【導(dǎo)讀】業(yè)余無線電愛好者最近獲得了另一種提供全球不間斷無線電覆蓋的方法。現(xiàn)在，通過新的地球同步衛(wèi)星，只需單跳就能可靠地覆蓋地球三分之一的地區(qū)。因?yàn)榻邮疹l率與從電離層反射無線電信號的頻率不同，為了與衛(wèi)星取得聯(lián)系，必須使用專用設(shè)備。新的軟件定義無線電(SDR)針對無線電收發(fā)應(yīng)用具備了多種優(yōu)勢，例如靈活的重新配置功能和快速觀察整個(gè)目標(biāo)頻段的能力等等。
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(QARS)啟動了一項(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。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，它們的位置是不會改變的。雖然天線不必移動就能連接它們，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)字信號處理器(DSP)技術(shù)。其中一些收發(fā)機(jī)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。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，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
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)字信號處理技術(shù)，因此許多人會建議這個(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。
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。” 模擬對話, 2016年9月。
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