在寬頻通訊系統的設計中，全面、真實的通訊通道模擬是設計和驗證過程中不可或缺的要素。針對衛星通訊服務發展的需求，設計人員需要更有效的模擬測試設備，這些設備必須具備寬頻模擬和測試能力，可真實地模擬通道中環境損壞因素、以及通道中各元件對系統的影響。本文將針對衛星通訊設計的挑戰進行探討，並介紹在模擬與測試方面的因應之道。
今天，衛星通訊系統的開發仍面臨諸多挑戰，包括：通訊頻寬增大，容量增加；根據環境因素和設計目標，必須更嚴格地控制設計餘度；以及衛星通訊品質的影響因素。
在衛星通訊中，數據傳輸速率是性能的重要指標。近期研究發現，衛星的平均功耗已增加了350%，設計壽命從10年增加到近14年，衛星的外形和複雜度也增加了2~5倍。Shin公司的新一代網際網路協定(IP)衛星iPSTAR總容量達到了40Gbps，據稱是現有衛星容量的40倍。美國休斯網路系統公司的SPACEWAY每個點波束的下行鏈路數據速率為800Mbps。從這些不斷增加的傳輸速率與容量來看，現代資訊技術需要更大的衛星傳輸頻寬。
目前正在開發的先進寬頻通訊衛星無論在設計、製造和部署成本方面都較過去的衛星系統高。衛星設計者必須盡量增加衛星的有效載荷能力，以便在投入商用化之後能夠獲取更多利潤。
這個目標對設計衛星的工程師來說則意味著：由於先進的通訊衛星要求大幅提升了數據速率和容量，所以留給設計者的誤差餘度很小。如果未能分析或考慮到任何相關參數或真實效應，都可能導致設備性能下降並減少收益。與此相反的情況是設計過於縝密，亦即因考慮了所有未知因素或依照最差情況來設計，而導致參數餘度過大，因而增加了不必要的成本、元件、重量和複雜度。
圖1為傳統‘彎管’式衛星下行鏈路的整體示意圖，其中包含了主要的元件。衛星部份只顯示了一個轉發器影像。事實上，一個衛星可能具有30~50個轉發器。
每個元件都有會降低系統整體功能的不理想性能。首當其衝的最基本損壞是熱噪音。設計師可透過載波功率來設定訊息通道內的載波噪音比(CNR)或是訊息噪音比(SNR)。在指定了訊息噪音比和頻寬的情況下，透過香農定律來定義每秒鐘的最大訊息通道容量，不過，在實際作業中永遠不會達到這個最大值。要確保最佳系統設計，就必須對訊息通道內所有真實存在的損壞進行準確模擬。
圖1：‘彎管’式衛星下行鏈路示意圖。
模擬測試解決方案
通訊通道模擬需要全面、真實的設計和驗證，唯有具備寬頻模擬和測試功能的設備才能滿足衛星通訊發展需求，並協助設計人員在設計階段有效地控制設計餘度，同時滿足成本、可靠性和容量的要求。
目前，衛星系統設計者在設計過程中可以使用若干輔助工具。設計模擬和測試工具主要有以下三種：1. 電腦建模和模擬工具；2. 製造和發射試驗衛星；3. 衛星通道模擬器。
借助電腦建模和模擬工具，設計者可以設立多種訊息通道損壞的模型，並透過模型合成考慮系統的整體性能。這些工具能夠完成基本設計，並進行性能評估。此類軟體用於桌上型電腦和高級工作站。為了得到準確的結果，即使採用最快的處理器，也必須花費大量的運算時間，這樣一來就限制了模擬對象的數量，也限制了能夠分析的合成損壞模型。這些模型也有可能不會正確反映實際情況。
另一方面，相關單位已經製造並發射了實驗衛星，以便在真實環境中透過真實的硬體和軟體來檢測新的通訊技術和理念。這些衛星包括ACT、Artemis、Kopernikus、N-Star、Superbird以及Italsat F1。這些衛星的製造成本昂貴，但是它們為目前寬頻衛星設計的精細技術和定義方法提供了頗有價值的實驗環境。衛星位於整個設計金字塔的頂端，它們的性能必須透過設計來確定，根據需求更改技術規格的餘地則很小。同樣，也很難透過更改損壞機制來檢測它們對系統整體性能的影響。
衛星訊息通道模擬器良好地整合了測試環境和模擬環境，為用戶提供所需的精確度和即時性能。Aeroflex生產的Celerity CS80000寬頻訊息通道模擬器(BCS)系列(圖2)就是很好的例子。
圖2：Celerity CS80000寬頻訊息通道模擬器。
這些模擬器在實驗室中透過可控制、精確及可重複的方式製作具有損壞機制的真實訊息通道。因為這些訊息通道是具有寬頻射頻輸入和輸出的即時系統，所以在測試過程中可以使用真實的硬體終端。與軟體模型相較，這種即時測試可以執行更多檢測對象，進而執行更詳細的測試。它們的特點如下：
1. 穩定的、可重複的模擬，具有定義好的、受控制的損壞機制；
2. 時間和全頻寬訊息通道，能夠支援真實的硬體和快速測試時間；
3. 最壞情況模擬，可包含任何合成損壞模型；
4. 透過實驗室設備大幅減少高成本測試或實際衛星測試時間。
圖3：兩通道BCS結構圖。
新型寬頻通道模擬器
Aeroflex寬頻訊息通道模擬器模擬(BCS)可以為高速通訊系統、點對點微波和衛星通訊設立精確的和可重複的訊息通道，提供頻寬最寬的通道模擬和連接模擬，實現全面性的干擾訊號模擬。即時的模擬可提供頻寬達500MHz、時間延遲最大達10秒，並同時可提供1至4個獨立的通道模擬。BCS可即時為輸入訊號加入干擾訊號，模擬實際傳輸通道的干擾。可提供的干擾訊號包括：動態延遲(從地面到GEO衛星往返的短時間延遲)、動態都卜勒、精確的相位噪音、Ricean和Rayleigh衰落、附加白高斯噪音、平坦衰落、降雨衰落、附加CW和調變的干擾訊號、通帶振幅和相位畸變。
該設備用於相關或獨立訊息通道的變頻器可對輸入/輸出訊號進行變頻控制。衛星模擬套裝軟體採用產業標準的TLE組件，可產生24小時的都卜勒和延遲模擬文件。Aeroflex的通道模擬現已應用於多個衛星工程中，用於模擬訊號往返路徑，可在衛星發射之前對衛星和地面站進行全面測試。
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