衛星通訊的通道仿真和測試原理及設計方案

　　當今正在開發的先進寬帶通信衛星的設計、制造和部署成本都較高。衛星設計者盡量增加衛星的有效載荷能力，以便在投入使用之后能夠最大限度地獲取利潤。

?Shin公司的新一代互聯網協議(IP)衛星iPSTAR總容量達到了40Gbps，據稱是現有衛星容量的40倍。美國休斯網絡系統公司的SPACEWAY每個點波束的下行鏈路數據速率為800Mbps。現代信息技術需更寬的衛星傳輸帶寬。

　　對設計衛星的工程師來說，這意味著：因為先進的通信衛星要求最大限度地增加數據速率和容量，所以留給設計者的誤差余度很小。如果未能分析或者考慮到任何相關參數或者真實效應，都可能導致設備性能下降，從而減少收益。與此相反的情況是設計過于縝密，亦即因為考慮了所有未知因素或者按照最差情況來設計而導致參數余度過大，從而增加了不必要的成本、部件、重量和復雜度。

　　圖1給出了傳統“彎管”式衛星下行鏈路的整體示意圖，它包括了主要的部件，但衛星部分只顯示了一個轉發器圖像。實際上，一個衛星可能帶有30到50個轉發器。

圖1：“彎管”式衛星下行鏈路示意圖

??????? AAZSZSZ每個部件都有會降低系統整體功能的不理想性能。降低系統整體性能的最主要、最基本原因是熱噪聲。可以通過載波功率來設置信道內的載噪比(CNR)或者信噪比(SNR)。在特定的信噪比和帶寬情況下，可通過香農定律來定義每秒鐘的最大信道容量(位數)，但在實際操作中永遠不會達到這個最大值。為確保最佳系統設計，必須準確模擬信道內所有真實存在的壞損。

仿真測試解決方案

　　全面、真實的通信通道仿真是設計和驗證的需要。針對衛星通信業務發展的需要，設計人員需要更為有效的仿真測試設備，要求它具有寬帶仿真和測試功能，真實地模擬通道中環境壞損因素、以及通道中各部件對系統的影響。這樣，設計人員才能在設計階段有效地控制設計余度，同時滿足成本、可靠性和容量的要求。

　　目前，衛星系統設計者在設計過程中可以使用若干種輔助工具。設計模擬和測試工具主要有以下三種：計算機建模和模擬工具、制造和發射試驗衛星、衛星通道模擬器。

　　借助計算機建模和模擬工具，設計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的總體性能。這些工具能夠完成基本設計，并進行性能評估。此類軟件用于臺式機和高級工作站。為得到準確的結果，即使使用最快的處理器也需要花費大量的計算時間，這樣就限制了模擬對象的數量，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際情況。

　　此外，有的公司或者單位已經制造并發射了實驗衛星，以便在真實環境中通過真實的硬件和軟件來檢測新的通信技術和理念。這些衛星包括ACT、Artemis、Kopernikus、N-Star、Superbird以及Italsat F1。這些衛星的制造成本昂貴，但它們為當今寬帶衛星設計的精細技術和定義方法提供了頗有價值的實驗環境。衛星位于整個設計金字塔的塔尖，它們的性能通過設計來確定，因此根據需要更改技術規格的余地很小，同時也很難通過更改壞損機制來檢測它們對系統整體性能的影響。

　　衛星信道模擬器把測試環境和模擬環境很好地結合起來，為用戶提供所需的精確度和實時性能。Aeroflex生產的Celerity CS80000寬帶信道模擬器(BCS)系列就是很好的例子。這些模擬器在實驗室中通過受控的、精確的、可重復的方式創建帶有壞損機制的真實信道。因為這些信道是帶有寬帶射頻輸入和輸出的實時系統，所以在測試過程中可以使用真實的硬件終端。和軟件模型相比，

　　這種實時測試可以運行更多檢測對象，進而能進行更詳細的測試。

　　它們的特點如下：穩定的、可重復的模擬，帶有定義好的、受控的壞損機制；實時和全帶寬信道，能夠支持真實的硬件和快速測試時間；最壞情況模擬，可以包含任何綜合壞損模型；通過實驗室設備來最大限度地減少高成本測試或者實際衛星測試時間。

圖2：兩通道BCS結構框圖

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

　　其它開發測試工具包括寬帶信號發生器(BSG)和寬帶信號分析器(BSA)。它們不是信道模擬器，但是能夠創建真實的衛星信號和帶有壞損機制的環境，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，點對點微波和衛星通信建立精確的和可重復的信道，提供帶寬最寬的通道模擬和連接仿真，實現最全面的干擾信號模擬。實時的仿真可提供帶寬達500MHz、時間延遲最大達10秒，并同時可提供1至4個獨立的通道仿真。BCS可實時為輸入信號加入干擾信號，模擬實際傳輸通道的干擾。

　　可提供的干擾信號包括：動態延遲(從地面到GEO衛星住返的短時間延遲)、動態多普勒、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和調制的干擾信號、通帶幅度和相位奇變。用于相關或獨立信道的變頻器，可以對輸入/輸出信號進行變頻控制。衛星仿真軟件包，使用行業標準的TLE組件，可產生24小時的多普勒和延遲仿真文件。Aeroflex的通道模擬已成功應用于多個衛星工程中，用于模擬信號往返路徑，可在衛星發射之前對衛星和地面站進行全面測試。