天通卫星电话信号放大器研究
路军 陈守益 王健 吴峰 张玉松
中国电信股份有限公司贵州分公司
摘要：天通卫星电话是应急通信的重要通信手段，在严重自然灾害、突发性公共事件、公共安全事件及军事冲突等突发公共事件应急处置过程中发挥重大作用。但卫星发射的信标信号急易受天气影响；在遇到云雾、雨天及树木，高山，建筑物的阻挡以及室内环境等，对卫星电话搜星造成极大影响。本课题拟通过小型有源设备对接收到的天通卫星信号（L波段信号）进行放大，达到卫星信号增强和放大的效果，辅助卫星电话快速搜星，实现在极端条件及室内指挥场所卫星电话畅通使用的目的。
关键词：天通卫星 卫星电话 信号放大器 频率
1、 引言
在自然灾害、战争等极端条件下。固有网络往往遭到毁灭性破坏。卫星电话则成为了唯一的信息生命通道和指挥通道。但其自身对传播路径上的雨衰、建筑物、植被等的影响非常敏感。为了有效抵抗卫星信号弱而小的问题；对其进行放大。让卫星电话能像普通手机一样在放大器信号覆盖范围内快速、简单、便捷的入网通话使用。特研究此信号放大器。
2、 卫星信号传播特性分析
2.1卫星电话信号从卫星传送到地面。由于受到路径、遮挡物、大气吸收、雨衰的影响。而地面发射到卫星的信号一样受到类似的干扰。
2.2由于卫星信号的直线传播等特性影响。卫星电话只能在除南北极以外；空旷的、与卫星方向没有阻挡的地方能用。
3、天通卫星通信系统介绍
天通一号01星的国际编号为2016-048A，轨道高度35758 x 35815千米，轨道倾角3.7°，东经101.4°。
据天通一号网了解，后续会再发射02星和03星，覆盖另外三分之二的地球，届时除了南北极，其他区域可以全部覆盖。
天通一号目前只发射了01星，位于东经101度（中国正南、印尼上空），至2018年底仅开通了中国大陆地区和周边海域（包括整个南海和第一岛链）。
每一颗地球同步轨道卫星可以覆盖超过1/3的地球面积，需要三颗可以覆盖完全。
按照规划，天通一号将在2020-2021年覆盖一带一路范围，而天通一号01星不足以覆盖到欧洲和非洲地区，要和天通一号02星一起才能覆盖。
4、天通卫星技术参数
天通卫星采用FDD方式，上行1980-2010MHz，下行2170-2200MHz
天天通一号在接近36000公里的地球同步轨道上，到达底面的链路损耗计算如下：
L=32.45+20LOG(f)+20LOG(d) F单位MHz D单位km
L=190.42dB所以在地面接收到的卫星下行信号比较弱，在-120dBm-130dBm之间。
上行终端由于考虑到与卫星的距离较远，为了使得信号到达卫星接收机，要求发射功率大于1W。
5、 放大设备的设计要点：
（1） 下行接收高灵敏度和优良的信噪比
当放大器对信号进行放大时，必然要降低入射信号的信噪比，可以用放大器的噪声系数F来表征这种影响的大小。最原始噪声因子公式定义为放大器输入端信噪比和输出端信噪比的比值
从级联公式可以看出，要获得好的信噪比，设备的前级NF设计要越小越好，所以放大器的下行NF需要尽量小，前级增益要尽量高。
（2） 下行抑制和抗阻塞设计
由于下行接收信号较弱，接收机增益高，很容易受到周边移动通信网络信号的影响（LTE2100，LTE 2300等等），特别是联通2130-2170MHz LTE基站的电平干扰。所以设备对带外的抑制要求较高，同时对工作频段2170-2200近边带的抑制也要求很高。
需要使用性能较好的高抑制腔体滤波器和软件无线电技术来做到偏离边带3MHz外25dB以上的抑制，并对其他频段做到60dB以上的带外抑制。起到滤除干扰信号的而作用。
数字滤波器是具有一定传输选择特性的数字信号处理装置,其输入与输出均为数字信号,实质上是一个由有限精度算法实现的线性时不变离散系统。它的基本工作原理是利用离散系统特性对系统输入信号进行加工和变换,改变输入序列的频谱或信号波形,让有用频率的信号分量通过,抑制无用的信号分量输出。
线性时不变数字滤波器的数学模型有很多种表示方法，在时域中可以用线性常系数差分方程给出，即：
其等效的Z域传递函数为：
当dk值全为0时，Z域系统函数只有零点，数字滤波器的单位冲激响应有限，通常这种数字滤波器被称为有限冲激响应（FIR）滤波器。
有限脉冲响应（FIR）滤波器由有限个采样值组成，在每个采样时刻完成有限个卷积运算，可以将其幅度特性设计成多种多样，同时还可保证精确、严格的相位特性。FIR滤波器只存在N个抽头h(n)，N也被称为滤波器的阶数，则滤波器的输出可以通过卷积的形式表示为：
通过Z变换可以将其方便地表示为：
可以看出，FIR滤波器只在原点处存在极点，这使得FIR滤波器具有全局稳定性。FIR滤波器是由一个“抽头延迟线”加法器和乘法器的集合构成的，每一个乘法器的操作系数就是一个FIR系数。FIR滤波器的一个重要特性是具有线性相位，即系统的相移和频率成比例，可达到无失真传输。
例如设计一个60阶的低通滤波器，通带带宽为w=0.35，通过matlab可以得到其的幅频特性和相频特性如下：
（3） 上行设计
天通卫星应用的放大器设计与普通移动通信放大器上行链路最大的而差异就在于上行输出功率要很大30dBm以上，需要使用线性功放模块来作为输出。另外，由于终端一般没有功率控制，所以放大器接收终端的信号强度也比较大，需要在设计上做好防阻塞的考量，否则上行链路的功放会饱和导致非线性失真。
6、 样机实现及测试效果
实验样机原理框图如下：
测试现场部署：接收天线置于窗边，指向天面。放大设备置于接收天线附近，然后使用馈线连接放大设备的输出端与位于15米外的会议室，会议室使用全向吸顶天线作为覆盖天线，使用天通卫星专用手机终端进行测试。（见下图示意））
7、结束语
天通卫星信号放大器产品经过测试达到了课题目的。适用室内指挥场所；灾害现场等。
参考文献
《卫星通信系统工程》2012 年3月John Wiley出版、(美)Louis J.Ippolito Jr.