“動中通”衛(wèi)星通信鏈路分析及優(yōu)化研究

1、“動中通”衛(wèi)星通信鏈路分析研究 摘 要：本文針對通信衛(wèi)星“動中通”系統(tǒng)為研究對象，從其結構的組成，發(fā)展現(xiàn)狀和影響衛(wèi)星鏈路的因素等為對象進行介紹和分析，詳細的從結構、功能等方面探討?！皠又型ā毙l(wèi)星主要是由天線、饋源、反射面和轉(zhuǎn)軸這幾部分組成的。為了能更好評估衛(wèi)星信號的好壞，需要長時間的監(jiān)視觀測，通過觀測數(shù)據(jù)研究衛(wèi)星鏈路傳輸?shù)男阅?；通信衛(wèi)星“動中通”在鏈路的傳輸上，實現(xiàn)了Ku頻段的鏈路傳輸特性，通過自動檢測系統(tǒng)代替了以往人工測量的方式，通過自動檢測系統(tǒng)的精確測量，和以往人工測量相比，大大減小了數(shù)據(jù)誤差，提高了測量的精確度并提高了工作效率，節(jié)省了人力資源。關鍵詞：Ku頻段；衛(wèi)星通信；鏈路Analys

2、is of Satellite Communication Link in the Satcom on the MoveAbstract: In this paper regarded the satellite communication system as the research object. Discussion from the structure, function and other aspects in detailed, analysis the composition of the structure, development status and influence o

3、f the satellite link factors as the object of introduction. Move through satellite is mainly by the antenna and feed, the reflecting surface and the shaft which are composed, the parabolic cylinder antenna box to receive data of role, the data processing. Through the feed antenna and the reflector w

4、ill data in the transmission to the original user, to work through the coordination of the internal rotating shaft and other parts. In order to better evaluate the satellite signal is good or bad and need to long time observation, for surveillance, through the observation data of satellite transmiss

5、ion link performance; communication satellite mobile communication in the transmission link, the realization of the Ku band link transmission characteristic. In order to improve the precision of the measurement, the work efficiency and saving human resources, the automatic detection system instead o

6、f the previous manual measurement, comparison to the accurate measurement of the automatic detection system, and in the past manual measurement, greatly reducing the error data.Keywords: Ku band; satellite communication; link引言自1960年到現(xiàn)在，衛(wèi)星的發(fā)展取得了翻天覆地的變化，各種類型和功能的衛(wèi)星被研發(fā)出來并應用起來，而衛(wèi)星通信作為其中最為重要的一個分支，在通信領域起到

7、了重大的作用。衛(wèi)星通信不但具有保密性，還具有低成本的優(yōu)勢；在進行通信時，不但可以傳輸數(shù)據(jù)、圖像等功能，還可以實現(xiàn)視頻通話。至此，對于一些山區(qū)、農(nóng)村、海洋等無法實現(xiàn)通信的地段，都能在衛(wèi)星作用下實現(xiàn)，鑒于車輛、船舶在衛(wèi)星通信時的重要作用，被稱為“動中通”。 “動中通”衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應用于軍事行動、物流管理、長途交通運輸、新聞采訪等領域。其功能也逐漸完善，在給高速運動中的車輛提供的衛(wèi)星通信鏈路中，不僅可實現(xiàn)話音、視頻傳輸業(yè)務，還可進行高速Internet網(wǎng)接入，擁有良好的發(fā)展前景。 和傳統(tǒng)的VSAT衛(wèi)星相比，USAT衛(wèi)星通信口徑的大小都是在0.6m以下的，并且設備具有小型化，質(zhì)量輕等多種特點，

8、完全能滿足“動中通”的要求。對于“動中通”的通信頻段來說，現(xiàn)在還是以USAT為主的，Ka頻段相對現(xiàn)在來說還不能大規(guī)模的應用，可能在未來的通信中會逐漸慢慢的向Ka頻段轉(zhuǎn)型。圖1 “動中通”衛(wèi)星通信系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖從圖1.1中可以看出，“動中通”衛(wèi)星系統(tǒng)的組成包括很多方面的協(xié)調(diào)，只有在各個分系統(tǒng)協(xié)調(diào)作用時，才能使“動中通”衛(wèi)星通信系統(tǒng)正常工作。 1 動中通衛(wèi)星通信調(diào)制方式分析調(diào)制在通信系統(tǒng)中有著重要的作用，它在很大程度上影響通信系統(tǒng)的質(zhì)量。本節(jié)首先分析衛(wèi)星通信信道的一些基本特征，從而決定對調(diào)制方式的選擇。1.1 調(diào)制方式分類衛(wèi)星通信通道屬于帶寬受限信道，也屬于功率受限通道，其傳輸帶寬受到信道傳播特性

9、和系統(tǒng)使用頻率的影響，對于功率放大器的要求很高。其在通信時的干擾和噪聲受到電磁環(huán)境的影響，并且，衛(wèi)星通道要有較高的頻帶利用率，調(diào)制技術的好壞直接影響到了功率利用率和頻帶利用率，對衛(wèi)星通信也有著重要的作用。所謂功率利用率是指為達到一定的BER所需的最低歸一化信噪比值。頻帶利用率指1系統(tǒng)Hz帶寬所能傳輸?shù)男畔⑺俾?單位為bit/Hz)，即=Rb/B。根據(jù)分析可知，衛(wèi)星通信調(diào)制方式目前主要有兩類，分別是：功率有效調(diào)制和頻譜有效調(diào)制。1.2 調(diào)制對功率和頻譜的計算 衛(wèi)星調(diào)制方式計算就是通過計算決定選擇一種適當?shù)恼{(diào)制方式，能夠兼顧衛(wèi)星頻帶利用率和功率利用率。本節(jié)將從相移和幅度調(diào)制進行分析計算： （1）M

10、ASK 時域上M進制幅度鍵控信號表達式： （1-1）等概取(2m-1-M), m=1, 2, , M。A表示載波幅度。（2） MFSK頻率鍵控信號： （1-2） 為與對應的載波頻率的偏移。 （3）MPSK相移鍵控信號，又可分為絕對相移和相對相移鍵控，本文主要考慮的是絕對相移鍵控信號。 (1-3)通過碼元信息調(diào)控的是相位參數(shù)。MPSK其中最為常見并在衛(wèi)星通信中廣泛使用的是QPSK：四相絕對移相調(diào)制。QPSK屬于多進制調(diào)制，誤碼率較低，QPSK 調(diào)制分為A和B兩種方式調(diào)制，如下表1所示。表1 雙比特碼元與載波相位的關系雙比特碼元載波相位（度）AbA方式B方式00101101QPSK調(diào)制波形表達式為

11、：（1-4） 式中，受調(diào)相位，可以有4種取值。（4）MQAM調(diào)制多進制正交混合調(diào)幅調(diào)相信號 MQAM信號時在MPSK信號基礎上改進，克服了其隨調(diào)制階數(shù)增加，誤碼率增加的問題。其信號表達式為： （1-5） QAM信號調(diào)制是兩路正交信號的和，通過正交信號實現(xiàn)并行數(shù)字信息傳輸特點。1.3 仿真分析 根據(jù)具體情況，并利用matlab對其進行仿真分析，制定四種調(diào)制方式來繪制誤碼率和信噪比的關系曲線，其決策方式如下：對于自適應調(diào)制方式的情況來說，其決策系統(tǒng)的方式主要是對調(diào)制集合來分析，在進行判決的，我們將調(diào)制集合設置為2FSK,BPSK,QPSK,16QAM，此時的判決如下：分析此時的信道情況是否存在，要

12、是符合，此時的調(diào)制方式不滿足誤碼率要求的情況，此時的信噪比非常小，為了進行通信，將通過信道編碼進行，這時的調(diào)制不能發(fā)送出去，需要調(diào)制之后在進行。對于以上四種情況，我們作出matlab仿真圖來加以說明。如圖2所示：圖2 調(diào)制方式轉(zhuǎn)換門限的設定2 擴頻因子對衛(wèi)星通信的影響 擴頻因子對衛(wèi)星通信的兩個干擾指標分別是為處理增益即擴頻增益和干擾容限。2.1處理增益 擴頻系統(tǒng)的處理增益定義為解擴器的輸出與輸入信噪比的比值，可表示為： （2-1）處理增益也可定義為擴展頻譜后的信號帶寬和擴展頻譜前信號帶寬之比，可表示為： （2-2）其中偽隨機序列的長度為，偽碼的帶寬為 ，基帶信息的帶寬為，基帶碼元的寬度為 ，基

13、帶碼元的速率為 ，偽碼碼元的寬度為，偽碼速率為。由此可知越大，處理增益就越大，抗干擾能力就越強。處理增益亦可用dB的形式表示 （2-3） (2-4) (2-5) 其中 N 為偽隨機序列的級數(shù)。在“動中通”衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，提高擴頻處理增益有兩種方式：降低基帶信息速率；提高偽碼的傳輸速率。2.2 抗干擾容限干擾容限是表明，當一個擴頻通信系統(tǒng)需要正常工作時，解擴器輸入端的噪聲與信號兩者的功率比的數(shù)值不能大于干擾容限，其公式為 （2-6）式中，為系統(tǒng)的干擾容限，為系統(tǒng)的損耗，為系統(tǒng)的處理增益，為系統(tǒng)相關解擴后的信噪比，以上指標的單位都dB。干擾容限很直觀的反映出了衛(wèi)星系統(tǒng)所能承受的干擾強度的極限，因此

14、相比較處理增益而言，干擾容限更能表現(xiàn)出系統(tǒng)的抗干擾能力。3 “動中通”衛(wèi)星鏈路分析3.1 衛(wèi)星信噪比的影響假定自由空間中有一個發(fā)射源，向各方向輻射的總功率為瓦特。這種發(fā)射源稱為各向同性源，在距離發(fā)射源R米處穿過球面的通量密度為： （3-1）動中通衛(wèi)星一般設置了實際天線，實際天線的增益定義為每單位立體角在方向的輻射功率和每單位立體角平均輻射功率的比值，即： (3-2) 其中，是天線每單位立體角的輻射功率 是天線的總輻射功率 是天線在角方向的增益假設發(fā)射機輸出功率為，采用無損天線，天線增益為，則天線視軸方向上距離R處通量密度為: （3-3）乘積項通常稱為有效全向輻射功率或EIRP，他將發(fā)射功率和天

15、線增益結合起來，表示一個功率為瓦特的等效各向同性源?！皠又型ā毙l(wèi)星的一個基本關系式是天線增益和面積之間的關系式，即： (3-4)是工作頻率對應的波長，單位為米。根據(jù)以上公式可以求導出著名的鏈路方程，它是計算無線鏈路接收功率的關鍵表達式： (3-5)在上式中出現(xiàn)了頻率項（即波長),這是因為表達式 中采用的是接收天線增益，而不是有效面積。表示路徑損耗。表示的并不是由于功率吸收而產(chǎn)生的損耗，而是指能量作為一種電磁波在三維空間中傳播所造成。綜上所述，我們可以寫出的損耗： （3-6）通信系統(tǒng)一般利用分貝量簡化表達式，故式(4-6)可以表示為: (3-7)其中， 路徑損耗 3.2 上行鏈路設計上行鏈路天線

16、直徑為2.4m，孔徑效率為68%。14.248GHz 時波長為0.021m。 天線增益為：自由空間路徑損耗為?！皠又型ā毙l(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器增益與接收系統(tǒng)噪聲溫度是以增益噪聲溫度比這個參數(shù)給出的，所以我們把上行鏈路功率預算和噪聲功率預算的計算合為上行鏈路載噪比的預算，如下表所示：表2 上行鏈路載噪比預算參數(shù)含義數(shù)值地面站發(fā)射功率9.54dBW地面站天線增益49.4dBK玻爾茲曼常數(shù)228.6dB/K/HzC_rate/2/FEC MHz-57dBHz自由空間路徑損耗-207.22dB衛(wèi)星的增益噪聲溫度比4.6dB其他損耗-1dB上行鏈路的載噪比29.63dB3.3 下行鏈路設計表3 下行鏈路噪聲功率預

17、算參數(shù)含義數(shù)值玻爾茲曼常數(shù)-228.6dB/K/Hz140K21.5dBC_rate/2/FEC MHz57dBHz下行鏈路噪聲功率-150.1dBW下行鏈路天線直徑為2.4m，孔徑效率為68%。12.5GHz 時波長為0.024m。天線增益為：12.5GHz 時的自由空間路徑損耗為。由于轉(zhuǎn)發(fā)器輸出補償為1dB，所以輸出功率比EIRP（51.6dB）低1dB。即EIRP=50.6dBW。表4 下行鏈路信號功率預算參數(shù)含義數(shù)值EIRP轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)射功率50.6dBW地面站天線增益48.26dB自由空間路徑損耗-206.1dB其他損耗-0.8dB接收功率-108.04dBW-78dBm所以，地面站接收

18、機的需要的靈敏度為-78dBm。由于低噪聲放大器的增益為60dB，則信號進入到解調(diào)器的功率為-18dBm，這個值遠大于衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器的輸入功率下限。滿足調(diào)制解調(diào)器的輸入指標。下行鏈路的載噪比為。4 Ku頻段衛(wèi)星通信鏈路舉例論證目前為止，衛(wèi)星通信系統(tǒng)中主要采取Ku頻段鏈路，因此我們需要對Ku頻段鏈路有一個詳細的了解。在此，我們對Ku頻段系統(tǒng)做一個鏈路計算來增加其了解，并研究計算中衛(wèi)星增益對鏈路造成的影響。4. 1 衛(wèi)星系統(tǒng)的參數(shù)假設此時我們根據(jù)衛(wèi)星的軌道位置和頻段做出假設，衛(wèi)星位置在100.5E，采用Ku頻段的VSAT為運行系統(tǒng)，此時的通信網(wǎng)為星狀，其中主站6.0m，遠站1.8m，具體參數(shù)設置如

19、下：衛(wèi)星參數(shù)： 工作頻率 接收14.105GHz 發(fā)射頻率 發(fā)射12.305GHz 飽和EIP 48dBw 飽和通量密度( W) -72-94dBw/ -1.2dB/K 輸出補償(OBO) 4.5dB 輸入補償(IBO) 9.0dB 每天線增益(Gas) 44.5dB地球站工作參數(shù)： 工作頻率 發(fā)射14.105GHz 發(fā)射 12.305GHz 天線口徑 6.0m(主站) 1.8m(遠端站) 32.6dB/K(主站) 22.1dB/K(遠端站) 位置 經(jīng)度112.4E 緯度 31.2N上行線路徑損耗(Lup) 206.9dB下行線路徑損耗(Ldn) 205.7dB4.2 衛(wèi)星增益此時對于衛(wèi)星增益

20、的計算可以以下公式計算得出：其中，在范圍內(nèi)，飽和通量密度以2dB步級變化。4.3 鏈路計算 衛(wèi)星鏈路由下列方程組計算： 上式參數(shù)，：代表了轉(zhuǎn)發(fā)器對鏈路的全向等效輻射功率 K：表示波茲曼常數(shù) B：表示帶寬 (C/I)：載波干擾比經(jīng)過計算可得，鏈路設計的目標值 (C/N)=10.2dB。5 “動中通”衛(wèi)星鏈路增益對于“動中通”衛(wèi)星來說，當其鏈路總值確定后，上行線的值會隨著衛(wèi)星增益的增大而減小，下行線的值正好相反，如圖6-1所示；在值很高時，上行線值常常由總值的大小所決定的。通過計算得出，為了達到同樣的目標，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器提供的隨著增益的增大而增大，如圖6-2所示；當衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器提供的逐步增加時，上行線的

21、值下降緩慢，下行線的值則幾乎成本增加。在衛(wèi)星增益很大時，上行線的無限接近總值，此時的，故下行線的增加對整體意義不大。雖然衛(wèi)星增益的提高，能使地球站發(fā)射的降低，但當與曲線相交后，隨衛(wèi)星增益的增加，地球站發(fā)射的下降變得緩慢，如圖6-3所示，此時，對整個系統(tǒng)來說得益不多。表5 增益測量數(shù)據(jù)表（dB）（dBw）（dBw）（dB）（dB）16950.1111.9117.6111.1517148.3012.1016.6311.3317347.6512.3015.9811.7317546.7912.5915.6712.1617745.2813.0814.6012.8217944.0614.9113.6613.6818143.141