Research of the features of digital signal formation in satellite communication lines

Abstract

EN: Context. Remote sensing of the Earth is now widely used in various fields. One of the challenges of remote sensing is the creation of inexpensive satellite systems operating in polar circular orbits. These systems require the development of a reception-transmission system that allows tens of gigabits of video information to be transmitted to an earth receiving station within ten minutes. That is, there is a need to create a communication system that provides high speed data transmission from small satellites weighing up to 50 kg. Objective. The aim of the work is to study the features of digital signal formation in modern satellite communication lines and to develop a communication system with a high data transfer rate (usually 300 Mbit/s), which can be applied to small Earth Observation satellites. Method. Proposed concept for building a high-speed data transmitter from a remote sensing earth satellite using commercially available off-the-shelf technology. Calculations of the power flow density created at the input of the receiving earth station were performed to find out the possible power of the on-board transmitter. Results. A diagram of a communication system based on the DVB-S standard using the technology of commercially available off-the-shelf products has been developed. The high-speed data transmitter is implemented on a Xilinx® Zynq Ultrascale+ ™ MPSoC FPGA microchip, which is located on an Enclustra Mercury XU8 module with a high-performance dual 16-bit AD9174 DAC. The on-board transmitter with a power of up to 2 W meets the requirements of the ITU Radio Regulations for the power flux density on the surface of the Earth, which is created by the radiation of the space station EESS in the range 8025–8400 MHz. It is shown that the energy reserve of the communication line of 3 dB is achieved for various commands for coding and modulation changes with an increase in the elevation angle, which allows to increase the speed of information transmission. Conclusions. An original receiving-transmitting system was developed for use in small satellites for remote sensing of the Earth. It is shown that the function of adaptive modeling of ACM of the DVB-S standard allows you to automatically change the transmission parameters in real time depending on the changing conditions of the channel, providing opportunities for more flexible and effective data transmission in various conditions, which will allow to increase the volumes of information transmitted by communication session. The proposed system operates in the X-band and is built using commercially available off-the-shelf products. An antenna with double circular polarization is used as the emitter. Two physical channels represent two polarization modes: right circular polarization and left circular polarization, each of which has three frequency channels. UK: Актуальність. Дистанційне зондування Землі нині знаходить широке застосування в різних галузях. Однією із проблем дистанційного зондування є створення недорогих супутникових систем, що працюють на полярних кругових орбітах. Дані системи потребують розробки прийомо-передавальної системи, що дозволяє передавати десятки гігабіт відеоінформації на земну приймальну станцію протягом десятка хвилин. Тобто існує потреба у створенні системи зв’язку що забезпечує високу швидкість передачі даних з малих супутників, вагою до 50 кг. Мета. Метою роботи є дослідження особливостей формування цифрового сигналу в сучасних супутникових лініях зв’язку та розробка системи зв’язку з високою швидкістю передачі даних (зазвичай 300 Мбіт/с), яка може бути застосована до малих супутників дистанційного зондування Землі. Метод. Запропонована концепція побудови високошвидкісного передавача даних із супутника дистанційного зондування землі із використанням технології комерційно готових або комерційно доступних готових продуктів. Виконані розрахунки щільності потоку потужності для з’ясування можливої потужності бортового передавача. Виконані розрахунки бюджету радіолінії супутник-Земля із застосуванням передбачених режимів команд на зміни кодування та модуляції. Результати. Розроблена схема систему зв’язку на основі стандарту DVB-S з використанням технології комерційно готових продуктів. Високошвидкісний передавач даних реалізовано на FPGA Xilinx® Zynq Ultrascale+ ™ MPSoC, який розташований на модулі Enclustra Mercury XU8 з високопродуктивним подвійний 16-розрядним DAC AD9174. Бортовий передавач потужністю до 2 Вт задовольняє вимогам Регламенту радіозв’язку ITU до щільності потоку потужності на поверхні Землі, який створюється випромінюванням космічної станції EESS у діапазоні 8025–8400 МГц. Показано, що енергетичний запас лінії зв’язку в 3 дБ досягається для різних команд на зміни кодування та модуляції при збільшенні кута місця, що дозволяє збільшувати швидкості передачі інформації. Висновки. Розроблена оригінальна прийомо-передавальна система для застосування в малих супутниках дистанційного зондування землі. Показано, що саме функція адаптивного моделювання ACM стандарту DVB-S дозволяє автоматично змінювати параметри передачі в реальному часі в залежності від змінюваних умов каналу, надаючи можливості більш гнучкої і ефективної передачі даних у різних умовах, що дозволить збільшити об’єми інформації, які передаються за сеанс зв’язку. Запропонована система працює в X-діапазоні і побудована з використанням деталей COTS. У якості випромінювачів використовуються антенами с двійною поляризацією. Два фізичні канали представляють два режими поляризації: праву кругову поляризацію і ліву кругову поляризацію, кожна з яких має три частотні канали.