2014年第9期总第153期
SILICON VALLEY未来通信卫星的发展趋势
刘振华
（中国电子科技集团第38研究所，安徽合肥 230031）
摘 要 卫星通信产业已进入高速发展时期，根据国内外新一代卫星和卫星通信技术的发展可知，未来通信卫星将具
有高频段、高带宽、高增益、星上处理和星上交换等特点，而发展下一代通信卫星的关键提升星上数字处理能力和TR组件技术。
关键词 高频段；高带宽；星上处理中图分类号：TN927 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）09-0003-01
近十年通信卫星产业飞速发展，新技术和新产品不断涌现，
宽带多媒体卫星通信已从实验阶段转为商用阶段[1]。微波和数字新技术的产生推动了卫星通信技术和产业的发展。卫星通信的发展目标是与地面互联网的无缝融合，为用户提供宽带网络
[3]
接入服务。卫星逐渐演变为太空路由器。目前Ka-Sat卫星通过与欧洲骨干网网关互联，可以为家庭及车载终端提供宽带网络接入服务，迈出接入互联网的第一步。而卫星由于其通信距离以及工作环境的，离真正的路由还有很多关键技术需要解决。下面将分析未来通信卫星的技术发展趋势和存在问题。
星座通过少量GEO卫星组网，降低星间组网的复杂度和传输延迟，目前有美国的GPS采用这种模式。
5）星上再生处理和IP交换。星上再生处理技术可以实现用户间一跳通信，降低通信延迟，可隔离上下行的干扰，消除上行链路噪声，提高星地链路约3dB信噪比。再生处理还可以简化星上转发器设计，降低星上载荷功耗和重量。通过识别用户报文中的地址信息，可以实现不同波束之间的用户交换。再生处理的基础上可以实现IP交换，能够将卫星直接接入办公室和家庭网络中，极大地扩展了卫星通信的市场领域，因此，西方国家的和卫星制造与经营者都极为重视它的发展。近年欧美新生的卫星中，几乎都采用了星上处理技术。
6）星间链路。星上处理和交换技术的广泛使用将弱化地面站的作用，远距离的转发将过星间链路传输，星间链路将采用V波段、W波段和激光传输，传输带宽达到GB量级。目前美国的军用和民用卫星大多具有星间传输功能。
1 通信卫星发展的几大趋势及问题
1）高频段。近年随着毫米波器件的成熟，通信卫星的工作
[4]
频段已全面进入Ka时代，未来将向更高频段发展，新一代的通信卫星大多带有Ka转发器，2011年欧洲发射的Ka-Sat是全球第一颗全Ka转发器卫星，它标志着Ka转发器正式成为通信卫星的主要载荷。目前L、C、S波段已非常拥挤频段且容量有限，随着毫米波TR组件的发展，通信卫星必然向Ka频段和更高的V（美国AEHF）频段发展。高频载波的信息容量更大，能够提供更高的带宽，并且能够实现终端小型化，WINDS卫星终端采用45cm（HPA 1W）天线完成155Mbps信息速率的传输。
2）高带宽。随着地面网络和信息技术的发展，视频、图片、大量数据业务已成为通信业务的主流，下一代卫星需要与地面网络对接，因此新一代卫星载荷也朝着宽带业务发展，新一代
[2]
卫星如SpaceWay3、WINDS、Ka-Sat、Via-Sat均提供Mbps甚至Gbps量级的传输速率。
3）高增益点波束。不同于传统的广播卫星，目前所有通信卫星全都采用多波束技术，通过空分复用增大通信容量，提高频谱资源的利用率。复用率取决于波束数量和波束宽度，因此高增益窄波束是未来通信卫星的发展趋势。高增益天线可以提高卫星G/T值，简化了地面终端设备，使其小型化。而通信终端的体积一直是其使用范围的关键因素。
4）GEO和LEO相结合。GEO卫星覆盖范围较广，3-4颗卫星可以覆盖全球，但GEO卫星通信延迟较大，传统透明转发器卫星延迟超过0.5 ms，用于网络接入时，无法适应用户需求。GEO卫星由于入射角的原因，容易被城市建筑或山体遮挡，如汶川地震时仅有铱星系统能够全天候使用。LEO卫星通信延迟小，与地面的蜂窝通信相近，同一地区可同时被3颗星覆盖，可避免信号被遮挡，如汶川地震时仅有铱星系统能够全天候使用。但LEO卫星覆盖范围小，需要几十颗才能覆盖全球，远距离通信通过星间链路转发，星间链路复杂度高，Globalstar星座为节约成本而没有设计星间链路。未来卫星通信将采用GEO和LEO相结合的形式，LEO卫星负责提供用户接入服务，LEO
2 存在的问题
虽然全球已有少量的宽带多媒体通信卫星，但仍没有真正接入宽带网络。我国在宽带多媒体通信卫星技术上起步较晚，与欧美有很大差距。通信卫星演变成太空路由器还需要攻克以下几种技术。
1）星上数字处理技术。星上处理能够提高信噪比、简化星上转发器设计、提高卫星业务能力和灵活性。星上再生转发需要经过信号采样、信道化、解调、交换、调制、数模转换等需要大量的数字处理资源，而专用集成电路的计算资源有限，了星上数字处理的能力。同时，数字器件在星上受太阳辐照、单粒子效应等影响，稳定性和可靠性较差，大量复杂的数字电路在轨可靠性无法保证。数字器件的功耗较大，由此还会带来的散热问题。因此，要提升星上处理能力首要提高星上数字器件的性能和可靠性。
2）高频段TR组件技术。随着频率的提高，卫星发射组件的有效功率较低，既造成功率的浪费，也给散热设计带来很大困难。卫星平台的功率在短期不会有较大提升，而目前收发组件的效率小于30%，了通信卫星的发射功率和传输容量。通过改进发射效率，可以实现地面终端小型化，为卫星通信产品市场化奠定基础。
3 总结
本文结合未来卫星的发展需求和国内外卫星发展的现状，分析了下一代通信卫星的发展趋势和技术特点，未来卫星通信与地面网络融合是必然趋势，而地面数技术的发展也将影响并引导卫星通信的发展。高频段保证无线传输的容量，高增益以
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硅谷3PRODUCT R&DMC信号的配置，可选择F206程序运行的起始空间，有外部程序RAM空间和内部EEPROM空间可选，在开发调试阶段，选择外部程序RAM空间能够方便程序的修改调试，此时可通过开发环境加载程序到该RAM空间运行，进行软件调试。由于该部分RAM电路仅用于调试阶段使用，因此将该部分电路设计为一个可拆卸子卡，在调试中安装该子卡，用于加载程序进行调试，调试完毕后，可拆除子卡，将最终程序固化到F206的片内EEPROM上运行，可节约模块布局空间和降低成本。
数据RAM占用数据存储空间（DS）8000h-ffffh地址范围，用于存放导航模块运行时产生的计算数据，提高导航模块的运算性能。
2.2 开发环境及软件配置
1）TMS320F206开发环境。TI公司为TMS320系列DSP提供了专门的仿真、调试和烧录开发环境，目前最新的版本为CCS3.3，支持C、C++和汇编语言编程，在开发环境中，可对软件进行连续，单步调试，访问DSP中的寄存器，用户使用非常方便。
2）GPS接收信息的处理。GPS-OEM模块提供有专用软件和专用调试模块，通过该套系统，可对模块功能的正确性进行检测，同时通过专用的软件配置，可向用户提供多种GPS信息，并且能以2种数据格式（2进制、NMEA）和多种波特率（2400～115200）输出。
GPS-OEM模块向用户提供多达上百组的数据，每组数据都有一个数据编号（ID＃ XX），并按照一定的相关性包含一类数据，用户可根据需要让GPS-OEM模块选择性地输出某个数据组，DSP接收端须要按照一定的规则，才能正确地接收到数据组，并将所需信息从数据组中提取出来。
高科技产品研发
429发送接口驱动电路由BD429芯片实现，BD429用来完成对两路发送信号的差分驱动，采用±15 V供电，429接收信号可直接和DEI1016芯片连接，不需要进行电平转换。
429控制电路由CPLD和F206的I/O接口实现。协议芯片所需时钟由F206计时器提供，通过配置F206计时器寄存器，由计时器产生频率为1 MHz，占空比50%的时钟信号供429协议芯片使用。
429电路的状态信号“＃DR1（通道1接收完毕）”“＃DR2、（通道2接收完毕）”、“TXR（数据发送准备好）”由F206的I/O接口用查询的方式判断，在F206的初始化时，将这3个I/O接口设置为输入方式，429的“ENTX（发送使能）”信号也由F206的I/O接口产生，加载数据时将该信号置高，在数据加载到发送寄存器后，将该信号置低，从而发送429数据，该I/O接口在F206初始化时设置为输出。
5）控制逻辑电路设计。导航模块控制逻辑电路主要用于控制429数据的发送、接收和产生扩展SRAM的片选信号。429电路的“读429 WORD1”、“读429 WORD2”、“加载数据到WORD1”、“加载数据到WORD2”、“写429控制字”、“复位429芯片”和“数据空间扩展RAM片选”控制逻辑均由CPLD实现，译码采用F206数据空间的高位地址译码，译码的地址空间分配如表1所示。
表1 译码地址空间分配
信号名称＃EN1＃EN2＃PL1＃PL2＃CWSTR＃RES＃RCS
地址空间70XXh72XXh74XXh76XXh78XXh7AXXh
信号说明读429WORD1读429WORD2加载数据到WORD1加载数据到WORD2写429控制字复位429芯片
信号性质读（低有效）读（低有效）写（低有效）写（低有效）写（低有效）写（低有效）低有效
3 结束语
基于TMS320F206设计的导航模块，可在复杂、严苛的工作
环境下实现精确导航的功能，同时具有低成本、高可靠性、高性能的特点，目前已在多个项目中得到了应用，使用效果优秀，通过不断的完善改进，该导航模块可在航空、航天、船舶等更大的范围中得到推广应用。参考文献
[1]TEXAS INSTRUMENTS.TMS320C20xUser’s Guide.Literature Number： SPRU127CApril 1999.
[2]TEXAS INSTRUMENTS.TMS320F206DIGITAL SIGNAL PROCESSOR.Literature Number： SPRS050-NOVEMBER 1996.[3]冯重熙，钱亚生，姚彦.现代数字通信技术[M].北京：人民邮电出版社，1994.
[4]苏涛，等.DSP实用技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2002.
[5]房建成，等.GPS组合导航在车辆导航中的应用[A].第一届GPS论文集[C].1995.
8000h～FFFFh数据空间扩展RAM片选
6）GPS数据接收电路的设计。GPS数据接收采用Superstar II OEM模块实现，该OEM模块具有的特点为：12个卫星接收通道，数据以异步串行方式传输，数据输出波特率可调，数据输出协议可选择，数据输出内容可选择，5 V供电。
使用该GPS接收模块，数据以异步串行方式传输，接口电平满足RS232标准，默认传输波特率为9600 bps，数据为2进制协议，F206本身带有一个异步串行接口，GPS数据可直接通过F206串口接收，通过初始化将F206串口设置为和GPS模块相同的波特率，即可正确接收GPS数据，将数据通过解算，即可得到需要的时间、高度、速度、经纬度等信息，也可通过软件设置，选择获得其他需要的GPS信息。
7）SRAM电路的设计。为提高导航模块的性能和方便调试，设计中扩展了 kB程序RAM和 kB数据RAM。
程序RAM占用F206程序存储空间（PS）0000h-7ffffh，可和F206的数据地址总线直接连接，通过硬件跳线对F206 MP/
（上接第3页）
及高低轨联合组网为接入地面宽带网络提供联通基础，星上处理和交换技术提供用户间组网通信服务，为对接地面网络提供足够的灵活性和处理能力，而该技术是卫星通信技术难点。参考文献
[1]John Farserotu，A Survey of Future Broadband Multimedia Satellite Systems， Issues and Trends，IEEE
Communications Magazine · June 2000.
[2]Tsuyoshi Maeda，Tsunehiko Araki，Yasuo Nakamura，WINDS Satellite On-Board Process，25th AIAA.
[3]王琦，王毅凡.Ka波段通信卫星发展应用现状[J].卫星网络，2011（03）.
[4]宽带多媒体卫星通信系列讲座之一宽带多媒体卫星通信系统现状及发展趋势[J].DIGTCW技术讲座，2009（01）.
28硅谷未来通信卫星的发展趋势
作者：
作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
刘振华
中国电子科技集团第38研究所,安徽合肥,230031硅谷
Silicon Valley2014(9)
1.John Farserotu A Survey of Future Broadband Multimedia Satellite Systems, Issues and Trends 20002.Tsuyoshi Maeda;Tsunehiko Araki;Yasuo Nakamura WINDS Satellite On-Board Process3.王琦;王毅凡 Ka波段通信卫星发展应用现状 2011(03)
4.宽带多媒体卫星通信系列讲座之一宽带多媒体卫星通信系统现状及发展趋势 2009
引用本文格式：刘振华 未来通信卫星的发展趋势[期刊论文]-硅谷 2014(9)
