Разработка предложений по решению ключевых проблем создания высокоскоростных бортовых радиолиний

В настоящее время информационные потоки с высокодетальной аппаратуры наблюдения перспективных космических аппаратов (КА) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) ожидаются до 10 Гбит/с и более. При условии работы аппаратуры наблюдения в течение длительной части каждого витка суточный объём целевой информации с одного КА может достигать значений, сопоставимых с 1 Тбайт. В настоящее время пропускная способность высокоскоростных радиолиний (ВРЛ) отечественных КА составляет около 300 … 600 Мбит/с, ведутся работы по созданию ВРЛ с пропускной способностью 600 … 1000 Мбит/с, что недостаточно для перспективных систем ДЗЗ. В рамках данной работы ставится задача разработки предложений по решению ключевых проблем создания бортовых ВРЛ с пропускной способностью до 3 Гбит/с и выше.

Обоснование структурной схемы ВРЛ. Высокоскоростная радиолиния (ВРЛ) предназначена для передачи целевой информации от аппаратуры ДЗЗ на землю. ВРЛ включает в себя бортовую аппаратуру (БА) КА и наземную аппаратуру (НА). С учётом относительно коротких сеансов передачи информации на Землю (не более 10 минут на один пункт приёма) и ожидаемой скорости информационных потоков до 10 Гбит/с, возникает необходимость иметь в составе БА ВРЛ бортовой накопитель информации (БНИ).

БА ВРЛ выполняет прием информационного потока (ИП) от целевой аппаратуры, хранение принятой информации до передачи на Землю, передачу накопленной информации по высокоскоростному радиоканалу на Землю. Наземная аппаратура ВРЛ обеспечивает прием ИП с КА с заданной вероятностью ошибки, регистрацию принятой информации в подсистеме долговременной памяти с одновременной и/или последующей передачей ее в аппаратуру обработки.

Структурная схема БА ВРЛ представлена на рисунке 1 и на рисунке 2.

Рис. 1. Структурная схема передающей аппаратуры ВРЛ

Рис. 2. Структурная схема приёмной аппаратуры ВРЛ

Для резервирования и информационного сопряжения составных частей ВРЛ с целевой аппаратурой ДЗЗ должны быть предусмотрены информационные коммутаторы с высокоскоростными унифицированными интерфейсами, такими как SpaceWire, SpaceFibre, GigaSpaceWire. На сегодняшний день уже имеется элементная база коммутаторов, стойкая к космическим воздействиям (например, микросхема 1892ХД10Я — коммутатор-адаптер с портами Serial Rapid IO и SpaceFibre) и данное направление продолжает развиваться [2]. Построение радиочастотной аппаратуры предполагается на базе унифицированных модулей приёма/передачи бортовой и наземной аппаратуры со следующими основными характеристиками:

− коэффициент прямоугольности спектра сигнала равен 0,2;

− в полосе 375 МГц (до 300 млн. технических символов в секунду);

− промежуточная частота унифицированных модулей 3,5…4,5 ГГц;

− вид модуляции QPSK/8-PSK/16-QAM/64QAM;

− конструкции приемника и передатчика — модульные, в состав модуля передачи входит помехоустойчивый кодер, формирователь сигнала, интерфейс, в состав модуля приема — демодулятор, помехоустойчивый кодер, интерфейс;

− каждый модуль обеспечивает передачу/прием одного сигнала в полосе частот 375 МГц. При работе в Х-диапазоне используются один или два (с поляризационной развязкой) модуля, в Ка -диапазоне — до четырех модулей;

− пропускная способность одного модуля при выбранном кодеке и коэффициенте скругления спектра 0,2–270 млн. информационных (300 млн. технических) символов в секунду.

Важным ограничением энергетики является шумовая температура приёмной системы, которая в основном определяется коэффициентом шума МШУ. Для расчётов использованы справочные данные типовых МШУ фирмы Hittite [3]. В Х диапазоне коэффициент шума составляет 2 дБ, в диапазоне Ка — 3 дБ. Потери приёмного тракта до МШУ принимаются 0,5 дБ.

Оценка потребляемой мощности БА ВРЛ делается на основе данных о КПД выходных каскадов усилителей мощности. В Х диапазоне в режиме насыщение он составляет до 40 %, в Ка диапазоне до 30 %. Для уменьшения затрат энергетики и внеполосных излучений необходима линеаризация усилителей мощности путем внесения предварительных нелинейных искажений. В расчётах подразумевается, что усилитель линеаризован, модуляция QAM по сравнению с QPSK и 8-PSK имеет на 1,5 дБ больший пик-фактор [4] и соответственно ниже коэффициент полезного действия. Модуляция QPSK и 8-PSK с коэффициентом прямоугольности спектра 0,2 имеют пик-фактор 3,5 дБ (по методике [4]).

Основные потери энергии радиоволн в атмосфере — это потери на гидрометеорологических явлениях. Расчёты для Ка диапазона делались для дождя 3 мм/ч (при трассе 40 км), что соответствует вероятности наличия канала связи 0,997 в год в Московском регионе. Расчёты для Х диапазона делались для дождя 10 мм/ч (при трассе 40 км), что соответствует вероятности наличия канала связи 0,997 в год в Московском регионе [5].

Возможность применения модуляции 64-QAM даёт возможность работы в Х диапазоне, но с применением поляризационной развязки. Пороговое отношение Eb/N0 в варианте с ретранслятором на ГСО позволяет работать с наземной антенной диаметром 2,4 м. В целом расчёты показывают, что выбор помехоустойчивого кодирования и технических характеристик унифицированных модулей позволяет на их базе создавать ВРЛ с заданными характеристиками.

Функциональные схемы трактов приема и передачи. Функциональные схемы трактов приёма и передачи представлены на рисунке 3 и рисунке 4. Модуль формирователя сигналов состоит из интерфейса GigaSpaceWire, помехоустойчивого кодера с формирователем спектра, ЦАП, квадратурного модулятора с фильтрами защиты от наложения спектра, синтезатора частот.

Преобразователи частоты объединены в один конструктивный модуль с синтезаторами, контроллер управления объединён с вторичным источником электропитания.

Рис. 3. Функциональная схема тракта передачи ВРЛ

Рис. 4. Функциональная схема тракта приёма ВРЛ

Выводы: были обоснованы схемно-технические и программно-алгоритмические решения для построения ключевых элементов радиолиний с пропускной способностью до 5 Гбит/с. Работа выполнена с учётом рекомендаций международных стандартов. Выбраны решения, позволяющие унифицировать элементы приёмо-передающего тракта аппаратуры в Х и Ка диапазонах. Предложен вариант построения ВРЛ с четырёхканальным трактом приёма/передачи и информационным коммутатором для объединения информационных потоков на базе унифицированных высокоскоростных интерфейсов.

Литература:

1. Тепляков И. М. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей: Уч. пособие. — М.: МИЭТ, 2003. — 264 с.: ил.
2. «МУЛЬТИБОРТ» — отечественный комплект радиационно-стойких микросхем c каналами SpaceWire/GigaSpaceWire/SpaceFibre для аэрокосмических применений [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://multicore.ru/fileadmin/user_upload/mc/publish/multiboard_chipset.pdf, свободный. — Загл. с экрана (дата обращения 15.04.16)
3. Hittite.com ICs — Amplifiers — Low Noise (ИМС малошумящих усилителей) [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://hittite.com/products/index.html/category/242, свободный. — Загл. с экрана (дата обращения 20.04.16)
4. Окунев Ю. Б. Цифровая передача информации фазоманипулированными сигналами. — М.: Радио и связь — 1991.
5. Бортнев В. А., Болотов Г. В., Быков В. Л. и др. Спутниковая связь и вещание: Справочник. / под ред. Кантора Л. Я. — М.: Радио и связь. — 1997.