衛(wèi)星數(shù)傳信道設(shè)計(jì)研究

嚴(yán)林+張蕾+侯小瑾+宋紫溪

【摘要】 在星地?cái)?shù)傳信道設(shè)計(jì)中，面臨很多影響數(shù)據(jù)完整性的因素。本文主要對(duì)衛(wèi)星星地?cái)?shù)傳信道中的各項(xiàng)影響因素進(jìn)行分析，在分析基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)傳信道設(shè)計(jì)中的參數(shù)給出了計(jì)算方法。

【關(guān)鍵詞】 數(shù)傳 信道設(shè)計(jì) 研究

一、引言

數(shù)據(jù)傳輸，簡(jiǎn)稱(chēng)數(shù)傳。數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能是將載荷數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則進(jìn)行處理后，通過(guò)星上發(fā)送天線(xiàn)傳輸?shù)降孛?。衛(wèi)星數(shù)傳信道，是指由星上數(shù)據(jù)發(fā)送天線(xiàn)至地面接收天線(xiàn)的傳輸鏈路。

數(shù)傳信道設(shè)計(jì)目的是在兩個(gè)通信點(diǎn)之間建立最可靠和高效的傳輸鏈路。信號(hào)達(dá)到地面站時(shí)，需具有足夠的電平，且載噪比■足夠大。需考慮兩方面的問(wèn)題：在已知星地參數(shù)的基礎(chǔ)上，計(jì)算信道的傳輸能力；已知衛(wèi)星參數(shù)，根據(jù)傳輸?shù)募榷ㄐ阅芤?，?lái)確定地面參數(shù)。

二、影響數(shù)傳信道的各項(xiàng)因素分析

等效全向輻射功率EIRP表征了衛(wèi)星的信號(hào)發(fā)送能力，它為發(fā)射機(jī)發(fā)射功率與發(fā)射天線(xiàn)增益的乘積EIRP=P×G。一般喇叭天線(xiàn)和拋物面天線(xiàn)的增益可按如下計(jì)算：G=■η。其中A為天線(xiàn)口面積m2，λ為波長(zhǎng)，η為天線(xiàn)效率。品質(zhì)因數(shù)■表征了地面天線(xiàn)的接收能力（接收系統(tǒng)的靈敏度），是接收天線(xiàn)增益與接收系統(tǒng)噪聲性能的比值。信道中存在的影響因素如下：

2.1 空間因素

2.1.1 自由空間傳播損耗

這是空間因素中造成信號(hào)衰減的最主要原因。從星上天線(xiàn)輻射出的能量可看做球面分布，其損耗可表達(dá)為：

Ls=10lg（4πd/λ）2=92.45+20lgd+20lgf

式中單位，星地距離d，發(fā)射頻點(diǎn)f。星地距離為40000千米時(shí)的自由空間傳播損耗Ls約為200dB。

2.1.2 大氣損耗

包括大氣吸收損耗和雨衰，是由大氣中水分子和氧分子對(duì)電波的吸收造成的，與頻率成正比。當(dāng)?shù)孛娼邮仗炀€(xiàn)仰角大于5°時(shí)，水蒸氣損耗可忽略。低仰角時(shí)需考慮大氣折射和水蒸氣的影響。低頻時(shí)電離層的吸收會(huì)造成通信閃爍。

降雨的雨粒吸收和散射造成電波衰減，稱(chēng)為雨衰。影響體現(xiàn)為：使天線(xiàn)噪聲溫度增加，■值減?。辉黾有l(wèi)星傳輸路徑損耗。如信道在L或S波段，則雨衰不會(huì)造成嚴(yán)重影響。對(duì)于Ka波段，會(huì)造成很大信道衰減，從而削弱鏈路能力。必須進(jìn)行雨衰補(bǔ)償。

2.1.3 大氣折射

會(huì)對(duì)信號(hào)起到凹透鏡的作用，使信號(hào)電波發(fā)生極小散焦衰減。在地面仰角大于5°時(shí)，衰減小于0.2dB。大氣散射會(huì)造成散射衰落，但損耗小可忽略。

2.1.4 大氣閃爍

大氣折射造成的電波強(qiáng)度變化稱(chēng)為大氣閃爍。例如：天線(xiàn)口徑為12m，仰角為5°時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度的起伏0.6dB。系統(tǒng)低仰角工作時(shí)應(yīng)考慮大氣折射和大氣閃爍造成的影響。

2.1.5 大氣吸收

是由信號(hào)穿過(guò)大氣層時(shí)要受到電離層中自由電子和離子、對(duì)流層中氧分子水分子的吸收造成的。與信號(hào)頻率、天線(xiàn)波束的仰角以及天氣密切相關(guān)。

2.1.6 多普勒效應(yīng)

當(dāng)發(fā)射頻率為f的衛(wèi)星相對(duì)于靜止地面站以相對(duì)速度Vr高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，信號(hào)多普勒頻移量為：Δf=■。頻移量需要進(jìn)行修正，此過(guò)程在地面站完成。

2.1.7 信道噪聲

信道設(shè)計(jì)中，將內(nèi)外噪聲源功率等效為存在于接收機(jī)輸入端的假想噪聲源，噪聲源功率pn為：pn=kTnB，k為波爾茲曼常數(shù)，B為接收機(jī)帶寬，Tn為等效噪聲溫度（K）。在設(shè)計(jì)中，為克服噪聲干擾，系統(tǒng)余量會(huì)留4～6dB。

2.2 星上因素

天線(xiàn)指向損耗、極化誤差、EIRP值等，在信道設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)具體指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。

三、數(shù)傳信道鏈路計(jì)算

根據(jù)以下參數(shù)和公式來(lái)進(jìn)行鏈路計(jì)算。

發(fā)射頻率、傳輸碼速率[R]dB=60+10lg傳輸碼速率（Mbit/s）、行放功率、發(fā)射天線(xiàn)增益、饋線(xiàn)損失、軌道高度、地面接收仰角（移動(dòng)站7°固定站5°）、大氣損耗和雨衰 （經(jīng)驗(yàn)值2.3～3.3dB）、天線(xiàn)指向損耗（經(jīng)驗(yàn)值0.5dB）、極化損耗（經(jīng)驗(yàn)值0.5dB）、地面天線(xiàn)品質(zhì)因數(shù)G/T 31～35、波爾茲曼常數(shù)228.6、理論Eb/N0（根據(jù)誤碼率計(jì)算）、設(shè)備損耗（調(diào)制 解調(diào) 濾波 非線(xiàn)性）（5.5dB）。

最遠(yuǎn)空間傳輸距離：D=■-REsinβ，RE為地球半徑（6371km），h為軌道高度，β為接收天線(xiàn)仰角?？臻g傳輸損耗（路徑損耗）=92.45+20lgD+20lgf。

接收到的Eb/N0：EIRP+G/T-（空間傳輸損耗+星上指向損耗+大氣損耗+雨衰+指向損耗+極化損耗）+228.6-[R]dB。

需要的Eb/N0=理論要求的Eb/N0+設(shè)備損失。

星上的EIRP=TWTA輸出功率（dB）-（隔離器損耗+波導(dǎo)開(kāi)關(guān)損耗+波導(dǎo)組件損耗）+天線(xiàn)凈增益+編碼增益。

系統(tǒng)余量=實(shí)際接收到的Eb/N0-實(shí)際需要的Eb/N0。

接收到的載波信號(hào)噪聲功率譜密度比（dBHz）=星上EIRP-路徑損耗-大氣損耗-極化損耗-指向損耗+地面站品質(zhì)因素+波爾茲曼常數(shù)。endprint

【摘要】 在星地?cái)?shù)傳信道設(shè)計(jì)中，面臨很多影響數(shù)據(jù)完整性的因素。本文主要對(duì)衛(wèi)星星地?cái)?shù)傳信道中的各項(xiàng)影響因素進(jìn)行分析，在分析基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)傳信道設(shè)計(jì)中的參數(shù)給出了計(jì)算方法。

【關(guān)鍵詞】 數(shù)傳 信道設(shè)計(jì) 研究

一、引言

數(shù)據(jù)傳輸，簡(jiǎn)稱(chēng)數(shù)傳。數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能是將載荷數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則進(jìn)行處理后，通過(guò)星上發(fā)送天線(xiàn)傳輸?shù)降孛?。衛(wèi)星數(shù)傳信道，是指由星上數(shù)據(jù)發(fā)送天線(xiàn)至地面接收天線(xiàn)的傳輸鏈路。

數(shù)傳信道設(shè)計(jì)目的是在兩個(gè)通信點(diǎn)之間建立最可靠和高效的傳輸鏈路。信號(hào)達(dá)到地面站時(shí)，需具有足夠的電平，且載噪比■足夠大。需考慮兩方面的問(wèn)題：在已知星地參數(shù)的基礎(chǔ)上，計(jì)算信道的傳輸能力；已知衛(wèi)星參數(shù)，根據(jù)傳輸?shù)募榷ㄐ阅芤螅瑏?lái)確定地面參數(shù)。

二、影響數(shù)傳信道的各項(xiàng)因素分析

等效全向輻射功率EIRP表征了衛(wèi)星的信號(hào)發(fā)送能力，它為發(fā)射機(jī)發(fā)射功率與發(fā)射天線(xiàn)增益的乘積EIRP=P×G。一般喇叭天線(xiàn)和拋物面天線(xiàn)的增益可按如下計(jì)算：G=■η。其中A為天線(xiàn)口面積m2，λ為波長(zhǎng)，η為天線(xiàn)效率。品質(zhì)因數(shù)■表征了地面天線(xiàn)的接收能力（接收系統(tǒng)的靈敏度），是接收天線(xiàn)增益與接收系統(tǒng)噪聲性能的比值。信道中存在的影響因素如下：

2.1 空間因素

2.1.1 自由空間傳播損耗

這是空間因素中造成信號(hào)衰減的最主要原因。從星上天線(xiàn)輻射出的能量可看做球面分布，其損耗可表達(dá)為：

Ls=10lg（4πd/λ）2=92.45+20lgd+20lgf

式中單位，星地距離d，發(fā)射頻點(diǎn)f。星地距離為40000千米時(shí)的自由空間傳播損耗Ls約為200dB。

2.1.2 大氣損耗

包括大氣吸收損耗和雨衰，是由大氣中水分子和氧分子對(duì)電波的吸收造成的，與頻率成正比。當(dāng)?shù)孛娼邮仗炀€(xiàn)仰角大于5°時(shí)，水蒸氣損耗可忽略。低仰角時(shí)需考慮大氣折射和水蒸氣的影響。低頻時(shí)電離層的吸收會(huì)造成通信閃爍。

降雨的雨粒吸收和散射造成電波衰減，稱(chēng)為雨衰。影響體現(xiàn)為：使天線(xiàn)噪聲溫度增加，■值減?。辉黾有l(wèi)星傳輸路徑損耗。如信道在L或S波段，則雨衰不會(huì)造成嚴(yán)重影響。對(duì)于Ka波段，會(huì)造成很大信道衰減，從而削弱鏈路能力。必須進(jìn)行雨衰補(bǔ)償。

2.1.3 大氣折射

會(huì)對(duì)信號(hào)起到凹透鏡的作用，使信號(hào)電波發(fā)生極小散焦衰減。在地面仰角大于5°時(shí)，衰減小于0.2dB。大氣散射會(huì)造成散射衰落，但損耗小可忽略。

2.1.4 大氣閃爍

大氣折射造成的電波強(qiáng)度變化稱(chēng)為大氣閃爍。例如：天線(xiàn)口徑為12m，仰角為5°時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度的起伏0.6dB。系統(tǒng)低仰角工作時(shí)應(yīng)考慮大氣折射和大氣閃爍造成的影響。

2.1.5 大氣吸收

是由信號(hào)穿過(guò)大氣層時(shí)要受到電離層中自由電子和離子、對(duì)流層中氧分子水分子的吸收造成的。與信號(hào)頻率、天線(xiàn)波束的仰角以及天氣密切相關(guān)。

2.1.6 多普勒效應(yīng)

當(dāng)發(fā)射頻率為f的衛(wèi)星相對(duì)于靜止地面站以相對(duì)速度Vr高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，信號(hào)多普勒頻移量為：Δf=■。頻移量需要進(jìn)行修正，此過(guò)程在地面站完成。

2.1.7 信道噪聲

信道設(shè)計(jì)中，將內(nèi)外噪聲源功率等效為存在于接收機(jī)輸入端的假想噪聲源，噪聲源功率pn為：pn=kTnB，k為波爾茲曼常數(shù)，B為接收機(jī)帶寬，Tn為等效噪聲溫度（K）。在設(shè)計(jì)中，為克服噪聲干擾，系統(tǒng)余量會(huì)留4～6dB。

2.2 星上因素

天線(xiàn)指向損耗、極化誤差、EIRP值等，在信道設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)具體指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。

三、數(shù)傳信道鏈路計(jì)算

根據(jù)以下參數(shù)和公式來(lái)進(jìn)行鏈路計(jì)算。

發(fā)射頻率、傳輸碼速率[R]dB=60+10lg傳輸碼速率（Mbit/s）、行放功率、發(fā)射天線(xiàn)增益、饋線(xiàn)損失、軌道高度、地面接收仰角（移動(dòng)站7°固定站5°）、大氣損耗和雨衰 （經(jīng)驗(yàn)值2.3～3.3dB）、天線(xiàn)指向損耗（經(jīng)驗(yàn)值0.5dB）、極化損耗（經(jīng)驗(yàn)值0.5dB）、地面天線(xiàn)品質(zhì)因數(shù)G/T 31～35、波爾茲曼常數(shù)228.6、理論Eb/N0（根據(jù)誤碼率計(jì)算）、設(shè)備損耗（調(diào)制 解調(diào) 濾波 非線(xiàn)性）（5.5dB）。

最遠(yuǎn)空間傳輸距離：D=■-REsinβ，RE為地球半徑（6371km），h為軌道高度，β為接收天線(xiàn)仰角?？臻g傳輸損耗（路徑損耗）=92.45+20lgD+20lgf。

接收到的Eb/N0：EIRP+G/T-（空間傳輸損耗+星上指向損耗+大氣損耗+雨衰+指向損耗+極化損耗）+228.6-[R]dB。

需要的Eb/N0=理論要求的Eb/N0+設(shè)備損失。

星上的EIRP=TWTA輸出功率（dB）-（隔離器損耗+波導(dǎo)開(kāi)關(guān)損耗+波導(dǎo)組件損耗）+天線(xiàn)凈增益+編碼增益。

系統(tǒng)余量=實(shí)際接收到的Eb/N0-實(shí)際需要的Eb/N0。

接收到的載波信號(hào)噪聲功率譜密度比（dBHz）=星上EIRP-路徑損耗-大氣損耗-極化損耗-指向損耗+地面站品質(zhì)因素+波爾茲曼常數(shù)。endprint

【摘要】 在星地?cái)?shù)傳信道設(shè)計(jì)中，面臨很多影響數(shù)據(jù)完整性的因素。本文主要對(duì)衛(wèi)星星地?cái)?shù)傳信道中的各項(xiàng)影響因素進(jìn)行分析，在分析基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)傳信道設(shè)計(jì)中的參數(shù)給出了計(jì)算方法。

【關(guān)鍵詞】 數(shù)傳 信道設(shè)計(jì) 研究

一、引言

數(shù)據(jù)傳輸，簡(jiǎn)稱(chēng)數(shù)傳。數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能是將載荷數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則進(jìn)行處理后，通過(guò)星上發(fā)送天線(xiàn)傳輸?shù)降孛?。衛(wèi)星數(shù)傳信道，是指由星上數(shù)據(jù)發(fā)送天線(xiàn)至地面接收天線(xiàn)的傳輸鏈路。

數(shù)傳信道設(shè)計(jì)目的是在兩個(gè)通信點(diǎn)之間建立最可靠和高效的傳輸鏈路。信號(hào)達(dá)到地面站時(shí)，需具有足夠的電平，且載噪比■足夠大。需考慮兩方面的問(wèn)題：在已知星地參數(shù)的基礎(chǔ)上，計(jì)算信道的傳輸能力；已知衛(wèi)星參數(shù)，根據(jù)傳輸?shù)募榷ㄐ阅芤螅瑏?lái)確定地面參數(shù)。

二、影響數(shù)傳信道的各項(xiàng)因素分析

等效全向輻射功率EIRP表征了衛(wèi)星的信號(hào)發(fā)送能力，它為發(fā)射機(jī)發(fā)射功率與發(fā)射天線(xiàn)增益的乘積EIRP=P×G。一般喇叭天線(xiàn)和拋物面天線(xiàn)的增益可按如下計(jì)算：G=■η。其中A為天線(xiàn)口面積m2，λ為波長(zhǎng)，η為天線(xiàn)效率。品質(zhì)因數(shù)■表征了地面天線(xiàn)的接收能力（接收系統(tǒng)的靈敏度），是接收天線(xiàn)增益與接收系統(tǒng)噪聲性能的比值。信道中存在的影響因素如下：

2.1 空間因素

2.1.1 自由空間傳播損耗

這是空間因素中造成信號(hào)衰減的最主要原因。從星上天線(xiàn)輻射出的能量可看做球面分布，其損耗可表達(dá)為：

Ls=10lg（4πd/λ）2=92.45+20lgd+20lgf

式中單位，星地距離d，發(fā)射頻點(diǎn)f。星地距離為40000千米時(shí)的自由空間傳播損耗Ls約為200dB。

2.1.2 大氣損耗

包括大氣吸收損耗和雨衰，是由大氣中水分子和氧分子對(duì)電波的吸收造成的，與頻率成正比。當(dāng)?shù)孛娼邮仗炀€(xiàn)仰角大于5°時(shí)，水蒸氣損耗可忽略。低仰角時(shí)需考慮大氣折射和水蒸氣的影響。低頻時(shí)電離層的吸收會(huì)造成通信閃爍。

降雨的雨粒吸收和散射造成電波衰減，稱(chēng)為雨衰。影響體現(xiàn)為：使天線(xiàn)噪聲溫度增加，■值減??；增加衛(wèi)星傳輸路徑損耗。如信道在L或S波段，則雨衰不會(huì)造成嚴(yán)重影響。對(duì)于Ka波段，會(huì)造成很大信道衰減，從而削弱鏈路能力。必須進(jìn)行雨衰補(bǔ)償。

2.1.3 大氣折射

會(huì)對(duì)信號(hào)起到凹透鏡的作用，使信號(hào)電波發(fā)生極小散焦衰減。在地面仰角大于5°時(shí)，衰減小于0.2dB。大氣散射會(huì)造成散射衰落，但損耗小可忽略。

2.1.4 大氣閃爍

大氣折射造成的電波強(qiáng)度變化稱(chēng)為大氣閃爍。例如：天線(xiàn)口徑為12m，仰角為5°時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度的起伏0.6dB。系統(tǒng)低仰角工作時(shí)應(yīng)考慮大氣折射和大氣閃爍造成的影響。

2.1.5 大氣吸收

是由信號(hào)穿過(guò)大氣層時(shí)要受到電離層中自由電子和離子、對(duì)流層中氧分子水分子的吸收造成的。與信號(hào)頻率、天線(xiàn)波束的仰角以及天氣密切相關(guān)。

2.1.6 多普勒效應(yīng)

當(dāng)發(fā)射頻率為f的衛(wèi)星相對(duì)于靜止地面站以相對(duì)速度Vr高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，信號(hào)多普勒頻移量為：Δf=■。頻移量需要進(jìn)行修正，此過(guò)程在地面站完成。

2.1.7 信道噪聲

信道設(shè)計(jì)中，將內(nèi)外噪聲源功率等效為存在于接收機(jī)輸入端的假想噪聲源，噪聲源功率pn為：pn=kTnB，k為波爾茲曼常數(shù)，B為接收機(jī)帶寬，Tn為等效噪聲溫度（K）。在設(shè)計(jì)中，為克服噪聲干擾，系統(tǒng)余量會(huì)留4～6dB。

2.2 星上因素

天線(xiàn)指向損耗、極化誤差、EIRP值等，在信道設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)具體指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。

三、數(shù)傳信道鏈路計(jì)算

根據(jù)以下參數(shù)和公式來(lái)進(jìn)行鏈路計(jì)算。

發(fā)射頻率、傳輸碼速率[R]dB=60+10lg傳輸碼速率（Mbit/s）、行放功率、發(fā)射天線(xiàn)增益、饋線(xiàn)損失、軌道高度、地面接收仰角（移動(dòng)站7°固定站5°）、大氣損耗和雨衰 （經(jīng)驗(yàn)值2.3～3.3dB）、天線(xiàn)指向損耗（經(jīng)驗(yàn)值0.5dB）、極化損耗（經(jīng)驗(yàn)值0.5dB）、地面天線(xiàn)品質(zhì)因數(shù)G/T 31～35、波爾茲曼常數(shù)228.6、理論Eb/N0（根據(jù)誤碼率計(jì)算）、設(shè)備損耗（調(diào)制 解調(diào) 濾波 非線(xiàn)性）（5.5dB）。

最遠(yuǎn)空間傳輸距離：D=■-REsinβ，RE為地球半徑（6371km），h為軌道高度，β為接收天線(xiàn)仰角。空間傳輸損耗（路徑損耗）=92.45+20lgD+20lgf。

接收到的Eb/N0：EIRP+G/T-（空間傳輸損耗+星上指向損耗+大氣損耗+雨衰+指向損耗+極化損耗）+228.6-[R]dB。

需要的Eb/N0=理論要求的Eb/N0+設(shè)備損失。

星上的EIRP=TWTA輸出功率（dB）-（隔離器損耗+波導(dǎo)開(kāi)關(guān)損耗+波導(dǎo)組件損耗）+天線(xiàn)凈增益+編碼增益。

系統(tǒng)余量=實(shí)際接收到的Eb/N0-實(shí)際需要的Eb/N0。

接收到的載波信號(hào)噪聲功率譜密度比（dBHz）=星上EIRP-路徑損耗-大氣損耗-極化損耗-指向損耗+地面站品質(zhì)因素+波爾茲曼常數(shù)。endprint