Ku频段卫星通信链路设计分析

2021-05-20高睿劼许松松

江苏通信 2021年2期

关键词：频谱仪卫星通信频段

高睿劼许松松陆斌

南京熊猫汉达科技有限公司

1 卫星通信系统软硬件设计

Ku频段卫星通信链路设计需要基于通信系统而实现，主要组成包括：Ku频段卫星通信天线、卫星信道终端、通信卫星等。卫星通信系统的软硬件设计是保证卫星通信功能实现的关键。

1.1 天线

接收天线的设计是系统设计的重点，在对Ku频段卫星通信系统进行设计的过程中，需要充分注重天线的设计问题，从而减少信号传输过程中的损耗以及干扰，提升传输质量。

天线硬件设计时，可根据实际安装环境、主要业务和预算等需求，选用反射面天线、介质透镜天线、阵列天线及相控阵天线等，完成高增益高性能的天线设计。

天线控制软件设计时，通过卫通天线及通信卫星的位置来建立坐标系，计算出接收天线的方位角、俯仰角及极化角等，使天线能够迅速对准卫星，有效降低链路上的信号损耗。

1.2 通信终端与观测设备

卫星信道终端通过收发射频线缆与天线连接，主要完成中频信号的放大、上下变频、模数数模转换、调制解调及编解码功能。天线下行中频信号经过放大、下变频、模数转换、解调及解码后发送给用户终端（话机、电视机等）进行输出，上行过程与下行相反。在卫星通信过程中，可以通过用户的话音及视频的质量来评估卫星链路质量。

在设计过程中，为了对卫星下行信号进行准确的观测和分析，可以采用频谱仪进行信号观测，并通过计算机进行数据分析及自动控制。卫星通信信号观测如图1所示，主要包括天线、功分器、频谱仪、卫星信道终端、用户终端以及计算机等硬件。其中，频谱仪通过功分器与卫星天线下行端口连接，观察卫星信标电平大小；计算机通过GPIB接口与频谱仪相连，一方面，对频谱分析仪采集的数据进行读取、保存并自动分析，另一方面，在观测过程中对频谱仪进行命令控制。通过计算机界面，可以频繁地对频谱仪的数据进行采样和分析，同时，为了提高分析的精确度，数据采样周期控制需要控制在1 s以内。

图1 卫星通信信号观测

2 卫星通信系统链路设计

卫星通信链路主要由3部分构成，分别为上下行链路、地面站以及卫星。上行与下行链路属于无线信道，终端机、发射机以及调制器则属于地面站。

为了保障卫星通信链路（见图2）可以安全、稳定地运行，需要在地面站对卫星信号进行长期采集和观测。在信号研究过程中，工作人员借助长期、短期的观测来掌握信号的变化特征。之后，通过分析结果，对当下的卫星通信链路进行合理调整及优化。

在对卫星通信链路的特性进行分析的过程中，可以建立Ku频段卫星链路传输特性的自动化观测系统，利用前文所述的观测设备对卫星的链路参数进行有效的采集，并由专业人员进行数据分析及研究。

图2 卫星通信链路

3 链路分析

Ku频段卫星通信的频率较高，容易受到周围环境的影响，在链路设计过程中要考虑发送站的EIRP值、接收站的G/T值等因素，并进行合理的余量设计。设计时，要结合使用Ku频段卫星链路的用户数量等，提升对各种链路资源的利用程度。同时，还需要考量其他的干扰因素，如雨衰、大气损耗、临星干扰等，以保障Ku频段卫星通信技术的合理性和稳定性。

本文对链路的分析，主要从对雨衰的控制以及对载噪比的控制两方面出发，具体如下。

3.1 雨衰分析

在卫星通信过程中，会受到诸多外界环境（如大气吸收、对流层闪烁、雨雪天气等）的影响，导致信号衰减。因此，在设计过程中，需要对其进行针对性的优化及调整。特别是对于Ku频段的卫星通信系统，在长期使用过程中，由于通信频率较高，在降雨时会有较为严重的衰减问题。因此，在设计过程中，需要对降雨带来的影响进行详细分析。

对雨衰特性进行分析时，存在一定的地域性特征，往往在不同的地形地貌中会得到不同的结果，因此，在设计之前，要确保进行足够长时间的高精度观测及分析，为链路设计预留足够的余量。

在卫星链路的分析过程中，需要准确掌握雨衰的变化规律，同时，在设计卫星通信设备时可以结合相应的信息技术，利用自动化测试设备，通过测量卫星信标接收大小和信噪比，来分析雨衰对卫星通信的影响。

根据国内各区域年均以及不同季节降雨量的变化，分析Ku频段卫星信号损耗，可知，随着降雨量增大，降雨衰减增大，传输数据准确性与质量降低。因此可以通过动态调整降雨时的链路衰减补偿，以减小降雨衰减对卫星通信的影响。

3.2 卫星链路载噪比的控制

在分析卫星链路载噪比过程中，基于香农公式，可以计算出信道最大的信息传输速度。对此，从邻近卫星的干扰着手，从地球站角度进行观察，可以发现，由于在地球同步轨道上发射的卫星越来越多，地球站天线对准两颗相邻卫星偏转的角度并不大，使得地球站天线旁瓣进入邻近的卫星，出现功率干扰。

卫星信号经过电离层或大气层中的冰晶及雨滴时，可能会从传输的电磁波中产生正交极化分量，从而产生去极化现象，而在收发过程中会由于极化干扰导致信号的衰减。

根据链路公式进行分析，链路方程为：

上行链路：[C/kT]UL=[EIRP]E-[LFS]UL+[G/T]S-[L0]U-[k]

下行链路：[C/kT]DL=[EIRP]SAT-[LFS]DL+[G/T]E-[L0]D-[k]

式中，[C/kT]UL表示上行链路载噪比，[C/kT]DL表示下行链路载噪比，[EIRP]E表示地球站有效全向辐射功率，[EIRP]SAT表示卫星有效全向辐射功率。[LFS]UL表示上行自由空间损耗，[LFS]DL表示下行自由空间损耗，[G/T]S表示卫星转发器接收品质因数，[G/T]E表示地球站接收品质因数，[L0]U表示上行其他损耗，[L0]D表示下行其他损耗，k为玻尔兹曼常数。

决定卫星通信链路传输质量的主要指标是接收系统输入端的载波功率与噪声功率谱密度之比（C/N0）。在实际使用中，要根据链路情况进行调整，例如，下行链路伴有雨衰时，接收站需要在掌握衰减值后增加发射功率，达到补偿雨衰的目的；上行链路伴有雨衰时，同样可采用此措施处理。