數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能研究范文

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隨著人們需求的不斷增加，C頻段與Ku頻段中的業(yè)務(wù)也越來(lái)越多，更高頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的使用已經(jīng)迫在眉睫，因此，Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，以滿足當(dāng)前日益提升的應(yīng)用需求。Ka頻段衛(wèi)星通信有被普遍成為寬帶交互衛(wèi)星與多媒體衛(wèi)星，具有容量大、寬帶大、尺寸小、束波窄、抗擾強(qiáng)、衛(wèi)星多等多方面優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)特點(diǎn)

Ka頻段衛(wèi)星是當(dāng)前比較先進(jìn)的衛(wèi)星系統(tǒng)，能夠?qū)VB/IP進(jìn)行支持，從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星電視與高速網(wǎng)絡(luò)之間的相互結(jié)合，為用戶提出更加直接的寬帶與窄帶業(yè)務(wù)，具有很多應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。但與此同時(shí)，Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)也有一些不足之處，因?yàn)轭l率相對(duì)較高，會(huì)造成其降雨衰減較大，與傳統(tǒng)的C頻段與Ku頻段相比，Ka頻段會(huì)受到更大的噪聲、去極化以及雨衰等因素的影響，且對(duì)相關(guān)器件與工藝的要求也相對(duì)較高。在運(yùn)用Ka頻段衛(wèi)星進(jìn)行通信的過(guò)程中，大氣層中含有的水汽、氧氣等因素會(huì)使得衛(wèi)星信號(hào)產(chǎn)生正常耗損以外的衰減，如果這些問(wèn)題產(chǎn)生作用，就會(huì)對(duì)信號(hào)的幅度、極化等方面造成變化，進(jìn)而使信號(hào)的錯(cuò)誤率提升，影響信號(hào)質(zhì)量。運(yùn)用Ka頻段進(jìn)行衛(wèi)星通信的過(guò)程中，需要解決以下3方面的問(wèn)題：（1）解決信號(hào)雨衰；（2）研制相應(yīng)的星上處理器；（3）確保數(shù)據(jù)不發(fā)生過(guò)度延遲。而在降雨環(huán)境下，雨衰與信道編碼會(huì)對(duì)Ka頻段衛(wèi)星信號(hào)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響。

2降雨環(huán)境下雨衰對(duì)系統(tǒng)的影響

2.1雨衰影響在降雨環(huán)境下，電波如果通過(guò)降雨區(qū)域，會(huì)被雨區(qū)中的水滴散射與吸收，從而使電波產(chǎn)生衰減。在這個(gè)過(guò)程中，雨滴的大小與波長(zhǎng)會(huì)在很大程度上對(duì)雨衰值產(chǎn)生影響，而降雨率則是影響雨滴大小的主要因素。因影響雨滴模型的因素較多，世界各地各不相同，因此，雨衰值在估算過(guò)程中也會(huì)受到很多因素的制約，工作內(nèi)容十分復(fù)雜。相較于C頻段，Ku與Ka頻段中的雨衰主要會(huì)對(duì)衛(wèi)星電視廣播產(chǎn)生很大程度上的影響。根據(jù)實(shí)際調(diào)查，Ka頻段在很短的時(shí)間內(nèi)，其衰減數(shù)值非常高，這種衰減會(huì)造成廣播線路暫時(shí)性的中斷，所以，在對(duì)Ka頻段進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要對(duì)雨衰影響進(jìn)行優(yōu)先考慮。

2.2雨衰特性從Ka頻段中雨衰預(yù)測(cè)與雨衰等值等相關(guān)數(shù)據(jù)中，可以分析出我國(guó)雨衰的相關(guān)特性，具體有以下3個(gè)主要方面。

2.2.1降雨強(qiáng)度影響降雨的強(qiáng)度是對(duì)雨衰值產(chǎn)生影響的最主要因素，我國(guó)幅員遼闊，氣候多樣，每一個(gè)氣候區(qū)中的降雨強(qiáng)度都有所不同，因此，雨衰值根據(jù)地域的不同，有著鮮明的地域分布，由此可見(jiàn)，降雨強(qiáng)度對(duì)雨衰值的作用不容忽視。

2.2.2地球站天線仰角影響在地球站中，其天線的仰角在很大程度上左右著電波斜路徑長(zhǎng)度，決定天線仰角的因素主要有衛(wèi)星位置與地球站位置兩方面。對(duì)雨衰來(lái)說(shuō)，衛(wèi)星仰角的影響主要體現(xiàn)在以下2方面：（1）如果地球站海拔高度大體相同，則仰角與斜路徑長(zhǎng)度呈現(xiàn)反比例關(guān)系，即仰角越大，斜路徑長(zhǎng)度越短，從而導(dǎo)致雨衰減小；仰角越大，斜路徑長(zhǎng)度越長(zhǎng)，雨衰增大。（2）如果地球站經(jīng)緯度大體相同，則仰角與斜路徑長(zhǎng)度呈現(xiàn)正比例關(guān)系，即仰角越大，斜路徑長(zhǎng)度越長(zhǎng)，雨衰增大；仰角越小，斜路徑長(zhǎng)度越短，雨衰減小。

2.2.3頻率影響該影響主要出現(xiàn)在ITU-R預(yù)報(bào)模式中，在該模式下，頻率與雨衰值呈現(xiàn)正比例關(guān)系。其原因在于頻率的不斷增高使其與雨滴的大小愈加接近，在很大程度上提升了雨滴吸收與散射電磁波的程度，從而使降雨衰減增大。

2.3補(bǔ)償方法當(dāng)前，主要的雨衰減補(bǔ)償方法有以下幾種：（1）位置分集。雨衰較大的地區(qū)主要存在于天線仰角低或降雨較多的地方，而空間分集是相對(duì)有效的補(bǔ)償方法。這種方法通過(guò)在特定位置設(shè)置地球站的方式，將雨衰較大的地區(qū)切換到雨衰較小的地球站完成通信。（2）頻率分集。由上文可知，頻率與雨衰值呈現(xiàn)正比例關(guān)系，而頻率分集便是利用這一特點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)模\(yùn)用高波段實(shí)現(xiàn)絕大多數(shù)業(yè)務(wù)的傳輸，低頻段則進(jìn)行輔助傳輸，解決受雨衰影響且在一定門(mén)限之上的鏈路。（3）UPC。該方式主要通過(guò)上層鏈路的雨衰情況對(duì)地球站發(fā)生電平進(jìn)行有針對(duì)性的調(diào)整，從而降低降雨所消耗的電波信號(hào)，確保衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器所接收到的信號(hào)與晴天時(shí)大致相同[3]。從當(dāng)前情況來(lái)看，UPC是現(xiàn)階段最為經(jīng)濟(jì)的抗雨衰方式。（4）自適應(yīng)編碼。在該系統(tǒng)中，信號(hào)發(fā)射裝置主要由信道編碼器與速率調(diào)節(jié)器兩部分構(gòu)成，需要注意的是，這2部分都是可調(diào)的。通過(guò)該技術(shù)，能夠在很大程度上改善Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)在降雨環(huán)境下所產(chǎn)生的鏈路性能惡化。

3降雨環(huán)境下信道編碼對(duì)系統(tǒng)的影響

在Ka頻段進(jìn)行數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程中，會(huì)因?yàn)樾诺纻鬏敳缓没蛴晁サ纫蛩氐挠绊懀蛊涫艿降男盘?hào)發(fā)生錯(cuò)誤。為了提升其通信可靠性，最大程度上降低信道中產(chǎn)生的干擾和噪聲，需要以一定的規(guī)律為基礎(chǔ)，在將要發(fā)送的信息中適當(dāng)?shù)募尤胍恍┍O(jiān)督碼元，在接收過(guò)程中，可以通過(guò)這些監(jiān)督碼元之間存在的規(guī)律，對(duì)信號(hào)傳輸中的差錯(cuò)進(jìn)行及時(shí)有效的發(fā)現(xiàn)與糾正，從而達(dá)到提升信息傳輸?shù)目煽啃缘哪康摹?duì)于數(shù)字通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其編碼技術(shù)主要有信源與信道兩種編碼技術(shù)，其中，前者能夠提升信息傳輸過(guò)程中的有效性，而后者能夠提升信息傳輸過(guò)程中的可靠性。信道編碼有被稱為差錯(cuò)控制編碼，能夠通過(guò)一定規(guī)律，在一定程度上提升信號(hào)冗余度，從而讓信號(hào)具備一些錯(cuò)誤檢測(cè)與糾正能力。當(dāng)前主要的信道編碼技術(shù)有以下3種。

3.1檢錯(cuò)重發(fā)接收端在接收信號(hào)的過(guò)程中，一旦檢測(cè)出信號(hào)碼元中存在錯(cuò)誤碼，就會(huì)對(duì)發(fā)送端發(fā)出信號(hào)，讓其重新發(fā)送，直到準(zhǔn)確接收為止。而對(duì)出錯(cuò)碼的檢測(cè)，主要指的是已經(jīng)明確在所有的接收碼元中，存在若干個(gè)錯(cuò)誤碼元，但其具體位置無(wú)法確定。需要注意的是，運(yùn)用這種方法需要具有雙向信道，接收端與發(fā)送端都能夠得到消息。

3.2向前糾錯(cuò)信號(hào)接收端不僅需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)接收信碼中的錯(cuò)誤碼，還需要對(duì)錯(cuò)誤碼進(jìn)行及時(shí)糾正。在二進(jìn)制系統(tǒng)中，一旦確定了錯(cuò)誤碼的位置，就可以對(duì)其進(jìn)行糾正。該方法與檢錯(cuò)重發(fā)法不同，不需要具備反向信道，也避免了重復(fù)發(fā)送所造成的時(shí)間延誤，具有很好的實(shí)時(shí)性。但其缺點(diǎn)在于設(shè)備相對(duì)復(fù)雜。

3.3反饋校驗(yàn)在接收到信號(hào)以后，還要將信碼重新返回發(fā)送端進(jìn)行校驗(yàn)，比較源信碼，如果在這個(gè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)差異，則需要重新發(fā)送。該方法無(wú)論從原理方面看，還是從設(shè)備方面看，都相對(duì)簡(jiǎn)單，但與檢錯(cuò)重發(fā)法一樣，都需要具有雙向信道。由于該方法每一個(gè)信碼都需要進(jìn)行2次傳送，因此與向前糾錯(cuò)法相比，傳輸效率相對(duì)較低。無(wú)論哪一種信道上，都會(huì)不同程度上存在各種各樣的干擾，這些干擾會(huì)使信號(hào)在傳輸中出現(xiàn)誤碼，進(jìn)而影響數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能，想要對(duì)這些誤碼進(jìn)行檢測(cè)與糾正，就需要運(yùn)用信道編碼。在Ka頻段信道中，不僅存在加性干擾，還存在乘性干擾，前者是通過(guò)白噪聲引起的，后者是通過(guò)衰落引起的。白噪聲會(huì)使傳輸信號(hào)產(chǎn)生隨機(jī)性錯(cuò)誤，衰落會(huì)使傳輸信號(hào)產(chǎn)生突發(fā)性錯(cuò)誤。所以在Ka頻段系統(tǒng)中，通過(guò)信道編碼對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行差錯(cuò)控制是很有必要的。

4結(jié)語(yǔ)

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用，衛(wèi)星通信信道也越來(lái)越擁擠，Ka頻段是一種頻率較高的頻段，是衛(wèi)星通信系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展過(guò)程中的必經(jīng)之路。雨衰與信道編碼都會(huì)在一定程度上對(duì)Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響，值得進(jìn)行更加深入的研究。

作者：孟祥輝 單位：國(guó)家新聞出版廣電總局無(wú)線局五四二臺(tái)