徐海生

中國(guó)電子科技集團(tuán)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(shí)代背景下，衛(wèi)星通信技術(shù)得以迅猛發(fā)展，這無(wú)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(cái)力成本，而計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，可以很好地解決這一問(wèn)題，通過(guò)利用該技術(shù)，完成對(duì)4通道C頻道通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以在第一時(shí)間內(nèi)及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理該系統(tǒng)異常問(wèn)題，從而提前預(yù)防和管控系統(tǒng)隱形故障問(wèn)題，為進(jìn)一步提高該系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)防控能力提供重要技術(shù)支持。所以，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用背景下，如何科學(xué)地設(shè)計(jì)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(wèn)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(duì)地面站內(nèi)微弱信號(hào)的及時(shí)接收，并對(duì)接收到的微弱信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，使其被直接轉(zhuǎn)換為下行信號(hào)和上行信號(hào)，一旦發(fā)現(xiàn)補(bǔ)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(duì)這一問(wèn)題進(jìn)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(kāi)關(guān)等部分組成。該系統(tǒng)工作原理如下：首先，向?yàn)V波器內(nèi)輸入所接收到的上行信號(hào)，然后，利用低噪聲放大器，對(duì)濾波器的寬帶進(jìn)行放大處理，同時(shí)，利用接收機(jī)內(nèi)置的變頻器，對(duì)所接收到的信號(hào)頻率進(jìn)行處理，使其被直接轉(zhuǎn)換為下行信號(hào)；接著，利用分路濾波器，對(duì)大量的通道進(jìn)行智能化控制，并利用多臺(tái)功率放大器，對(duì)所獲得的信號(hào)功率進(jìn)行放大處理；最后，借助輸出多工器，對(duì)信號(hào)功率進(jìn)行合成處理，當(dāng)信號(hào)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(hào)發(fā)送到地面站中，此時(shí)，信號(hào)中繼轉(zhuǎn)發(fā)工作圓滿完成。對(duì)于轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)而言，在實(shí)際運(yùn)行中，通常表現(xiàn)出較高的通信能力和信號(hào)處理能力，可以結(jié)合當(dāng)前衛(wèi)星軌道狀況，精確地計(jì)算出衛(wèi)星的工作頻率、輸出功率，同時(shí)，還能對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)器的變頻噪聲和下行功率進(jìn)行精確化計(jì)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(lái)，分別對(duì)這些參數(shù)特性進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，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(jìn)一步提高該系統(tǒng)的運(yùn)行性能、保證系統(tǒng)衛(wèi)星通信能力打下堅(jiān)實(shí)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(jì)

為了更好地完成該系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)目標(biāo)，技術(shù)人員要結(jié)合轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)需求，對(duì)仿真部件和模塊電路進(jìn)行規(guī)范化封裝處理，從而形成若干個(gè)單機(jī)模型，然后，將這些單機(jī)模型結(jié)合為一個(gè)完整的單通道轉(zhuǎn)發(fā)器[1]，便于后期單通道仿真設(shè)計(jì)工作的有效開(kāi)展。通過(guò)采用單通道仿真方法，可以有效地驗(yàn)證系統(tǒng)輸入輸出特性、噪聲系數(shù)等特性測(cè)試結(jié)果的精確性。最后，還要對(duì)輸入多工器和輸出多工器進(jìn)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(jì)

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(shí)、有效地反映出該系統(tǒng)輸出功率大小。在對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)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(hào)逐漸增加時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)器增益曲線會(huì)逐漸變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)[2]，此時(shí)，采用信號(hào)源設(shè)置的方式，將輸出功率點(diǎn)統(tǒng)一設(shè)置為1dB壓縮點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)衰減器進(jìn)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(cè)試期間，經(jīng)常會(huì)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(dòng)。為了解決這一問(wèn)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(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)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(dá)到-89dBm時(shí)，其輸出功率達(dá)到額定值，此時(shí)，通道匹配衰減器可以從原來(lái)的3dB逐漸上升到130dB額定增益值，說(shuō)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(guò)將該仿真結(jié)果與實(shí)物測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(jì)

電源雜波對(duì)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(méi)有得到有效抑制，將會(huì)導(dǎo)致該系統(tǒng)的諧波和雜波特性出現(xiàn)進(jìn)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(duì)該系統(tǒng)諧波和雜波進(jìn)行真實(shí)化仿真處理，提前預(yù)測(cè)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(hào)傳輸?shù)睫D(zhuǎn)發(fā)器輸入端中，確保該系統(tǒng)通道快速進(jìn)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(shí)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(dá)到-158dBm時(shí)，系統(tǒng)通道所對(duì)應(yīng)的幅值會(huì)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(shí)，通道內(nèi)會(huì)出現(xiàn)大量的混頻產(chǎn)物，這無(wú)疑增加了通道間的干擾程度[7]。當(dāng)測(cè)量幅度被控制在-30dBm以下時(shí)，其干擾影響程度可以忽略不計(jì)。此時(shí)，如果繼續(xù)增加通道數(shù)量，將會(huì)導(dǎo)致該系統(tǒng)功率電平出現(xiàn)較大的波動(dòng)。所以，對(duì)功率放大器進(jìn)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(jì)

噪聲系數(shù)的接收量以及濾波器的損耗程度會(huì)對(duì)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(shí)，還還會(huì)對(duì)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(huì)直接影響用戶的使用體驗(yàn)。對(duì)于輸入濾波器而言，其帶寬通常為160MHz，通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)噪聲特性進(jìn)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(dá)到65dB時(shí)，通過(guò)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(duì)應(yīng)的增益值相對(duì)較高，所以并不會(huì)對(duì)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(jī)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(duì)該系統(tǒng)噪聲系數(shù)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量期間，主要用到了Agilent346AC噪聲源，通過(guò)利用該噪聲源測(cè)量，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)在全輸入頻段內(nèi)所對(duì)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(jì)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(jì)

為了直觀、形象地觀察該系統(tǒng)通信性能，在對(duì)該系統(tǒng)誤碼率進(jìn)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(guò)全面地對(duì)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(shí)，經(jīng)過(guò)仿真測(cè)量系統(tǒng)誤碼率后，發(fā)現(xiàn)所發(fā)射的圖片在實(shí)際傳輸期間，要事先轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)據(jù)[10]，然后在地面站進(jìn)行發(fā)送，地面站發(fā)送圖片信息和接收?qǐng)D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(gè)數(shù)據(jù)寫入句柄fp文件

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

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?qǐng)D片

3 轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)實(shí)測(cè)結(jié)果分析

3.1 轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)實(shí)物測(cè)試情況

對(duì)于轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)而言，其所用到的事務(wù)測(cè)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(duì)Agilent6675A程控電源進(jìn)行遠(yuǎn)程化控制。此外，所選用的測(cè)試系統(tǒng)主要是由臺(tái)E8257D信號(hào)源和頻譜儀RSFSUP50兩個(gè)部分組成，該系統(tǒng)測(cè)試流程如下：首先對(duì)需要測(cè)試的系統(tǒng)進(jìn)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(kāi)關(guān)柜陣中，然后借助開(kāi)關(guān)柜陣的幅度平坦度特性，測(cè)試系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)顯示最終測(cè)量結(jié)果。

3.1.1 輸入輸出測(cè)量方法

通過(guò)利用AgilentVEE軟件，對(duì)信號(hào)源和開(kāi)關(guān)柜陣進(jìn)行遠(yuǎn)程化控制，該系統(tǒng)輸入輸出測(cè)量流程如下：首先，利用上行輸入頻率，單10MHz參考源連接到進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)中，然后利用頻譜儀，完成對(duì)下行輸出頻率的科學(xué)設(shè)置；其次，對(duì)計(jì)算機(jī)所對(duì)應(yīng)的運(yùn)行程序進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和調(diào)整，確保輸入輸出掃描結(jié)果的精確性和真實(shí)性；最后，使用功率計(jì)對(duì)繪制好的曲線進(jìn)行矯正。

3.1.2 諧、雜波測(cè)量方法

通過(guò)將上行信號(hào)安全、可靠地輸入到功率計(jì)中，確保該系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的輸出工作始終集中分布于飽和點(diǎn)附近。同時(shí)，借助頻譜分析對(duì)諧波幅值和雜波幅值進(jìn)行精確化測(cè)量。經(jīng)過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，諧波始終在噪聲-80dBm以下，有效地驗(yàn)證了轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性。

3.1.3 噪聲系數(shù)測(cè)量方法

在對(duì)系統(tǒng)噪聲系數(shù)進(jìn)行測(cè)量期間，要利用噪聲源，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)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(cè)量結(jié)果控制在1.8以下。

3.1.4 誤碼率測(cè)量方法

通過(guò)將兩個(gè)信號(hào)源輸入頻率以及信號(hào)間隔頻率分別設(shè)置為F0-2.5MHz、F0+2.5MHz、5MHz，然后，將上行信號(hào)安全、可靠地注入到轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)中。此時(shí)，采用控制計(jì)算機(jī)的方式，對(duì)開(kāi)關(guān)柜陣的輸出功率進(jìn)行科學(xué)調(diào)節(jié)，并利用頻譜儀器，實(shí)現(xiàn)對(duì)交調(diào)信號(hào)幅度值的全面化采集。

3.2 轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)的仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真設(shè)計(jì)，完成對(duì)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(jì)。通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)地面聯(lián)試過(guò)程進(jìn)行真實(shí)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(shí)際測(cè)試結(jié)果會(huì)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(duì)較高，經(jīng)過(guò)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)本文所采用的轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)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(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用背景下，本文通過(guò)對(duì)4通道C頻道通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，不僅可以有效地驗(yàn)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(shí)發(fā)現(xiàn)和定位系統(tǒng)當(dāng)前出現(xiàn)的故障問(wèn)題，并采用行之有效的解決方案，提前解決系統(tǒng)故障問(wèn)題，使得系統(tǒng)具有較高的風(fēng)險(xiǎn)防控能力，為進(jìn)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。