【導讀】業余無線電愛好者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，通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信號的頻率不同，為了與衛星取得聯系，必須使用專用設備。新的軟件定義無線電(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后的故事、覆蓋的區域及其訪問方式。然后，將介紹如何基于其中一個 ADALM-PLUTO SDR收發器，使用ADALM-PLUTO SDR實現實際的電臺配置。
衛星
卡塔爾衛星公司Es’hailSat在2018年從卡納維拉爾角發射的Es’hail-2通信衛星為歐洲、中東、非洲等地提供電視、語音、互聯網、企業和政府通信服務。該衛星自2019年2月開始運行，一直處于中非上空的地球同步軌道上，工作高度為36,000公里，通信范圍覆蓋從巴西到馬來西亞，從法羅群島到南極洲的區域，如圖1所示。
圖1.通過Es’hail-2看到的地球。
Es’hailSat成立于2010年。該公司總部設在卡塔爾的多哈，擁有并運營著幾顆為廣播公司、企業和政府服務的衛星。為了推動和促進卡塔爾的空間技術發展，Es’hailSat與全球非盈利組織業余無線電愛好者衛星公司(AMSAT)合作，為面向業余無線電愛好者的全國性非盈利組織卡塔爾業余無線電協會(QARS)啟動了一項新技術開發工作。AMSAT設計、建造、安排、發射和運行攜帶業余無線電有效載荷的衛星。AMSAT附屬國家組織分布于各個國家/地區，包括2012年12月代表QARS參與的AMSAT德國(AMSAT-DL)。通過這一合作，Es’hail-2衛星可以配備兩個專用轉發器，從而實現了在可視區域內，連接業余無線電用戶的單跳實時同步通信。
許多業余通信衛星獲得了OSCAR（攜帶業余無線電的軌道衛星）稱號。這些衛星可由持牌業余無線電操作員免費用于語音和數據通信。迄今為止，它們已經被發射到近地軌道(LEO)和高橢圓軌道(HEO)，它們的共同點在于，當它們出現在地平線上幾分鐘時，必須用天線進行跟蹤。一旦它們消失在地平線下，就無法再進行通信。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，36,000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的昵稱是OSCAR100，因為它是第100顆攜帶業余無線電有效載荷的衛星。
訪問Es’hail-2
業余無線電愛好者研究衛星通信很多年了。以前，這一通信過程是通過模擬下變頻器和上變頻器來實現的，它們將接收和傳送的信號轉換到收發機工作的業余無線電頻段。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：一個用于窄帶(NB)傳輸，一個用于寬帶(WB)傳輸。在本節中，我們將討論窄帶轉發器。因為在這個轉發器上，可用帶寬只有250 kHz，為了容納多個通道，需要使用適當的調制技術。最常用的模擬調制類型是電報（莫爾斯電碼，也稱為連續波(CW)）或電話（語音，也稱為單邊帶(SSB)）。
上行鏈路在右側圓極化(RHCP)的2.4 GHz處（13厘米頻段），下行鏈路在水平(H)或垂直(V)極化的10.45 GHz處（3厘米頻段）。業余無線電愛好者作為持牌無線電操作員有權在13厘米頻段（2300 MHz至2310 MHz和2390 MHz至2450 MHz）使用足夠功率和高增益天線進行衛星通信。該頻段與民用無線電分配2400 MHz至2500 MHz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局域網。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各種變體的引入而帶來的變化也影響了業余無線電領域。盡管大多數收發機仍然采用與老式模擬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后融入了數字信號處理器(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）采樣。SDR的一個優點是，其性能不會隨著時間的推移而下降，因為許多關鍵模擬元件被數字算法部分取代。另一個優點是，原本需要使用昂貴模擬無線電元件（如混頻器或濾波器）才能獲得的性能，可以通過替換其他元件（如模數轉換器(ADC)和DSP）等更加經濟有效的方式來獲得相同的性能。將多個模塊（如鏡像抑制混頻器、振蕩器和ADC）集成在同一個硅器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，這些器件將所有射頻前端、混合信號和數字模塊組合在一個器件中，同時用于接收和傳輸。當與管理數據流的FPGA配對后，構建一個完整基站所需的元素就只剩下天線、功率放大器和計算機上運行的軟件算法。
ADI提供了ADALM-PLUTOSDR來演示AD9363的功能，如圖3所示。這是一種經濟高效的硬件工具，工程師可以通過該工具基于新的SDR方法來開發涉及無線電的應用。一旦Es’hail-2轉發器的頻率通過外部下變頻至235 MHz到3.8 GHz，AD9363擁有的20 MHz收發帶寬可以輕松接收窄頻和寬頻的下行信號。它可以直接在上行頻率上傳輸數據，不需要額外的上變頻器。相比于同類別、同價位的器件，它的另一優勢是：它有兩個用于接收和傳輸的連接器，因此它支持全雙工操作。常規業余無線電交互是半雙工的（說或聽），但是由于您能夠實時接收您自己的傳輸信號，因此您能夠了解自己是否在清晰地進行調制，或者是否需要增加/減少傳輸功率。一旦調整好了接收天線，也有助于將發射天線指向天空。
一些免費軟件包支持ADALM-PLUTO用于傳輸和接收，這些軟件包通常由無線電業余愛好者自己編寫。例如Simon Brown編寫的SDR Console（業余無線電呼號G4ELI）。該軟件可用于管理用戶與收發器之間的交互，并在軟件中實現解調和調制。
圖3.ADALM-PLUTO及其收發器AD9363。
SDR衛星電臺
眾所周知，業余無線電愛好者喜歡構建自己的硬件和重新利用現有設備來滿足自己的需求。對于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噪聲模塊(LNB)。LNB包含波導和下變頻器，將10.450 GHz的信號下變頻為小于1 GHz，這屬于SDR的可接收頻段范圍。CW（幾十Hz）或SSB（小于3 kHz）等的窄帶調制類型要求高度穩定的本地振蕩器，以避免連續重調，而這在廣播電視（幾MHz）等使用的寬帶調制類型中不那么重要。在現代數字通信中，由于熱問題導致的頻率偏移和長期漂移的補償被納入標準并要求執行。遺憾的是，對于許多由業余無線電操作員實施的窄帶調制方案來說，并沒有關注這一標準，也沒有得到執行，人們假定在LNB或基帶信號中的PLL或采樣率精度和漂移是完美的。為了確保這一假設正確，有時會使用高精度/低漂移的參考時鐘。由于許多業余無線電愛好者更喜歡更換參考時鐘，而不是實現復雜的數字信號處理技術，因此許多人會建議這個簡單的解決辦法。
由于上行頻率在WLAN 2.4 GHz頻段范圍內，持牌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5 dBm，不足以驅動輸出功率為幾瓦的功率放大器。基于 ADL5606 20 dB功率放大器并由 LTM8045SEPIC 微型模塊轉換器供電的 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顯示如何布置通信站。也可以在現場快速部署通信站，以支持緊急通信。
圖4.SDR衛星電臺。
總結
綜上所述，我們目睹了無線電通信向SDR技術的轉變。通過將多個模擬和混合信號塊集成在一個器件中，可實現這一轉變。直接優勢在于具有成本效益，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：“愿第100顆OSCAR衛星成為未來業余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。”
參考電路
“Es’hail-2/QO-100。” AMSAT-UK, 2019年。
“空間通信。” 美國無線電中繼聯盟，2019年。
Taylor、Wyatt 和 David Brown。“射頻收發器為航空航天和防務應用提供突破性的SWaP解決方案。” 模擬對話, 2016年9月。
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