極化干擾對星地遙感數(shù)據(jù)傳輸影響分析

郝志松，李 聰

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊 050081)

0 引言

國內外遙感衛(wèi)星開始使用極化復用技術進行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，以提高信息傳輸速率。極化復用技術是指利用同一個星載發(fā)射天線和同一個地面接收天線傳輸2個同頻率的極化方向為正交的載波信號。采用線極化形式的載波時，選用垂直極化波和水平極化波;采用圓極化形式的載波時，選用左旋極化波和右旋極化波。載波極性取決于發(fā)射天饋線系統(tǒng)的極化特性，接收天線必須同發(fā)射天線相同極化以實現(xiàn)極化匹配，如果極化匹配，則能接收其全部能量;如果部分匹配，則只能接收其部分能量;如果正交，則不能接收信號的全部能量。由于天線性能和使用的原因，極化復用的2個信號間存在極化干擾。

1 引起極化干擾的主要因素

利用極化復用方式進行星地數(shù)據(jù)傳輸，必須要解決極化干擾問題。在天氣晴好時，極化干擾主要受3個方面的影響:① 星上天線極化隔離度;② 地面接收天線極化隔離度;③星地極化偏移角度。

這3方面的影響都會使極化匹配呈現(xiàn)在部分匹配狀態(tài)，其中星地極化偏移角度可以通過地面調整，使其對數(shù)傳系統(tǒng)的影響遠小于天線隔離度的影響，即影響數(shù)傳系統(tǒng)的主要因素為天線的極化隔離度。通過調研，Ka頻段載波的天線極化隔離度技術指標可以做到大于20 dB。

2 極化干擾理論推導

假設信號的傳輸帶寬為奈奎斯特帶寬W，即成形系數(shù)為0，此時進行正交極化2路信號的干擾如圖1所示。

圖1 等帶寬極化干擾示意

設符號速率為Rs，則式(1)成立:

再設信息速率為Rbit，則Rbit/Rs=a，a與調制方式、編碼效率有關。

Eb為每信息bit能量;C'0為的功率譜密度，其對數(shù)形式為C0;N'0為噪聲的功率譜密度，其對數(shù)形式為N0。

此時，

在這種情況下加入極化干擾，假設極化隔離度為20 dB。此時的每信息比特能量和噪聲功率譜密度之比近似為:

所以Eb/N0惡化情況近似為:

3 極化干擾仿真分析

3.1 QPSK+1/2LDPC的情況

a=1，Eb/N0惡化情況如圖2所示。QPSK體制解調損失為2 dB解調器，在Eb/N0＞10 dB時，引入極化干擾后Eb/N0仍＞9.5 dB，誤碼率都在1×10－8以下。

圖2 QPSK加信道編碼Eb/N0惡化情況

在Eb/N0＜10 dB時，引入極化干擾后Eb/N0最多惡化0.5 dB，且Eb/N0＜8 dB時，基本無惡化，對誤碼率影響不大。在此情況，引入極化干擾對數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)性能沒有影響。

3.2 QPSK加信道編譯碼的情況

解調損失為2 dB的解調器，在 Eb/N0＞20 dB時，引入極化干擾后的Eb/N0＞15 dB，誤碼率在1×10－9以下，對系統(tǒng)性能影響不大。a=2，Eb/N0惡化情況如圖3所示。

圖3 QPSK不加信道編碼Eb/N0惡化情況

在Eb/N0=15 dB時，引入極化干擾后Eb/N0=13 dB，誤碼率由1 ×10－9量級增加到1 ×10－8量級;在Eb/N0=13 dB時，引入極化干擾后 Eb/N0=11.5 dB，誤碼率由1 × 10－8量級增加到1 × 10－6量級，對系統(tǒng)性能有所影響。

因為遙感衛(wèi)星的誤碼率要求一般小于1×10－7，并留有一定的功率余量，因此采用這種調制方式時，極化干擾對系統(tǒng)的影響有限。

3.3 16QAM不加信道編碼的情況

a=4，Eb/N0惡化情況如圖4所示。解調損失為2 dB的解調器，在Eb/N0=17 dB時，引入極化干擾后Eb/N0=12 dB，誤碼率由10－8量級上升到10－3量級。采用16QAM調制方式，在不加信道編碼的情況下對解調性能影響很大，使系統(tǒng)不能工作。

圖4 16QAM Eb/N0惡化情況

4 極化干擾試驗

利用現(xiàn)有硬件條件，搭建試驗系統(tǒng)，對極化干擾情況進行試驗驗證。試驗系統(tǒng)的碼速率為500 Mbps，原理框圖如5所示。

圖5 試驗原理

利用2個相同的調制器，發(fā)出相同的功率，加入相同的白噪聲，調整每一路的白噪聲電平，使系統(tǒng)誤碼率小于1×10－7。把其中一路調制器加噪后的中頻信號衰減20 dB后和另一路合路，并接入到解調器，觀察誤碼率變化情況。測試結果有如下3條:

①采用QPSK體制，編碼效率為1/2的LDPC編碼，經(jīng)測試極化干擾前Eb/N0=4.35的情況下，誤碼率為2.35 ×10－8，極化干擾后Eb/N0惡化為4.25，誤碼率為3.74 × 10－8;

②采用QPSK體制，不加入信道編碼，經(jīng)測試極化干擾前 Eb/N0=13.12的情況下，誤碼率為9.40 × 10－8，極化干擾后 Eb/N0惡化為 11.61，誤碼率為 3.22 × 10－6;

③采用16QAM體制，不加入信道編碼，經(jīng)測試極化干擾前 Eb/N0=17.40的情況下，誤碼率為8.92 × 10－8，極化干擾后 Eb/N0惡化為 12.18，誤碼率為 2.67 × 10－4。

試驗結果和理論仿真分析基本一致。

5 結論分析

經(jīng)過理論推導和對幾種典型制式傳輸系統(tǒng)仿真試驗可知，隔離度為20 dB的極化復用系統(tǒng)，隨著a的增加，Eb/N0工作門限逐步提高，極化干擾對系統(tǒng)誤碼率性能的影響也隨之加劇。在Eb/N0工作門限＜10 dB時，系統(tǒng)幾乎不受影響;Eb/N0工作門限在10～15 dB時，系統(tǒng)的誤碼率性能會下降1～2個數(shù)量級;Eb/N0工作門限＞15 dB時，系統(tǒng)的誤碼率性能會嚴重下降。

因此在星地數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)使用極化復用方式傳輸16QAM或16APSK等體制且沒有信道編碼的信號時，在接收端應采用極化干擾抵消技術，以降低極化干擾的影響。

6 結束語

極化復用技術應用于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對地傳輸，可提高帶寬利用率1倍，減少數(shù)據(jù)傳輸時間。但如果處理不好極化干擾問題，將在很大程度上降低傳輸性能，甚至使整個系統(tǒng)癱瘓。掌握了極化干擾對星地數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)影響規(guī)律，通過采用數(shù)字處理方式，可減小極化干擾對數(shù)傳系統(tǒng)的影響，對星地遙感數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的建設具有參考意義。 ■

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