Ka频段低轨遥感卫星数传接收链路设计

2019-04-26杨建国王芹英王海波

遥测遥控 2019年6期

杨建国，王芹英，王海波

（北京遥测技术研究所北京 100076）

引言

遥感卫星星地链路需要传输的数据量越来越大，所占用的带宽也随之更宽，Ka频段可用的带宽可以满足较大的传输带宽和较高码速率的传输需要，已成为星地数据传输的发展方向，包括我国在内的诸多国家都已经在低轨遥感卫星上采用Ka频段下传数传数据[1,2]。

Ka频段数传接收链路是卫星遥感地面站接收系统的重要组成部分，具有完成Ka频段下行数传信号的放大、滤波、下变频、电平调节等功能。为了适应高码率、高阶调制、大动态范围数传信号传输需求，Ka频段低轨遥感卫星数传接收链路需要具备带宽宽、动态范围大、线性度高、带内平坦度要求高的特点。针对以上技术需求，本文设计并实现了适应数传码率范围10Mbps～2Gbps、接收动态范围-92dBm～-24dBm的Ka频段数传接收链路。

1 方案设计

1.1 设备组成与功能

Ka频段数传接收链路由低噪声放大器、开关网络、射频开关矩阵、6路下变频器、L频段光端机组成，其中开关网络、射频开关矩阵、下变频器集成在Ka频段高频箱，设备组成及连接关系如图1所示。

Ka频段数传接收链路接收天伺馈分系统Ka频段馈源网络输出的左旋、右旋下行数传信号（频率范围为25.0GHz～27.5GHz），场放前微波开关完成在线低噪声放大器选择及射频自检信号输入，低噪声放大器对输入信号进行低噪声放大，后级微波开关与场放前微波开关配合实现在线低噪声放大器选择，可调衰减器对信号电平进行调节，后级放大器对输入信号进行放大，射频开关矩阵选择下变频器输入信号旋向（左旋/右旋），下变频器将输入信号由Ka频段下变频到1.2GHz中频并完成信号幅度均衡，L频段光端机实现6路1.2GHz中频信号的远距离传输，L频段光端机输出的1.2GHz中频信号传输至数传解调器进行数据解调。

在接收链路设计时，充分考虑了关键部件热备份设计。左旋、右旋低噪声放大器通过微波开关实现1:1热备份工作；6路下变频器在左旋、右旋各2个接收点频时，可实现4:2热备份工作。

图1 设备组成与连接关系Fig.1 Equipment composition and connection relations

1.2 指标分配与核算分析

1.2.1 接收动态范围

为了保证高速数传数据传输质量，遥感卫星Ka频段下行数传链路预算时需考虑雨衰对信号的影响[3]，低轨遥感卫星下行数传信号有效全向辐射功率EIRP大，加之低轨卫星轨道高度低，卫星过顶地面接收站时，低噪声放大器入口电平很高。在Ka频段数传接收链路设计时，要求接收信号电平在接收门限至接收门限以上40dB时，接收链路均工作在线性区，且输出信号电平在后端解调器正常工作电平范围内。接收信号门限电平计算方法如下式所示[3]：

上式中Eb/N0为门限误码率对应的门限信噪比，Dl为数传解调损失（取值2dB），Rb为数据速率，k为玻耳兹曼常数（1.38×10-23J/K），Ts为系统噪声温度（取值350K）。

在BPSK调制体制下，1×10-5误码率对应的Eb/N0门限为9.6dB，在16QAM调制体制下，1×10-5误码率对应的Eb/N0门限为13.8dB[3]，在核算接收最低电平时，采用BPSK体制Rb取10Mbps，核算接收最高电平，采用16QAM体制，Rb取2Gbps。

将以上参数带入门限电平计算公式，可得BPSK体制10Mbps数据速率接收门限电平为-92dBm，16QAM体制2Gbps数据速率接收门限电平为-64dBm，最低接收电平为BPSK体制10Mbps数据速率接收门限电平-92dBm，最高接收电平在16QAM体制2Gbps数据速率接收门限基础上增加40dB，最高接收电平为-24dBm。

1.2.2 接收链路电平分配

为了提高带宽利用效率，Ka频段遥感卫星下行数传信号采用了8PSK、16QAM等高阶调制体制，高阶调制信号传输对信道的线性度要求高[4,5]，特别是幅相变换（AM/PM）指标，一般要求在0.5°/dB以下。在接收链路电平分配时，为了保证接收链路线性度，借鉴高功率放大器“功率回退”设计思想，最高接收工作电平时各级放大器输出功率在放大器1dB压缩点回退10dB。

按照最低接收电平-92dBm，最高接收电平-24dBm分配各部件增益和输出1dB压缩点，通过调整接收链路配置的可调衰减器，使接收链路输出电平在数传解调器输入电平范围-60dBm～0dBm以内，并且在整个接收动态范围内接收链路都在线性区工作，以保证8PSK、16QAM高阶调制信号的传输性能。各部件增益分配如表1所示。

表1 各部件增益分配Table 1 Gain allocation of components

低噪声放大器与Ka频段高频箱之间连接电缆损耗按10dB（长度4m，每米衰减2.5dB）核算，下变频器与光端机连接电缆损耗按0.5dB（长度1m，每米衰减0.5dB）核算，光端机与数传解调器连接电缆损耗按5dB（长度10m，每米衰减0.5dB）核算，最低接收电平、最高接收电平下链路电平分配如图2所示。

图2 接收链路电平分配Fig.2 Receiving link level allocation

最高工作电平时，将前级可调衰减器调整为10dB，将下变频器增益调整为10dB，数传解调器输入电平为-5.5dBm。最低工作电平时，将前级可调衰减器调整为0dB，将下变频器增益调整为30dB，数传解调器输入电平为-43.5dBm。在接收链路最低、最高输入电平下，数传解调器输入电平均在正常工作电平（-60dBm～0dBm）范围内。

1.2.3 等效噪声温度

接收链路等效噪声温度为低噪声放大器噪声温度、后端设备折算到低噪声放大器入口的噪声温度之和，即

式（2）中TLNA为低噪声放大器本身在输入口的噪声温度；TLNADi为低噪声放大器后端设备（连接电缆、下变频器等）噪声温度折算到低噪声放大器输入口的噪声温度。后端设备噪声温度折算到低噪声放大器入口的噪声温度计算方法如式（3）所示。

式（3）中Fci为后端设备噪声系数，Gi为前端总增益，Li为前端总衰减。接收链路各部件噪声系数分配如表2所示。

最低工作电平状态接收链路等效到低噪声放大器输入口噪声温度核算如表3所示，最高工作电平状态接收链路等效到低噪声放大器输入口噪声温度核算如表4所示。

表2 各部件噪声系数分配Table 2 Noise factor allocation of components

表3 最低工作电平状态接收链路等效噪声温度Table 3 Equivalent noise temperature on minimum working level state

表4 最高工作电平状态接收链路等效噪声温度Table 4 Equivalent noise temperature on maximum working level state

从表3、表4可以看出，最低工作电平状态下低噪声放大器后端设备对接收链路等效噪声温度贡献较小。最高工作电平状态下，由于前级可调衰减器调整为10dB、下变频器增益调整为10dB，光端机噪声温度对接收链路等效噪声温度影响很大，使得最高工作电平状态下接收链路等效噪声温度由188.5K升高到1652.1K。

系统等效噪声为天线等效噪声温度与接收链路等效噪声温度之和，12m口径Ka频段天线等效到低噪声放大器入口噪声温度约为180K，最低工作电平与最高工作电平状态下系统等效噪声温度分别为368.5K、1832.1K。相同输入电平下，由于系统等效噪声温度变化，最高工作电平状态较最低工作电平状态时的数传解调器输入的有效信噪比降低了7dB。最高工作电平状态时，系统接收信噪比余量很大，信噪比恶化已经不是遥感数据接收的主要矛盾，如何保证接收链路的线性度成为遥感数据接收质量的关键因素。在实际遥感卫星数据接收任务中，按照卫星下行EIRP、空间距离、天线增益来核算场放入口电平[6]，按照核算的场放入口电平合理调整前级衰减器衰减量和下变频器增益，使接收链路工作在最佳接收状态。

1.3 Ka频段下变频器设计

Ka频段下变频器将输入的25GHz～27.5GHz信号下变频到1.2GHz信号，采用两次低本振变频方式，先将Ka频段（25GHz～27.5GHz，任意1.5GHz带宽）射频信号与本振频率为18.4GHz～20.9GHz信号进行混频，输出6.6GHz±750MHz射频信号，再与频率为5.4GHz本振信号混频得到1.2GHz±750MHz中频信号，Ka频段下变频器原理如图3所示。

图3 Ka频段下变频器原理Fig.3 Schematic block diagram of Ka-band down converter

25GHz～27.5GHz下行信号先经过隔离器，保证良好的输入驻波，前端配置增益为15dB，噪声系数为1.3dB的低噪声放大器，可满足噪声系数要求。后端中频采用两级数控衰减器，衰减范围为43dB，0.5dB步进。其中一级用于增益控制，另一级采用可调均衡衰减器，可对不同频率信号的增益进行调整，保证全频段范围内增益平坦度。

射频输入25GHz～27.5GHz，一中频频率为6.6GHz，本振的频率为18.4GHz～20.9GHz，镜像频率为11.8GHz～14.3GHz，离射频信号带宽较远，射频滤波器对其抑制能达到80dBc以上。

混频器的LO-RF对本振信号隔离可达30dB，射频滤波器对其抑制可达80dB，射频前端的放大器对其反向隔离约30dB，本振输出功率按+15dBm设计，由此可知输入端本振泄露电平为-80dBm。

使用ADS对下变频器两次变频的杂散进行了仿真分析，仿真结果表明：一次变频将频率从25GHz～27.5GHz变频为6.6GHz，存在（4，-5）组合频率落在一中频带内，二次变频将频率从6.6GHz变频为1.2GHz，存在（2，-2）、（3，-3）两种组合干扰落入二中频带内，通过选用合适的双平衡混频器，可以将组合频率抑制到60dBc以下。