卫星数传信道设计研究
2014-07-01严林张蕾侯小瑾宋紫溪
严林+张蕾+侯小瑾+宋紫溪
【摘要】 在星地数传信道设计中，面临很多影响数据完整性的因素。本文主要对卫星星地数传信道中的各项影响因素进行分析，在分析基础上对数传信道设计中的参数给出了计算方法。
【关键词】 数传 信道设计 研究
一、引言
数据传输，简称数传。数据传输分系统实现的功能是将载荷数据按照一定的规则进行处理后，通过星上发送天线传输到地面。卫星数传信道，是指由星上数据发送天线至地面接收天线的传输链路。
数传信道设计目的是在两个通信点之间建立最可靠和高效的传输链路。信号达到地面站时，需具有足够的电平，且载噪比■足够大。需考虑两方面的问题：在已知星地参数的基础上，计算信道的传输能力；已知卫星参数，根据传输的既定性能要求，来确定地面参数。
二、影响数传信道的各项因素分析
等效全向辐射功率EIRP表征了卫星的信号发送能力，它为发射机发射功率与发射天线增益的乘积EIRP=P×G。一般喇叭天线和抛物面天线的增益可按如下计算：G=■η。其中A为天线口面积m2，λ为波长，η为天线效率。品质因数■表征了地面天线的接收能力（接收系统的灵敏度），是接收天线增益与接收系统噪声性能的比值。信道中存在的影响因素如下：
2.1 空间因素
2.1.1 自由空间传播损耗
这是空间因素中造成信号衰减的最主要原因。从星上天线辐射出的能量可看做球面分布，其损耗可表达为：
Ls=10lg（4πd/λ）2=92.45+20lgd+20lgf
式中单位，星地距离d，发射频点f。星地距离为40000千米时的自由空间传播损耗Ls约为200dB。
2.1.2 大气损耗
包括大气吸收损耗和雨衰，是由大气中水分子和氧分子对电波的吸收造成的，与频率成正比。当地面接收天线仰角大于5°时，水蒸气损耗可忽略。低仰角时需考虑大气折射和水蒸气的影响。低频时电离层的吸收会造成通信闪烁。
降雨的雨粒吸收和散射造成电波衰减，称为雨衰。影响体现为：使天线噪声温度增加，■值减小；增加卫星传输路径损耗。如信道在L或S波段，则雨衰不会造成严重影响。对于Ka波段，会造成很大信道衰减，从而削弱链路能力。必须进行雨衰补偿。
2.1.3 大气折射
会对信号起到凹透镜的作用，使信号电波发生极小散焦衰减。在地面仰角大于5°时，衰减小于0.2dB。大气散射会造成散射衰落，但损耗小可忽略。
2.1.4 大气闪烁
大气折射造成的电波强度变化称为大气闪烁。例如：天线口径为12m，仰角为5°时，信号强度的起伏0.6dB。系统低仰角工作时应考虑大气折射和大气闪烁造成的影响。
2.1.5 大气吸收
是由信号穿过大气层时要受到电离层中自由电子和离子、对流层中氧分子水分子的吸收造成的。与信号频率、天线波束的仰角以及天气密切相关。
2.1.6 多普勒效应
当发射频率为f的卫星相对于静止地面站以相对速度Vr高速运动时，信号多普勒频移量为：Δf=■。频移量需要进行修正，此过程在地面站完成。
2.1.7 信道噪声
信道设计中，将内外噪声源功率等效为存在于接收机输入端的假想噪声源，噪声源功率pn为：pn=kTnB，k为波尔兹曼常数，B为接收机带宽，Tn为等效噪声温度（K）。在设计中，为克服噪声干扰，系统余量会留4～6dB。
2.2 星上因素
天线指向损耗、极化误差、EIRP值等，在信道设计时，需根据具体指标进行计算。
三、数传信道链路计算
根据以下参数和公式来进行链路计算。
发射频率、传输码速率[R]dB=60+10lg传输码速率（Mbit/s）、行放功率、发射天线增益、馈线损失、轨道高度、地面接收仰角（移动站7°固定站5°）、大气损耗和雨衰 （经验值2.3～3.3dB）、天线指向损耗（经验值0.5dB）、极化损耗（经验值0.5dB）、地面天线品质因数G/T 31～35、波尔兹曼常数228.6、理论Eb/N0（根据误码率计算）、设备损耗（调制 解调 滤波 非线性）（5.5dB）。
最远空间传输距离：D=■-REsinβ，RE为地球半径（6371km），h为轨道高度，β为接收天线仰角。空间传输损耗（路径损耗）=92.45+20lgD+20lgf。
接收到的Eb/N0：EIRP+G/T-（空间传输损耗+星上指向损耗+大气损耗+雨衰+指向损耗+极化损耗）+228.6-[R]dB。
需要的Eb/N0=理论要求的Eb/N0+设备损失。
星上的EIRP=TWTA输出功率（dB）-（隔离器损耗+波导开关损耗+波导组件损耗）+天线净增益+编码增益。
系统余量=实际接收到的Eb/N0-实际需要的Eb/N0。
接收到的载波信号噪声功率谱密度比（dBHz）=星上EIRP-路径损耗-大气损耗-极化损耗-指向损耗+地面站品质因素+波尔兹曼常数。endprint
【摘要】 在星地数传信道设计中，面临很多影响数据完整性的因素。本文主要对卫星星地数传信道中的各项影响因素进行分析，在分析基础上对数传信道设计中的参数给出了计算方法。
【关键词】 数传 信道设计 研究
一、引言
数据传输，简称数传。数据传输分系统实现的功能是将载荷数据按照一定的规则进行处理后，通过星上发送天线传输到地面。卫星数传信道，是指由星上数据发送天线至地面接收天线的传输链路。
数传信道设计目的是在两个通信点之间建立最可靠和高效的传输链路。信号达到地面站时，需具有足够的电平，且载噪比■足够大。需考虑两方面的问题：在已知星地参数的基础上，计算信道的传输能力；已知卫星参数，根据传输的既定性能要求，来确定地面参数。
二、影响数传信道的各项因素分析
等效全向辐射功率EIRP表征了卫星的信号发送能力，它为发射机发射功率与发射天线增益的乘积EIRP=P×G。一般喇叭天线和抛物面天线的增益可按如下计算：G=■η。其中A为天线口面积m2，λ为波长，η为天线效率。品质因数■表征了地面天线的接收能力（接收系统的灵敏度），是接收天线增益与接收系统噪声性能的比值。信道中存在的影响因素如下：
2.1 空间因素
2.1.1 自由空间传播损耗
这是空间因素中造成信号衰减的最主要原因。从星上天线辐射出的能量可看做球面分布，其损耗可表达为：
Ls=10lg（4πd/λ）2=92.45+20lgd+20lgf
式中单位，星地距离d，发射频点f。星地距离为40000千米时的自由空间传播损耗Ls约为200dB。
2.1.2 大气损耗
包括大气吸收损耗和雨衰，是由大气中水分子和氧分子对电波的吸收造成的，与频率成正比。当地面接收天线仰角大于5°时，水蒸气损耗可忽略。低仰角时需考虑大气折射和水蒸气的影响。低频时电离层的吸收会造成通信闪烁。
降雨的雨粒吸收和散射造成电波衰减，称为雨衰。影响体现为：使天线噪声温度增加，■值减小；增加卫星传输路径损耗。如信道在L或S波段，则雨衰不会造成严重影响。对于Ka波段，会造成很大信道衰减，从而削弱链路能力。必须进行雨衰补偿。
2.1.3 大气折射
会对信号起到凹透镜的作用，使信号电波发生极小散焦衰减。在地面仰角大于5°时，衰减小于0.2dB。大气散射会造成散射衰落，但损耗小可忽略。
2.1.4 大气闪烁
大气折射造成的电波强度变化称为大气闪烁。例如：天线口径为12m，仰角为5°时，信号强度的起伏0.6dB。系统低仰角工作时应考虑大气折射和大气闪烁造成的影响。
2.1.5 大气吸收
是由信号穿过大气层时要受到电离层中自由电子和离子、对流层中氧分子水分子的吸收造成的。与信号频率、天线波束的仰角以及天气密切相关。
2.1.6 多普勒效应
当发射频率为f的卫星相对于静止地面站以相对速度Vr高速运动时，信号多普勒频移量为：Δf=■。频移量需要进行修正，此过程在地面站完成。
2.1.7 信道噪声
信道设计中，将内外噪声源功率等效为存在于接收机输入端的假想噪声源，噪声源功率pn为：pn=kTnB，k为波尔兹曼常数，B为接收机带宽，Tn为等效噪声温度（K）。在设计中，为克服噪声干扰，系统余量会留4～6dB。
2.2 星上因素
天线指向损耗、极化误差、EIRP值等，在信道设计时，需根据具体指标进行计算。
三、数传信道链路计算
根据以下参数和公式来进行链路计算。
发射频率、传输码速率[R]dB=60+10lg传输码速率（Mbit/s）、行放功率、发射天线增益、馈线损失、轨道高度、地面接收仰角（移动站7°固定站5°）、大气损耗和雨衰 （经验值2.3～3.3dB）、天线指向损耗（经验值0.5dB）、极化损耗（经验值0.5dB）、地面天线品质因数G/T 31～35、波尔兹曼常数228.6、理论Eb/N0（根据误码率计算）、设备损耗（调制 解调 滤波 非线性）（5.5dB）。
最远空间传输距离：D=■-REsinβ，RE为地球半径（6371km），h为轨道高度，β为接收天线仰角。空间传输损耗（路径损耗）=92.45+20lgD+20lgf。
接收到的Eb/N0：EIRP+G/T-（空间传输损耗+星上指向损耗+大气损耗+雨衰+指向损耗+极化损耗）+228.6-[R]dB。
需要的Eb/N0=理论要求的Eb/N0+设备损失。
星上的EIRP=TWTA输出功率（dB）-（隔离器损耗+波导开关损耗+波导组件损耗）+天线净增益+编码增益。
系统余量=实际接收到的Eb/N0-实际需要的Eb/N0。
接收到的载波信号噪声功率谱密度比（dBHz）=星上EIRP-路径损耗-大气损耗-极化损耗-指向损耗+地面站品质因素+波尔兹曼常数。endprint
【摘要】 在星地数传信道设计中，面临很多影响数据完整性的因素。本文主要对卫星星地数传信道中的各项影响因素进行分析，在分析基础上对数传信道设计中的参数给出了计算方法。
【关键词】 数传 信道设计 研究
一、引言
数据传输，简称数传。数据传输分系统实现的功能是将载荷数据按照一定的规则进行处理后，通过星上发送天线传输到地面。卫星数传信道，是指由星上数据发送天线至地面接收天线的传输链路。
数传信道设计目的是在两个通信点之间建立最可靠和高效的传输链路。信号达到地面站时，需具有足够的电平，且载噪比■足够大。需考虑两方面的问题：在已知星地参数的基础上，计算信道的传输能力；已知卫星参数，根据传输的既定性能要求，来确定地面参数。
二、影响数传信道的各项因素分析
等效全向辐射功率EIRP表征了卫星的信号发送能力，它为发射机发射功率与发射天线增益的乘积EIRP=P×G。一般喇叭天线和抛物面天线的增益可按如下计算：G=■η。其中A为天线口面积m2，λ为波长，η为天线效率。品质因数■表征了地面天线的接收能力（接收系统的灵敏度），是接收天线增益与接收系统噪声性能的比值。信道中存在的影响因素如下：
2.1 空间因素
2.1.1 自由空间传播损耗
这是空间因素中造成信号衰减的最主要原因。从星上天线辐射出的能量可看做球面分布，其损耗可表达为：
Ls=10lg（4πd/λ）2=92.45+20lgd+20lgf
式中单位，星地距离d，发射频点f。星地距离为40000千米时的自由空间传播损耗Ls约为200dB。
2.1.2 大气损耗
包括大气吸收损耗和雨衰，是由大气中水分子和氧分子对电波的吸收造成的，与频率成正比。当地面接收天线仰角大于5°时，水蒸气损耗可忽略。低仰角时需考虑大气折射和水蒸气的影响。低频时电离层的吸收会造成通信闪烁。
降雨的雨粒吸收和散射造成电波衰减，称为雨衰。影响体现为：使天线噪声温度增加，■值减小；增加卫星传输路径损耗。如信道在L或S波段，则雨衰不会造成严重影响。对于Ka波段，会造成很大信道衰减，从而削弱链路能力。必须进行雨衰补偿。
2.1.3 大气折射
会对信号起到凹透镜的作用，使信号电波发生极小散焦衰减。在地面仰角大于5°时，衰减小于0.2dB。大气散射会造成散射衰落，但损耗小可忽略。
2.1.4 大气闪烁
大气折射造成的电波强度变化称为大气闪烁。例如：天线口径为12m，仰角为5°时，信号强度的起伏0.6dB。系统低仰角工作时应考虑大气折射和大气闪烁造成的影响。
2.1.5 大气吸收
是由信号穿过大气层时要受到电离层中自由电子和离子、对流层中氧分子水分子的吸收造成的。与信号频率、天线波束的仰角以及天气密切相关。
2.1.6 多普勒效应
当发射频率为f的卫星相对于静止地面站以相对速度Vr高速运动时，信号多普勒频移量为：Δf=■。频移量需要进行修正，此过程在地面站完成。
2.1.7 信道噪声
信道设计中，将内外噪声源功率等效为存在于接收机输入端的假想噪声源，噪声源功率pn为：pn=kTnB，k为波尔兹曼常数，B为接收机带宽，Tn为等效噪声温度（K）。在设计中，为克服噪声干扰，系统余量会留4～6dB。
2.2 星上因素
天线指向损耗、极化误差、EIRP值等，在信道设计时，需根据具体指标进行计算。
三、数传信道链路计算
根据以下参数和公式来进行链路计算。
发射频率、传输码速率[R]dB=60+10lg传输码速率（Mbit/s）、行放功率、发射天线增益、馈线损失、轨道高度、地面接收仰角（移动站7°固定站5°）、大气损耗和雨衰 （经验值2.3～3.3dB）、天线指向损耗（经验值0.5dB）、极化损耗（经验值0.5dB）、地面天线品质因数G/T 31～35、波尔兹曼常数228.6、理论Eb/N0（根据误码率计算）、设备损耗（调制 解调 滤波 非线性）（5.5dB）。
最远空间传输距离：D=■-REsinβ，RE为地球半径（6371km），h为轨道高度，β为接收天线仰角。空间传输损耗（路径损耗）=92.45+20lgD+20lgf。
接收到的Eb/N0：EIRP+G/T-（空间传输损耗+星上指向损耗+大气损耗+雨衰+指向损耗+极化损耗）+228.6-[R]dB。
需要的Eb/N0=理论要求的Eb/N0+设备损失。
星上的EIRP=TWTA输出功率（dB）-（隔离器损耗+波导开关损耗+波导组件损耗）+天线净增益+编码增益。
系统余量=实际接收到的Eb/N0-实际需要的Eb/N0。
接收到的载波信号噪声功率谱密度比（dBHz）=星上EIRP-路径损耗-大气损耗-极化损耗-指向损耗+地面站品质因素+波尔兹曼常数。endprint
