[科普中國(guó)]-C頻段

C頻段是一個(gè)綜合性能比較好的電磁波頻段。是指頻率在4-8GHz的無(wú)線(xiàn)電波頻段。通常，上行頻率范圍為5.925-6.425GHz之間，下行頻率則為3.7-4.2GHz，即上下行帶寬各為500MHz，通常稱(chēng)為4GHz衛(wèi)星廣播。C頻段需要使用一個(gè)較大的正饋天線(xiàn)，通常是由6瓣組成的分體鍋,也可采用一體式的整體鍋。早期，衛(wèi)星通信使用的是C頻段，后來(lái)因?yàn)镃頻段變得擁擠，于是，相繼出現(xiàn)了Ku頻段、Ka頻段等。

簡(jiǎn)介C頻段是指頻率在4-8GHz的無(wú)線(xiàn)電波頻段。通常，上行頻率范圍為5.925-6.425GHz之間，下行頻率則為3.7-4.2GHz，即上下行帶寬各為500MHz，通常稱(chēng)為4GHz衛(wèi)星廣播。C頻段需要使用一個(gè)較大的正饋天線(xiàn)，通常是由6瓣組成的分體鍋,也可采用一體式的整體鍋。早期，衛(wèi)星通信使用的是C頻段，后來(lái)因?yàn)镃頻段變得擁擠，于是，相繼出現(xiàn)了Ku頻段、Ka頻段等。一般來(lái)說(shuō)，微波遙感衛(wèi)星使用的頻段越低，穿透性越強(qiáng)；頻段越高，穿透性越弱，但低頻段不容易實(shí)現(xiàn)高分辨率。科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，C頻段在衛(wèi)星的應(yīng)用中分辨目標(biāo)更有優(yōu)勢(shì)1。

PSWF 原理與調(diào)制方法SELPIAN D 提出的橢圓球面波PSWF 函數(shù)是一種具有信號(hào)能量高度聚集的波形調(diào)制方式[ 5]。PSWF 函數(shù)的積分形式可表示為：

(1)

其中，ψ(τ)即為橢圓球面波PSWF 函數(shù)。

由于該方程的閉式解難以直接求取， 可采用數(shù)值解法得到其近似解。在PSWF 脈沖的持續(xù)時(shí)間Ts內(nèi)進(jìn)行N 點(diǎn)采樣， 可將式(1)離散化并展開(kāi)得到的矩陣關(guān)系式可表示為：式中，λ 表示矩陣H 的特征值；ψ 表示λ 對(duì)應(yīng)的特征向量。將通過(guò)特征值分解求取的特征值λ 按照單調(diào)遞減關(guān)系排列，則所對(duì)應(yīng)的特征向量可表示為：

（2）

ψ=[ψ0,ψ1,…,ψm] (3)

式中，ψ0,ψ1,…,ψm即為不同階的橢圓球面波PSWF 函數(shù)，

其時(shí)間帶寬積可表示為：

C=πTsB (4)

其中，B 為信號(hào)帶寬。根據(jù)不同的信號(hào)帶寬和碼片周期，PSWF 函數(shù)的階數(shù)選取原則可表示為：

(5)

其中，m 表示PSWF 的階數(shù)。各階PSWF 函數(shù)波形在帶寬范圍內(nèi)的能量聚集度可表示為：

(6)

則信號(hào)的碼片波形可表示為各階橢圓球面波PSWF 函數(shù)的線(xiàn)性組合， 如下式所示：

(7)

其中，αm為各階橢圓球面波函數(shù)線(xiàn)性組合的權(quán)值2。

C波形設(shè)計(jì)方案針對(duì)北斗系統(tǒng)在C 頻段的信號(hào)波形設(shè)計(jì)， 從信號(hào)的兼容性約束、導(dǎo)航性能以及接收機(jī)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度三個(gè)方面提出C 頻段信號(hào)的波形設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

(1) 為滿(mǎn)足RA 服務(wù)的兼容性約束要求， 需計(jì)算每一顆衛(wèi)星的C 頻段下行信號(hào)在RA 服務(wù)帶寬內(nèi)的功率通量密度PFD， 如下式所示：

（1）

為C 頻段下行信號(hào)的等效全向輻射功率；Latm為大氣損耗， 假設(shè)為0.5 dB；d 是衛(wèi)星到地球表面的距離， 假設(shè)為23 000 km；GC – band Down - link是C 波段下行導(dǎo)航信號(hào)的歸一化功率譜密度。

(2)為了提高信號(hào)的導(dǎo)航性能，提出在滿(mǎn)足兼容性約束要求的基礎(chǔ)上，通過(guò)合理的信號(hào)波形設(shè)計(jì)增加導(dǎo)航信號(hào)的均方根帶寬， 減小時(shí)延估計(jì)誤差， 提高導(dǎo)航信號(hào)的定位精度。導(dǎo)航信號(hào)時(shí)延估計(jì)誤差的方差下界可表示為：

（2）

其中，BL是接收機(jī)等效噪聲帶寬；P (f) 是信號(hào)時(shí)域波形的傅里葉變換；C/N0是信號(hào)接收載噪比。同時(shí), 通過(guò)增加信號(hào)頻譜的高頻分量改善抗多徑性能。單反射路徑的多徑誤差

公式可表示為：

（3）

其中，βr為接收機(jī)帶寬；α1是多徑與直達(dá)信號(hào)幅度比；d是相關(guān)器間隔；τ1是多徑反射的額外延遲。

(3) 由于信號(hào)自相關(guān)函數(shù)的邊峰數(shù)量和幅度是影響接收機(jī)捕獲和跟蹤穩(wěn)健性以及接收機(jī)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的主要因素， 所以在信號(hào)波形設(shè)計(jì)過(guò)程中， 可通過(guò)設(shè)置波形參數(shù)來(lái)限制邊峰的歸一化幅度， 如下式所示：

(4)

其中，νi表示信號(hào)自相關(guān)函數(shù)第i 個(gè)邊峰的歸一化幅度；κ 為限制邊峰幅度的波形調(diào)制參數(shù)。因此， 根據(jù)C 頻段信號(hào)設(shè)計(jì)的兼容性約束要求， 提出北斗全球信號(hào)體制在C 頻段上采用基于橢圓球面波PSWF 函數(shù)的波形調(diào)制方式， 并通過(guò)對(duì)PSWF 波形的時(shí)域、頻域特性分析， 以及C 頻段信號(hào)設(shè)計(jì)的帶寬限制，提出選擇0 階、2 階PSWF 函數(shù)， 以及1 階、3 階PSWF函數(shù)分別進(jìn)行線(xiàn)性組合構(gòu)造C 頻段導(dǎo)航信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式：

(5) (6)

進(jìn)一步， 為了確保接收機(jī)捕獲和跟蹤的穩(wěn)健性， 根據(jù)提出的信號(hào)波形設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)， 對(duì)信號(hào)自相關(guān)函數(shù)的邊峰幅度進(jìn)行設(shè)置（ 這里初步提出兩種方案， 包括波形調(diào)制參數(shù)κ=0.1 和κ=0.6 兩種情況） ， 并在C 頻段信號(hào)的兼容性約束條件以及信號(hào)的導(dǎo)航性能約束條件下優(yōu)化式(5) 和式(6) 中線(xiàn)性組合的權(quán)值， 實(shí)現(xiàn)在信號(hào)的兼容性、導(dǎo)航性能以及接收機(jī)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的多約束條件下的權(quán)衡和折中1。

C頻道保衛(wèi)戰(zhàn)過(guò)去，衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商經(jīng)歷過(guò)頻譜之戰(zhàn)。但為了下一代無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)而爭(zhēng)取更多的C頻段接入，電信公司開(kāi)展了規(guī)模宏大和心情急切的四處游說(shuō)活動(dòng)，衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商可能不得不面對(duì)他們最艱巨的頻譜之戰(zhàn)。今年下半年，隨著至關(guān)重要的國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）會(huì)議的舉辦，衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商和他們的客戶(hù)不得不與時(shí)間競(jìng)賽，共同推出引人注目的協(xié)定，從而保證C頻段繼續(xù)服務(wù)于衛(wèi)星，而不是拱手讓給力量強(qiáng)大而且財(cái)力豐厚的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手3。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

杜強(qiáng) - 高級(jí)工程師 - 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所