Ka頻段低軌遙感衛(wèi)星數(shù)傳接收鏈路設(shè)計(jì)

楊建國(guó)，王芹英，王海波

（北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100076）

引 言

遙感衛(wèi)星星地鏈路需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越來(lái)越大，所占用的帶寬也隨之更寬，Ka頻段可用的帶寬可以滿足較大的傳輸帶寬和較高碼速率的傳輸需要，已成為星地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展方向，包括我國(guó)在內(nèi)的諸多國(guó)家都已經(jīng)在低軌遙感衛(wèi)星上采用Ka頻段下傳數(shù)傳數(shù)據(jù)[1,2]。

Ka頻段數(shù)傳接收鏈路是衛(wèi)星遙感地面站接收系統(tǒng)的重要組成部分，具有完成Ka頻段下行數(shù)傳信號(hào)的放大、濾波、下變頻、電平調(diào)節(jié)等功能。為了適應(yīng)高碼率、高階調(diào)制、大動(dòng)態(tài)范圍數(shù)傳信號(hào)傳輸需求，Ka頻段低軌遙感衛(wèi)星數(shù)傳接收鏈路需要具備帶寬寬、動(dòng)態(tài)范圍大、線性度高、帶內(nèi)平坦度要求高的特點(diǎn)。針對(duì)以上技術(shù)需求，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了適應(yīng)數(shù)傳碼率范圍10Mbps～2Gbps、接收動(dòng)態(tài)范圍-92dBm～-24dBm的Ka頻段數(shù)傳接收鏈路。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)備組成與功能

Ka頻段數(shù)傳接收鏈路由低噪聲放大器、開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)、射頻開(kāi)關(guān)矩陣、6路下變頻器、L頻段光端機(jī)組成，其中開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)、射頻開(kāi)關(guān)矩陣、下變頻器集成在Ka頻段高頻箱，設(shè)備組成及連接關(guān)系如圖1所示。

Ka頻段數(shù)傳接收鏈路接收天伺饋分系統(tǒng)Ka頻段饋源網(wǎng)絡(luò)輸出的左旋、右旋下行數(shù)傳信號(hào)（頻率范圍為25.0GHz～27.5GHz），場(chǎng)放前微波開(kāi)關(guān)完成在線低噪聲放大器選擇及射頻自檢信號(hào)輸入，低噪聲放大器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大，后級(jí)微波開(kāi)關(guān)與場(chǎng)放前微波開(kāi)關(guān)配合實(shí)現(xiàn)在線低噪聲放大器選擇，可調(diào)衰減器對(duì)信號(hào)電平進(jìn)行調(diào)節(jié)，后級(jí)放大器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大，射頻開(kāi)關(guān)矩陣選擇下變頻器輸入信號(hào)旋向（左旋/右旋），下變頻器將輸入信號(hào)由Ka頻段下變頻到1.2GHz中頻并完成信號(hào)幅度均衡，L頻段光端機(jī)實(shí)現(xiàn)6路1.2GHz中頻信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，L頻段光端機(jī)輸出的1.2GHz中頻信號(hào)傳輸至數(shù)傳解調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)。

在接收鏈路設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮了關(guān)鍵部件熱備份設(shè)計(jì)。左旋、右旋低噪聲放大器通過(guò)微波開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)1:1熱備份工作；6路下變頻器在左旋、右旋各2個(gè)接收點(diǎn)頻時(shí)，可實(shí)現(xiàn)4:2熱備份工作。

圖1 設(shè)備組成與連接關(guān)系Fig.1 Equipment composition and connection relations

1.2 指標(biāo)分配與核算分析

1.2.1 接收動(dòng)態(tài)范圍

為了保證高速數(shù)傳數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，遙感衛(wèi)星Ka頻段下行數(shù)傳鏈路預(yù)算時(shí)需考慮雨衰對(duì)信號(hào)的影響[3]，低軌遙感衛(wèi)星下行數(shù)傳信號(hào)有效全向輻射功率EIRP大，加之低軌衛(wèi)星軌道高度低，衛(wèi)星過(guò)頂?shù)孛娼邮照緯r(shí)，低噪聲放大器入口電平很高。在Ka頻段數(shù)傳接收鏈路設(shè)計(jì)時(shí)，要求接收信號(hào)電平在接收門(mén)限至接收門(mén)限以上40dB時(shí)，接收鏈路均工作在線性區(qū)，且輸出信號(hào)電平在后端解調(diào)器正常工作電平范圍內(nèi)。接收信號(hào)門(mén)限電平計(jì)算方法如下式所示[3]：

上式中Eb/N0為門(mén)限誤碼率對(duì)應(yīng)的門(mén)限信噪比，Dl為數(shù)傳解調(diào)損失（取值2dB），Rb為數(shù)據(jù)速率，k為玻耳茲曼常數(shù)（1.38×10-23J/K），Ts為系統(tǒng)噪聲溫度（取值350K）。

在BPSK調(diào)制體制下，1×10-5誤碼率對(duì)應(yīng)的Eb/N0門(mén)限為9.6dB，在16QAM調(diào)制體制下，1×10-5誤碼率對(duì)應(yīng)的Eb/N0門(mén)限為13.8dB[3]，在核算接收最低電平時(shí)，采用BPSK體制Rb取10Mbps，核算接收最高電平，采用16QAM體制，Rb取2Gbps。

將以上參數(shù)帶入門(mén)限電平計(jì)算公式，可得BPSK體制10Mbps數(shù)據(jù)速率接收門(mén)限電平為-92dBm，16QAM體制2Gbps數(shù)據(jù)速率接收門(mén)限電平為-64dBm，最低接收電平為BPSK體制10Mbps數(shù)據(jù)速率接收門(mén)限電平-92dBm，最高接收電平在16QAM體制2Gbps數(shù)據(jù)速率接收門(mén)限基礎(chǔ)上增加40dB，最高接收電平為-24dBm。

1.2.2 接收鏈路電平分配

為了提高帶寬利用效率，Ka頻段遙感衛(wèi)星下行數(shù)傳信號(hào)采用了8PSK、16QAM等高階調(diào)制體制，高階調(diào)制信號(hào)傳輸對(duì)信道的線性度要求高[4,5]，特別是幅相變換（AM/PM）指標(biāo)，一般要求在0.5°/dB以下。在接收鏈路電平分配時(shí)，為了保證接收鏈路線性度，借鑒高功率放大器“功率回退”設(shè)計(jì)思想，最高接收工作電平時(shí)各級(jí)放大器輸出功率在放大器1dB壓縮點(diǎn)回退10dB。

按照最低接收電平-92dBm，最高接收電平-24dBm分配各部件增益和輸出1dB壓縮點(diǎn)，通過(guò)調(diào)整接收鏈路配置的可調(diào)衰減器，使接收鏈路輸出電平在數(shù)傳解調(diào)器輸入電平范圍-60dBm～0dBm以?xún)?nèi)，并且在整個(gè)接收動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)接收鏈路都在線性區(qū)工作，以保證8PSK、16QAM高階調(diào)制信號(hào)的傳輸性能。各部件增益分配如表1所示。

表1 各部件增益分配Table 1 Gain allocation of components

低噪聲放大器與Ka頻段高頻箱之間連接電纜損耗按10dB（長(zhǎng)度4m，每米衰減2.5dB）核算，下變頻器與光端機(jī)連接電纜損耗按0.5dB（長(zhǎng)度1m，每米衰減0.5dB）核算，光端機(jī)與數(shù)傳解調(diào)器連接電纜損耗按5dB（長(zhǎng)度10m，每米衰減0.5dB）核算，最低接收電平、最高接收電平下鏈路電平分配如圖2所示。

圖2 接收鏈路電平分配Fig.2 Receiving link level allocation

最高工作電平時(shí)，將前級(jí)可調(diào)衰減器調(diào)整為10dB，將下變頻器增益調(diào)整為10dB，數(shù)傳解調(diào)器輸入電平為-5.5dBm。最低工作電平時(shí)，將前級(jí)可調(diào)衰減器調(diào)整為0dB，將下變頻器增益調(diào)整為30dB，數(shù)傳解調(diào)器輸入電平為-43.5dBm。在接收鏈路最低、最高輸入電平下，數(shù)傳解調(diào)器輸入電平均在正常工作電平（-60dBm～0dBm）范圍內(nèi)。

1.2.3 等效噪聲溫度

接收鏈路等效噪聲溫度為低噪聲放大器噪聲溫度、后端設(shè)備折算到低噪聲放大器入口的噪聲溫度之和，即

式（2）中TLNA為低噪聲放大器本身在輸入口的噪聲溫度；TLNADi為低噪聲放大器后端設(shè)備（連接電纜、下變頻器等）噪聲溫度折算到低噪聲放大器輸入口的噪聲溫度。后端設(shè)備噪聲溫度折算到低噪聲放大器入口的噪聲溫度計(jì)算方法如式（3）所示。

式（3）中Fci為后端設(shè)備噪聲系數(shù)，Gi為前端總增益，Li為前端總衰減。接收鏈路各部件噪聲系數(shù)分配如表2所示。

最低工作電平狀態(tài)接收鏈路等效到低噪聲放大器輸入口噪聲溫度核算如表3所示，最高工作電平狀態(tài)接收鏈路等效到低噪聲放大器輸入口噪聲溫度核算如表4所示。

表2 各部件噪聲系數(shù)分配Table 2 Noise factor allocation of components

表3 最低工作電平狀態(tài)接收鏈路等效噪聲溫度Table 3 Equivalent noise temperature on minimum working level state

表4 最高工作電平狀態(tài)接收鏈路等效噪聲溫度Table 4 Equivalent noise temperature on maximum working level state

從表3、表4可以看出，最低工作電平狀態(tài)下低噪聲放大器后端設(shè)備對(duì)接收鏈路等效噪聲溫度貢獻(xiàn)較小。最高工作電平狀態(tài)下，由于前級(jí)可調(diào)衰減器調(diào)整為10dB、下變頻器增益調(diào)整為10dB，光端機(jī)噪聲溫度對(duì)接收鏈路等效噪聲溫度影響很大，使得最高工作電平狀態(tài)下接收鏈路等效噪聲溫度由188.5K升高到1652.1K。

系統(tǒng)等效噪聲為天線等效噪聲溫度與接收鏈路等效噪聲溫度之和，12m口徑Ka頻段天線等效到低噪聲放大器入口噪聲溫度約為180K，最低工作電平與最高工作電平狀態(tài)下系統(tǒng)等效噪聲溫度分別為368.5K、1832.1K。相同輸入電平下，由于系統(tǒng)等效噪聲溫度變化，最高工作電平狀態(tài)較最低工作電平狀態(tài)時(shí)的數(shù)傳解調(diào)器輸入的有效信噪比降低了7dB。最高工作電平狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)接收信噪比余量很大，信噪比惡化已經(jīng)不是遙感數(shù)據(jù)接收的主要矛盾，如何保證接收鏈路的線性度成為遙感數(shù)據(jù)接收質(zhì)量的關(guān)鍵因素。在實(shí)際遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收任務(wù)中，按照衛(wèi)星下行EIRP、空間距離、天線增益來(lái)核算場(chǎng)放入口電平[6]，按照核算的場(chǎng)放入口電平合理調(diào)整前級(jí)衰減器衰減量和下變頻器增益，使接收鏈路工作在最佳接收狀態(tài)。

1.3 Ka頻段下變頻器設(shè)計(jì)

Ka頻段下變頻器將輸入的25GHz～27.5GHz信號(hào)下變頻到1.2GHz信號(hào)，采用兩次低本振變頻方式，先將Ka頻段（25GHz～27.5GHz，任意1.5GHz帶寬）射頻信號(hào)與本振頻率為18.4GHz～20.9GHz信號(hào)進(jìn)行混頻，輸出6.6GHz±750MHz射頻信號(hào)，再與頻率為5.4GHz本振信號(hào)混頻得到1.2GHz±750MHz中頻信號(hào)，Ka頻段下變頻器原理如圖3所示。

圖3 Ka頻段下變頻器原理Fig.3 Schematic block diagram of Ka-band down converter

25GHz～27.5GHz下行信號(hào)先經(jīng)過(guò)隔離器，保證良好的輸入駐波，前端配置增益為15dB，噪聲系數(shù)為1.3dB的低噪聲放大器，可滿足噪聲系數(shù)要求。后端中頻采用兩級(jí)數(shù)控衰減器，衰減范圍為43dB，0.5dB步進(jìn)。其中一級(jí)用于增益控制，另一級(jí)采用可調(diào)均衡衰減器，可對(duì)不同頻率信號(hào)的增益進(jìn)行調(diào)整，保證全頻段范圍內(nèi)增益平坦度。

射頻輸入25GHz～27.5GHz，一中頻頻率為6.6GHz，本振的頻率為18.4GHz～20.9GHz，鏡像頻率為11.8GHz～14.3GHz，離射頻信號(hào)帶寬較遠(yuǎn)，射頻濾波器對(duì)其抑制能達(dá)到80dBc以上。

混頻器的LO-RF對(duì)本振信號(hào)隔離可達(dá)30dB，射頻濾波器對(duì)其抑制可達(dá)80dB，射頻前端的放大器對(duì)其反向隔離約30dB，本振輸出功率按+15dBm設(shè)計(jì)，由此可知輸入端本振泄露電平為-80dBm。

使用ADS對(duì)下變頻器兩次變頻的雜散進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明：一次變頻將頻率從25GHz～27.5GHz變頻為6.6GHz，存在（4，-5）組合頻率落在一中頻帶內(nèi)，二次變頻將頻率從6.6GHz變頻為1.2GHz，存在（2，-2）、（3，-3）兩種組合干擾落入二中頻帶內(nèi)，通過(guò)選用合適的雙平衡混頻器，可以將組合頻率抑制到60dBc以下。

2 測(cè)試結(jié)果

Ka頻段接收鏈路基本測(cè)試結(jié)果如表5所示，經(jīng)過(guò)與數(shù)傳射頻模擬源、數(shù)傳解調(diào)器構(gòu)建射頻測(cè)試環(huán)路，16QAM調(diào)制體制、2Gbps碼率，誤碼率1×10-7時(shí)，系統(tǒng)解調(diào)損失優(yōu)于2dB，可滿足Ka頻段遙感衛(wèi)星高速數(shù)傳數(shù)據(jù)接收要求。

表5 Ka頻段接收鏈路指標(biāo)測(cè)試結(jié)果Table 5 Test results of Ka-band receiving link

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的Ka頻段低軌遙感衛(wèi)星數(shù)傳接收鏈路具有動(dòng)態(tài)范圍大、線性度高、帶寬寬的特點(diǎn)，通過(guò)合理分配鏈路電平、在Ka頻段下變頻器采用均衡放大器，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的Ka頻段接收鏈路性能指標(biāo)滿足Ka頻段低軌遙感衛(wèi)星高速數(shù)傳數(shù)據(jù)接收要求。