本文首先簡(jiǎn)要介紹上述衛星以及它背后的故事、覆蓋的區域及其訪(fǎng)問(wèn)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)現實(shí)際的電臺配置。

 

衛星

 

卡塔爾衛星公司Es’hailSat在2018年從卡納維拉爾角發(fā)射的Es’hail-2通信衛星為歐洲、中東、非洲等地提供電視、語(yǔ)音、互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)和政府通信服務(wù)。該衛星自2019年2月開(kāi)始運行，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(lái)西亞，從法羅群島到南極洲的區域，如圖1所示。

 

圖1.通過(guò)Es’hail-2看到的地球。

 

Es’hailSat成立于2010年。該公司總部設在卡塔爾的多哈，擁有并運營(yíng)著(zhù)幾顆為廣播公司、企業(yè)和政府服務(wù)的衛星。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(wú)線(xiàn)電愛(ài)好者衛星公司(AMSAT)合作，為面向業(yè)余無(wú)線(xiàn)電愛(ài)好者的全國性非盈利組織卡塔爾業(yè)余無(wú)線(xiàn)電協(xié)會(huì )(QARS)啟動(dòng)了一項新技術(shù)開(kāi)發(fā)工作。AMSAT設計、建造、安排、發(fā)射和運行攜帶業(yè)余無(wú)線(xiàn)電有效載荷的衛星。AMSAT附屬?lài)医M織分布于各個(gè)國家/地區，包括2012年12月代表QARS參與的AMSAT德國(AMSAT-DL)。通過(guò)這一合作，Es’hail-2衛星可以配備兩個(gè)專(zhuān)用轉發(fā)器，從而實(shí)現了在可視區域內，連接業(yè)余無(wú)線(xiàn)電用戶(hù)的單跳實(shí)時(shí)同步通信。

 

許多業(yè)余通信衛星獲得了OSCAR（攜帶業(yè)余無(wú)線(xiàn)電的軌道衛星）稱(chēng)號。這些衛星可由持牌業(yè)余無(wú)線(xiàn)電操作員免費用于語(yǔ)音和數據通信。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，當它們出現在地平線(xiàn)上幾分鐘時(shí)，必須用天線(xiàn)進(jìn)行跟蹤。一旦它們消失在地平線(xiàn)下，就無(wú)法再進(jìn)行通信。地球同步軌道上的衛星，從地球上觀(guān)察，它們的位置是不會(huì )改變的。雖然天線(xiàn)不必移動(dòng)就能連接它們，但在自由空間功率損耗、天線(xiàn)指向精度和延遲方面，36,000公里的遙遠距離提出了新的挑戰——從一個(gè)地面發(fā)射機到衛星，再返回到另一個(gè)地面發(fā)射機，大約需要250毫秒。Es’hail-2的昵稱(chēng)是OSCAR100，因為它是第100顆攜帶業(yè)余無(wú)線(xiàn)電有效載荷的衛星。

 

訪(fǎng)問(wèn)Es’hail-2

 

業(yè)余無(wú)線(xiàn)電愛(ài)好者研究衛星通信很多年了。以前，這一通信過(guò)程是通過(guò)模擬下變頻器和上變頻器來(lái)實(shí)現的，它們將接收和傳送的信號轉換到收發(fā)機工作的業(yè)余無(wú)線(xiàn)電頻段。衛星使用的上行（從地球到衛星）和下行（從衛星到地球）頻率有時(shí)超出了收發(fā)機的能力。Es’hail-2有兩個(gè)轉發(fā)器：一個(gè)用于窄帶(NB)傳輸，一個(gè)用于寬帶(WB)傳輸。在本節中，我們將討論窄帶轉發(fā)器。因為在這個(gè)轉發(fā)器上，可用帶寬只有250 kHz，為了容納多個(gè)通道，需要使用適當的調制技術(shù)。最常用的模擬調制類(lèi)型是電報（莫爾斯電碼，也稱(chēng)為連續波(CW)）或電話(huà)（語(yǔ)音，也稱(chēng)為單邊帶(SSB)）。

 

上行鏈路在右側圓極化(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(wú)線(xiàn)電愛(ài)好者作為持牌無(wú)線(xiàn)電操作員有權在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(xiàn)進(jìn)行衛星通信。該頻段與民用無(wú)線(xiàn)電分配2400 MHz至2500 MHz的頻段重疊，這是工業(yè)、科學(xué)和醫療(ISM)頻段的一部分。在ISM頻段中，最常見(jiàn)的免執照頻段之一是無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)。轉發(fā)器詳情如圖2所示。

 

圖2.Es’hail-2的轉發(fā)器。

 

創(chuàng )新的SDR方法

 

隨著(zhù)SDR各種變體的引入而帶來(lái)的變化也影響了業(yè)余無(wú)線(xiàn)電領(lǐng)域。盡管大多數收發(fā)機仍然采用與老式模擬收發(fā)機相同的控制方式，但在中頻層面，其中許多收發(fā)機在混頻器之后融入了數字信號處理器(DSP)技術(shù)。其中一些收發(fā)機還能夠直接對頻譜的整個(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(zhù)時(shí)間的推移而下降，因為許多關(guān)鍵模擬元件被數字算法部分取代。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，原本需要使用昂貴模擬無(wú)線(xiàn)電元件（如混頻器或濾波器）才能獲得的性能，可以通過(guò)替換其他元件（如模數轉換器(ADC)和DSP）等更加經(jīng)濟有效的方式來(lái)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架構變得可行，在新的接收機架構中使用離散技術(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、混合信號和數字模塊組合在一個(gè)器件中，同時(shí)用于接收和傳輸。當與管理數據流的FPGA配對后，構建一個(gè)完整基站所需的元素就只剩下天線(xiàn)、功率放大器和計算機上運行的軟件算法。

 

ADI提供了ADALM-PLUTOSDR來(lái)演示AD9363的功能，如圖3所示。這是一種經(jīng)濟高效的硬件工具，工程師可以通過(guò)該工具基于新的SDR方法來(lái)開(kāi)發(fā)涉及無(wú)線(xiàn)電的應用。一旦Es’hail-2轉發(fā)器的頻率通過(guò)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。它可以直接在上行頻率上傳輸數據，不需要額外的上變頻器。相比于同類(lèi)別、同價(jià)位的器件，它的另一優(yōu)勢是：它有兩個(gè)用于接收和傳輸的連接器，因此它支持全雙工操作。常規業(yè)余無(wú)線(xiàn)電交互是半雙工的（說(shuō)或聽(tīng)），但是由于您能夠實(shí)時(shí)接收您自己的傳輸信號，因此您能夠了解自己是否在清晰地進(jìn)行調制，或者是否需要增加/減少傳輸功率。一旦調整好了接收天線(xiàn)，也有助于將發(fā)射天線(xiàn)指向天空。

 

一些免費軟件包支持ADALM-PLUTO用于傳輸和接收，這些軟件包通常由無(wú)線(xiàn)電業(yè)余愛(ài)好者自己編寫(xiě)。例如Simon Brown編寫(xiě)的SDR Console（業(yè)余無(wú)線(xiàn)電呼號G4ELI）。該軟件可用于管理用戶(hù)與收發(fā)器之間的交互，并在軟件中實(shí)現解調和調制。

 

圖3.ADALM-PLUTO及其收發(fā)器AD9363。

 

SDR衛星電臺

 

眾所周知，業(yè)余無(wú)線(xiàn)電愛(ài)好者喜歡構建自己的硬件和重新利用現有設備來(lái)滿(mǎn)足自己的需求。對于接收天線(xiàn)和下變頻器，最實(shí)惠的替代方案是商用衛星電視的普通衛星天線(xiàn)和低噪聲模塊(LNB)。LNB包含波導和下變頻器，將10.450 GHz的信號下變頻為小于1 GHz，這屬于SDR的可接收頻段范圍。CW（幾十Hz）或SSB（小于3 kHz）等的窄帶調制類(lèi)型要求高度穩定的本地振蕩器，以避免連續重調，而這在廣播電視（幾MHz）等使用的寬帶調制類(lèi)型中不那么重要。在現代數字通信中，由于熱問(wèn)題導致的頻率偏移和長(cháng)期漂移的補償被納入標準并要求執行。遺憾的是，對于許多由業(yè)余無(wú)線(xiàn)電操作員實(shí)施的窄帶調制方案來(lái)說(shuō)，并沒(méi)有關(guān)注這一標準，也沒(méi)有得到執行，人們假定在LNB或基帶信號中的PLL或采樣率精度和漂移是完美的。為了確保這一假設正確，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(wú)線(xiàn)電愛(ài)好者更喜歡更換參考時(shí)鐘，而不是實(shí)現復雜的數字信號處理技術(shù)，因此許多人會(huì )建議這個(gè)簡(jiǎn)單的解決辦法。

 

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

 

圖4.SDR衛星電臺。

 

總結

 

綜上所述，我們目睹了無(wú)線(xiàn)電通信向SDR技術(shù)的轉變。通過(guò)將多個(gè)模擬和混合信號塊集成在一個(gè)器件中，可實(shí)現這一轉變。直接優(yōu)勢在于具有成本效益，更高的可靠性和可重構性。

 

AMSAT運營(yíng)副總裁Drew Glasbrenner（社交媒體帳號KO4MA）表示：“愿第100顆OSCAR衛星成為未來(lái)業(yè)余無(wú)線(xiàn)電衛星和有效載荷到地球靜止軌道和更遠地方的導引星。”

 

參考電路

 

“Es’hail-2/QO-100。” AMSAT-UK, 2019年。

 

“空間通信。” 美國無(wú)線(xiàn)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)應用提供突破性的SWaP解決方案。” 模擬對話(huà), 2016年9月。

 

 

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