一．現(xiàn)代衛(wèi)星通信系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

1．通信帶寬增大，容量增加

　　在衛(wèi)星通信中，數(shù)據(jù)傳輸速率是性能的重要指標(biāo)。近期的研究發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星的平均功耗增加了350%，設(shè)計(jì)壽命從10年增加到近14年，衛(wèi)星的外形和復(fù)雜度也增加了2到5倍。Shin公司的新一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）衛(wèi)星iPSTAR總?cè)萘窟_(dá)到了40Gbps，據(jù)稱是現(xiàn)有衛(wèi)星容量的40倍。美國(guó)休斯網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)公司的SPACEWAY每個(gè)點(diǎn)波束的下行鏈路數(shù)據(jù)速率800Mbps?，F(xiàn)代信息技術(shù)需更寬的衛(wèi)星傳輸 帶寬。

2．根據(jù)環(huán)境因素和設(shè)計(jì)目標(biāo)，更嚴(yán)格地控制設(shè)計(jì)余度

　　當(dāng)今正在開發(fā)的先進(jìn)寬帶通信衛(wèi)星的設(shè)計(jì)、制造和部署成本都較高。衛(wèi)星設(shè)計(jì)者盡量增加衛(wèi)星的有效載荷能力，以便在投入使用之后能夠限度地獲取利潤(rùn)。
        這對(duì)于設(shè)計(jì)衛(wèi)星的工程師來說，意味著：因?yàn)橄冗M(jìn)的通信衛(wèi)星要求限度地增加數(shù)據(jù)速率和容量，所以留給設(shè)計(jì)者的誤差余度很小。如果未能分析或者考慮到任何相關(guān)參數(shù)或者真實(shí)效應(yīng)，都可能導(dǎo)致設(shè)備性能下降，從而減少收益。與此相反的情況是設(shè)計(jì)過于縝密，亦即因?yàn)榭紤]了所有未知因素或者按照差情況來設(shè)計(jì)而導(dǎo)致參數(shù)余度過大，從而增加了不必要的成本、部件、重量和復(fù)雜度。

3．衛(wèi)星通信質(zhì)量的影響因素

        圖1給出了傳統(tǒng)“彎管”式衛(wèi)星下行鏈路的整體示意圖，其中包括了主要的部件。衛(wèi)星部分只顯示了一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器圖像。實(shí)際上，一個(gè)衛(wèi)星可能帶有30到50個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器。
        每個(gè)部件都有會(huì)降低系統(tǒng)整體功能的不理想性能。首當(dāng)其沖的、基本的壞損是熱噪聲。通過載波功率來設(shè)置信道內(nèi)的載噪比（ CNR）或者信噪比（ SNR）。在指定了信噪比和帶寬的情況下，通過香農(nóng)定律來定義每秒鐘的信道容量（位數(shù)），不過在實(shí)際操作中永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到這個(gè)值。要確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)，就必須對(duì)信道內(nèi)所有真實(shí)存在的壞損進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。
二．針對(duì)挑戰(zhàn)的仿真測(cè)試解決方案

        全面、真實(shí)的通信通道仿真是設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的需要。針對(duì)衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，設(shè)計(jì)人員需要更為有效的仿真測(cè)試設(shè)備，要求它具有寬帶仿真和測(cè)試功能，真實(shí)地模擬通道中環(huán)境壞損因素、以及通道中各部件對(duì)系統(tǒng)的影響。這樣，設(shè)計(jì)人員才能在設(shè)計(jì)階段有效地控制設(shè)計(jì)余度，同時(shí)滿足成本、可靠性和容量的要求。

2．幾種測(cè)試方案的比較

        目前，衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過程中可以使用若干種輔助工具。設(shè)計(jì)模擬和測(cè)試工具主要有以下三種：

        計(jì)算機(jī)建模和模擬工具
        制造和發(fā)射試驗(yàn)衛(wèi)星
        衛(wèi)星通道模擬器

        借助計(jì)算機(jī)建模和模擬工具，設(shè)計(jì)者可以建立多種信道壞損的模型，并通過模型綜合考慮系統(tǒng)的總體性能。這些工具能夠完成基本設(shè)計(jì)，并進(jìn)行性能評(píng)估。此類軟件用于臺(tái)式機(jī)和工作站。為了得到準(zhǔn)確的結(jié)果，即便使用快的處理器也需要花費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間，這樣一來就限制了模擬對(duì)象的數(shù)量，也限制了能夠分析的綜合壞損模型。這些模型也有可能不會(huì)正確反映實(shí)際情況。

        另外一方面，相關(guān)單位已經(jīng)制造并發(fā)射了實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，以便在真實(shí)環(huán)境中通過真實(shí)的硬件和軟件來檢測(cè)新的通信技術(shù)和理念。這些衛(wèi)星包括ACT、Artemis、Kopernikus、N-Star、Superbird以及Italsat F1。這些衛(wèi)星的制造成本昂貴，但是它們?yōu)楫?dāng)今寬帶衛(wèi)星設(shè)計(jì)的精細(xì)技術(shù)和定義方法提供了頗有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。衛(wèi)星位于整個(gè)設(shè)計(jì)金字塔的塔尖，它們的性能通過設(shè)計(jì)來確定，根據(jù)需要更改技術(shù)規(guī)格的余地則很小。同樣，也很難通過更改壞損機(jī)制來檢測(cè)它們對(duì)系統(tǒng)整體性能的影響。

        衛(wèi)星信道模擬器把測(cè)試環(huán)境和模擬環(huán)境很好地結(jié)合起來，為用戶提供所需的度和實(shí)時(shí)性能。Aeroflex生產(chǎn)的Celerity CS80000寬帶信道模擬器（BCS）系列（圖2）就是很好的例子。這些模擬器在實(shí)驗(yàn)室中通過受控的、的、可重復(fù)的方式創(chuàng)建帶有壞損機(jī)制的真實(shí)信道。因?yàn)檫@些信道是帶有寬帶射頻輸入和輸出的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，所以在測(cè)試過程中可以使用真實(shí)的硬件終端。和軟件模型相比，這種實(shí)時(shí)測(cè)試可以運(yùn)行更多檢測(cè)對(duì)象，進(jìn)而能夠進(jìn)行更詳細(xì)的測(cè)試。它們的特點(diǎn)如下：

 穩(wěn)定的、可重復(fù)的模擬，帶有定義好的、受控的壞損機(jī)制
 實(shí)時(shí)和全帶寬信道，能夠支持真實(shí)的硬件和快速測(cè)試時(shí)間
 壞情況模擬，可以包含任何綜合壞損模型
 通過實(shí)驗(yàn)室設(shè)備來限度地減少高成本測(cè)試或者實(shí)際衛(wèi)星測(cè)試時(shí)間

圖2 Celerity CS80000寬帶信道模擬器

Aeroflex通道模擬器的價(jià)值：

 極真實(shí)的 仿真
 寬帶寬:  可以支持 500 MHz帶寬
 高 動(dòng)態(tài)范圍(14 bit ADC/DAC w/ 36 MHz BW) 
 低相位瑕疵、動(dòng)態(tài)延遲更新
 模塊化設(shè)計(jì)，易于升級(jí)
 豐富的真實(shí)環(huán)境壞損的選擇：
 
 動(dòng)態(tài) 多譜勒
 動(dòng)態(tài)延遲
  熱噪聲
 路徑損失
 帶內(nèi)干擾
 臨道干擾
 信道載荷
 相位噪聲
 瑞康衰落
 雨損
 群延遲失真
 通帶內(nèi)幅度波動(dòng)
 非線性 增益
 

        其它開發(fā)測(cè)試工具包括寬帶信號(hào)發(fā)生器（BSG）和寬帶信號(hào)分析器（BSA）。它們不是信道模擬器，但是能夠創(chuàng)建真實(shí)的衛(wèi)星信號(hào)和帶有壞損機(jī)制的環(huán)境，并記錄和分析信號(hào)信道的性能。

三．Aeroflex寬帶通道模擬器簡(jiǎn)介

        Aeroflex 寬帶信道仿真器模擬(BCS)可以為高速通信系統(tǒng),點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波和衛(wèi)星通信建立的和可重復(fù)的信道，提供帶寬寬的通道模擬和連接仿真，實(shí)現(xiàn)的干擾信號(hào)模擬。實(shí)時(shí)的仿真可提供帶寬達(dá)500MHz、時(shí)間延遲達(dá)10秒，并同時(shí)可提供1至4個(gè)獨(dú)立的通道仿真。BCS可實(shí)時(shí)為輸入信號(hào)加入干擾信號(hào)，模擬實(shí)際傳輸通道的干擾?？商峁┑母蓴_信號(hào)包括：動(dòng)態(tài)延遲（從地面到GEO衛(wèi)星住返的短時(shí)間延遲）、動(dòng)態(tài)多普勒、的相位噪聲、Ricean和 Rayleigh衰落、附加白高斯噪聲、平衰落、rain衰落、附加CW和調(diào)制的干擾信號(hào)、通帶幅度和相位奇變。用于相關(guān)或獨(dú)立信道的變頻器，可以對(duì)輸入/輸出信號(hào)進(jìn)行變頻控制。衛(wèi)星仿真軟件包，使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的TLE組件，可產(chǎn)生24小時(shí)的多普勒和延遲仿真文件。Aeroflex的通道模擬已成功應(yīng)用于多個(gè)衛(wèi)星工程中，用于模擬信號(hào)往返路徑，可在衛(wèi)星發(fā)射之前對(duì)衛(wèi)星和地面站進(jìn)行全面測(cè)試。

圖3 兩通道BCS結(jié)構(gòu)框圖