通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)的仿真設(shè)計

徐海生

中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊，050000

0 引言

現(xiàn)階段，在5G時代背景下，衛(wèi)星通信技術(shù)得以迅猛發(fā)展，這無疑增加了通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，增加了該系統(tǒng)的研發(fā)難度，從而引發(fā)了極大的人力成本、物力成本和財力成本，而計算機輔助設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用，可以很好地解決這一問題，通過利用該技術(shù)，完成對4通道C頻道通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)的設(shè)計，可以在第一時間內(nèi)及時發(fā)現(xiàn)和處理該系統(tǒng)異常問題，從而提前預(yù)防和管控系統(tǒng)隱形故障問題，為進一步提高該系統(tǒng)的風(fēng)險防控能力提供重要技術(shù)支持。所以，在計算機輔助設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用背景下，如何科學(xué)地設(shè)計4通道C頻道通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)是技術(shù)人員必須思考和解決的問題。

1 轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)概述

轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)主要用于對地面站內(nèi)微弱信號的及時接收，并對接收到的微弱信號進行轉(zhuǎn)換處理，使其被直接轉(zhuǎn)換為下行信號和上行信號，一旦發(fā)現(xiàn)補償空間段出現(xiàn)嚴(yán)重衰減現(xiàn)象，轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)可以憑借自身的高靈敏接收能力以及大功率發(fā)射能力，對這一問題進行處理。轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，可以看出，該系統(tǒng)主要是由輸入多工器、輸出多工器、功率放大器、電源、微波開關(guān)等部分組成。該系統(tǒng)工作原理如下：首先，向濾波器內(nèi)輸入所接收到的上行信號，然后，利用低噪聲放大器，對濾波器的寬帶進行放大處理，同時，利用接收機內(nèi)置的變頻器，對所接收到的信號頻率進行處理，使其被直接轉(zhuǎn)換為下行信號；接著，利用分路濾波器，對大量的通道進行智能化控制，并利用多臺功率放大器，對所獲得的信號功率進行放大處理；最后，借助輸出多工器，對信號功率進行合成處理，當(dāng)信號功率合成結(jié)束后，需要利用發(fā)射天線，將形成的下行信號發(fā)送到地面站中，此時，信號中繼轉(zhuǎn)發(fā)工作圓滿完成。對于轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)而言，在實際運行中，通常表現(xiàn)出較高的通信能力和信號處理能力，可以結(jié)合當(dāng)前衛(wèi)星軌道狀況，精確地計算出衛(wèi)星的工作頻率、輸出功率，同時，還能對轉(zhuǎn)發(fā)器的變頻噪聲和下行功率進行精確化計算。另外，轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)主要涉及了輸入輸出特性、諧波和雜波特性、噪聲系數(shù)、誤碼率等參數(shù)特性，接下來，分別對這些參數(shù)特性進行仿真設(shè)計，從而確保轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)具有更加穩(wěn)定的性能指標(biāo)，為進一步提高該系統(tǒng)的運行性能、保證系統(tǒng)衛(wèi)星通信能力打下堅實的基礎(chǔ)。

圖1 轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)原理框圖

2 轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)仿真設(shè)計

為了更好地完成該系統(tǒng)仿真設(shè)計目標(biāo)，技術(shù)人員要結(jié)合轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)實際設(shè)計需求，對仿真部件和模塊電路進行規(guī)范化封裝處理，從而形成若干個單機模型，然后，將這些單機模型結(jié)合為一個完整的單通道轉(zhuǎn)發(fā)器[1]，便于后期單通道仿真設(shè)計工作的有效開展。通過采用單通道仿真方法，可以有效地驗證系統(tǒng)輸入輸出特性、噪聲系數(shù)等特性測試結(jié)果的精確性。最后，還要對輸入多工器和輸出多工器進行一系列的優(yōu)化和改造，從而形成如圖2所示的轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)單通道電路模型。從圖2可以看出，該模型主要是由輸入濾波器、輸入多工路、功率放大器和輸出多工器等部分組成。

2.1 轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)輸入輸出仿真設(shè)計

系統(tǒng)輸入輸出指標(biāo)作為轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)的重要指標(biāo)，可以真實、有效地反映出該系統(tǒng)輸出功率大小。在對該系統(tǒng)進行聯(lián)調(diào)期間，需要從輸入輸出調(diào)試入手，當(dāng)輸入信號逐漸增加時，轉(zhuǎn)發(fā)器增益曲線會逐漸變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)[2]，此時，采用信號源設(shè)置的方式，將輸出功率點統(tǒng)一設(shè)置為1dB壓縮點，在此基礎(chǔ)上，通過對衰減器進行科學(xué)匹配，可以精確地確定出衰減器當(dāng)前位置坐標(biāo)，確保該系統(tǒng)即使處于噪聲環(huán)境下也能正常、穩(wěn)定地工作。在測試期間，經(jīng)常會受到電纜的影響，導(dǎo)致功率放大器的輸出曲線出現(xiàn)一定程度的波動。為了解決這一問題，需要采用多次配平增益的方式，獲得最佳性能指標(biāo)[3]。另外，還要在全面結(jié)合轉(zhuǎn)發(fā)器動態(tài)變化特點的基礎(chǔ)上，將該系統(tǒng)電平掃描范圍設(shè)置為-110～-80dBm，C頻段轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)輸入輸出仿真特性圖和仿真增益圖分別如圖3、圖4所示。從圖3、圖4中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)仿真輸入頻率達到-89dBm時，其輸出功率達到額定值，此時，通道匹配衰減器可以從原來的3dB逐漸上升到130dB額定增益值，說明本次仿真結(jié)果可以很好地滿足該系統(tǒng)的指標(biāo)要求。通過將該仿真結(jié)果與實物測試數(shù)據(jù)進行對比分析，該系統(tǒng)輸入輸出特性取得良好的仿真模擬效果，有效地保證系統(tǒng)初步電平配置效率和效果。

圖3 C頻段轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)輸入輸出仿真特性圖

圖4 C頻段轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)仿真增益圖

2.2 轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)諧波和雜波特性仿真設(shè)計

電源雜波對該系統(tǒng)輸出諧波和雜波產(chǎn)生了直接性的影響，一旦通道濾波器沒有得到有效抑制，將會導(dǎo)致該系統(tǒng)的諧波和雜波特性出現(xiàn)進一步惡化[4]。為了避免以上不良現(xiàn)象的發(fā)生，現(xiàn)利用轉(zhuǎn)發(fā)器模型，對該系統(tǒng)諧波和雜波進行真實化仿真處理，提前預(yù)測和了解該系統(tǒng)的諧波和雜波特性[5]。另外，還要將輸入信號傳輸?shù)睫D(zhuǎn)發(fā)器輸入端中，確保該系統(tǒng)通道快速進入最佳工作狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，還要利用轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)模型[6]，落實好諧波和雜波掃描平衡工作，從而獲得如圖5所示的轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)單通道仿真諧、雜波特性圖。從圖5～6中可以看出，當(dāng)二次諧波幅值達到-158dBm時，系統(tǒng)通道所對應(yīng)的幅值會出現(xiàn)顯著提升現(xiàn)象，這表明該系統(tǒng)整體諧波和雜波控制效果良好。

圖5 轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)單通道仿真諧、雜波特性

轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)4通道仿真諧、雜波特性如圖6所示。從圖6中可以看出，當(dāng)通道數(shù)量不斷上升時，通道內(nèi)會出現(xiàn)大量的混頻產(chǎn)物，這無疑增加了通道間的干擾程度[7]。當(dāng)測量幅度被控制在-30dBm以下時，其干擾影響程度可以忽略不計。此時，如果繼續(xù)增加通道數(shù)量，將會導(dǎo)致該系統(tǒng)功率電平出現(xiàn)較大的波動。所以，對功率放大器進行回退處理，可以起到降低通道干擾幅度的作用。

圖6 轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)4通道仿真諧、雜波特性

2.3 轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)噪聲系數(shù)仿真設(shè)計

噪聲系數(shù)的接收量以及濾波器的損耗程度會對轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)噪聲系數(shù)大小產(chǎn)生直接性的影響，同時，還還會對轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)的G/T指標(biāo)產(chǎn)生直接影響[8]，甚至還會直接影響用戶的使用體驗。對于輸入濾波器而言，其帶寬通常為160MHz，通過對該系統(tǒng)噪聲特性進行全面的掃描，可以全面地了解和掌握當(dāng)前中頻濾波器的特性變化情況。當(dāng)該系統(tǒng)噪聲功率達到65dB時，通過采用仿真分析法，可以全面地了解該系統(tǒng)噪聲系數(shù)特性，由于C段所對應(yīng)的增益值相對較高，所以并不會對36MHz邊帶產(chǎn)生不良影響。轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲系數(shù)仿真結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，與C頻段輸入濾波器性能相比，C頻段接收機性能基本吻合，其噪聲系數(shù)均被控制在1.5以下，完全符合轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)指標(biāo)控制的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。在對該系統(tǒng)噪聲系數(shù)進行實際測量期間，主要用到了Agilent346AC噪聲源，通過利用該噪聲源測量，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)在全輸入頻段內(nèi)所對應(yīng)的噪聲系數(shù)均在1.8以上，有效地保證了該系統(tǒng)最終仿真設(shè)計的科學(xué)性和合理性。

2.4 轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)誤碼率仿真設(shè)計

為了直觀、形象地觀察該系統(tǒng)通信性能，在對該系統(tǒng)誤碼率進行仿真期間，借助利用上下性鏈路，將圖片信息安全、可靠地傳輸?shù)降孛嬲局衃9]，通過全面地對比所接收的圖片信息和所發(fā)射的圖片信息，精確地判斷該系統(tǒng)的通信性能。同時，經(jīng)過仿真測量系統(tǒng)誤碼率后，發(fā)現(xiàn)所發(fā)射的圖片在實際傳輸期間，要事先轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)據(jù)[10]，然后在地面站進行發(fā)送，地面站發(fā)送圖片信息和接收圖片信息代碼如下：

Handles=imead(’：＼Picture.jpg’)；

fp=fopen(’.＼Picture—RGB—Send.txt，’wt’)；//wt表示在文件尾部寫入數(shù)據(jù)

for i=l：size(Handles，3)

for j=1：size(Handles，2)

for k=l：size(Handles，1)

fprintf(fp，’%df’Handles(k′j，i))；//將每個數(shù)據(jù)寫入句柄fp文件

fprintf(fp，’＼n’)； //將每個數(shù)據(jù)在文件用換行隔開

end

end

end

H=dlmread(’：＼Picture—RGB—Receive.txt’)；

H 1=uintS(H)；

H1=H1(1：size(Handles，1)半size(Handles，2)木size(Handles，3))；

H1=reshape(H1，size(Handles，1)，size(Handles，2)，size(Handles，3))；

image(H1)；//顯示接收圖片

3 轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)實測結(jié)果分析

3.1 轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)實物測試情況

對于轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)而言，其所用到的事務(wù)測試方法主要用到了電性件產(chǎn)品，該產(chǎn)品屬于系統(tǒng)C頻段，并采用自制單檢控制法[11]，對Agilent6675A程控電源進行遠程化控制。此外，所選用的測試系統(tǒng)主要是由臺E8257D信號源和頻譜儀RSFSUP50兩個部分組成，該系統(tǒng)測試流程如下：首先對需要測試的系統(tǒng)進行校準(zhǔn)處理，并將上行電纜和下行電纜安全、可靠地連接到開關(guān)柜陣中，然后借助開關(guān)柜陣的幅度平坦度特性，測試系統(tǒng)會自動顯示最終測量結(jié)果。

3.1.1 輸入輸出測量方法

通過利用AgilentVEE軟件，對信號源和開關(guān)柜陣進行遠程化控制，該系統(tǒng)輸入輸出測量流程如下：首先，利用上行輸入頻率，單10MHz參考源連接到進入啟動狀態(tài)的轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)中，然后利用頻譜儀，完成對下行輸出頻率的科學(xué)設(shè)置；其次，對計算機所對應(yīng)的運行程序進行實時控制和調(diào)整，確保輸入輸出掃描結(jié)果的精確性和真實性；最后，使用功率計對繪制好的曲線進行矯正。

3.1.2 諧、雜波測量方法

通過將上行信號安全、可靠地輸入到功率計中，確保該系統(tǒng)所對應(yīng)的輸出工作始終集中分布于飽和點附近。同時，借助頻譜分析對諧波幅值和雜波幅值進行精確化測量。經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)，諧波始終在噪聲-80dBm以下，有效地驗證了轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)設(shè)計的科學(xué)性和合理性。

3.1.3 噪聲系數(shù)測量方法

在對系統(tǒng)噪聲系數(shù)進行測量期間，要利用噪聲源，對該系統(tǒng)進行校準(zhǔn)，然后，將上行電纜連接到C頻道轉(zhuǎn)發(fā)器接口處，并確保最終測量結(jié)果控制在1.8以下。

3.1.4 誤碼率測量方法

通過將兩個信號源輸入頻率以及信號間隔頻率分別設(shè)置為F0-2.5MHz、F0+2.5MHz、5MHz，然后，將上行信號安全、可靠地注入到轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)中。此時，采用控制計算機的方式，對開關(guān)柜陣的輸出功率進行科學(xué)調(diào)節(jié)，并利用頻譜儀器，實現(xiàn)對交調(diào)信號幅度值的全面化采集。

3.2 轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)的仿真與實測數(shù)據(jù)對比分析

通過對該系統(tǒng)進行建模仿真設(shè)計，完成對4通道C頻道通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)的科學(xué)設(shè)計。通過對該系統(tǒng)地面聯(lián)試過程進行真實化模擬，全面地仿真分析了該系統(tǒng)的輸入輸出特性、諧、雜波特性、噪聲系數(shù)和誤碼率等特性，并得到如表1所示的轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)通道性能仿真結(jié)果。

表1 轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)通道性能仿真結(jié)果

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，仿真結(jié)果與實際測試結(jié)果會存在一定的誤差，其根本原因是由于仿真建模方法存在差異。由于選用了濾波器，所以，幅頻特性相對較高，經(jīng)過對比，發(fā)現(xiàn)本文所采用的轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)仿真設(shè)計方案在某種程度上提高了4通道C頻道通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)的研發(fā)質(zhì)量，使得該系統(tǒng)能夠正常、穩(wěn)定、安全地運行。

4 結(jié)語

綜上所述，在計算機輔助設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用背景下，本文通過對4通道C頻道通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)進行仿真設(shè)計，不僅可以有效地驗證系統(tǒng)仿真建模的有效性和可靠性，還能全面分析轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)性能的影響因素，及時發(fā)現(xiàn)和定位系統(tǒng)當(dāng)前出現(xiàn)的故障問題，并采用行之有效的解決方案，提前解決系統(tǒng)故障問題，使得系統(tǒng)具有較高的風(fēng)險防控能力，為進一步提高轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)研發(fā)效率和效果創(chuàng)造了良好的條件。