衛星數傳信道設計研究

嚴林+張蕾+侯小瑾+宋紫溪

【摘要】 在星地數傳信道設計中，面臨很多影響數據完整性的因素。本文主要對衛星星地數傳信道中的各項影響因素進行分析，在分析基礎上對數傳信道設計中的參數給出了計算方法。

【關鍵詞】 數傳 信道設計 研究

一、引言

數據傳輸，簡稱數傳。數據傳輸分系統實現的功能是將載荷數據按照一定的規則進行處理后，通過星上發送天線傳輸到地面。衛星數傳信道，是指由星上數據發送天線至地面接收天線的傳輸鏈路。

數傳信道設計目的是在兩個通信點之間建立最可靠和高效的傳輸鏈路。信號達到地面站時，需具有足夠的電平，且載噪比■足夠大。需考慮兩方面的問題：在已知星地參數的基礎上，計算信道的傳輸能力；已知衛星參數，根據傳輸的既定性能要求，來確定地面參數。

二、影響數傳信道的各項因素分析

等效全向輻射功率EIRP表征了衛星的信號發送能力，它為發射機發射功率與發射天線增益的乘積EIRP=P×G。一般喇叭天線和拋物面天線的增益可按如下計算：G=■η。其中A為天線口面積m2，λ為波長，η為天線效率。品質因數■表征了地面天線的接收能力（接收系統的靈敏度），是接收天線增益與接收系統噪聲性能的比值。信道中存在的影響因素如下：

2.1 空間因素

2.1.1 自由空間傳播損耗

這是空間因素中造成信號衰減的最主要原因。從星上天線輻射出的能量可看做球面分布，其損耗可表達為：

Ls=10lg（4πd/λ）2=92.45+20lgd+20lgf

式中單位，星地距離d，發射頻點f。星地距離為40000千米時的自由空間傳播損耗Ls約為200dB。

2.1.2 大氣損耗

包括大氣吸收損耗和雨衰，是由大氣中水分子和氧分子對電波的吸收造成的，與頻率成正比。當地面接收天線仰角大于5°時，水蒸氣損耗可忽略。低仰角時需考慮大氣折射和水蒸氣的影響。低頻時電離層的吸收會造成通信閃爍。

降雨的雨粒吸收和散射造成電波衰減，稱為雨衰。影響體現為：使天線噪聲溫度增加，■值減小；增加衛星傳輸路徑損耗。如信道在L或S波段，則雨衰不會造成嚴重影響。對于Ka波段，會造成很大信道衰減，從而削弱鏈路能力。必須進行雨衰補償。

2.1.3 大氣折射

會對信號起到凹透鏡的作用，使信號電波發生極小散焦衰減。在地面仰角大于5°時，衰減小于0.2dB。大氣散射會造成散射衰落，但損耗小可忽略。

2.1.4 大氣閃爍

大氣折射造成的電波強度變化稱為大氣閃爍。例如：天線口徑為12m，仰角為5°時，信號強度的起伏0.6dB。系統低仰角工作時應考慮大氣折射和大氣閃爍造成的影響。

2.1.5 大氣吸收

是由信號穿過大氣層時要受到電離層中自由電子和離子、對流層中氧分子水分子的吸收造成的。與信號頻率、天線波束的仰角以及天氣密切相關。

2.1.6 多普勒效應

當發射頻率為f的衛星相對于靜止地面站以相對速度Vr高速運動時，信號多普勒頻移量為：Δf=■。頻移量需要進行修正，此過程在地面站完成。

2.1.7 信道噪聲

信道設計中，將內外噪聲源功率等效為存在于接收機輸入端的假想噪聲源，噪聲源功率pn為：pn=kTnB，k為波爾茲曼常數，B為接收機帶寬，Tn為等效噪聲溫度（K）。在設計中，為克服噪聲干擾，系統余量會留4～6dB。

2.2 星上因素

天線指向損耗、極化誤差、EIRP值等，在信道設計時，需根據具體指標進行計算。

三、數傳信道鏈路計算

根據以下參數和公式來進行鏈路計算。

發射頻率、傳輸碼速率[R]dB=60+10lg傳輸碼速率（Mbit/s）、行放功率、發射天線增益、饋線損失、軌道高度、地面接收仰角（移動站7°固定站5°）、大氣損耗和雨衰 （經驗值2.3～3.3dB）、天線指向損耗（經驗值0.5dB）、極化損耗（經驗值0.5dB）、地面天線品質因數G/T 31～35、波爾茲曼常數228.6、理論Eb/N0（根據誤碼率計算）、設備損耗（調制 解調 濾波 非線性）（5.5dB）。

最遠空間傳輸距離：D=■-REsinβ，RE為地球半徑（6371km），h為軌道高度，β為接收天線仰角。空間傳輸損耗（路徑損耗）=92.45+20lgD+20lgf。

接收到的Eb/N0：EIRP+G/T-（空間傳輸損耗+星上指向損耗+大氣損耗+雨衰+指向損耗+極化損耗）+228.6-[R]dB。

需要的Eb/N0=理論要求的Eb/N0+設備損失。

星上的EIRP=TWTA輸出功率（dB）-（隔離器損耗+波導開關損耗+波導組件損耗）+天線凈增益+編碼增益。

系統余量=實際接收到的Eb/N0-實際需要的Eb/N0。

接收到的載波信號噪聲功率譜密度比（dBHz）=星上EIRP-路徑損耗-大氣損耗-極化損耗-指向損耗+地面站品質因素+波爾茲曼常數。endprint

【摘要】 在星地數傳信道設計中，面臨很多影響數據完整性的因素。本文主要對衛星星地數傳信道中的各項影響因素進行分析，在分析基礎上對數傳信道設計中的參數給出了計算方法。

【關鍵詞】 數傳 信道設計 研究

一、引言

數據傳輸，簡稱數傳。數據傳輸分系統實現的功能是將載荷數據按照一定的規則進行處理后，通過星上發送天線傳輸到地面。衛星數傳信道，是指由星上數據發送天線至地面接收天線的傳輸鏈路。

數傳信道設計目的是在兩個通信點之間建立最可靠和高效的傳輸鏈路。信號達到地面站時，需具有足夠的電平，且載噪比■足夠大。需考慮兩方面的問題：在已知星地參數的基礎上，計算信道的傳輸能力；已知衛星參數，根據傳輸的既定性能要求，來確定地面參數。

二、影響數傳信道的各項因素分析

等效全向輻射功率EIRP表征了衛星的信號發送能力，它為發射機發射功率與發射天線增益的乘積EIRP=P×G。一般喇叭天線和拋物面天線的增益可按如下計算：G=■η。其中A為天線口面積m2，λ為波長，η為天線效率。品質因數■表征了地面天線的接收能力（接收系統的靈敏度），是接收天線增益與接收系統噪聲性能的比值。信道中存在的影響因素如下：

2.1 空間因素

2.1.1 自由空間傳播損耗

這是空間因素中造成信號衰減的最主要原因。從星上天線輻射出的能量可看做球面分布，其損耗可表達為：

Ls=10lg（4πd/λ）2=92.45+20lgd+20lgf

式中單位，星地距離d，發射頻點f。星地距離為40000千米時的自由空間傳播損耗Ls約為200dB。

2.1.2 大氣損耗

包括大氣吸收損耗和雨衰，是由大氣中水分子和氧分子對電波的吸收造成的，與頻率成正比。當地面接收天線仰角大于5°時，水蒸氣損耗可忽略。低仰角時需考慮大氣折射和水蒸氣的影響。低頻時電離層的吸收會造成通信閃爍。

降雨的雨粒吸收和散射造成電波衰減，稱為雨衰。影響體現為：使天線噪聲溫度增加，■值減小；增加衛星傳輸路徑損耗。如信道在L或S波段，則雨衰不會造成嚴重影響。對于Ka波段，會造成很大信道衰減，從而削弱鏈路能力。必須進行雨衰補償。

2.1.3 大氣折射

會對信號起到凹透鏡的作用，使信號電波發生極小散焦衰減。在地面仰角大于5°時，衰減小于0.2dB。大氣散射會造成散射衰落，但損耗小可忽略。

2.1.4 大氣閃爍

大氣折射造成的電波強度變化稱為大氣閃爍。例如：天線口徑為12m，仰角為5°時，信號強度的起伏0.6dB。系統低仰角工作時應考慮大氣折射和大氣閃爍造成的影響。

2.1.5 大氣吸收

是由信號穿過大氣層時要受到電離層中自由電子和離子、對流層中氧分子水分子的吸收造成的。與信號頻率、天線波束的仰角以及天氣密切相關。

2.1.6 多普勒效應

當發射頻率為f的衛星相對于靜止地面站以相對速度Vr高速運動時，信號多普勒頻移量為：Δf=■。頻移量需要進行修正，此過程在地面站完成。

2.1.7 信道噪聲

信道設計中，將內外噪聲源功率等效為存在于接收機輸入端的假想噪聲源，噪聲源功率pn為：pn=kTnB，k為波爾茲曼常數，B為接收機帶寬，Tn為等效噪聲溫度（K）。在設計中，為克服噪聲干擾，系統余量會留4～6dB。

2.2 星上因素

天線指向損耗、極化誤差、EIRP值等，在信道設計時，需根據具體指標進行計算。

三、數傳信道鏈路計算

根據以下參數和公式來進行鏈路計算。

發射頻率、傳輸碼速率[R]dB=60+10lg傳輸碼速率（Mbit/s）、行放功率、發射天線增益、饋線損失、軌道高度、地面接收仰角（移動站7°固定站5°）、大氣損耗和雨衰 （經驗值2.3～3.3dB）、天線指向損耗（經驗值0.5dB）、極化損耗（經驗值0.5dB）、地面天線品質因數G/T 31～35、波爾茲曼常數228.6、理論Eb/N0（根據誤碼率計算）、設備損耗（調制 解調 濾波 非線性）（5.5dB）。

最遠空間傳輸距離：D=■-REsinβ，RE為地球半徑（6371km），h為軌道高度，β為接收天線仰角。空間傳輸損耗（路徑損耗）=92.45+20lgD+20lgf。

接收到的Eb/N0：EIRP+G/T-（空間傳輸損耗+星上指向損耗+大氣損耗+雨衰+指向損耗+極化損耗）+228.6-[R]dB。

需要的Eb/N0=理論要求的Eb/N0+設備損失。

星上的EIRP=TWTA輸出功率（dB）-（隔離器損耗+波導開關損耗+波導組件損耗）+天線凈增益+編碼增益。

系統余量=實際接收到的Eb/N0-實際需要的Eb/N0。

接收到的載波信號噪聲功率譜密度比（dBHz）=星上EIRP-路徑損耗-大氣損耗-極化損耗-指向損耗+地面站品質因素+波爾茲曼常數。endprint

【摘要】 在星地數傳信道設計中，面臨很多影響數據完整性的因素。本文主要對衛星星地數傳信道中的各項影響因素進行分析，在分析基礎上對數傳信道設計中的參數給出了計算方法。

【關鍵詞】 數傳 信道設計 研究

一、引言

數據傳輸，簡稱數傳。數據傳輸分系統實現的功能是將載荷數據按照一定的規則進行處理后，通過星上發送天線傳輸到地面。衛星數傳信道，是指由星上數據發送天線至地面接收天線的傳輸鏈路。

數傳信道設計目的是在兩個通信點之間建立最可靠和高效的傳輸鏈路。信號達到地面站時，需具有足夠的電平，且載噪比■足夠大。需考慮兩方面的問題：在已知星地參數的基礎上，計算信道的傳輸能力；已知衛星參數，根據傳輸的既定性能要求，來確定地面參數。

二、影響數傳信道的各項因素分析

等效全向輻射功率EIRP表征了衛星的信號發送能力，它為發射機發射功率與發射天線增益的乘積EIRP=P×G。一般喇叭天線和拋物面天線的增益可按如下計算：G=■η。其中A為天線口面積m2，λ為波長，η為天線效率。品質因數■表征了地面天線的接收能力（接收系統的靈敏度），是接收天線增益與接收系統噪聲性能的比值。信道中存在的影響因素如下：

2.1 空間因素

2.1.1 自由空間傳播損耗

這是空間因素中造成信號衰減的最主要原因。從星上天線輻射出的能量可看做球面分布，其損耗可表達為：

Ls=10lg（4πd/λ）2=92.45+20lgd+20lgf

式中單位，星地距離d，發射頻點f。星地距離為40000千米時的自由空間傳播損耗Ls約為200dB。

2.1.2 大氣損耗

包括大氣吸收損耗和雨衰，是由大氣中水分子和氧分子對電波的吸收造成的，與頻率成正比。當地面接收天線仰角大于5°時，水蒸氣損耗可忽略。低仰角時需考慮大氣折射和水蒸氣的影響。低頻時電離層的吸收會造成通信閃爍。

降雨的雨粒吸收和散射造成電波衰減，稱為雨衰。影響體現為：使天線噪聲溫度增加，■值減小；增加衛星傳輸路徑損耗。如信道在L或S波段，則雨衰不會造成嚴重影響。對于Ka波段，會造成很大信道衰減，從而削弱鏈路能力。必須進行雨衰補償。

2.1.3 大氣折射

會對信號起到凹透鏡的作用，使信號電波發生極小散焦衰減。在地面仰角大于5°時，衰減小于0.2dB。大氣散射會造成散射衰落，但損耗小可忽略。

2.1.4 大氣閃爍

大氣折射造成的電波強度變化稱為大氣閃爍。例如：天線口徑為12m，仰角為5°時，信號強度的起伏0.6dB。系統低仰角工作時應考慮大氣折射和大氣閃爍造成的影響。

2.1.5 大氣吸收

是由信號穿過大氣層時要受到電離層中自由電子和離子、對流層中氧分子水分子的吸收造成的。與信號頻率、天線波束的仰角以及天氣密切相關。

2.1.6 多普勒效應

當發射頻率為f的衛星相對于靜止地面站以相對速度Vr高速運動時，信號多普勒頻移量為：Δf=■。頻移量需要進行修正，此過程在地面站完成。

2.1.7 信道噪聲

信道設計中，將內外噪聲源功率等效為存在于接收機輸入端的假想噪聲源，噪聲源功率pn為：pn=kTnB，k為波爾茲曼常數，B為接收機帶寬，Tn為等效噪聲溫度（K）。在設計中，為克服噪聲干擾，系統余量會留4～6dB。

2.2 星上因素

天線指向損耗、極化誤差、EIRP值等，在信道設計時，需根據具體指標進行計算。

三、數傳信道鏈路計算

根據以下參數和公式來進行鏈路計算。

發射頻率、傳輸碼速率[R]dB=60+10lg傳輸碼速率（Mbit/s）、行放功率、發射天線增益、饋線損失、軌道高度、地面接收仰角（移動站7°固定站5°）、大氣損耗和雨衰 （經驗值2.3～3.3dB）、天線指向損耗（經驗值0.5dB）、極化損耗（經驗值0.5dB）、地面天線品質因數G/T 31～35、波爾茲曼常數228.6、理論Eb/N0（根據誤碼率計算）、設備損耗（調制 解調 濾波 非線性）（5.5dB）。

最遠空間傳輸距離：D=■-REsinβ，RE為地球半徑（6371km），h為軌道高度，β為接收天線仰角。空間傳輸損耗（路徑損耗）=92.45+20lgD+20lgf。

接收到的Eb/N0：EIRP+G/T-（空間傳輸損耗+星上指向損耗+大氣損耗+雨衰+指向損耗+極化損耗）+228.6-[R]dB。

需要的Eb/N0=理論要求的Eb/N0+設備損失。

星上的EIRP=TWTA輸出功率（dB）-（隔離器損耗+波導開關損耗+波導組件損耗）+天線凈增益+編碼增益。

系統余量=實際接收到的Eb/N0-實際需要的Eb/N0。

接收到的載波信號噪聲功率譜密度比（dBHz）=星上EIRP-路徑損耗-大氣損耗-極化損耗-指向損耗+地面站品質因素+波爾茲曼常數。endprint