本文首先簡要介紹上述衛(wèi)星以及它背后的故事、覆蓋的區(qū)域及其訪問方式。然后，將介紹如何基于其中一個(gè) ADALM-PLUTO SDR收發(fā)器，使用ADALM-PLUTO SDR實(shí)現(xiàn)實(shí)際的電臺(tái)配置。

 

衛(wèi)星

 

卡塔爾衛(wèi)星公司Es’hailSat在2018年從卡納維拉爾角發(fā)射的Es’hail-2通信衛(wèi)星為歐洲、中東、非洲等地提供電視、語音、互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)和政府通信服務(wù)。該衛(wèi)星自2019年2月開始運(yùn)行，一直處于中非上空的地球同步軌道上，工作高度為36,000公里，通信范圍覆蓋從巴西到馬來西亞，從法羅群島到南極洲的區(qū)域，如圖1所示。

 

圖1.通過Es’hail-2看到的地球。

 

Es’hailSat成立于2010年。該公司總部設(shè)在卡塔爾的多哈，擁有并運(yùn)營著幾顆為廣播公司、企業(yè)和政府服務(wù)的衛(wèi)星。為了推動(dòng)和促進(jìn)卡塔爾的空間技術(shù)發(fā)展，Es’hailSat與全球非盈利組織業(yè)余無線電愛好者衛(wèi)星公司(AMSAT)合作，為面向業(yè)余無線電愛好者的全國性非盈利組織卡塔爾業(yè)余無線電協(xié)會(huì)(QARS)啟動(dòng)了一項(xiàng)新技術(shù)開發(fā)工作。AMSAT設(shè)計(jì)、建造、安排、發(fā)射和運(yùn)行攜帶業(yè)余無線電有效載荷的衛(wèi)星。AMSAT附屬國家組織分布于各個(gè)國家/地區(qū)，包括2012年12月代表QARS參與的AMSAT德國(AMSAT-DL)。通過這一合作，Es’hail-2衛(wèi)星可以配備兩個(gè)專用轉(zhuǎn)發(fā)器，從而實(shí)現(xiàn)了在可視區(qū)域內(nèi)，連接業(yè)余無線電用戶的單跳實(shí)時(shí)同步通信。

 

許多業(yè)余通信衛(wèi)星獲得了OSCAR（攜帶業(yè)余無線電的軌道衛(wèi)星）稱號(hào)。這些衛(wèi)星可由持牌業(yè)余無線電操作員免費(fèi)用于語音和數(shù)據(jù)通信。迄今為止，它們已經(jīng)被發(fā)射到近地軌道(LEO)和高橢圓軌道(HEO)，它們的共同點(diǎn)在于，當(dāng)它們出現(xiàn)在地平線上幾分鐘時(shí)，必須用天線進(jìn)行跟蹤。一旦它們消失在地平線下，就無法再進(jìn)行通信。地球同步軌道上的衛(wèi)星，從地球上觀察，它們的位置是不會(huì)改變的。雖然天線不必移動(dòng)就能連接它們，但在自由空間功率損耗、天線指向精度和延遲方面，36,000公里的遙遠(yuǎn)距離提出了新的挑戰(zhàn)——從一個(gè)地面發(fā)射機(jī)到衛(wèi)星，再返回到另一個(gè)地面發(fā)射機(jī)，大約需要250毫秒。Es’hail-2的昵稱是OSCAR100，因?yàn)樗堑?00顆攜帶業(yè)余無線電有效載荷的衛(wèi)星。

 

訪問Es’hail-2

 

業(yè)余無線電愛好者研究衛(wèi)星通信很多年了。以前，這一通信過程是通過模擬下變頻器和上變頻器來實(shí)現(xiàn)的，它們將接收和傳送的信號(hào)轉(zhuǎn)換到收發(fā)機(jī)工作的業(yè)余無線電頻段。衛(wèi)星使用的上行（從地球到衛(wèi)星）和下行（從衛(wèi)星到地球）頻率有時(shí)超出了收發(fā)機(jī)的能力。Es’hail-2有兩個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器：一個(gè)用于窄帶(NB)傳輸，一個(gè)用于寬帶(WB)傳輸。在本節(jié)中，我們將討論窄帶轉(zhuǎn)發(fā)器。因?yàn)樵谶@個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器上，可用帶寬只有250 kHz，為了容納多個(gè)通道，需要使用適當(dāng)?shù)恼{(diào)制技術(shù)。最常用的模擬調(diào)制類型是電報(bào)（莫爾斯電碼，也稱為連續(xù)波(CW)）或電話（語音，也稱為單邊帶(SSB)）。

 

上行鏈路在右側(cè)圓極化(RHCP)的2.4 GHz處（13厘米頻段），下行鏈路在水平(H)或垂直(V)極化的10.45 GHz處（3厘米頻段）。業(yè)余無線電愛好者作為持牌無線電操作員有權(quán)在13厘米頻段（2300 MHz至2310 MHz和2390 MHz至2450 MHz）使用足夠功率和高增益天線進(jìn)行衛(wèi)星通信。該頻段與民用無線電分配2400 MHz至2500 MHz的頻段重疊，這是工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻段的一部分。在ISM頻段中，最常見的免執(zhí)照頻段之一是無線局域網(wǎng)。轉(zhuǎn)發(fā)器詳情如圖2所示。

 

圖2.Es’hail-2的轉(zhuǎn)發(fā)器。

 

創(chuàng)新的SDR方法

 

隨著SDR各種變體的引入而帶來的變化也影響了業(yè)余無線電領(lǐng)域。盡管大多數(shù)收發(fā)機(jī)仍然采用與老式模擬收發(fā)機(jī)相同的控制方式，但在中頻層面，其中許多收發(fā)機(jī)在混頻器之后融入了數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)技術(shù)。其中一些收發(fā)機(jī)還能夠直接對(duì)頻譜的整個(gè)短波部分（直流至30 MHz）采樣。SDR的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，其性能不會(huì)隨著時(shí)間的推移而下降，因?yàn)樵S多關(guān)鍵模擬元件被數(shù)字算法部分取代。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，原本需要使用昂貴模擬無線電元件（如混頻器或?yàn)V波器）才能獲得的性能，可以通過替換其他元件（如模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和DSP）等更加經(jīng)濟(jì)有效的方式來獲得相同的性能。將多個(gè)模塊（如鏡像抑制混頻器、振蕩器和ADC）集成在同一個(gè)硅器件中使得新接收機(jī)架構(gòu)變得可行，在新的接收機(jī)架構(gòu)中使用離散技術(shù)是至關(guān)重要。例如 AD9363/AD9364 射頻捷變收發(fā)器，這些器件將所有射頻前端、混合信號(hào)和數(shù)字模塊組合在一個(gè)器件中，同時(shí)用于接收和傳輸。當(dāng)與管理數(shù)據(jù)流的FPGA配對(duì)后，構(gòu)建一個(gè)完整基站所需的元素就只剩下天線、功率放大器和計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的軟件算法。

 

ADI提供了ADALM-PLUTOSDR來演示AD9363的功能，如圖3所示。這是一種經(jīng)濟(jì)高效的硬件工具，工程師可以通過該工具基于新的SDR方法來開發(fā)涉及無線電的應(yīng)用。一旦Es’hail-2轉(zhuǎn)發(fā)器的頻率通過外部下變頻至235 MHz到3.8 GHz，AD9363擁有的20 MHz收發(fā)帶寬可以輕松接收窄頻和寬頻的下行信號(hào)。它可以直接在上行頻率上傳輸數(shù)據(jù)，不需要額外的上變頻器。相比于同類別、同價(jià)位的器件，它的另一優(yōu)勢是：它有兩個(gè)用于接收和傳輸?shù)倪B接器，因此它支持全雙工操作。常規(guī)業(yè)余無線電交互是半雙工的（說或聽），但是由于您能夠?qū)崟r(shí)接收您自己的傳輸信號(hào)，因此您能夠了解自己是否在清晰地進(jìn)行調(diào)制，或者是否需要增加/減少傳輸功率。一旦調(diào)整好了接收天線，也有助于將發(fā)射天線指向天空。

 

一些免費(fèi)軟件包支持ADALM-PLUTO用于傳輸和接收，這些軟件包通常由無線電業(yè)余愛好者自己編寫。例如Simon Brown編寫的SDR Console（業(yè)余無線電呼號(hào)G4ELI）。該軟件可用于管理用戶與收發(fā)器之間的交互，并在軟件中實(shí)現(xiàn)解調(diào)和調(diào)制。

 

圖3.ADALM-PLUTO及其收發(fā)器AD9363。

 

SDR衛(wèi)星電臺(tái)

 

眾所周知，業(yè)余無線電愛好者喜歡構(gòu)建自己的硬件和重新利用現(xiàn)有設(shè)備來滿足自己的需求。對(duì)于接收天線和下變頻器，最實(shí)惠的替代方案是商用衛(wèi)星電視的普通衛(wèi)星天線和低噪聲模塊(LNB)。LNB包含波導(dǎo)和下變頻器，將10.450 GHz的信號(hào)下變頻為小于1 GHz，這屬于SDR的可接收頻段范圍。CW（幾十Hz）或SSB（小于3 kHz）等的窄帶調(diào)制類型要求高度穩(wěn)定的本地振蕩器，以避免連續(xù)重調(diào)，而這在廣播電視（幾MHz）等使用的寬帶調(diào)制類型中不那么重要。在現(xiàn)代數(shù)字通信中，由于熱問題導(dǎo)致的頻率偏移和長期漂移的補(bǔ)償被納入標(biāo)準(zhǔn)并要求執(zhí)行。遺憾的是，對(duì)于許多由業(yè)余無線電操作員實(shí)施的窄帶調(diào)制方案來說，并沒有關(guān)注這一標(biāo)準(zhǔn)，也沒有得到執(zhí)行，人們假定在LNB或基帶信號(hào)中的PLL或采樣率精度和漂移是完美的。為了確保這一假設(shè)正確，有時(shí)會(huì)使用高精度/低漂移的參考時(shí)鐘。由于許多業(yè)余無線電愛好者更喜歡更換參考時(shí)鐘，而不是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，因此許多人會(huì)建議這個(gè)簡單的解決辦法。

 

由于上行頻率在WLAN 2.4 GHz頻段范圍內(nèi)，持牌操作員可以重新利用現(xiàn)有的WLAN設(shè)備，如功率放大器和高增益天線。ADALM-PLUTO的輸出功率大約為5 dBm，不足以驅(qū)動(dòng)輸出功率為幾瓦的功率放大器。基于 ADL5606 20 dB功率放大器并由 LTM8045SEPIC 微型模塊轉(zhuǎn)換器供電的 CN-0417 參考設(shè)計(jì)可產(chǎn)生足夠的功率增益來克服這一限制。圖4顯示如何布置通信站。也可以在現(xiàn)場快速部署通信站，以支持緊急通信。

 

圖4.SDR衛(wèi)星電臺(tái)。

 

總結(jié)

 

綜上所述，我們目睹了無線電通信向SDR技術(shù)的轉(zhuǎn)變。通過將多個(gè)模擬和混合信號(hào)塊集成在一個(gè)器件中，可實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變。直接優(yōu)勢在于具有成本效益，更高的可靠性和可重構(gòu)性。

 

AMSAT運(yùn)營副總裁Drew Glasbrenner（社交媒體帳號(hào)KO4MA）表示：“愿第100顆OSCAR衛(wèi)星成為未來業(yè)余無線電衛(wèi)星和有效載荷到地球靜止軌道和更遠(yuǎn)地方的導(dǎo)引星。”

 

參考電路

 

“Es’hail-2/QO-100。” AMSAT-UK, 2019年。

 

“空間通信。” 美國無線電中繼聯(lián)盟，2019年。

 

Taylor、Wyatt 和 David Brown。“射頻收發(fā)器為航空航天和防務(wù)應(yīng)用提供突破性的SWaP解決方案。” 模擬對(duì)話, 2016年9月。

 

 

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