影响卫星通信质量因素的思考与总结

2014-12-13秦映茹龚海武

江苏科技信息 2014年4期

王洋，秦映茹，龚海武

（中国卫星海上测控部，江苏江阴 214431）

0 引言

卫星通信，简单地说，就是地球上（包括地面、水面和低层大气中）的无线电通信站之间利用人造卫星作为中继站进行的通信。一个卫星通信系统组成如图1 所示。通信卫星的中继作用是把一个地球站送来的信号经过变频和放大传送给另一段的地球站。地球站实际上是卫星系统与地面系统的接口，地面用户通过地球站出入卫星系统，形成连接电路。卫星系统与其他通信方式相比，特点有：

（1）卫星通信的覆盖面积大、通信距离远；

（2）组网灵活，便于多址联接；

（3）通信容量大；

（4）通信质量好；

（5）经济效益、社会效益好。

而目前由于远洋船舶的特殊性，卫星通信仍是远洋通信的主要手段，而通信质量的好坏对远洋船舶的日常通信和船舶行驶安全都有着重要意义。

图1 卫星通信系统的基本组成

1 影响卫星通信质量的因素

1.1 等效全向同性辐射功率EIRP

EIRP 定义为发射机发出的功率PT与天线增益GT的乘积，即EIRT=PT×GT（W）。卫星天线和地球站天线均为高增益天线，不是各向同性天线，在各个方向上的辐射是不等的。EIRP 的物理意义是：为保持同一接收点的收信电平不变，用无方向性天线代替原天线时所对应馈入得等效功率。EIRP 表示发送功率和天线增益的联合效果，用它作为系统参数来研究卫星系统会带来方便，尤其是用于估算接收站对某一载波的接收功率非常方便。

EIRP 是表征地球站或转发器的发射能力的一项重要技术指标。这一指标值越大，则该站或转发器的发射能力越强。

1.2 载波功率与噪声功率比

卫星通信线路中的载波功率与噪声功率之比简称载噪比，它是决定卫星通信线路性能最基本的参数之一。

信号在传输过程中会发生各种损耗，并受各种噪声干扰。大家最关心的是卫星或地球站接收机输入端的载噪比，用C/N 表示。根据通信距离方程并考虑到传输过程中降雨（La）、大气折射（Lde，Ldi）、天线跟踪误差（LTr）、极化误差（Lp）等引起的损耗，以及接收系统馈线的损耗（LF），接收机输入端的载波功率C 为：

式中，L 为全部传输损耗。

以接收机输入端为参考点的接收系统等效噪声功率N 为：

所以接收机输入端的载噪比为：

用分贝值表示，且应用［EIRP］的概念，则：

1.3 门限载噪比［C/N］th 或［C/T］th

解调器输出的被恢复的基带信号质量的好坏，通常模拟制用信噪比（S/N）、数字制用误码率（Pe）或误比特率（Pb）作为最基本的度量。而其好坏，在设备一定的条件下，取决于解调器输入端的载噪比。

卫星通信系统的设计或分析中，门限载噪比的含义常是：为保证用户接收到的话音、图像和数据有必要的质量，接收机所必须得到的最低载噪比。也就是说，这时对接收机收到的信号进行解调后能有起码的信噪比或误比特率。对于模拟制多路电话卫星通信线路情况，通常把最低通路的［S/（N+D）］w 值为43 分贝（加权值）时的输入［C/N］值作为门限电平。又如数字电话，若采用2PSK 或QPSK 方式调制，则通常以误比特率为10-3（DM）或10-4（PCM）所对应的［C/N］或［Eb/n0］（能量Eb=C.是每比特的持续时间）为门限电平。

1.4 地理增益

地理增益：一颗卫星与若干地球站构成一个卫星通信系统，各地球站处于不同的地理位置，故分别处于卫星天线波速的不同辐射方向上，但它们的天线总是对准卫星的，即便相同的工作频率、天线尺寸，但由于各地球站与卫星的距离不同，它们天线的仰角也不同，因而传输耗损L 就不同，天线噪声温度Ta也不同；又由于各站处于卫星天线波束的不同方向上，它们接收所对应的卫星其实［EIRP］s 就不同，并且通常不是最大值（只有在卫星波束最大辐射方向才是其最大值）。同样，在计算卫星接收系统的载噪比时，其接收天线增益也是方向的函数。

1.5 传输耗损

电波在卫星通信的上行或下行线路中传输时，主要应考虑自由空间传播损耗，此外，还应考虑大气损耗、天线跟踪误差和极化方向误差所引起的损耗等。

1.5.1 自由空间传播损耗Lf

自由空间传播损耗表示由于电波在自由空间以球面波形式传播，电磁能量扩散在球面上，而接收点只能接收到其中一小部分。

1.5.2 大气损耗La

C 波段电波在晴天通过大气层产生的吸收损耗情况如表1 所示。

表1 服务器配置（dB）

表1 给出了天气晴好条件下，C 波段通过大气层的损耗值，在天气情况较差的条件下，考虑到对流层中雨雾云雪的影响，损耗强度可采用如下公式估算：

损耗强度（雪）=7.47×10-5f·I（1+5.77×10-5f3I0.6）（dB/km）

其中，频率单位为GHZ，降雨强度为（mm/h），即每小时在单位容器中的积水高度（mm），通常在15GHZ 以下，中等强度（4mm/h）以上的雪才有影响。此外，在低仰角情况下还需考虑大气闪烁导致电磁波的漫散射。在设计卫通链路时，对系统衰减数值可参考上表测得的损耗情况，结合降雨备余量给出门限备余量。

1.6 天线方向跟踪误差损耗LTr

由于星体漂移、大气折射、天线波束指向起伏以及天线跟踪系统跟踪精度等原因，天线指向会偏离理论方向，考虑到天线波束一般很窄，因此，真正指向卫星方向上的天线增益并不是天线增益的最大值，类似于信号在天线指向上发生了衰减，这种损耗称为跟踪误差损耗，公式表示如下：

LTr为天线跟踪精度损耗，G（o）为地球站天线指向对准卫星时，卫星（或地球站）天线接收到的信号功率增益，θ 为天线偏离理论方向角度值，通常情况下G（θ）可采用如下计算求得：

2 有效的解决办法

船载卫星通信中，一旦信道质量变差，影响接收信噪比时，可以通过提高跟踪精度、增加发射功率来改善通信质量，考虑到改进伺服结构的困难性及星上转发器的行波管放大器功率非线性，必须从其他方面提高通信质量，使得在信道变坏的情况下仍然能够实现可靠通信。

2.1 调制方式

数字卫星通信的系统的调制方式选择应综合考虑多方面因素，主要包括卫星频带与功率的有效利用、带限与迟延失真、热噪声、邻近信道干扰、同信道干扰、行波管放大器等器件相位和幅度非线性影响、卫星工作频点、同步电路、设备功能实现难易、容许Eb/n0下降程度等。

卫星信道属于带限非线性信道，在宽带信道条件下应优先考虑MSK（最小频移键控）及OQPSK（交错四相移相键控），在带宽较窄（系统3 分贝带宽与码符持续时间的乘积BT＜1）时，QPSK 调制较MSK 调制对峰值调幅调相变换系数增加不敏感，性能较好。故采用QPSK 调制方式为优。

2.2 差错控制

卫星通信信号的衰减主要存在于远距离传输数据，卫星有效载荷最大化是信号不发生畸变的重要保证。考虑到卫星功率受限，其信号不可能提供太大能量，因此采取差错控制技术，保证误码率在允许范围内，提高通信容量。

卫星信道属于无记忆高斯白噪声信道，差错是随机出现的，但也会出现少量突发性错误。对于编码约束长度不长或误比特率要求不高时，可采用Veterbi 码纠错，对于突发性干扰，可通过交织编码技术来纠正突发性错误图样。

Turbo 码应用了香农信道编码定理中的随机译码条件，具备接近香农理论极限译码性能。在信噪比较低的高斯噪声环境下性能优越，具有很强的抗衰落干扰能力。只要时延和复杂度允许，Turbo 码可以在移动信道的恶劣条件下接近极限通信能力，在通信双方设备均支持Turbo 编解码方式下，以采取Turbo 码方式为优。