卫星通信信道中载波补偿模式的实现*

2020-03-26雷东鹏

通信技术 2020年2期

雷东鹏

（工业和信息化部电子第五研究所，广东广州 510610）

0 引言

卫星是绕地球轨道运行的物体。轨道是一种能够保持重力平衡而无需动力辅助即可绕地球旋转的轨迹。牛顿和开普勒概念化的物理定律支配着轨道力学。

卫星已经成为现代生活必不可少的部分。卫星通信技术的重要应用包括视频、语音、IP数据、无线电、地球和太空观测、全球资源监视、军事、定位（Global Positioning System，GPS）以及微重力科学等。从直接到家的电视到哈勃望远镜，卫星通信技术是现代的决定性技术之一。视频是最成功的卫星商业应用，而直接到家庭的分发是目前该技术最有希望的应用。对于提供商、直接到家或办公室而言，地球、GPS和互联网访问场所的“现场”图像都是最成功的，而基于低空飞行卫星群的手机系统却大失所望。但是，用于海上和移动服务的类似移动电话的连接（包括ISDN速度）已经存在了一段时间。

卫星服务具有一些巨大的优势，如可以在地球上几乎所有地方使用而无需有线，具有移动性，是理想的广播媒体，且与协议无关。卫星通信技术的不利之处在于，卫星在地球上某个位置的可见性有限，或者往返时间较长，且它们广播的数据可以被其下的任何人接收。此外，卫星传输也受到地面和太空天气的影响。与光纤相比，它们的错误率更高，且从物理和法规角度来看，它们都是复杂的。

人造卫星通过航天飞机、高空飞行器或地面火箭从地球发射。发射后，有效载荷必须达到适当的高度和逃逸速度才能升入轨道。为了维持正确的轨道，从地球上的地面站控制卫星，该地面站发送命令并从卫星接收状态和遥测。

地球轨道卫星是现代技术的奇迹。除了发射的压力外，还必须承受太空的严酷考验。在太空中，有极冷和极热、辐射和微陨石以及太阳上的暴风雨。必须获得相关并维护轨道，且必须监视关键系统。卫星的“地面计划”与该技术的应用一样多。

卫星上的主要系统包括动力、推进、制导，有时还包括科学仪器，当然还有通信和跟踪系统。任何卫星的最低通信能力，无论其用途如何，都能够发送和接收并执行命令，跟踪和遥测低速链路。

卫星通信系统实际上是一种微波通信，以卫星作为中继站转发微波信号，在多个地面站之间通信。卫星通信的主要目的是实现对地面的“无缝隙”覆盖，由于卫星工作于几百、几千甚至上万公里的轨道上，因此覆盖范围远大于一般的移动通信系统。但是，卫星通信要求地面设备具有较大的发射功率，因此不易普及使用。

卫星通信系统由卫星端、地面端和用户端组成。卫星端在空中起中继站的作用，即把地面站发上来的电磁波放大后再返送回另一地面站。卫星星体又包括星载设备和卫星母体两大子系统。地面站是卫星系统与地面公众网的接口，地面用户也可以通过地面站出入卫星系统形成链路。地面站还包括地面卫星控制中心及其跟踪、遥测和指令站。用户端即是各种用户终端。

在微波频带，整个通信卫星的工作频带约有500 MHz宽度。为了便于放大、发射及减少变调干扰，一般在星上设置若干个转发器，每个转发器被分配一定的工作频带。目前的卫星通信多采用频分多址技术，不同的地球站占用不同的频率，即采用不同的载波，比较适用于点对点大容量通信。近年来，时分多址技术也在卫星通信中得到了较多应用，即多个地球站占用同一频带，但占用不同的时隙。与频分多址方式相比，时分多址技术不会产生互调干扰，不需用上下变频把各地球站信号分开，适合数字通信，可根据业务量的变化按需分配传输带宽，使实际容量大幅度增加。另一种多址技术是码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA），即不同的地球站占用同一频率和同一时间，但利用不同的随机码对信息进行编码来区分不同的地址。CDMA采用了扩展频谱通信技术，具有抗干扰能力强、有较好的保密通信能力、可灵活调度传输资源等优点，比较适用于容量小、分布广、有一定保密要求的系统。

在提供地面站与卫星之间的可靠通信中，特别是在采用功率有限的小型卫星的通信系统中存在许多挑战。如果没有正确利用稀缺资源和/或没有正确管理干扰源，则可能导致较高的误码率（甚至是完全的通信失败）。例如，卫星上有限的电池和太阳能会限制用于数据无线传输的可用射频（Radio Frequency，RF）功率，这可能导致低的信噪比和相应的高误码率。此外，地面站和轨道卫星之间的通信链路具有有限的时间窗口，这些时间窗口的噪声/可靠性会根据干扰源、卫星方位角和相对于地面站的仰角等变化。此外，在同时发送时尝试接收数据可能会使接收器不堪重负。因此，与卫星通信相关的许多因素会导致数据被延迟、乱序接收、高误码率接收和/或丢失。

在运行卫星通信网络时，决定服务成本的费用中最重要的部分是卫星资源的租金，如频率和能量，本文主要任务是提高有限卫星资源的利用效率[1]，提出实现载波信号的减法模式（载波补偿）。该模式允许双重使用频率资源，从而减少能量或频率损耗。因此，运营商将有机会将卫星通信信道的容量增加1倍，或者在不提高传输速度的情况下，显着提高经济绩效（资源租赁成本、设备投资回收期等）。

图1显示了载波减法模式，每一侧以相同的频率发送信号[2]。通过自身发射信号，以延迟的方式和从远端接收的信号形成混合式接收应答器信号。

1 载波补偿模式的同步算法

需要考虑用于找到信号参数并在减去之前对其进行调整的算法[3]。图2为载波补偿模式结构图。

图1 载波减法模式

图2 载波补偿模式实现的结构

用于计算的输入数据是接收到的总信号和发送的参考信号。该算法的结果是总信号，从该总信号中减去参考信号的延迟副本[4]。

它在计算中实现了以下基本功能：

（1）按延迟、频率和相位在总信号中搜索传输信号的副本；

（2）跟踪延迟、频率和相位参数；

（3）从总信号中减去传输信号的延迟副本。

在调制器的输入端接收到的已发送参考信号的样本被写入延迟缓冲器[5]。该缓冲区允许存储持续时间长达0.3 s的信号，考虑到沿地球-航天器（Satellite Component，SC）路线和返回方向的信号传播延迟，可以提供数据接收。

为了通过使用站点位置坐标和SC坐标的延迟来计算搜索窗口的边界，考虑白天SC位置在轨道位置的不稳定性，设计这些数据来确定倾斜范围并设置搜索窗口的边界。

延迟信号搜索可以通过各种方法来实现[6]。在所考虑的实施方式中，使用顺序搜索，并使用总接收信号和被拘留者发送信号之间的相关性的3个函数值C-1、C0、C+1，其中索引指示相对于设置延迟值。搜索分两个阶段进行：先通过延迟和频率进行粗略搜索，后通过延迟进行精确搜索。

在粗略搜索阶段，通过指定的延迟在指定的搜索窗口中搜索延迟值，并搜索最大相关系数C0。通过浮动窗口在信号样本的间隔211～213上计算相关值。增加相关计算窗口将扩大总信号中各个信号之间功率谱密度差异的范围，搜索算法可以在该范围内找到并捕获该信号。

将先前的相关值表示为C-1，偏相关值表示为C00，相位误差计算（相位检测器）为相关函数C0的两个相邻值之间的相位差：

设置新值后，搜索引擎将等待与要计算的搜索窗口值可比的相关值数量。这是捕获频率搜索环路所必需的。随着频率捕获，相关函数的值增加。当找到相关函数C0的正最大值时，会发生固定的延迟，延迟粗信号捕获[7]。

基于拉格朗日多项式的插值器用于查找确切的延迟同步。内插器步长是信号采样之间距离的1/1 024。当每个符号的信号采样数大于2时，它可以以小于1/2 000×Ts的延迟实现同步精度，其中Ts是符号的持续时间[8]。相关函数C-1和C+1的幅度用于确定精确延迟同步中的误差。

Tserr错误值定义为：

利用对延迟的偏差估计，相关函数C0的能量重新分配给相邻函数C-1和C+1。图3为通过延迟（a）粗略捕获时以及通过延迟（b）建立精确同步后的相关函数的值。

图3 相关函数C-1、C0和C+1

相邻相关函数的值之间的差异显示出误差，该差异的符号是延迟偏移方向。

在建立精确同步后，减去之前提供参考信号的自适应滤波。最小二乘法用于计算滤波器系数[9]。为了实现信噪比的最小损失（信号减法损失）和所需计算资源的最佳，滤波器中的系数限制为32个单位。

2 结果

提出的载波补偿方法和算法是在FPGA Xilinx 7系列的基础上实现的[10]，占用的FPGA资源如表1所示。

表1 占用的FPGA资源

图4显示了一个典型的全双工卫星链路，其中两个载波彼此相邻[11]。图5显示了在“载波补偿”模式（载波补偿）下工作的卫星信道，其中两个载波使用相同的频率范围相互重叠[12]。

图4 全双工卫星链路

图5 载波补偿模式下工作的卫星信道

在频谱分析仪上观察信号时，只能目视观察复合信号[13]。为了说明目的，给出了图4中的载波信号1和载波信号2。

提出的方法在卫星路由器YAR-1040中实际实施的结果表明减少了相减时间，结果是减少了信号的搜索时间[14]。

与该领域中已知解决方案的比较分析表明，提出的算法以相同的信噪比损失实现了载波补偿模式，而信号的搜索和捕获时间少于2倍[15-16]。在信号减法中，实际获得的SNR损耗率中获得的实验值取决于调制，并得出QPSK调制为0.2 dB、8PSK为0.3 dB、16APSK为0.5 dB。在解决方案[7]中，QPSK损耗的值为0.3 dB、8PSK为0.4 dB、16APSK为0.6 dB。