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70年代后期，國外一些空間研究機構就開始致力于開發(fā)新的空間技術，以拓寬衛(wèi)星通信的應用范圍。由于L、C、X、Ku等頻段不能滿足高速、寬帶、小口徑終端等應用的需求，當時就已把開發(fā)Ka頻段衛(wèi)星通信技術列為研究項目。經過20多年的研究與試驗，Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)已進入實用化階段。
1系統(tǒng)特性
Ka頻段的優(yōu)點是可用帶寬寬，干擾少，設備體積小。因此，Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)可為高速衛(wèi)星通信、千兆比特級寬帶數字傳輸、高清晰度電視（HDTV）、衛(wèi)星新聞采集（SNG）、VSAT業(yè)務、直接到家庭（DTH）業(yè)務及個人衛(wèi)星通信等新業(yè)務提供一種嶄新的手段。Ka頻段的缺點是雨衰較大，對器件和工藝的需求較高，但這些都可以采取相關技術手段予以克服�？傊琄a頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要是在提供雙向多媒體業(yè)務方面具有較大優(yōu)勢。
（1）網狀和星狀拓撲結構
為了提高頻段利用率，減少時延，直接到用戶（DTU）鏈路一般采用網狀網，與公網（PSTN、ISDN等）互連的鏈路則優(yōu)先采用星狀網。
（2）開網和閉網
開網一般用于公網，閉網則用于特殊用戶的專網。
（3）標準協(xié)議
多種傳輸協(xié)議共存，尤其是當同一用戶需要多種業(yè)務時，大多數Ka頻段系統(tǒng)選擇ATM或準ATM協(xié)議。
（4）多波束覆蓋 為了提高衛(wèi)星等效全向輻射功率（EIRP），Ka頻段衛(wèi)星波束一般較窄（1°～2°）。因此，若要覆蓋一個國家或地區(qū)，需要設置多波束。
（5）頻譜可多次利用 由于是多波束使用，頻譜利用率高。
（6）星上處理及交換。
（7）傳輸速率范圍寬。
（8）小用戶終端 在同等條件下，其用戶終端要比 C／ Ku頻段的小。對DTU鏈路來說，典型的無線口徑為0.6～2m，具體取決于鏈路余量及所處雨區(qū)。
2信道預算及仿真
鑒于Ka頻段系統(tǒng)在頻段、信道特性、空間資源、應用業(yè)務等方面的特點，在進行信道預算時，可利用仿真軟件來模擬各種信號處理、濾波器、非線性放大、混頻等通信環(huán)節(jié)的性能特性，進而仿真出各種系統(tǒng)性能。美國RST公司的ACOLADE仿真軟件是基于WINDOWS操作系統(tǒng)的傳輸鏈路層仿真軟件包，主要用于無線通信系統(tǒng)的仿真，比較適合衛(wèi)星通信傳輸鏈路設計。它采用層次化框圖結構表示欲仿真的通信系統(tǒng)，利用計算機仿真通信系統(tǒng)的信息流波形。ACOLANE仿真可以分成4個基本步驟：（1）用信號流框圖建立系統(tǒng)仿真模型；（2）產生代表各種信號的樣本函數；（3）根據系統(tǒng)組成的功能框圖，進行離散時間信號處理；（4）存儲仿真波形，處理后獲得系統(tǒng)各種性能指標。
下面我們利用ACOLADE仿真軟件進行Ka頻段衛(wèi)星通信鏈路性能仿真。用一偽隨機信號發(fā)生器作為數據源模型，產生數據比特流，該數據流經級聯(lián)編碼器送入
QPSK調制器。級聯(lián)編碼器用 （256，223）Reed－Solomon碼作外碼，用約束長度為人碼率為1／2的卷積碼作內碼。固態(tài)放大器（SSPA）的
AM／AM、AM／PM特性參照Ferranti公司的SSPA特性，行波管放大器（TWTA）的AM／AM、AM／PM特性參照INTELSATTWTA特性。上／下行鏈路噪聲均用高斯噪聲源模擬產生。接收機為一個積分清洗匹配濾波器后接一個檢測器。
系統(tǒng)中各點信號的復包絡可通過多個正交星座圖（I／Q）進行觀測。可以看到，發(fā)射機輸出瑞信號由于沒有噪聲和任何失真，星座圖為一個標準正方形。信號經過非線性SSPA后，出現一些波動和失真。到達接收機輸入端的信號由于疊加了上／下行鏈路噪聲及星上TWTA的放大，出現較大波動和失真。收端IIR濾波器用來濾除帶外干擾和噪聲。從接收機輸出星座圖可以看出，當Eb／No增加時，該星座圖變得越來越清晰。
Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈路預算方法與C／Ku頻段基本相同，主要區(qū)別在雨衰。Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈路可用率范圍為99.5%～99.8%，其雨衰的典型范圍為6～9dB。因此，不能簡單地通過增加星上EIRP來克服雨衰。由于以下原因，通過采用自適應編碼技術，可以在獲得較高系統(tǒng)容量的情況下，提高系統(tǒng)可用率。
（1）與天線波束覆蓋區(qū)域相比，降雨區(qū)（大雨）很小，典型值約為5％，因此兩個用戶同時處于雨衰區(qū)的可能性較小。
（2）由于雨衰的速度較慢，典型值為0.5～1dB／s，地球站有足夠時間來識別和補償雨衰。
3設備研制
典型的Ka頻段系統(tǒng)由中心站、遠端站及星上轉發(fā)器組成。我國目前首先要解決Ka頻段的相關射頻器設備的設計和制造。由于中額及基帶設備基本可與C／Ku頻段系統(tǒng)通用，在高速調制解調器應用方面，Ka頻段又具特殊性，下面只介紹對Ka頻段射頻設備和高速調制解調器的考慮。
3.1Ka頻段射頻設備
Ka頻段射頻設備主要由接收機、變頻器及功放等部件組成。
（1）20GHz低噪聲放大器
基本要求是要具有盡可能低的噪聲系數和盡可能高的增益。達到上述要求的最核心器件是低噪聲放大器本身。早期的放大器一般用場效應管（FET），近幾年主要采用高電子遷移率管（HEMT）或異質結管（HBT）與FET器件相比，HEMT器件在高頻段（如Ka頻段）表現更為出色，具有更低的噪聲系數和更高的增益。單片微波集成電路（MMIC）性能的進一步提高，使Ka頻段射頻設備的體積更小，性能更好，成本更低。但Ka頻段MMIC對設計、工藝等要求過高，在我國應用還相當困難。因此，在研制20GHz低噪聲放大器時，應采用HEMT與現有MMIC相結合的方式，即低噪聲加高增益。
（2）變頻器
主要由本振、混頻器、濾波器、放大器及室外電路等組成。從電路形式上看，可以采用微帶，也可以采用波導。由于微帶電路體積小、重量輕，便于與外圍電路連接，所以宜采用微帶結構形式。
3.2高速調制解調器
目前，國外300Mb／s和650Mb／s的衛(wèi)星高速數傳系統(tǒng)已投入實用，主要用于航天測控通信數據的傳輸，1Gb／s以上高速數傳系統(tǒng)正處于研究階段。我國正在研究地面和星上30MMb／s高速調制解調器。
（1）關鍵技術
· 并行數字處理技術
主要是為了提高系統(tǒng)集成度、降低設備成本及對器件的要求，并在電路設計中將各種工藝類型的器件進行合理組合，滿足星載設備的低功耗和小型化需求。
·并行數字成形濾波技術
由于受存儲器硬件特性的限制，不能利用已有的數字成形濾波方案，為此，需專門設計一個基于并行查表的數字濾波方案。
·并行糾錯編譯碼技術 采用RS為外碼，卷積碼為內碼的8路并行處理編譯碼方案。
· 微波載波恢復技術
采用反饋式載波相干恢復電路。即采用并行數字處理技術來提取載波，然后將其反饋至壓控振蕩器（VCO），以控制VCO相位，完成載波恢復和跟蹤。
· 高速時鐘提取技術
采用反饋法數字式時鐘恢復電路。
（2）主要技術指標
調制方式：QPSK 幅度不平衡度：≤1dB
輸出頻率：1.2GHz 相位不平衡度：≤±2°
載波抑制：≥30dB 載波捕獲范圍：±1MHz
雜散抑制：≥50dB 時鐘捕獲范圍：±50kHz
解調中頻：1.2GHz 誤碼率特性： Eb／No= 9.5dB
Pc≤1×10-8
4建議
我國的Ka頻段衛(wèi)星通信技術目前還處于研究階段，地面相關設備及星上轉發(fā)器的研究工作在九五期間已經展開，部分專題已取得突破。但在功放、體積、重量等方面，因受器件、工藝、儀器等因素制約，與國外先進水平仍有較大差別，離實用化有較大距離，因此建議：
（1）加快Ka頻段星上／地面關鍵技術及關鍵設備的研制，盡快形成試驗樣機。除透明轉發(fā)器外，對星上處理轉發(fā)器的關鍵技術也需抓緊立項研制。具體項目主要有：20／30GHz低噪聲放大器、變頻器及SSPA和TWTA放大器等；固定及掃描多波束無線；基帶處理及交換矩陣；低成本地球站終端。
（2）盡快安排Ka頻段轉發(fā)器（哪怕是透明轉發(fā)器）的搭載技術試驗，以便開展相關試驗工作。如近期不能實現，也應利用外星Ka轉發(fā)器（同步星或低軌星）開展試驗工作，逐步積累使用及設計經驗。
（3）進一步重視Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)仿真及專題仿真設計工作。在設備全面開展應用之前，利用先進的仿真設計可以最大限度地發(fā)現問題，并為提出解決問題的措施提供依據。
（4）抓緊Ka頻段傳播試驗工作，建立我國目已的Ka頻段雨衰模型。由于Ka頻段的最大缺點是雨衰較大，要有效克服這一問題，首先必須了解各地區(qū)的雨衰情況，建立準確的雨衰模型。
（5）Ka頻段的另一個重要特征是軍事應用前景巨大。國家有關部門應盡快立項，研究如何進一步拓寬Ka頻段的軍事應用。
（6）從長遠發(fā)展考慮，國家應盡快開展相應的Ka頻段儀器設備、測量方法以及關鍵元部件的配套研究。
摘自《電信快報》
