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1、“动中通”卫星通信链路分析研究 摘 要：本文针对通信卫星“动中通”系统为研究对象，从其结构的组成，发展现状和影响卫星链路的因素等为对象进行介绍和分析，详细的从结构、功能等方面探讨。“动中通”卫星主要是由天线、馈源、反射面和转轴这几部分组成的。为了能更好评估卫星信号的好坏，需要长时间的监视观测，通过观测数据研究卫星链路传输的性能；通信卫星“动中通”在链路的传输上，实现了Ku频段的链路传输特性，通过自动检测系统代替了以往人工测量的方式，通过自动检测系统的精确测量，和以往人工测量相比，大大减小了数据误差，提高了测量的精确度并提高了工作效率，节省了人力资源。关键词：Ku频段；卫星通信；链路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年到现在，卫星的发展取得了翻天覆地的变化，各种类型和功能的卫星被研发出来并应用起来，而卫星通信作为其中最为重要的一个分支，在通信领域起到
7、了重大的作用。卫星通信不但具有保密性，还具有低成本的优势；在进行通信时，不但可以传输数据、图像等功能，还可以实现视频通话。至此，对于一些山区、农村、海洋等无法实现通信的地段，都能在卫星作用下实现，鉴于车辆、船舶在卫星通信时的重要作用，被称为“动中通”。 “动中通”卫星通信系统已经广泛应用于军事行动、物流管理、长途交通运输、新闻采访等领域。其功能也逐渐完善，在给高速运动中的车辆提供的卫星通信链路中，不仅可实现话音、视频传输业务，还可进行高速Internet网接入，拥有良好的发展前景。 和传统的VSAT卫星相比，USAT卫星通信口径的大小都是在0.6m以下的，并且设备具有小型化，质量轻等多种特点，
8、完全能满足“动中通”的要求。对于“动中通”的通信频段来说，现在还是以USAT为主的，Ka频段相对现在来说还不能大规模的应用，可能在未来的通信中会逐渐慢慢的向Ka频段转型。图1 “动中通”卫星通信系统的系统框图从图1.1中可以看出，“动中通”卫星系统的组成包括很多方面的协调，只有在各个分系统协调作用时，才能使“动中通”卫星通信系统正常工作。 1 动中通卫星通信调制方式分析调制在通信系统中有着重要的作用，它在很大程度上影响通信系统的质量。本节首先分析卫星通信信道的一些基本特征，从而决定对调制方式的选择。1.1 调制方式分类卫星通信通道属于带宽受限信道，也属于功率受限通道，其传输带宽受到信道传播特性
9、和系统使用频率的影响，对于功率放大器的要求很高。其在通信时的干扰和噪声受到电磁环境的影响，并且，卫星通道要有较高的频带利用率，调制技术的好坏直接影响到了功率利用率和频带利用率，对卫星通信也有着重要的作用。所谓功率利用率是指为达到一定的BER所需的最低归一化信噪比值。频带利用率指1系统Hz带宽所能传输的信息速率(单位为bit/Hz)，即=Rb/B。根据分析可知，卫星通信调制方式目前主要有两类，分别是：功率有效调制和频谱有效调制。1.2 调制对功率和频谱的计算 卫星调制方式计算就是通过计算决定选择一种适当的调制方式，能够兼顾卫星频带利用率和功率利用率。本节将从相移和幅度调制进行分析计算： （1）M
10、ASK 时域上M进制幅度键控信号表达式： （1-1）等概取(2m-1-M), m=1, 2, , M。A表示载波幅度。（2） MFSK频率键控信号： （1-2） 为与对应的载波频率的偏移。 （3）MPSK相移键控信号，又可分为绝对相移和相对相移键控，本文主要考虑的是绝对相移键控信号。 (1-3)通过码元信息调控的是相位参数。MPSK其中最为常见并在卫星通信中广泛使用的是QPSK：四相绝对移相调制。QPSK属于多进制调制，误码率较低，QPSK 调制分为A和B两种方式调制，如下表1所示。表1 双比特码元与载波相位的关系双比特码元载波相位（度）AbA方式B方式00101101QPSK调制波形表达式为
11、：（1-4） 式中，受调相位，可以有4种取值。（4）MQAM调制多进制正交混合调幅调相信号 MQAM信号时在MPSK信号基础上改进，克服了其随调制阶数增加，误码率增加的问题。其信号表达式为： （1-5） QAM信号调制是两路正交信号的和，通过正交信号实现并行数字信息传输特点。1.3 仿真分析 根据具体情况，并利用matlab对其进行仿真分析，制定四种调制方式来绘制误码率和信噪比的关系曲线，其决策方式如下：对于自适应调制方式的情况来说，其决策系统的方式主要是对调制集合来分析，在进行判决的，我们将调制集合设置为2FSK,BPSK,QPSK,16QAM，此时的判决如下：分析此时的信道情况是否存在，要
12、是符合，此时的调制方式不满足误码率要求的情况，此时的信噪比非常小，为了进行通信，将通过信道编码进行，这时的调制不能发送出去，需要调制之后在进行。对于以上四种情况，我们作出matlab仿真图来加以说明。如图2所示：图2 调制方式转换门限的设定2 扩频因子对卫星通信的影响 扩频因子对卫星通信的两个干扰指标分别是为处理增益即扩频增益和干扰容限。2.1处理增益 扩频系统的处理增益定义为解扩器的输出与输入信噪比的比值，可表示为： （2-1）处理增益也可定义为扩展频谱后的信号带宽和扩展频谱前信号带宽之比，可表示为： （2-2）其中伪随机序列的长度为，伪码的带宽为 ，基带信息的带宽为，基带码元的宽度为 ，基
13、带码元的速率为 ，伪码码元的宽度为，伪码速率为。由此可知越大，处理增益就越大，抗干扰能力就越强。处理增益亦可用dB的形式表示 （2-3） (2-4) (2-5) 其中 N 为伪随机序列的级数。在“动中通”卫星通信系统中，提高扩频处理增益有两种方式：降低基带信息速率；提高伪码的传输速率。2.2 抗干扰容限干扰容限是表明，当一个扩频通信系统需要正常工作时，解扩器输入端的噪声与信号两者的功率比的数值不能大于干扰容限，其公式为 （2-6）式中，为系统的干扰容限，为系统的损耗，为系统的处理增益，为系统相关解扩后的信噪比，以上指标的单位都dB。干扰容限很直观的反映出了卫星系统所能承受的干扰强度的极限，因此
14、相比较处理增益而言，干扰容限更能表现出系统的抗干扰能力。3 “动中通”卫星链路分析3.1 卫星信噪比的影响假定自由空间中有一个发射源，向各方向辐射的总功率为瓦特。这种发射源称为各向同性源，在距离发射源R米处穿过球面的通量密度为： （3-1）动中通卫星一般设置了实际天线，实际天线的增益定义为每单位立体角在方向的辐射功率和每单位立体角平均辐射功率的比值，即： (3-2) 其中，是天线每单位立体角的辐射功率 是天线的总辐射功率 是天线在角方向的增益假设发射机输出功率为，采用无损天线，天线增益为，则天线视轴方向上距离R处通量密度为: （3-3）乘积项通常称为有效全向辐射功率或EIRP，他将发射功率和天
15、线增益结合起来，表示一个功率为瓦特的等效各向同性源。“动中通”卫星的一个基本关系式是天线增益和面积之间的关系式，即： (3-4)是工作频率对应的波长，单位为米。根据以上公式可以求导出著名的链路方程，它是计算无线链路接收功率的关键表达式： (3-5)在上式中出现了频率项（即波长),这是因为表达式 中采用的是接收天线增益，而不是有效面积。表示路径损耗。表示的并不是由于功率吸收而产生的损耗，而是指能量作为一种电磁波在三维空间中传播所造成。综上所述，我们可以写出的损耗： （3-6）通信系统一般利用分贝量简化表达式，故式(4-6)可以表示为: (3-7)其中， 路径损耗 3.2 上行链路设计上行链路天线
16、直径为2.4m，孔径效率为68%。14.248GHz 时波长为0.021m。 天线增益为：自由空间路径损耗为。“动中通”卫星的转发器增益与接收系统噪声温度是以增益噪声温度比这个参数给出的，所以我们把上行链路功率预算和噪声功率预算的计算合为上行链路载噪比的预算，如下表所示：表2 上行链路载噪比预算参数含义数值地面站发射功率9.54dBW地面站天线增益49.4dBK玻尔兹曼常数228.6dB/K/HzC_rate/2/FEC MHz-57dBHz自由空间路径损耗-207.22dB卫星的增益噪声温度比4.6dB其他损耗-1dB上行链路的载噪比29.63dB3.3 下行链路设计表3 下行链路噪声功率预
17、算参数含义数值玻尔兹曼常数-228.6dB/K/Hz140K21.5dBC_rate/2/FEC MHz57dBHz下行链路噪声功率-150.1dBW下行链路天线直径为2.4m，孔径效率为68%。12.5GHz 时波长为0.024m。天线增益为：12.5GHz 时的自由空间路径损耗为。由于转发器输出补偿为1dB，所以输出功率比EIRP（51.6dB）低1dB。即EIRP=50.6dBW。表4 下行链路信号功率预算参数含义数值EIRP转发器发射功率50.6dBW地面站天线增益48.26dB自由空间路径损耗-206.1dB其他损耗-0.8dB接收功率-108.04dBW-78dBm所以，地面站接收
18、机的需要的灵敏度为-78dBm。由于低噪声放大器的增益为60dB，则信号进入到解调器的功率为-18dBm，这个值远大于卫星调制解调器的输入功率下限。满足调制解调器的输入指标。下行链路的载噪比为。4 Ku频段卫星通信链路举例论证目前为止，卫星通信系统中主要采取Ku频段链路，因此我们需要对Ku频段链路有一个详细的了解。在此，我们对Ku频段系统做一个链路计算来增加其了解，并研究计算中卫星增益对链路造成的影响。4. 1 卫星系统的参数假设此时我们根据卫星的轨道位置和频段做出假设，卫星位置在100.5E，采用Ku频段的VSAT为运行系统，此时的通信网为星状，其中主站6.0m，远站1.8m，具体参数设置如
19、下：卫星参数： 工作频率 接收14.105GHz 发射频率 发射12.305GHz 饱和EIP 48dBw 饱和通量密度( W) -72-94dBw/ -1.2dB/K 输出补偿(OBO) 4.5dB 输入补偿(IBO) 9.0dB 每天线增益(Gas) 44.5dB地球站工作参数： 工作频率 发射14.105GHz 发射 12.305GHz 天线口径 6.0m(主站) 1.8m(远端站) 32.6dB/K(主站) 22.1dB/K(远端站) 位置 经度112.4E 纬度 31.2N上行线路径损耗(Lup) 206.9dB下行线路径损耗(Ldn) 205.7dB4.2 卫星增益此时对于卫星增益
20、的计算可以以下公式计算得出：其中，在范围内，饱和通量密度以2dB步级变化。4.3 链路计算 卫星链路由下列方程组计算： 上式参数，：代表了转发器对链路的全向等效辐射功率 K：表示波兹曼常数 B：表示带宽 (C/I)：载波干扰比经过计算可得，链路设计的目标值 (C/N)=10.2dB。5 “动中通”卫星链路增益对于“动中通”卫星来说，当其链路总值确定后，上行线的值会随着卫星增益的增大而减小，下行线的值正好相反，如图6-1所示；在值很高时，上行线值常常由总值的大小所决定的。通过计算得出，为了达到同样的目标，卫星转发器提供的随着增益的增大而增大，如图6-2所示；当卫星转发器提供的逐步增加时，上行线的
21、值下降缓慢，下行线的值则几乎成本增加。在卫星增益很大时，上行线的无限接近总值，此时的，故下行线的增加对整体意义不大。虽然卫星增益的提高，能使地球站发射的降低，但当与曲线相交后，随卫星增益的增加，地球站发射的下降变得缓慢，如图6-3所示，此时，对整个系统来说得益不多。表5 增益测量数据表（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
22、.6818143.1416.3112.9114.5218342.3117.5712.2215.6218541.7719.1411.7616.5718741.0920.8911.3717.5118940.8522.6511.1618.2819140.8024.6010.9018.93图3 卫星增益C/N关系曲线图4 卫星增益关系曲线图5 卫星增益关系曲线6 结束语为了更好的设计卫星天线系统，这就要求研究人员综合多方面的知识对其研究，注重细节，认真分析主站和远站作用，并对其进行链路计算。 本论文对卫星的链路进行了计算，在链路计算的时候应考虑到下述的几点要求：(1)对系统进行设计时，要合理考虑各方面
23、的影响，不能一味的追求卫星转发器的高增益，要结合地球站的增益情况选择高增益还是低增益，这样能够节省卫星的功率资源；(2) 对要合理应用，并要保证地球站的留有余量来应对降雪的情况。(3) 对于卫星天线口径的选择，要根据实际情况进行选择，要综合地球站的、C/T值、卫星增益等来进行计算，得出适当的口径尺寸。参考文献：1 王秉均，王少勇，田宝玉等现代卫星通信系统M.电子工业出版社，2004.2 吴波洋Ku 邻星在 0.5轨位间隔的共存可能性探讨J中国无线电管理，2001.11：35-373 吴诗其，吴廷勇，卓永宁卫星通信导论M电子工业出版社，2006.8.4 储钟沂，桑逾方，张维瑾等数字卫星通信M.机械工业出版社，2006.15 冯加骥通信系统中邻星干扰协调技术的研究D硕士学位论文南京邮电大学，2009.36 李晓明，吴力夫，徐帮保等C 波段广播电视传输信号邻星干扰分析及验证J.广播与电视技术，2009.10：91-94.
