讓「火腿族」實現衛星通訊的SDR收發器

作者 : Diego Koch,ADI應用工程師

透過新的地球同步衛星,只需單跳就能可靠地覆蓋地球三分之一的地區。因為接收頻率與從電離層反射無線電訊號的頻率不同,為了與衛星取得聯繫,專用設備是必須使用的。新的軟體定義無線電(SDR)針對無線電收發應用具備了多種優勢,例如靈活的重新配置功能和快速觀察整個目標頻段的能力等等。

業餘無線電愛好者(EETT編按:被稱為「火腿族」)最近獲得了另一種提供全球不間斷無線電覆蓋的方法。現在,透過新的地球同步衛星,只需單跳就能可靠地覆蓋地球三分之一的地區。因為接收頻率與從電離層反射無線電訊號的頻率不同,為了與衛星取得聯繫,專用設備是必須使用的。新的軟體定義無線電(SDR)針對無線電收發應用具備了多種優勢,例如靈活的重新配置功能和快速觀察整個目標頻段的能力等等。

本文首先簡要介紹上述衛星以及它背後的故事、覆蓋的區域及其存取方式。然後將介紹如何基於其中一個ADI SDR收發器,使用ADALM-PLUTO SDR實現實際的電台配置。

衛星

卡達(Qatar)衛星公司Es’hailSat在2018年從美國佛羅里達州卡納維爾角發射的Es’hail-2通訊衛星為歐洲、中東、非洲等地提供電視、語音、網際網路、企業和政府通訊服務。該衛星自2019年2月開始運作,一直處於中非上空的地球同步軌道上,工作高度為3萬6,000公里,通訊範圍覆蓋從巴西到馬來西亞,從法羅群島(Faroe Islands,EETT編按:在挪威海和北大西洋的中間,隸屬丹麥)到南極洲的區域,如圖1所示。

 

圖1:透過Es’hail-2看到的地球。

 

Es’hailSat成立於2010年。該公司總部設在卡達的杜哈,擁有並營運著幾顆為廣播公司、企業和政府服務的衛星。為了推動和促進卡達的空間技術發展,Es’hailSat與全球非盈利組織業餘無線電愛好者衛星公司(AMSAT)合作,為因應業餘無線電愛好者的全國性非盈利組織卡達業餘無線電協會(QARS)啟動了一項新技術開發工作。

AMSAT設計、建造、安排、發射和運行攜帶業餘無線電有效載荷的衛星。AMSAT附屬國家組織分佈於各個國家/地區,包括2012年12月代表QARS參與的AMSAT德國(AMSAT-DL)。透過此合作,Es’hail-2衛星可以配備兩個專用轉發器,進而實現了在可視區域內,連接業餘無線電用戶的單跳即時同步通訊。

許多業餘通訊衛星獲得了OSCAR (orbiting satellite carrying amateur radio,攜帶業餘無線電的軌道衛星)稱號。這些衛星可由擁有牌照的業餘無線電操作員免費用於語音和資料通訊。迄今,它們已經被發射到近地軌道(LEO)和高橢圓軌道(HEO);它們的共同點在於當它們出現在地平線上幾分鐘時必須用天線進行追蹤,一旦它們消失在地平線下就無法再進行通訊。

地球同步軌道上的衛星,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,3萬6,000公里的遙遠距離提出了新的挑戰——從一個地面發射機到衛星,再返回到另一個地面發射機,大約需要250毫秒。Es’hail-2的暱稱是OSCAR100,因為它是第100顆攜帶業餘無線電有效載荷的衛星。

接取Es’hail-2

業餘無線電愛好者研究衛星通訊很多年了。以前,這一個通訊過程是透過類比下變頻器(analog downconverters)和上變頻器(upconverters)來實現的,它們將接收和傳送的訊號轉換到收發機工作的業餘無線電頻段。衛星使用的上行(從地球到衛星)和下行(從衛星到地球)頻率有時超出了收發機的能力。

Es’hail-2有兩個轉發器:一個用於窄頻(NB)傳輸,一個用於寬頻(WB)傳輸。在本節中,我們將討論窄頻轉發器。因為在這個轉發器上,可用頻寬只有250kHz,為了容納多個通道,需要使用適當的調變技術。最常用的類比調變類型是電報──摩斯電碼(Morse code),也稱為連續波(CW)──或電話──即語音,也稱為單邊帶(single sideband,SSB)。

上行鏈路在右旋圓極化(right hand circular polarization,RHCP)的2.4GHz (13cm頻段),下行鏈路在水平(H)或垂直(V)極化的10.45GHz處(3cm頻段)。業餘無線電愛好者作為有執照無線電操作員,有權在13cm頻段(2,300~2,310 MHz和2,390~2,450MHz)使用足夠功率和高增益天線進行衛星通訊;該頻段與民用無線電分配2,400~2,500MHz的頻段重疊,這是工業、科學和醫療(ISM)頻段的一部分。在ISM頻段中,最常見的免執照頻段之一是無線區域網(WLAN)。轉發器詳情如圖2所示。

 

圖2:Es’hail-2的轉發器。

 

創新的SDR方法

隨著SDR各種變體的導入而帶來的變化,也影響了業餘無線電領域。儘管大多數收發機仍然採用與老式類比收發機相同的控制方式,但在中頻層面,其中許多收發機在混頻器之後融入了數位訊號處理器(DSP)技術,其中一些收發機還能夠直接對頻譜的整個短波部分(直流至30 MHz)採樣。

SDR的一個優點,是其性能不會隨著時間的推移而下降,因為許多關鍵類比元件被數位演算法部分所取代。另一個優點是,原本需要使用昂貴類比無線電元件(如混頻器或濾波器)才能獲得的性能,可以透過替換其他元件──如類比數位轉換器(ADC)和DSP──等更加經濟有效的方式來獲得相同的性能。

將多個模組(如鏡像抑制混頻器、振盪器和ADC)整合在同一個矽元件中使得新接收機架構變得可行,在新的接收機架構中使用離散技術是至關重要。例如AD9363/AD9364射頻捷變收發器(RF agile transceivers),這些元件將所有射頻前端、混合訊號和數位模組整合在一個元件中,同時用於接收和傳輸。當與管理資料流程的FPGA配對後,構建一個完整基地台所需的元素就只剩下天線、功率放大器和電腦上運作的軟體演算法。

ADI提供了ADALM-PLUTOSDR來展示AD9363的功能,如圖3所示。這是一種經濟高效的硬體工具,工程師可以透過該工具基於新的SDR方法來開發涉及無線電的應用。一旦Es’hail-2轉發器的頻率透過外部下變頻至235MHz~3.8GHz,AD9363擁有的20 MHz收發頻寬可以輕鬆接收窄頻和寬頻的下行訊號。它可以直接在上行頻率上傳輸資料,不需要額外的上變頻器。

相較於同類別、同價位的元件,它的另一優勢是:具有兩個用於接收和傳輸的連接器,因此可以支援全雙工操作。常規業餘無線電互動是半雙工的(說或聽),但是因為你能即時接收自己的傳輸訊號,因此能瞭解自己是否在清晰地進行調變,或者是否需要增加/減少傳輸功率。一旦調整好了接收天線,也有助於將發射天線指向天空。

一些免費套裝軟體支援ADALM-PLUTO用於傳輸和接收,這些套裝軟體通常由無線電業餘愛好者自己編寫。例如Simon Brown (業餘無線電代號G4ELI)編寫的「SDR Console」。該軟體可用於管理使用者與收發器之間的互動,並在軟體中實現解調和調變。

SDR衛星電台

眾所周知,業餘無線電愛好者喜歡構建自己的硬體和重新利用現有設備來滿足自己的需求。對於接收天線和下變頻器,最實惠的替代方案是商用衛星電視的普通衛星天線和低雜訊模組(LNB)。LNB包含波導和下變頻器,將10.450 GHz的訊號下變頻為小於1 GHz,這屬於SDR的可接收頻段範圍。CW (幾十Hz)或SSB (小於3kHz)等的窄頻調變類型要求高度穩定的本地振盪器,以避免連續重調,而這在廣播電視(幾MHz)等使用的寬頻調變類型中不那麼重要。

在現代數位通訊中,由於散熱問題導致的頻率偏移和長期漂移的補償被納入標準並要求執行。遺憾的是,對於許多由業餘無線電操作員實施的窄頻調變方案來說,並沒有關注這一項標準,也沒有得到執行,人們假定在LNB或基頻訊號中的PLL或取樣速率精度和漂移是完美的。為了確保這一個假設是正確性的,有時會使用高精度/低漂移的參考時脈。由於許多業餘無線電愛好者更喜歡更換參考時脈,而不是實現複雜的數位訊號處理技術,因此許多人會建議這個簡單的解決辦法。

 

圖3:ADALM-PLUTO及其收發器AD9363。

 

由於上行頻率在WLAN 2.4 GHz頻段範圍內,有執照的操作員可以重新利用現有的WLAN設備,如功率放大器和高增益天線。ADALM-PLUTO的輸出功率大約為5dBm,不足以驅動輸出功率為幾瓦的功率放大器。基於ADL5606 20 dB功率放大器並由LTM8045 SEPIC微型模組轉換器供電的CN-0417參考設計可產生足夠的功率增益來克服這一限制。圖4顯示如何佈置通訊站。也可以在現場快速佈署通訊站,以支援緊急通訊。

 

圖4:SDR衛星電台。

 

總結

綜上所述,我們目睹了無線電通訊朝SDR技術的轉變。透過將多個類比和混合訊號區塊整合在一個元件中可實現這一轉變,而其直接優勢就在於具有成本效益,更高的可靠性和可重構性。AMSAT運營副總裁Drew Glasbrenner (社交媒體帳號KO4MA)表示:「願第100顆OSCAR衛星成為未來業餘無線電衛星和有效載荷到地球靜止軌道和更遠地方的導引星。」

(本文由ADI供稿)

參考資料:

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