值为KcTs的加性噪声；（2）增益为Gn为（n=1，2，...，N）的理想子信道；（3）一个无记忆非线性高功放。对于此模型中的所有子信道来说，加性噪声和非线性效用对其影响都是共同的，但理想增益和滤波特性对于每个子信道来说是不同的，转发器所有增益包括高效率功放都体现在子信道增益Gn中。

在地面接收终端处，内部噪声的功率密度为KcTi，其中Ti表示该接收终端的噪声温度。为了分析链路可支持性，必须需要确定转发器的工作点z。转发器工作。

点z定义为转发器总的输出功率和饱和功率P的比值。表达式如下所示。

公式中Bn代表第n个子信道的带宽，Gn代表第n个子信道增益，n（i）表示该系统中第i条链路占用第n个子信道。

方便起见，假设所有转发器链路的增益非线性函数都一致，其为转发器工作点z的函数，由此可知，链路i经过卫星转发器所得到的输出载波功率为

此外，高功率放大器存在一定的非线性效应（非线性幅度转移特性、和调幅调相转换特性），这里为了简要分析，可将交调干扰（Inter-Modulation，IM）产物近似看作为卫星转发器信道中的白噪声，其功率谱密度函数和转发器工作点z相关，用h（z）来表示，交调归一化的特征函数，也是与转发器工作点z有关，表示为交调归一化的特征函数。所以转发器中实际输出的IM谱密度表达式为h（z）P / B，B表示转发器的总带宽。

常见的卫星转发器非线性交调特征函数h（z）和增益非线性函数g（z）表征公式如下：

上式中的和表示了高功率放大器的非线性效应，其中为小信号抑制因子，一般取值，为高功率放大器饱和状态下交调谱密度函数因子，一般取值。

在多载波柔性转发器中，链路i 在链路j中产生的频谱混叠函数为，其表达式为：

其中，和分别表示链路i载波和链路j载波的归一化功率谱密度。

作者简介：张玲玲（1978-），女，河南焦作人，武警杭州士官学校机电基础教研室副教授，研究方向：电工电子技术。