CN110611529A - 一种实现太赫兹跟踪与数据中继通信一体化的系统 - Google Patents

一种实现太赫兹跟踪与数据中继通信一体化的系统 Download PDF

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张艳
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Abstract

本发明的一种实现太赫兹跟踪与数据中继通信一体化的系统中，通信子系统包含双工器、接收子系统、发射子系统，太赫兹天线接收到的信号通过双工器和接收子系统还原成信息信号，或信息信号经发射子系统和双工器，通过太赫兹天线辐射到自由空间；天线及跟踪指向子系统完成对信号的捕获、跟踪和瞄准；辅助功能子系统通过遥测遥控模块接收建立通信链路的指令和相关参数，并输出遥测参数，进行太赫兹通信终端工作模式的切换。本发明利用太赫兹波段的空间传输和高带宽特性，结合基带高速调制解调技术，实现太赫兹跟踪与数据中继通信的一体化，可满足跟踪与数据中继通信在临近空间抗黑障通信以及高速数据传输的应用需求。

Description

一种实现太赫兹跟踪与数据中继通信一体化的系统
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域。更具体地，涉及一种实现太赫兹跟踪与数据中继通信一体化的系统。
背景技术
跟踪与数据中继卫星用以实现地面站对中、低轨道上运行的各类航天器，如卫星、飞船、航天飞机等，进行近乎连续的跟踪和信息数据的传送。其中信息数据包含遥测、遥控、通信以及卫星所搜集的任务数据。太赫兹在通信技术领域兼顾微波通信和激光通信的优点，具有传输速率高、方向性好、安全性高、散射小及穿透性好等特点。决定了太赫兹波在跟踪与数据中继通信、空间通信、超高速无线通信等方面均有广阔的应用前景，已成为世界各国发展研究的热点。太赫兹空间跟踪与数据中继通信技术是借鉴微波和激光通信的部分思想的产物，具备遥控、遥测、跟踪测量和超高速数据传输功能。
现有技术中，申请号为201410119915.4的专利“小卫星中继数传与对地数传的一体化结构”，提出一种中继数传与对地数传一体化结构方法，该方法中对地数传与中继数传均采用ka频段，但其应用范围低于本发明所能达到的范围，且本发明的传输速率更高。
申请号为201621116246.6的专利“一种远程太赫兹通信系统”，提出一种实现太赫兹发射装置的高增益定向天线和太赫兹接收装置的高增益定向天线的实时对准方法，可保证远程太赫兹通信系统的通信链路的实时通畅。但是，该方法结构复杂度高，不具备多类型数据高速传输能力。
申请号为201510622267.9的专利“一种快速捕获中继卫星测控系统信号的方法及系统”，针对减少捕获时间以满足中继卫星灵敏度和动态范围指标的问题，提出一种可以快速捕获中继卫星测控系统信号的方法，该方法增加逻辑资源和基带功耗，可推广性不高。
文献1(王家胜，经姚翔.采用卫星中继克服航天器再入通信黑障的途径[J].航天器工程，2015，24(3)：1-8)提出一种采用二次中继的方法，利用等离子体电子密度不均匀分布的特点，将电磁波从鞘套较弱的背风面方向传出，经卫星转发到达地球站。该方法加大了链路传输距离、数据传输速度不高且占用航天器额外资源，不具有推广性。
文献2(陈明，厉智强.卫星中继测控无线链路研究与方案设计[J].遥测遥控，2013，34(4)：18-21.)提出一种中继测控无线链路设计方案，采用前向信号对返向信号进行引导结合射频开关对返向信号发射天线进行切换，完成用户航天器与中继卫星的通信。但是该方案对收发隔离度要求较高，功能适应性不强缺乏可推广性。
以上众多研究中，针对基于太赫兹波的跟踪与高速数据通信一体化集成设计的方法尚未发现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现太赫兹跟踪与数据中继通信一体化的系统，可满足跟踪与数据中继通信在临近空间抗黑障通信以及高速数据传输的应用需求。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种实现太赫兹跟踪与数据中继通信一体化的系统，其包含：通信子系统、天线及跟踪指向子系统；
所述天线及跟踪指向子系统，设有太赫兹天线，还设有太赫兹天线跟踪指向系统，完成对信号的捕获、跟踪和瞄准；
所述通信子系统包含双工器和分别与之连接的接收子系统、发射子系统，太赫兹天线接收到的信号通过双工器和接收子系统还原成信息信号；或者，信息信号经发射子系统和双工器，通过太赫兹天线辐射到自由空间；
可选地，所述实现太赫兹跟踪与数据中继通信一体化的系统，进一步包含辅助功能子系统，其与通信子系统连接；
所述辅助功能子系统通过遥测遥控模块接收建立通信链路的指令和相关参数，并输出遥测参数，进行太赫兹通信终端工作模式的切换。
可选地，所述双工器将发射信号和接收信号相隔离，保证接收和发射同时正常工作。
可选地，所述太赫兹天线跟踪指向系统进一步包含：
角跟踪系统，适用于太赫兹的低频段；
APT系统，适用于太赫兹的高频段。
可选地，所述通信子系统的接收子系统，进一步包含依次连接的低噪声放大器、混频器、微波中频模块、高速基带解调模块；双工器与所述低噪声放大器连接，所述混频器还与THz本振源连接；
所述接收子系统接收到频率为fc的信号，经低噪声放大器后送入到混频器；同时THz本振源产生频率为f0的太赫兹波作为下变频的本振信号，通过混频器，输出差频fm＝fc–f0的中频信号；由微波中频模块接收后，经中心频率为fm的带通滤波器滤波，通过高速基带解调模块解调后还原成信息信号。
可选地，所述发射子系统进一步包含依次连接的高速基带调制模块、微波中频模块、混频器、功率放大器；双工器与所述功率放大器连接；所述混频器还与THz本振源连接；
待传送的信息信号经过编码器编码后，加载到高速基带调制模块的激励器上，获得已调载波信号，之后通过混频器辐射出太赫兹频段的已调波信号，经过功率放大器将信号放大后，通过双工器传输给太赫兹天线进而辐射到自由空间。
可选地，通过一个整合的部件或者通过两个独立的模块，实现发射子系统的高速基带调制和接收子系统的高速基带解调。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的系统，利用太赫兹波段的空间传输和高带宽特性，结合基带高速调制解调技术，设计具备跟踪与数据中继功能和高速宽带通信一体化功能实现方案，为跟踪与数据中继通信器抗黑障通信以及高速数据传输提供解决方法。
附图说明
图1是实现太赫兹跟踪与数据中继通信一体化的系统的组成框图；
图2是跟踪与数据中继通信子系统的框图。
具体实施方式
本发明针对跟踪与数据中继通信的遥测遥控和测量等多功能要求，结合太赫兹波段的空间传输和高带宽特性，以及成熟的基带高速调制解调技术，设计具备跟踪与数据中继功能和高速宽带通信一体化功能实现方案。
为了更清楚地说明本发明，下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
根据图1所示，本发明实现太赫兹跟踪与数据中继通信一体化的系统，包含：通信子系统、天线及跟踪指向子系统、辅助功能子系统三大部分。
其中，所述通信子系统包含接收子系统、发射子系统、和与太赫兹天线连接的双工器，主要将太赫兹天线接收到的信号通过双工器和接收子系统还原成信息信号，以及将信息信号经发射子系统和双工器，通过太赫兹天线辐射到自由空间。所述双工器，主要完成将发射信号和接收信号相隔离，保证接收和发射同时正常工作。
所述天线及跟踪指向子系统，设有太赫兹天线、太赫兹天线跟踪指向系统，主要完成对信号的捕获(Acquisition)、跟踪(Traeking)和瞄准(pointing)。所述太赫兹天线跟踪指向系统，分为两种：角跟踪系统和APT系统。太赫兹的低频段与微波一样采用角跟踪系统；THz的高频段比较接近光频，波束窄，需要类似光通信的APT系统。
所述辅助功能子系统，则通过遥测遥控模块接收建立通信链路的指令和相关参数，并输出遥测参数，进行太赫兹THz通信终端工作模式的切换。
在上述方案的基础上，如图2所示，所述的通信子系统之中，接收子系统进一步包含依次连接的低噪声放大器、混频器、微波中频模块、高速基带解调模块。双工器与所述低噪声放大器连接，所述混频器还与THz本振源连接。
所述接收子系统接收到频率为fc的信号，经低噪声放大器后送入到混频器；同时THz本振源产生频率为f0的THz波作为下变频的本振信号，在混频器的作用下，输出差频fm＝fc–f0中频信号；经中心频率为fm的带通滤波器还原成信息信号。
所述发射子系统进一步包含依次连接的高速基带调制模块、微波中频模块、混频器、功率放大器；双工器与所述功率放大器连接；所述混频器还与THz本振源连接。
所述发射子系统通过将待传送的信号经过编码器编码后，加载到调制器的激励器上，获得已调载波信号，然后通过混频器辐射出为太赫兹频段的已调波信号，经过功率放大器将信号放大后，通过太赫兹天线辐射到自由空间。
其中，高速基带调制模块和解调模块，可以整合由一个部件来实现，也可以由两个部件分别实现；采用基带技术实现太赫兹高速调制，这种方式先在基带(或中频)采用复杂的波形产生技术进行调制，然后采用混频器(肖特基二极管或晶体管)上混频变换到太赫兹频率。解调是相反的过程，先变频到基带(或中频)，再进行复杂的相干解调处理，包含信道均衡、定时同步、载波频率和相位同步、星座分离判决以及信道纠错译码等。其优点是基于成熟的通信信号处理理论与并行处理技术，且可采用信道均衡方法改善不良的信道特性。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种实现太赫兹跟踪与数据中继通信一体化的系统，其特征在于，包含：通信子系统、天线及跟踪指向子系统；
所述天线及跟踪指向子系统，设有太赫兹天线，还设有太赫兹天线跟踪指向系统，完成对信号的捕获、跟踪和瞄准；
所述通信子系统包含双工器和分别与之连接的接收子系统、发射子系统，太赫兹天线接收到的信号通过双工器和接收子系统还原成信息信号；或者，信息信号经发射子系统和双工器，通过太赫兹天线辐射到自由空间。
2.如权利要求1所述实现太赫兹跟踪与数据中继通信一体化的系统，其特征在于，进一步包含辅助功能子系统，与通信子系统连接；
所述辅助功能子系统通过遥测遥控模块接收建立通信链路的指令和相关参数，并输出遥测参数，进行太赫兹通信终端工作模式的切换。
3.如权利要求1所述实现太赫兹跟踪与数据中继通信一体化的系统，其特征在于，所述双工器将发射信号和接收信号相隔离，保证接收和发射同时正常工作。
4.如权利要求1所述实现太赫兹跟踪与数据中继通信一体化的系统，其特征在于，所述太赫兹天线跟踪指向系统进一步包含：
角跟踪系统，适用于太赫兹的低频段；
APT系统，适用于太赫兹的高频段。
5.如权利要求1所述实现太赫兹跟踪与数据中继通信一体化的系统，其特征在于，所述通信子系统的接收子系统，进一步包含依次连接的低噪声放大器、混频器、微波中频模块、高速基带解调模块；双工器与所述低噪声放大器连接，所述混频器还与THz本振源连接；
所述接收子系统接收到频率为fc的信号，经低噪声放大器后送入到混频器；同时THz本振源产生频率为f0的太赫兹波作为下变频的本振信号，通过混频器，输出差频fm＝fc–f0的中频信号；由微波中频模块接收后，经中心频率为fm的带通滤波器滤波，通过高速基带解调模块解调后还原成信息信号。
6.如权利要求1所述实现太赫兹跟踪与数据中继通信一体化的系统，其特征在于，所述发射子系统进一步包含依次连接的高速基带调制模块、微波中频模块、混频器、功率放大器；双工器与所述功率放大器连接；所述混频器还与THz本振源连接；
待传送的信息信号经过编码器编码后，加载到高速基带调制模块的激励器上，获得已调载波信号，之后通过混频器辐射出太赫兹频段的已调波信号，经过功率放大器将信号放大后，通过双工器传输给太赫兹天线进而辐射到自由空间。
7.如权利要求1或5或6所述实现太赫兹跟踪与数据中继通信一体化的系统，其特征在于，通过一个整合的部件或者通过两个独立的模块，实现发射子系统的高速基带调制和接收子系统的高速基带解调。
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