基于SIMULINK的卫星通信系统仿真研究

吕大千，何　俊，李柔刚，张璟珲

（电子工程学院，合肥　230037）

基于SIMULINK的卫星通信系统仿真研究

吕大千，何俊，李柔刚，张璟珲

（电子工程学院，合肥230037）

简要分析卫星通信系统组成，估算卫星通信系统中存在的各种损耗与噪声，提出以链路信噪比、通信误码率作为衡量卫星通信系统性能的主要指标，并建模研究与分析信噪比与误码率的内在联系。运用SIMULINK仿真软件，以同步卫星为仿真对象，在卫星通信原理基础上对卫星通信系统适当简化，构建卫星通信基带等效模型，仿真得到出发射前和解调后信号星座图、功率谱图以及通信误码率曲线，对仿真结果的分析证明该仿真系统的合理性与可靠性，为运用SIMULINK软件仿真研究卫星通信系统奠定基础。

卫星通信，SIMULINK，系统仿真

0　引言

卫星通信系统是以地面移动通信技术为基础，结合通信卫星、计算机和微电子等技术，支持用户终端互相通信的系统。卫星通信系统由于系统组成复杂、数据传输损耗与噪声种类繁多，仿真比较复杂。本文以地球同步通信卫星为研究对象，分析卫星通信系统的组成部分，估算星地链路的传输损耗与噪声，并在SIMULINK环境下对卫星通信系统进行仿真。

1　卫星通信系统组成

如下页图1所示，在发射分系统中，信源产生的初始信号经过调制后通过上变频器，上变频器将已调中频信号与本振载波混频，加载到卫星上行射频频率上，射频信号经功率放大器放大后向卫星发射。

在接收分系统中，经卫星转发来的微弱信号首先通过低噪声放大器处理，下变频器将来自低噪声放大器的已调射频信号从下行频率变换到中频，信号解调后送至信宿。

图1　卫星通信系统简化框图

2　卫星通信传输特性

信号由卫星天线向地面接收系统传输过程中，依次经过高层大气、电离层、平流层、对流层到达接收系统。此过程中的传播损耗主要包括：自由空间传输、天线指向损耗、大气层损耗等［2］。除损耗外，信号在传播过程中还会夹杂着各类噪声，降低链路传输的信噪比，影响通信质量。

2.1链路损耗计算

自由空间传输损耗是传输中最基本的损耗。接收天线接收点信号功率仅仅是发射天线辐射功率的一小部分，大部分能量都向其他方向扩散，传输距离越远，接收点截获的功率越小，即传输损耗越大。

损耗计算公式为：

式中，Lp表示自由空间传输损耗（无量纲数值）；d表示传播距离（m）；表示工作波长（m）；c表示光速（m/s）；f为工作频率（Hz）。

除自由空间传输损耗外，卫星通信链路的其他损耗还包括：①天线指向损耗：在卫星通信链路中，地球站天线轴向偏离导致增益下降的情况。②大气层和电离层损耗：无线电波通过大气层时，受到大气层影响的传播损耗，包括电离层的吸收，还有对流层中氧分子、水蒸气分子和云、雾、雨、雪等的吸收与散射。这些损耗的大小与电磁波的频率、波束的仰角、天气的好坏有密切关系。③电离层闪烁：电磁波通过电离层时，由于电离层的不均匀性引起的电磁能量在时空重新分布的现象。

上述3种损耗比自由空间传输损耗小得多，在具体计算中往往以统计余量的方式计入总损耗汇总。

2.2链路噪声估计

卫星通信过程中，接收系统在接收到信号的同时，还会收到大量噪声，这些噪声统称为天线噪声。天线噪声通过馈线进入接收机，夹杂在微弱的信号中，对提取、处理信号造成了一定影响。天线噪声的主要表现为热噪声，以等效噪声温度衡量。

噪声功率PN表示为：

式中，TN是等效噪声温度（K）；BN是等效噪声带宽（Hz）；k是玻尔兹曼常数（无量纲）。若系统有多个噪声源，可以将等效噪声温度相加得到总噪声温度，进而得到总噪声功率，这些噪声包括：

①大气噪声TA：电波在穿过电离层、对流层时，会因为电磁辐射而形成噪声。图2曲线表示晴朗天气下，大气噪声对地球站天线噪声温度影响。

图2　大气、宇宙噪声对天线噪声温度的影响

②宇宙噪声TU：外空间星体里的热气体及分布在星际空间的物质所形成的噪声。图2中虚线表示宇宙噪声对地球站天线噪声温度的贡献程度。

③降雨噪声TR：降雨及云、雾在引起电波损耗的同时也产生降雨噪声，如图3所示，它对噪声温度的贡献程度与雨量、频率、天线仰角有关。

图3　雨、云雾对天线噪声温度的影响

综上所述，天线等效噪声温度TN可表示为：

3　卫星通信系统性能指标

在对通信系统的仿真或者评价时，往往要涉及通信系统的主要性能指标问题。衡量通信系统质量优劣的指标，主要包括有效性和可靠性。对给定的通信系统，降低对有效性的要求，可以提高它的可靠性，反之亦然。

3.1链路信噪比

链路信噪比记为SNR，表示为：

式中，PR为接收机输入端的载波功率（W），PN为输入端的噪声功率（W），Gr为接收天线的增益（无量纲）；k为波尔兹曼常数（无量纲）；Ts为噪声源的等效噪声温度（K）；BN为滤波器带宽（Hz）。

L为传输过程中的各种损耗，总体损耗L以分贝值表示为：

3.2通信误码率

对于QPSK信号，其误码率与每比特信息能量Eb、噪声功率谱密度N0有关［4］：

式中，Eb等于平均接收功率PR与比特周期Tb之积：

上式两边同时除以N0得：

式中，PR/N0即为信噪比，通常用S/N0表示。由此可得误码率Pe与信噪比、比特速率的关系：

4　卫星通信系统仿真

4.1仿真准备

为体现卫星通信系统工作原理并且适当减少仿真工作量，在系统仿真时对卫星通信系统化简：考虑到载波作为一种载体，不含任何有效信息，仿真全程采用基带等效模型。

假设某地球同步通信卫星与地面站的天线基本对准，通信距离约为36 000 km，上下行链路频率为6/4GHz，信号调制样式为QPSK，则传播损耗与噪声分别为：

由图2、图3可知，大气噪声TA≈10 K，宇宙噪声TU≈10 K，降雨噪声TR≈14 K。

4.2仿真实现

参照卫星通信系统简化框图，在Simulink环境下建立如图4所示仿真系统［5］，其中星上透明转发模块采用基于Saleh模型的信号放大器，该模型对透明转发器的AM-AM、AM-PM效应进行了较好模拟［6］。仿真时间设为50 s，抽样时间为0.001 s。

4.3仿真结果分析

4.3.1信号星座图

图4　QPSK信号发射前、解调后信号星座图

图4左图显示地面发射站的射频信号星座图，右图显示经过星地传输并接收解调的信号星座图。由图可见，经过上变频并射频放大的信号没有出现码间串扰等现象，星座图为近似圆环，解调后的信号虽然有少许相位扭曲，但仍能分辨出信号的相位信息。

4.3.2时频特性

下页图6上图显示输入输出信号波形，颜色不同的部分表示输出产生误码的信号，从图中可以看出通过星地链路传输后，解调模块较好地恢复出初始信号，误码率较低。中图与下图显示的分别是系统传递函数在某时刻的幅频特性、相频特性曲线，由于仿真系统采用基带等效模型，调制后的信号未做带限处理，频谱带宽无限宽，并且系统传递函数的幅频、相频曲线大多数时间为平稳的直线或类直线，但偶尔会因为损耗、噪声等因素而产生类似于图中所示的微小波动。

4.3.3通信误码率

如下页图7所示，仿真开始的10 s内，仿真数据点数量较少引起通信误码率起伏较大；10 s以后，通信趋于稳定，而天线噪声、传输损耗等影响导致的噪声在整个仿真过程中具有平稳的统计特征，通信误码率保持在0.001 6左右。

图5　SIMULINK仿真示意图

图6　Simulink功率谱分析示意图

图7　误码率随时间变化示意图

5　结论

本文首先对卫星通信系统的组成进行了简要分析；然后估计了传输过程中可能遇到损耗与噪声，并在此基础上提出了通信系统性能指标；最后利用通信仿真软件SIMULINK对卫星通信系统进行仿真研究，仿真结果显示出本模型的合理性和可靠性。需要说明的是，本文构建的卫星通信系统模型是基于基带信号的简化模型，仅实现了卫星通信最基本的功能，模型具备一定的扩展空间，在研究卫星通信中的具体问题时，需要此基础上添加相应模块。

［1］郭庆，王振永.卫星通信系统［M］.北京：电子工业出版社，2010.

［2］DENNISR.Satellite communication［M］.McGraw-Hill Professional，2006.

［3］王丽娜，卫星通信系统［M］.北京：国防工业出版社，2006.

［4］MARTIN D，SIMON S.Bit error rate calculation for satellite communication systems［R］.STSM Report，1999.

［5］席在芳，邬书跃.基于SIMULINK的现代通信系统仿真分析［J］.系统仿真学报，2010，18（10）：2966-2968.

［6］SALEH A.Frequency-independent and frequency-dependentnonlinearmodelsof TWTamplifiers［J］.IEEE transactionson Communications，1981（29）：1715-1720.

Research on Simulation of Satellite Communication System Based on SIMULINK

Composition of satellite communication system is analysed in brief.Losses and noises in communication system are estimated.The signal-to-nosie ratio and bit-error-rate are provided as index of satellite communication system’s performance.Relationship between the signal-to-nosie ratio and bit-error-rate is researched through modeling.On the basis of satellite communication’s theory，the communicationsystemis simplifiedproperly，the communicationonbasebandis modeled.And communication system of geostationary satellites is simulated with SIMULINK..Constellation diagrams，power spectrogram and bit-error-rate are acquired.The results show the rationality and reliability of system.It lays the foundation of simulating satellite communication system with SIMULINK.

satellite communication，SIMULINK，system simulation

TP391.9

A

1002-0640（2016）08-0125-04

2015-06-18

2015-07-10

吕大千（1990-），男，山东青岛人，硕士研究生。研究方向：电子对抗装备效能评估与作战运用。