衛(wèi)星通訊的通道仿真和測試解決方案

在衛(wèi)星通信中，數(shù)據(jù)傳輸速率是性能的重要指標(biāo)。近期的研究發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星的平均功耗增加了350%，設(shè)計(jì)壽命從10年增加到近14年，衛(wèi)星的外形和復(fù)雜度也增加了2到5倍。Shin公司的新一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)衛(wèi)星iPSTAR總?cè)萘窟_(dá)到了40Gbps，據(jù)稱是現(xiàn)有衛(wèi)星容量的40倍。美國休斯網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)公司的SPACEWAY每個(gè)點(diǎn)波束的下行鏈路數(shù)據(jù)速率為800Mbps?，F(xiàn)代信息技術(shù)需更寬的衛(wèi)星傳輸帶寬。

當(dāng)今正在開發(fā)的先進(jìn)寬帶通信衛(wèi)星的設(shè)計(jì)、制造和部署成本都較高。衛(wèi)星設(shè)計(jì)者盡量增加衛(wèi)星的有效載荷能力，以便在投入使用之后能夠最大限度地獲取利潤。

對設(shè)計(jì)衛(wèi)星的工程師來說，這意味著：因?yàn)橄冗M(jìn)的通信衛(wèi)星要求最大限度地增加數(shù)據(jù)速率和容量，所以留給設(shè)計(jì)者的誤差余度很小。如果未能分析或者考慮到任何相關(guān)參數(shù)或者真實(shí)效應(yīng)，都可能導(dǎo)致設(shè)備性能下降，從而減少收益。與此相反的情況是設(shè)計(jì)過于縝密，亦即因?yàn)榭紤]了所有未知因素或者按照最差情況來設(shè)計(jì)而導(dǎo)致參數(shù)余度過大，從而增加了不必要的成本、部件、重量和復(fù)雜度。

圖1給出了傳統(tǒng)“彎管”式衛(wèi)星下行鏈路的整體示意圖，它包括了主要的部件，但衛(wèi)星部分只顯示了一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器圖像。實(shí)際上，一個(gè)衛(wèi)星可能帶有30到50個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器。

圖1：“彎管”式衛(wèi)星下行鏈路示意圖。

AAZSZSZ每個(gè)部件都有會降低系統(tǒng)整體功能的不理想性能。降低系統(tǒng)整體性能的最主要、最基本原因是熱噪聲?？梢酝ㄟ^載波功率來設(shè)置信道內(nèi)的載噪比(CNR)或者信噪比(SNR)。在特定的信噪比和帶寬情況下，可通過香農(nóng)定律來定義每秒鐘的最大信道容量(位數(shù))，但在實(shí)際操作中永遠(yuǎn)不會達(dá)到這個(gè)最大值。為確保最佳系統(tǒng)設(shè)計(jì)，必須準(zhǔn)確模擬信道內(nèi)所有真實(shí)存在的壞損。

仿真測試解決方案

全面、真實(shí)的通信通道仿真是設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的需要。針對衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，設(shè)計(jì)人員需要更為有效的仿真測試設(shè)備，要求它具有寬帶仿真和測試功能，真實(shí)地模擬通道中環(huán)境壞損因素、以及通道中各部件對系統(tǒng)的影響。這樣，設(shè)計(jì)人員才能在設(shè)計(jì)階段有效地控制設(shè)計(jì)余度，同時(shí)滿足成本、可靠性和容量的要求。

目前，衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過程中可以使用若干種輔助工具。設(shè)計(jì)模擬和測試工具主要有以下三種：計(jì)算機(jī)建模和模擬工具、制造和發(fā)射試驗(yàn)衛(wèi)星、衛(wèi)星通道模擬器。

借助計(jì)算機(jī)建模和模擬工具，設(shè)計(jì)者可以建立多種信道壞損的模型，并通過模型綜合考慮系統(tǒng)的總體性能。這些工具能夠完成基本設(shè)計(jì)，并進(jìn)行性能評估。此類軟件用于臺式機(jī)和高級工作站。為得到準(zhǔn)確的結(jié)果，即使使用最快的處理器也需要花費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間，這樣就限制了模擬對象的數(shù)量，也限制了能夠分析的綜合壞損模型。這些模型也可能并沒有正確反映實(shí)際情況。

此外，有的公司或者單位已經(jīng)制造并發(fā)射了實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，以便在真實(shí)環(huán)境中通過真實(shí)的硬件和軟件來檢測新的通信技術(shù)和理念。這些衛(wèi)星包括ACT、Artemis、Kopernikus、N-Star、Superbird以及Italsat F1。這些衛(wèi)星的制造成本昂貴，但它們?yōu)楫?dāng)今寬帶衛(wèi)星設(shè)計(jì)的精細(xì)技術(shù)和定義方法提供了頗有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。衛(wèi)星位于整個(gè)設(shè)計(jì)金字塔的塔尖，它們的性能通過設(shè)計(jì)來確定，因此根據(jù)需要更改技術(shù)規(guī)格的余地很小，同時(shí)也很難通過更改壞損機(jī)制來檢測它們對系統(tǒng)整體性能的影響。

衛(wèi)星信道模擬器把測試環(huán)境和模擬環(huán)境很好地結(jié)合起來，為用戶提供所需的精確度和實(shí)時(shí)性能。Aeroflex生產(chǎn)的Celerity CS80000寬帶信道模擬器(BCS)系列就是很好的例子。這些模擬器在實(shí)驗(yàn)室中通過受控的、精確的、可重復(fù)的方式創(chuàng)建帶有壞損機(jī)制的真實(shí)信道。因?yàn)檫@些信道是帶有寬帶射頻輸入和輸出的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，所以在測試過程中可以使用真實(shí)的硬件終端。和軟件模型相比，這種實(shí)時(shí)測試可以運(yùn)行更多檢測對象，進(jìn)而能進(jìn)行更詳細(xì)的測試。

它們的特點(diǎn)如下：穩(wěn)定的、可重復(fù)的模擬，帶有定義好的、受控的壞損機(jī)制；實(shí)時(shí)和全帶寬信道，能夠支持真實(shí)的硬件和快速測試時(shí)間；最壞情況模擬，可以包含任何綜合壞損模型；通過實(shí)驗(yàn)室設(shè)備來最大限度地減少高成本測試或者實(shí)際衛(wèi)星測試時(shí)間。

圖2：兩通道BCS結(jié)構(gòu)框圖。

Aeroflex通道模擬器的價(jià)值體現(xiàn)在：具有非常真實(shí)的仿真；帶寬高；高動態(tài)范圍(14 b ADC/DAC w/ 36 MHz BW)；低相位瑕疵，并支持動態(tài)延遲更新；模塊化設(shè)計(jì)，易于升級；具有豐富的真實(shí)環(huán)境壞損選擇，包括動態(tài)多譜勒、動態(tài)延遲、熱噪聲、路徑損失、帶內(nèi)干擾、鄰道干擾、信道載荷、相位噪聲、Rayleigh衰落、雨損、群延遲失真、通帶內(nèi)幅度波動、非線性增益等。

其它開發(fā)測試工具包括寬帶信號發(fā)生器(BSG)和寬帶信號分析器(BSA)。它們不是信道模擬器，但是能夠創(chuàng)建真實(shí)的衛(wèi)星信號和帶有壞損機(jī)制的環(huán)境，并記錄和分析信號信道的性能。

Aeroflex寬帶通道模擬器簡介

Aeroflex 寬帶信道仿真器模擬(BCS)可以為高速通信系統(tǒng)，點(diǎn)對點(diǎn)微波和衛(wèi)星通信建立精確的和可重復(fù)的信道，提供帶寬最寬的通道模擬和連接仿真，實(shí)現(xiàn)最全面的干擾信號模擬。實(shí)時(shí)的仿真可提供帶寬達(dá)500MHz、時(shí)間延遲最大達(dá)10秒，并同時(shí)可提供1至4個(gè)獨(dú)立的通道仿真。BCS可實(shí)時(shí)為輸入信號加入干擾信號，模擬實(shí)際傳輸通道的干擾。可提供的干擾信號包括：動態(tài)延遲(從地面到GEO衛(wèi)星住返的短時(shí)間延遲)、動態(tài)多普勒、精確的相位噪聲、Ricean和 Rayleigh衰落、附加白高斯噪聲、平衰落、雨水衰落、附加CW和調(diào)制的干擾信號、通帶幅度和相位奇變。用于相關(guān)或獨(dú)立信道的變頻器，可以對輸入/輸出信號進(jìn)行變頻控制。衛(wèi)星仿真軟件包，使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的TLE組件，可產(chǎn)生24小時(shí)的多普勒和延遲仿真文件。Aeroflex的通道模擬已成功應(yīng)用于多個(gè)衛(wèi)星工程中，用于模擬信號往返路徑，可在衛(wèi)星發(fā)射之前對衛(wèi)星和地面站進(jìn)行全面測試。