影響衛(wèi)星通信質(zhì)量因素的思考與總結(jié)

王 洋，秦映茹，龔海武

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰 214431）

0 引言

衛(wèi)星通信，簡單地說，就是地球上（包括地面、水面和低層大氣中）的無線電通信站之間利用人造衛(wèi)星作為中繼站進(jìn)行的通信。一個衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成如圖1 所示。通信衛(wèi)星的中繼作用是把一個地球站送來的信號經(jīng)過變頻和放大傳送給另一段的地球站。地球站實(shí)際上是衛(wèi)星系統(tǒng)與地面系統(tǒng)的接口，地面用戶通過地球站出入衛(wèi)星系統(tǒng)，形成連接電路。衛(wèi)星系統(tǒng)與其他通信方式相比，特點(diǎn)有：

（1）衛(wèi)星通信的覆蓋面積大、通信距離遠(yuǎn)；

（2）組網(wǎng)靈活，便于多址聯(lián)接；

（3）通信容量大；

（4）通信質(zhì)量好；

（5）經(jīng)濟(jì)效益、社會效益好。

而目前由于遠(yuǎn)洋船舶的特殊性，衛(wèi)星通信仍是遠(yuǎn)洋通信的主要手段，而通信質(zhì)量的好壞對遠(yuǎn)洋船舶的日常通信和船舶行駛安全都有著重要意義。

圖1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基本組成

1 影響衛(wèi)星通信質(zhì)量的因素

1.1 等效全向同性輻射功率EIRP

EIRP 定義為發(fā)射機(jī)發(fā)出的功率PT與天線增益GT的乘積，即EIRT=PT×GT（W）。衛(wèi)星天線和地球站天線均為高增益天線，不是各向同性天線，在各個方向上的輻射是不等的。EIRP 的物理意義是：為保持同一接收點(diǎn)的收信電平不變，用無方向性天線代替原天線時所對應(yīng)饋入得等效功率。EIRP 表示發(fā)送功率和天線增益的聯(lián)合效果，用它作為系統(tǒng)參數(shù)來研究衛(wèi)星系統(tǒng)會帶來方便，尤其是用于估算接收站對某一載波的接收功率非常方便。

EIRP 是表征地球站或轉(zhuǎn)發(fā)器的發(fā)射能力的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。這一指標(biāo)值越大，則該站或轉(zhuǎn)發(fā)器的發(fā)射能力越強(qiáng)。

1.2 載波功率與噪聲功率比

衛(wèi)星通信線路中的載波功率與噪聲功率之比簡稱載噪比，它是決定衛(wèi)星通信線路性能最基本的參數(shù)之一。

信號在傳輸過程中會發(fā)生各種損耗，并受各種噪聲干擾。大家最關(guān)心的是衛(wèi)星或地球站接收機(jī)輸入端的載噪比，用C/N 表示。根據(jù)通信距離方程并考慮到傳輸過程中降雨（La）、大氣折射（Lde，Ldi）、天線跟蹤誤差（LTr）、極化誤差（Lp）等引起的損耗，以及接收系統(tǒng)饋線的損耗（LF），接收機(jī)輸入端的載波功率C 為：

式中，L 為全部傳輸損耗。

以接收機(jī)輸入端為參考點(diǎn)的接收系統(tǒng)等效噪聲功率N 為：

所以接收機(jī)輸入端的載噪比為：

用分貝值表示，且應(yīng)用［EIRP］的概念，則：

1.3 門限載噪比［C/N］th 或［C/T］th

解調(diào)器輸出的被恢復(fù)的基帶信號質(zhì)量的好壞，通常模擬制用信噪比（S/N）、數(shù)字制用誤碼率（Pe）或誤比特率（Pb）作為最基本的度量。而其好壞，在設(shè)備一定的條件下，取決于解調(diào)器輸入端的載噪比。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)計或分析中，門限載噪比的含義常是：為保證用戶接收到的話音、圖像和數(shù)據(jù)有必要的質(zhì)量，接收機(jī)所必須得到的最低載噪比。也就是說，這時對接收機(jī)收到的信號進(jìn)行解調(diào)后能有起碼的信噪比或誤比特率。對于模擬制多路電話衛(wèi)星通信線路情況，通常把最低通路的［S/（N+D）］w 值為43 分貝（加權(quán)值）時的輸入［C/N］值作為門限電平。又如數(shù)字電話，若采用2PSK 或QPSK 方式調(diào)制，則通常以誤比特率為10-3（DM）或10-4（PCM）所對應(yīng)的［C/N］或［Eb/n0］（能量Eb=C.是每比特的持續(xù)時間）為門限電平。

1.4 地理增益

地理增益：一顆衛(wèi)星與若干地球站構(gòu)成一個衛(wèi)星通信系統(tǒng)，各地球站處于不同的地理位置，故分別處于衛(wèi)星天線波速的不同輻射方向上，但它們的天線總是對準(zhǔn)衛(wèi)星的，即便相同的工作頻率、天線尺寸，但由于各地球站與衛(wèi)星的距離不同，它們天線的仰角也不同，因而傳輸耗損L 就不同，天線噪聲溫度Ta也不同；又由于各站處于衛(wèi)星天線波束的不同方向上，它們接收所對應(yīng)的衛(wèi)星其實(shí)［EIRP］s 就不同，并且通常不是最大值（只有在衛(wèi)星波束最大輻射方向才是其最大值）。同樣，在計算衛(wèi)星接收系統(tǒng)的載噪比時，其接收天線增益也是方向的函數(shù)。

1.5 傳輸耗損

電波在衛(wèi)星通信的上行或下行線路中傳輸時，主要應(yīng)考慮自由空間傳播損耗，此外，還應(yīng)考慮大氣損耗、天線跟蹤誤差和極化方向誤差所引起的損耗等。

1.5.1 自由空間傳播損耗Lf

自由空間傳播損耗表示由于電波在自由空間以球面波形式傳播，電磁能量擴(kuò)散在球面上，而接收點(diǎn)只能接收到其中一小部分。

1.5.2 大氣損耗La

C 波段電波在晴天通過大氣層產(chǎn)生的吸收損耗情況如表1 所示。

表1 服務(wù)器配置 （dB）

表1 給出了天氣晴好條件下，C 波段通過大氣層的損耗值，在天氣情況較差的條件下，考慮到對流層中雨霧云雪的影響，損耗強(qiáng)度可采用如下公式估算：

損耗強(qiáng)度（雪）=7.47×10-5f·I（1+5.77×10-5f3I0.6）（dB/km）

其中，頻率單位為GHZ，降雨強(qiáng)度為（mm/h），即每小時在單位容器中的積水高度（mm），通常在15GHZ 以下，中等強(qiáng)度（4mm/h）以上的雪才有影響。此外，在低仰角情況下還需考慮大氣閃爍導(dǎo)致電磁波的漫散射。在設(shè)計衛(wèi)通鏈路時，對系統(tǒng)衰減數(shù)值可參考上表測得的損耗情況，結(jié)合降雨備余量給出門限備余量。

1.6 天線方向跟蹤誤差損耗LTr

由于星體漂移、大氣折射、天線波束指向起伏以及天線跟蹤系統(tǒng)跟蹤精度等原因，天線指向會偏離理論方向，考慮到天線波束一般很窄，因此，真正指向衛(wèi)星方向上的天線增益并不是天線增益的最大值，類似于信號在天線指向上發(fā)生了衰減，這種損耗稱為跟蹤誤差損耗，公式表示如下：

LTr為天線跟蹤精度損耗，G（o）為地球站天線指向?qū)?zhǔn)衛(wèi)星時，衛(wèi)星（或地球站）天線接收到的信號功率增益，θ 為天線偏離理論方向角度值，通常情況下G（θ）可采用如下計算求得：

2 有效的解決辦法

船載衛(wèi)星通信中，一旦信道質(zhì)量變差，影響接收信噪比時，可以通過提高跟蹤精度、增加發(fā)射功率來改善通信質(zhì)量，考慮到改進(jìn)伺服結(jié)構(gòu)的困難性及星上轉(zhuǎn)發(fā)器的行波管放大器功率非線性，必須從其他方面提高通信質(zhì)量，使得在信道變壞的情況下仍然能夠?qū)崿F(xiàn)可靠通信。

2.1 調(diào)制方式

數(shù)字衛(wèi)星通信的系統(tǒng)的調(diào)制方式選擇應(yīng)綜合考慮多方面因素，主要包括衛(wèi)星頻帶與功率的有效利用、帶限與遲延失真、熱噪聲、鄰近信道干擾、同信道干擾、行波管放大器等器件相位和幅度非線性影響、衛(wèi)星工作頻點(diǎn)、同步電路、設(shè)備功能實(shí)現(xiàn)難易、容許Eb/n0下降程度等。

衛(wèi)星信道屬于帶限非線性信道，在寬帶信道條件下應(yīng)優(yōu)先考慮MSK（最小頻移鍵控）及OQPSK（交錯四相移相鍵控），在帶寬較窄（系統(tǒng)3 分貝帶寬與碼符持續(xù)時間的乘積BT＜1）時，QPSK 調(diào)制較MSK 調(diào)制對峰值調(diào)幅調(diào)相變換系數(shù)增加不敏感，性能較好。故采用QPSK 調(diào)制方式為優(yōu)。

2.2 差錯控制

衛(wèi)星通信信號的衰減主要存在于遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)，衛(wèi)星有效載荷最大化是信號不發(fā)生畸變的重要保證?？紤]到衛(wèi)星功率受限，其信號不可能提供太大能量，因此采取差錯控制技術(shù)，保證誤碼率在允許范圍內(nèi)，提高通信容量。

衛(wèi)星信道屬于無記憶高斯白噪聲信道，差錯是隨機(jī)出現(xiàn)的，但也會出現(xiàn)少量突發(fā)性錯誤。對于編碼約束長度不長或誤比特率要求不高時，可采用Veterbi 碼糾錯，對于突發(fā)性干擾，可通過交織編碼技術(shù)來糾正突發(fā)性錯誤圖樣。

Turbo 碼應(yīng)用了香農(nóng)信道編碼定理中的隨機(jī)譯碼條件，具備接近香農(nóng)理論極限譯碼性能。在信噪比較低的高斯噪聲環(huán)境下性能優(yōu)越，具有很強(qiáng)的抗衰落干擾能力。只要時延和復(fù)雜度允許，Turbo 碼可以在移動信道的惡劣條件下接近極限通信能力，在通信雙方設(shè)備均支持Turbo 編解碼方式下，以采取Turbo 碼方式為優(yōu)。

3 結(jié)語

衛(wèi)星通信是保障遠(yuǎn)洋船舶日常通信和船舶行駛安全的重要方式，通信質(zhì)量的好壞對船舶影響很大。本文主要是對一些影響衛(wèi)星通信質(zhì)量因素的總結(jié)，并提出了一些能提高通信質(zhì)量的辦法。