用于卫星通信设计的宽带通道模拟器

一．现代卫星通信系统面临的挑战

1．通信带宽增大，容量增加

在卫星通信中，数据传输速率是性能的重要指标。近期的研究发现卫星的平均功耗增加了350%，设计寿命从10年增加到近14年，卫星的外形和复杂度也增加了2到5倍。Shin公司的新一代互联网协议（IP）卫星iPSTAR总容量达到了40Gbps，据称是现有卫星容量的40倍。美国休斯网络系统公司的SPACEWAY每个点波束的下行链路数据速率为800Mbps。现代信息技术需更宽的卫星传输带宽。

2．根据环境因素和设计目标，更严格地控制设计余度

当今正在开发的先进宽带通信卫星的设计、制造和部署成本都较高。卫星设计者尽量增加卫星的有效载荷能力，以便在投入使用之后能够最大限度地获取利润。

这对于设计卫星的工程师来说，意味着：因为先进的通信卫星要求最大限度地增加数据速率和容量，所以留给设计者的误差余度很小。如果未能分析或者考虑到任何相关参数或者真实效应，都可能导致设备性能下降，从而减少收益。与此相反的情况是设计过于缜密，亦即因为考虑了所有未知因素或者按照最差情况来设计而导致参数余度过大，从而增加了不必要的成本、部件、重量和复杂度。

3．卫星通信质量的影响因素

图1给出了传统"弯管"式卫星下行链路的整体示意图，其中包括了主要的部件。卫星部分只显示了一个转发器图像。实际上，一个卫星可能带有30到50个转发器。

每个部件都有会降低系统整体功能的不理想性能。首当其冲的、最基本的坏损是热噪声。通过载波功率来设置信道内的载噪比（CNR）或者信噪比（SNR）。在指定了信噪比和带宽的情况下，通过香农定律来定义每秒钟的最大信道容量（位数），不过在实际操作中永远不会达到这个最大值。要确保最佳系统设计，就必须对信道内所有真实存在的坏损进行准确模拟。

二．针对挑战的仿真测试解决方案

全面、真实的通信通道仿真是设计和验证的需要。针对卫星通信业务发展的需要，设计人员需要更为有效的仿真测试设备，要求它具有宽带仿真和测试功能，真实地模拟通道中环境坏损因素、以及通道中各部件对系统的影响。这样，设计人员才能在设计阶段有效地控制设计余度，同时满足成本、可靠性和容量的要求。

2．几种测试方案的比较

目前，卫星系统设计者在设计过程中可以使用若干种辅助工具。设计模拟和测试工具主要有以下三种：

计算机建模和模拟工具
制造和发射试验卫星
卫星通道模拟器

借助计算机建模和模拟工具，设计者可以建立多种信道坏损的模型，并通过模型综合考虑系统的总体性能。这些工具能够完成基本设计，并进行性能评估。此类软件用于台式机和高级工作站。为了得到准确的结果，即便使用最快的处理器也需要花费大量的计算时间，这样一来就限制了模拟对象的数量，也限制了能够分析的综合坏损模型。这些模型也有可能不会正确反映实际情况。

另外一方面，相关单位已经制造并发射了实验卫星，以便在真实环境中通过真实的硬件和软件来检测新的通信技术和理念。这些卫星包括ACT、Artemis、Kopernikus、N-Star、Superbird以及Italsat F1。这些卫星的制造成本昂贵，但是它们为当今宽带卫星设计的精细技术和定义方法提供了颇有价值的实验环境。卫星位于整个设计金字塔的塔尖，它们的性能通过设计来确定，根据需要更改技术规格的余地则很小。同样，也很难通过更改坏损机制来检测它们对系统整体性能的影响。

卫星信道模拟器把测试环境和模拟环境很好地结合起来，为用户提供所需的精确度和实时性能。Aeroflex生产的Celerity CS80000宽带信道模拟器（BCS）系列（图2）就是很好的例子。这些模拟器在实验室中通过受控的、精确的、可重复的方式创建带有坏损机制的真实信道。因为这些信道是带有宽带射频输入和输出的实时系统，所以在测试过程中可以使用真实的硬件终端。和软件模型相比，这种实时测试可以运行更多检测对象，进而能够进行更详细的测试。它们的特点如下：

? 稳定的、可重复的模拟，带有定义好的、受控的坏损机制
? 实时和全带宽信道，能够支持真实的硬件和快速测试时间
? 最坏情况模拟，可以包含任何综合坏损模型
? 通过实验室设备来最大限度地减少高成本测试或者实际卫星测试时间

图2 Celerity CS80000宽带信道模拟器

Aeroflex通道模拟器的价值：

? 极真实的仿真
? 宽带宽: 可以支持 500 MHz带宽
? 高动态范围(14 bit ADC/DAC w/ 36 MHz BW)
? 低相位瑕疵、动态延迟更新
? 模块化设计，易于升级
? 丰富的真实环境坏损的选择：

? 动态多谱勒
? 动态延迟
? 热噪声
? 路径损失
? 带内干扰
? 临道干扰
? 信道载荷
? 相位噪声
? 瑞康衰落
? 雨损
? 群延迟失真
? 通带内幅度波动
? 非线性增益