卫星行业的软件定义无线电用例 留言

介绍

卫星行业是现代世界的巨头之一，其应用范围从用于太空探索的尖端轨道望远镜到普通人每天使用的电信和 GPS 信号。卫星的一个组成部分是无线电系统，它负责产生、发射、接收和处理电磁信号。现代卫星不能再依赖简单的基于模拟的无线电系统，因为它们在灵活性、可升级性和信息处理方面引入了重大限制。因此，软件定义无线电 (SDR)是任何卫星的基本组成部分之一。它们不仅负责基本的无线电通信，还负责更复杂的任务，例如用于空间态势感知 (SSA) 和空间域感知 (SDA) 应用的宽带频谱监控、干扰和干扰检测/避免、公共时钟源和地面站控制/通信。本文将讨论 SDR 在卫星行业中的作用，涵盖从 SDR 的基本结构到上述应用。这是SDR 用例系列中的第 12 篇文章^。

在深入研究 SDR 技术及其应用之前，让我们退后一步，关注卫星行业的现状，以及全球卫星系统在现代应用中必须满足的要求。这包括卫星轨道及其应用、多年来卫星数量的指数增长，以及国际合作在这些问题上的作用。此外，本文将简要讨论由于GNSS / GPS ，我们的整个现代经济如何依赖卫星系统。

卫星产业的演变

卫星系统由卫星本身和一个（或多个）地面站组成。卫星可以定义为一种独立的绕地球运行的通信设备，能够通过使用转发器射频模块在地面站接收和发送无线电信号。这些信号随后可用于电信、遥测和地理定位。卫星接收来自地面站的通信和命令信号。从历史上看，卫星被设计为在三个不同的轨道上运行：

• 近地 轨道（LEO）： 距地面 160 至 1600 公里。
• 中 地球轨道（MEO）： 距地面 10000 至 20000 公里。 
• 地球 静止轨道 (GEO)：  距地面约35786 公里。

GEO 卫星是一项显着的技术突破，因为它们允许卫星相对于地球表面的某个点进行静止定位。这些卫星由 Arthur C. Clarke 于 1945 年首次提出，如今已应用于通信、气象和导航。十二年后的 1957 年，第一颗卫星由苏联发射：著名的人造卫星 1 号。然而，第一颗通过卫星传输语音信号的功劳归功于美国的 SCORE（轨道中继设备信号通信）项目。商业卫星通信随后通过约翰·皮尔斯（贝尔实验室）和哈罗德·霍森（休斯飞机）的先驱作品发展起来。

现代卫星通信

现代卫星应用中最基本的通信链路是卫星与地面站跟踪遥测和控制（TT&C）之间的连接。该通信链路提供卫星的位置跟踪和对其功能的控制，例如推进系统和热管理器。此外，TT&C 用于监测卫星的几个变量，包括温度、电信号和辐射入射。通信链路的硬件要求也随着轨道类型而变化：LEO 和 MEO 卫星需要跟踪天线以确保设备之间的一致连接，这在 GEO 卫星中不是必需的。此外，虽然 GEO 系统仅使用三颗卫星即可提供全球覆盖，但 LEO 和 MEO 系统需要超过 20 和 10 个设备，分别。这就是 GEO 卫星成为 GPS 首选的原因，因为它们提供了巨大的覆盖范围和一致的定位/导航。然而，LEO 和 MEO 卫星更适合移动通信，因为 GEO 卫星的信号延迟在电话应用中是不可接受的。因此，轨道选择高度依赖于应用。

一般来说，卫星应用于三个领域：电信，包括手机和无线网络；广播和电视信号；和数据传输。卫星也是地面资源有限的应用的理想选择，例如社区小而分散的偏远地区。空间技术的未来发展可以进一步提高卫星在星载计算能力、带宽功率和寿命方面的性能。此外，纳米卫星的出现为卫星通信带来了新的视角，巨型星座设备在相干网络中运行，用于各种应用。 

现代地面站

在地面站技术方面，所需的硬件主要取决于卫星传输的频率范围。操作频率，也称为频段，分为七个不同的类别，由字母定义。L、S和C 波段是通常以低功率发射的较低频段，需要更大的天线进行接收。地面站通常由一个大型天线、一个馈电喇叭、一个波导、主接收器以及通常用于保护的天线罩组成。更高频段，包括X、Ku、Ka和V 波段，以向地面站传输更多功率而闻名，因此天线盘可以做得非常小。Ku 和 Ka 频段通常由 Internet 服务提供商 (ISP) 使用。抛物面天线是高频地面站的一种流行选择，因为它们以小体积提供高定向能力（见图 1）。他们使用碟形几何形状被动地放大输入信号，从而降低整体噪声。如下图 1 所示，实际的天线是抛物面天线焦点处的馈电喇叭，电磁能量集中在这里进行放大。

图 1：显示了带有抛物面天线的上行链路和下行链路。

现代挑战

现代应用正在推动卫星技术的发展。V 波段以外的高频应用已经在太空中得到应用：2021 年，ARTES 先进技术计划发射了第一颗 W 波段卫星，该卫星使用 LEO 卫星上的 75 GHz 发射机运行。使用如此高的频率，需要具有高端调制/解调系统的强大无线电接收器以最小的噪声从信号中提取信息。此外，在这些情况下，雨衰要高得多，这会增加接收器的噪声系数。现代卫星技术的另一个瓶颈是监测纳米卫星星座中的数千个设备，这对地面站来说是非常沉重的负担。多输入多输出 (MIMO)无线电设备是实现与整个星座网络同时连接的基础。此外，随着地球轨道上碎片数量的增加，特别是在卫星星座的背景下，对空间碎片和卫星的监测变得越来越有必要。最后，对卫星和地面站之间的紧密时间同步至关重要，特别是在用于导航、海事和定位系统的多个卫星网络中。这个问题是现代卫星技术的一个重大挑战，所以让我们深入探讨一下这个问题。

由于卫星位于地面之上，因此它们为无线电信号提供了一条几乎没有障碍物的路径，从而实现了更加可靠和确定性的信息传输。为了达到时间精度，每颗卫星都必须配备精密的机载原子钟，多个地面站负责监测和同步网络的时间源。传输延迟的精确建模是各种应用的基础，包括导航、定位和电信同步。例如，与时间相关的数据在 TT&C 系统中非常重要，其中需要解析目标的位置、速度和时间信息。还，如果没有可靠的信号时间跟踪以获得传播延迟，全球导航卫星系统 (GNSS) 肯定是不可行的，这对于以足够的精度解决距离以进行目标定位至关重要。GNSS 的性能可以通过使用显着提高星基增强系统（SBAS）。在 SBAS 中，GNSS 传输不断受到参考地面站的监控，这些地面站精确地位于大范围内。这些站用于纠正时间误差并提高 GNSS 服务的准确性、可用性、完整性和连续性。然后，SBAS 使用 GEO 卫星广播计算出的误差和校正，增强信号覆盖基本 GNSS 消息。

卫星行业特别提款权的细分

SDR 由三个基本阶段组成：无线电前端 (RFE)、数字后端和混合信号接口。RFE 包含 SDR 的接收 (Rx) 和发送 (Tx) 功能，管理宽调谐范围内的信号。目前市场上带宽最高的 SDR，Cyan SDR（Per Vices，下图 2），使用调谐范围在 0-18 GHz（可升级到 40 GHz）的 RFE，瞬时带宽为 3 GHz 超过 16 个独立的 Tx/Rx 通道。数字后端包含一个具有板载 DSP 功能的 FPGA。后端负责调制、解调、上/下转换、信号处理和数据传输。SDR 基于 FPGA 技术，这意味着后端可以轻松重新编程以适应不同的无线电协议、DSP 算法，甚至人工智能，无需任何硬件更换。这增加了系统的灵活性、适应性和可升级性。混合信号接口将 RFE 连接到数字后端，由强大的DAC和ADC。此外，可以通过基于内部时钟板的专用时钟源获得精确的计时。高端 SDR 使用恒温晶体振荡器 (OCXO)为 FPGA、ADC/DAC 和通道同步获得极其稳定和准确的时钟频率。

第一个无线电系统完全基于模拟组件。随着数字电子技术的出现、数字信号处理的快速发展以及 FPGA 的发明，软件定义无线电 (SDR) 开始在模拟同类产品中占据主导地位。传统的模拟无线电体积庞大且由硬件定义，因此它们需要大量专用电子设备来调整到特定应用。这意味着任何小的升级或修改都需要更换硬件，这既繁重又昂贵。另一方面，SDR 是由软件定义的，因此可以通过重新编程数字后端轻松实现修改，而无需更换任何硬件。此外，SDR 的模块化特性允许根据尺寸、重量和功率 (SWaP) 要求定制设备，这对卫星行业至关重要——尤其是纳米卫星应用。最后，SDR 可以在板载设备中集成高级信号处理算法甚至人工智能，这在纯模拟无线电系统中是不可能的。

卫星和地面站都完全依赖无线电系统，因此 SDR 是卫星行业的重要组成部分。然而，选定的 SDR 必须能够承受轨道条件，同时仍能提供足够的性能来满足卫星的要求。例如，机载 SDR 的设计必须能够抵抗太空的极端温度和辐射水平。此外，在发射后部署纳米卫星星座期间需要 SDR，通过使用射频通信跟踪星座配置并将控制信息馈送到机载机动系统，将卫星正确分配到位。地面站还在 TT&C 中使用 SDR 系统，接收数据、发布命令并将软件上传到卫星。在多卫星网络中，与纳米卫星星座一样，高数据速率和高吞吐量在地面站中至关重要，以避免丢失数据并确保所有卫星都得到考虑。SDR 可以通过使用 40GBASE 和 100GBASE 光链路来支持高数据吞吐量。此外，可以通过使用 FPGA 的并行计算获得非常快速的数据处理，从而以低功耗提供高性能。最后，SDR 提供了高灵敏度，从而改进了对微弱信号的检测。它以低功耗提供高性能。最后，SDR 提供了高灵敏度，从而改进了对微弱信号的检测。它以低功耗提供高性能。最后，SDR 提供了高灵敏度，从而改进了对微弱信号的检测。

用于现代卫星系统应用的 SDRS

SDR 可以在前面提到的所有卫星频段（L、S、C、X、Ku、Ka 和 V）上正常工作，因此在卫星行业有广泛的应用。例如，SDR 在卫星间跟踪中发挥着重要作用：通过对接收信号执行各种 DSP 计算，它们可以评估用于距离估计的重要参数，包括接收信号强度 (RSSI) 和多普勒频移。此外，现代 SDR 中的高 SFDR 和高 SNR 对于测量在基于 RSSI 的跟踪系统中接收到的微弱信号至关重要。此外，在 SSA/SDA 的上下文中，需要具有极低延迟的高吞吐量数据链路，以确保及时发送/接收数据包。市场上延迟最低的 SDR，例如 Per Vices 的 Cyan 模型，应在关键的 SSA/SDA 应用程序中实施。最后，SDR 可用于模拟和测试卫星网络、协议和调制/解调方案，提高系统设计和优化的效率。

在地面站环境中，MIMO SDR 能够提供多个独立的 Rx/Tx 源，这些源在相控阵雷达中必不可少，通常用于卫星跟踪。MIMO SDR 不仅必须提供多通道 RFE，还需要能够同时处理来自多个来源的大量数据，因此高数据吞吐量和快速信号处理也是必不可少的。基于 FPGA 的数字后端允许 SDR 执行波束成形/波束控制算法，优化天线方向性、效率和增益。此外，地面站通常需要以不同的频率控制或与多颗卫星通信以避免干扰。在这些情况下，MIMO SDR 是最佳选择，因为它们可以独立处理多个通道。最后，SDR 可以实施不同的滤波和数字处理技术来提高地面接收机的射频性能，包括噪声抑制、误码率、同频干扰和信号灵敏度。

卫星中 SDR 的另一个重要功能是生成公共时钟信号。大多数高端 SDR 中的时钟板提供了关键时间和频率应用所需的时间稳定性，使其成为 GNSS 系统的绝佳选择。使用内部 SDR 时钟作为卫星的主要系统时钟，通过使用设备中已有的资源，提高了系统灵活性并缩短了工程时间。但是，如果使用另一个外部时钟作为参考，SDR 可以很容易地在“从模式”下实现，其中内部时钟被外部参考时钟替换以进行同步。

最后，SDR 可以执行多种 DSP 计算，这些计算是任何卫星应用中的基础，例如解码/编码、调制/解调、上变频/下变频和多路复用。借助 FPGA，可以使用相同的硬件实现多种不同的调制方案，包括 BPSK、QPSK 和 QAM。这些特性允许在 SDR 的嵌入式 FPGA 上开发卫星调制解调器，也称为 SATCOM 调制解调器。FPGA 允许修改调制方案和 RFE 参数，包括增益、频率和采样率，从而能够估计和调整多普勒频移。这种可重构性允许 SDR 支持复杂的通信标准，例如数字视频广播卫星第二代扩展 (DVB-S2X)。DVB-S2X 系统可用于 HDTV 广播服务、互联网接入、和蜂窝回程。下面的图 3 显示了基于 FPGA 的调制解调器和传统调制解调器之间的主要区别。

图 3：比较传统和基于 FPGA 的调制解调器。