人們對商業(yè)空間衛(wèi)星系統(tǒng)的興趣和投資與日俱增。自 2021 年以來，私人投資者已向太空相關(guān)公司注入了逾 235 億美元的私營部門資金，SpaceX 和 Amazon（Kuiper）等科技巨頭也啟動(dòng)了太空計(jì)劃以增加全球?qū)拵Ы尤。長期以來，衛(wèi)星通信一直用于語音通信、國防和太空探索；然而，近地軌道（LEO）衛(wèi)星的推出和普及，降低了發(fā)射衛(wèi)星的資金門檻，并為新的用例提供了機(jī)會(huì)。這種經(jīng)濟(jì)效益歸因于兩個(gè)因素：1、衛(wèi)星的大小—SpaceX 公司最新的 Starlink LEO 衛(wèi)星只有餐桌那么大；2、多顆 LEO 衛(wèi)星可以同時(shí)發(fā)射。雖然 LEO 使衛(wèi)星通信系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)上更具可行性，但它們也帶來了復(fù)雜性，即要求工程師應(yīng)對更高的多普勒頻移、干擾和網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性。
近地軌道（LEO）衛(wèi)星的推出和普及，降低了發(fā)射衛(wèi)星的資金門檻，并為新的用例提供了機(jī)會(huì)。
推動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用的趨勢
泛在連接—設(shè)備幾乎可在任何位置創(chuàng)建、共享和處理數(shù)據(jù)的環(huán)境—是推動(dòng) LEO 采用的主要趨勢之一。盡管全球在建設(shè)地面無線通信基礎(chǔ)設(shè)施方面取得了重大進(jìn)展，但由于成本或地理原因，仍有相當(dāng)多的地區(qū)（如偏遠(yuǎn)農(nóng)村和海洋地區(qū)）仍缺乏蜂窩連接。衛(wèi)星是無線行業(yè)縮小城鄉(xiāng)連接差距的一項(xiàng)關(guān)鍵賦能技術(shù)。
LEO 不僅可以提供蜂窩連接的可及性，而且還可以提高蜂窩連接的容量。請參考以下來自 Statista 的市場數(shù)據(jù)：目前全球有 46 億智能手機(jī)用戶。據(jù)預(yù)計(jì)，到 2030 年，全球聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量將高達(dá) 290 億以上。越來越多的人都在使用 Internet，這也增加了對全球蜂窩系統(tǒng)的需求。無線公司仍在投資于地面基礎(chǔ)設(shè)施，因?yàn)槭褂蒙虡I(yè)衛(wèi)星并非總是經(jīng)濟(jì)實(shí)用；然而，LEO 衛(wèi)星的成本一直在降低，這使其成為解決日益有限的帶寬問題的可行選擇，特別是在偏遠(yuǎn)地區(qū)更如此。
最后，隨著極端天氣事件日益嚴(yán)峻和頻繁，災(zāi)難恢復(fù)通信成為推動(dòng)衛(wèi)星通信應(yīng)用的主要趨勢。在發(fā)生這些事件期間，蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施經(jīng)常遭到破壞，這促使衛(wèi)星啟動(dòng)以確，F(xiàn)場急救人員、政府官員和居民能夠廣播和接收重要的安全信息。在地面蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施遭到颶風(fēng)伊恩摧毀后，Starlink 定位了 120 顆衛(wèi)星來覆蓋佛羅里達(dá)西南部和其他受災(zāi)地區(qū)，這就是此類用例的有力證明。
信號延遲和功率放大
在 LEO 衛(wèi)星出現(xiàn)之前，衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要使用地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星。如果三顆 GEO 衛(wèi)星在經(jīng)度上適當(dāng)間隔，且以地球自轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，則可以提供幾乎全球范圍的覆蓋。三顆 GEO 衛(wèi)星僅需幾條交叉鏈路即可覆蓋地球，但遺憾的是，其構(gòu)建和發(fā)射成本遠(yuǎn)高于 LEO 衛(wèi)星。此外，GEO 衛(wèi)星與地面的距離以及彼此之間的距離會(huì)導(dǎo)致信號延遲。雖然 GEO 衛(wèi)星適用于電子郵件和其他非實(shí)時(shí)通信，但語音電話和視頻電話會(huì)出現(xiàn)顯著延遲，從而阻礙了自然地溝通交流。
LEO 衛(wèi)星更靠近地球表面，因此信號延遲要短得多。然而，與地面網(wǎng)絡(luò)相比，發(fā)射機(jī)與 LEO 衛(wèi)星通信時(shí)需要更高的功率。這是因?yàn)，地面網(wǎng)絡(luò)信號的傳輸距離為 5—10 公里，而 LEO 信號的傳輸距離長達(dá) 2,000 公里，信號損失也更大。
LEO 衛(wèi)星體積小既是一項(xiàng)優(yōu)勢，也是一項(xiàng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。LEO 衛(wèi)星的功率放大器（PA）必須在體積小的同時(shí)，具備足夠大的功率向預(yù)定目標(biāo)發(fā)射信號。在理想情況下，衛(wèi)星工程師希望 PA 具有線性特征，即使在高功率輸入驅(qū)動(dòng)下也是如此。然而，PA 驅(qū)動(dòng)功率過大會(huì)導(dǎo)致信號嚴(yán)重失真，如下圖所示。發(fā)射機(jī)中的數(shù)字預(yù)失真（DPD）子系統(tǒng)可以抵消這些失真。
DPD 將“逆 PA”特性應(yīng)用于信號，使得 PA 的輸出信號更明顯地呈線性。DPD 工具，如 Communications Toolbox? 中的工具，越來越多地使用 AI 來改進(jìn)結(jié)果。
顯示非線性（壓縮）和記憶效應(yīng)的功率放大器特性。所示的數(shù)字預(yù)失真（DPD）特性對非線性進(jìn)行補(bǔ)償。
射頻鏈路、光鏈路和相控陣
將 LEO 衛(wèi)星用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)時(shí)，干擾也帶來了一項(xiàng)挑戰(zhàn)。首要原因是，目前軌道上有近 6,000 顆 LEO 衛(wèi)星。
長久以來，傳統(tǒng)射頻鏈路一直用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)，但工程師盡可能多地選擇光鏈路。光束模式比傳統(tǒng)射頻鏈路窄得多，后者的寬射束可能會(huì)溢出到其他接收機(jī)中而造成干擾。由于信號傳播受限，因此，光學(xué)系統(tǒng)中的干擾顯著減少。
最后，衛(wèi)星工程師還可以使用相控陣，這是一組由計(jì)算機(jī)控制的天線，它們產(chǎn)生的射束可以通過電子方式控制指向不同方向。相控陣可以在空間上消除干擾，并將能量導(dǎo)向地面上的某個(gè)特定點(diǎn)。相控陣系統(tǒng)在目標(biāo)信號方向上最大化射束能量，而在干擾方向上插入射束零點(diǎn)，從而最大化信號與干擾加噪聲比（SINR）。
多普勒效應(yīng)和頻移
與 GEO 衛(wèi)星不同，LEO 衛(wèi)星圍繞地球旋轉(zhuǎn)的速度不同于地球的自轉(zhuǎn)速度。這意味著它們會(huì)不斷地靠近或遠(yuǎn)離接收機(jī)。這種運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，衛(wèi)星工程師必須對此加以控制。
在工程術(shù)語中，多普勒效應(yīng)指由于發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致發(fā)射波和接收波之間出現(xiàn)頻率差異。多普勒效應(yīng)帶來的挑戰(zhàn)要求衛(wèi)星工程師獲取并跟蹤 LEO 衛(wèi)星不斷變化的中心頻率。
發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的頻率和相位必須完全鎖定，才能確保波形被成功解調(diào)。然而，如果多普勒頻移較大，則會(huì)導(dǎo)致頻率、相位和定時(shí)不同步。因此，必須在這些接收機(jī)中實(shí)現(xiàn)多個(gè)閉環(huán)，才能消除多普勒效應(yīng)引起的頻率偏移。同步必須在幀、符號定時(shí)、載波頻率和載波相位級別執(zhí)行。
結(jié)束語
許多衛(wèi)星工程師都使用 MATLAB 等產(chǎn)品的參考接收機(jī)設(shè)計(jì)，因此他們無需“重造輪子”。通過對參考設(shè)計(jì)進(jìn)行少量自定義，衛(wèi)星工程師可設(shè)計(jì)出能在充滿挑戰(zhàn)的射頻環(huán)境中工作的穩(wěn)健接收機(jī)。
LEO 有令人矚目的短期和長期用例，因而受到廣泛關(guān)注。Apple 等公司已在使用衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，而這僅僅是開始。隨著衛(wèi)星通信對無線行業(yè)的不斷影響，工程師應(yīng)熟悉其用途、挑戰(zhàn)和賦能技術(shù)。
作者：MathWorks 首席技術(shù)市場工程師 Mike McLernon
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