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ADI SDR收发器助业余无线电爱好者实现空间通信

【导读】业余无线电爱好者最近获得了另一种提供全球不间断无线电覆盖的方法。现在,通过新的地球同步卫星,只需单跳就能可靠地覆盖地球三分之一的地区。因为接收频率与从电离层反射无线电信号的频率不同,为了与卫星取得联系,必须使用专用设备。新的软件定义无线电(SDR)针对无线电收发应用具备了多种优势,例如灵活的重新配置功能和快速观察整个目标频段的能力等等。

本文首先简要介绍上述卫星以及它背后的故事、覆盖的区域及其访问方式。然后,将介绍如何基于其中一个 ADALM-PLUTO SDR收发器,使用ADALM-PLUTO SDR实现实际的电台配置。

卫星

卡塔尔卫星公司Es’hailSat在2018年从卡纳维拉尔角发射的Es’hail-2通信卫星为欧洲、中东、非洲等地提供电视、语音、互联网、企业和政府通信服务。该卫星自2019年2月开始运行,一直处于中非上空的地球同步轨道上,工作高度为36,000公里,通信范围覆盖从巴西到马来西亚,从法罗群岛到南极洲的区域,如图1所示。

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图1.通过Es’hail-2看到的地球。

Es’hailSat成立于2010年。该公司总部设在卡塔尔的多哈,拥有并运营着几颗为广播公司、企业和政府服务的卫星。为了推动和促进卡塔尔的空间技术发展,Es’hailSat与全球非盈利组织业余无线电爱好者卫星公司(AMSAT)合作,为面向业余无线电爱好者的全国性非盈利组织卡塔尔业余无线电协会(QARS)启动了一项新技术开发工作。AMSAT设计、建造、安排、发射和运行携带业余无线电有效载荷的卫星。AMSAT附属国家组织分布于各个国家/地区,包括2012年12月代表QARS参与的AMSAT德国(AMSAT-DL)。通过这一合作,Es’hail-2卫星可以配备两个专用转发器,从而实现了在可视区域内,连接业余无线电用户的单跳实时同步通信。

许多业余通信卫星获得了OSCAR(携带业余无线电的轨道卫星)称号。这些卫星可由持牌业余无线电操作员免费用于语音和数据通信。迄今为止,它们已经被发射到近地轨道(LEO)和高椭圆轨道(HEO),它们的共同点在于,当它们出现在地平线上几分钟时,必须用天线进行跟踪。一旦它们消失在地平线下,就无法再进行通信。地球同步轨道上的卫星,从地球上观察,它们的位置是不会改变的。虽然天线不必移动就能连接它们,但在自由空间功率损耗、天线指向精度和延迟方面,36,000公里的遥远距离提出了新的挑战——从一个地面发射机到卫星,再返回到另一个地面发射机,大约需要250毫秒。Es’hail-2的昵称是OSCAR100,因为它是第100颗携带业余无线电有效载荷的卫星。

访问Es’hail-2

业余无线电爱好者研究卫星通信很多年了。以前,这一通信过程是通过模拟下变频器和上变频器来实现的,它们将接收和传送的信号转换到收发机工作的业余无线电频段。卫星使用的上行(从地球到卫星)和下行(从卫星到地球)频率有时超出了收发机的能力。Es’hail-2有两个转发器:一个用于窄带(NB)传输,一个用于宽带(WB)传输。在本节中,我们将讨论窄带转发器。因为在这个转发器上,可用带宽只有250 kHz,为了容纳多个通道,需要使用适当的调制技术。最常用的模拟调制类型是电报(莫尔斯电码,也称为连续波(CW))或电话(语音,也称为单边带(SSB))。

上行链路在右侧圆极化(RHCP)的2.4 GHz处(13厘米频段),下行链路在水平(H)或垂直(V)极化的10.45 GHz处(3厘米频段)。业余无线电爱好者作为持牌无线电操作员有权在13厘米频段(2300 MHz至2310 MHz和2390 MHz至2450 MHz)使用足够功率和高增益天线进行卫星通信。该频段与民用无线电分配2400 MHz至2500 MHz的频段重叠,这是工业、科学和医疗(ISM)频段的一部分。在ISM频段中,最常见的免执照频段之一是无线局域网。转发器详情如图2所示。

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图2.Es’hail-2的转发器。

创新的SDR方法

随着SDR各种变体的引入而带来的变化也影响了业余无线电领域。尽管大多数收发机仍然采用与老式模拟收发机相同的控制方式,但在中频层面,其中许多收发机在混频器之后融入了数字信号处理器(DSP)技术。其中一些收发机还能够直接对频谱的整个短波部分(直流至30 MHz)采样。SDR的一个优点是,其性能不会随着时间的推移而下降,因为许多关键模拟元件被数字算法部分取代。另一个优点是,原本需要使用昂贵模拟无线电元件(如混频器或滤波器)才能获得的性能,可以通过替换其他元件(如模数转换器(ADC)和DSP)等更加经济有效的方式来获得相同的性能。将多个模块(如镜像抑制混频器、振荡器和ADC)集成在同一个硅器件中使得新接收机架构变得可行,在新的接收机架构中使用离散技术是至关重要。例如 AD9363/AD9364 射频捷变收发器,这些器件将所有射频前端、混合信号和数字模块组合在一个器件中,同时用于接收和传输。当与管理数据流的FPGA配对后,构建一个完整基站所需的元素就只剩下天线、功率放大器和计算机上运行的软件算法。

ADI提供了ADALM-PLUTOSDR来演示AD9363的功能,如图3所示。这是一种经济高效的硬件工具,工程师可以通过该工具基于新的SDR方法来开发涉及无线电的应用。一旦Es’hail-2转发器的频率通过外部下变频至235 MHz到3.8 GHz,AD9363拥有的20 MHz收发带宽可以轻松接收窄频和宽频的下行信号。它可以直接在上行频率上传输数据,不需要额外的上变频器。相比于同类别、同价位的器件,它的另一优势是:它有两个用于接收和传输的连接器,因此它支持全双工操作。常规业余无线电交互是半双工的(说或听),但是由于您能够实时接收您自己的传输信号,因此您能够了解自己是否在清晰地进行调制,或者是否需要增加/减少传输功率。一旦调整好了接收天线,也有助于将发射天线指向天空。

一些免费软件包支持ADALM-PLUTO用于传输和接收,这些软件包通常由无线电业余爱好者自己编写。例如Simon Brown编写的SDR Console(业余无线电呼号G4ELI)。该软件可用于管理用户与收发器之间的交互,并在软件中实现解调和调制。

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图3.ADALM-PLUTO及其收发器AD9363。

SDR卫星电台

众所周知,业余无线电爱好者喜欢构建自己的硬件和重新利用现有设备来满足自己的需求。对于接收天线和下变频器,最实惠的替代方案是商用卫星电视的普通卫星天线和低噪声模块(LNB)。LNB包含波导和下变频器,将10.450 GHz的信号下变频为小于1 GHz,这属于SDR的可接收频段范围。CW(几十Hz)或SSB(小于3 kHz)等的窄带调制类型要求高度稳定的本地振荡器,以避免连续重调,而这在广播电视(几MHz)等使用的宽带调制类型中不那么重要。在现代数字通信中,由于热问题导致的频率偏移和长期漂移的补偿被纳入标准并要求执行。遗憾的是,对于许多由业余无线电操作员实施的窄带调制方案来说,并没有关注这一标准,也没有得到执行,人们假定在LNB或基带信号中的PLL或采样率精度和漂移是完美的。为了确保这一假设正确,有时会使用高精度/低漂移的参考时钟。由于许多业余无线电爱好者更喜欢更换参考时钟,而不是实现复杂的数字信号处理技术,因此许多人会建议这个简单的解决办法。

由于上行频率在WLAN 2.4 GHz频段范围内,持牌操作员可以重新利用现有的WLAN设备,如功率放大器和高增益天线。ADALM-PLUTO的输出功率大约为5 dBm,不足以驱动输出功率为几瓦的功率放大器。基于 ADL5606 20 dB功率放大器并由 LTM8045SEPIC 微型模块转换器供电的 CN-0417 参考设计可产生足够的功率增益来克服这一限制。图4显示如何布置通信站。也可以在现场快速部署通信站,以支持紧急通信。

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图4.SDR卫星电台。

总结

综上所述,我们目睹了无线电通信向SDR技术的转变。通过将多个模拟和混合信号块集成在一个器件中,可实现这一转变。直接优势在于具有成本效益,更高的可靠性和可重构性。

AMSAT运营副总裁Drew Glasbrenner(社交媒体帐号KO4MA)表示:“愿第100颗OSCAR卫星成为未来业余无线电卫星和有效载荷到地球静止轨道和更远地方的导引星。”

参考电路

“Es’hail-2/QO-100。” AMSAT-UK, 2019年。

“空间通信。” 美国无线电中继联盟,2019年。

Taylor、Wyatt 和 David Brown。“射频收发器为航空航天和防务应用提供突破性的SWaP解决方案。” 模拟对话, 2016年9月。

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