Ku頻段衛星通信鏈路設計分析

高睿劼 許松松 陸 斌

南京熊貓漢達科技有限公司

1 衛星通信系統軟硬件設計

Ku頻段衛星通信鏈路設計需要基于通信系統而實現，主要組成包括：Ku頻段衛星通信天線、衛星信道終端、通信衛星等。衛星通信系統的軟硬件設計是保證衛星通信功能實現的關鍵。

1.1 天線

接收天線的設計是系統設計的重點，在對Ku頻段衛星通信系統進行設計的過程中，需要充分注重天線的設計問題，從而減少信號傳輸過程中的損耗以及干擾，提升傳輸質量。

天線硬件設計時，可根據實際安裝環境、主要業務和預算等需求，選用反射面天線、介質透鏡天線、陣列天線及相控陣天線等，完成高增益高性能的天線設計。

天線控制軟件設計時，通過衛通天線及通信衛星的位置來建立坐標系，計算出接收天線的方位角、俯仰角及極化角等，使天線能夠迅速對準衛星，有效降低鏈路上的信號損耗。

1.2 通信終端與觀測設備

衛星信道終端通過收發射頻線纜與天線連接，主要完成中頻信號的放大、上下變頻、模數數模轉換、調制解調及編解碼功能。天線下行中頻信號經過放大、下變頻、模數轉換、解調及解碼后發送給用戶終端（話機、電視機等）進行輸出，上行過程與下行相反。在衛星通信過程中，可以通過用戶的話音及視頻的質量來評估衛星鏈路質量。

在設計過程中，為了對衛星下行信號進行準確的觀測和分析，可以采用頻譜儀進行信號觀測，并通過計算機進行數據分析及自動控制。衛星通信信號觀測如圖1所示，主要包括天線、功分器、頻譜儀、衛星信道終端、用戶終端以及計算機等硬件。其中，頻譜儀通過功分器與衛星天線下行端口連接，觀察衛星信標電平大小；計算機通過GPIB接口與頻譜儀相連，一方面，對頻譜分析儀采集的數據進行讀取、保存并自動分析，另一方面，在觀測過程中對頻譜儀進行命令控制。通過計算機界面，可以頻繁地對頻譜儀的數據進行采樣和分析，同時，為了提高分析的精確度，數據采樣周期控制需要控制在1 s以內。

圖1 衛星通信信號觀測

2 衛星通信系統鏈路設計

衛星通信鏈路主要由3部分構成，分別為上下行鏈路、地面站以及衛星。上行與下行鏈路屬于無線信道，終端機、發射機以及調制器則屬于地面站。

為了保障衛星通信鏈路（見圖2）可以安全、穩定地運行，需要在地面站對衛星信號進行長期采集和觀測。在信號研究過程中，工作人員借助長期、短期的觀測來掌握信號的變化特征。之后，通過分析結果，對當下的衛星通信鏈路進行合理調整及優化。

在對衛星通信鏈路的特性進行分析的過程中，可以建立Ku頻段衛星鏈路傳輸特性的自動化觀測系統，利用前文所述的觀測設備對衛星的鏈路參數進行有效的采集，并由專業人員進行數據分析及研究。

圖2 衛星通信鏈路

3 鏈路分析

Ku頻段衛星通信的頻率較高，容易受到周圍環境的影響，在鏈路設計過程中要考慮發送站的EIRP值、接收站的G/T值等因素，并進行合理的余量設計。設計時，要結合使用Ku頻段衛星鏈路的用戶數量等，提升對各種鏈路資源的利用程度。同時，還需要考量其他的干擾因素，如雨衰、大氣損耗、臨星干擾等，以保障Ku頻段衛星通信技術的合理性和穩定性。

本文對鏈路的分析，主要從對雨衰的控制以及對載噪比的控制兩方面出發，具體如下。

3.1 雨衰分析

在衛星通信過程中，會受到諸多外界環境（如大氣吸收、對流層閃爍、雨雪天氣等）的影響，導致信號衰減。因此，在設計過程中，需要對其進行針對性的優化及調整。特別是對于Ku頻段的衛星通信系統，在長期使用過程中，由于通信頻率較高，在降雨時會有較為嚴重的衰減問題。因此，在設計過程中，需要對降雨帶來的影響進行詳細分析。

對雨衰特性進行分析時，存在一定的地域性特征，往往在不同的地形地貌中會得到不同的結果，因此，在設計之前，要確保進行足夠長時間的高精度觀測及分析，為鏈路設計預留足夠的余量。

在衛星鏈路的分析過程中，需要準確掌握雨衰的變化規律，同時，在設計衛星通信設備時可以結合相應的信息技術，利用自動化測試設備，通過測量衛星信標接收大小和信噪比，來分析雨衰對衛星通信的影響。

根據國內各區域年均以及不同季節降雨量的變化，分析Ku頻段衛星信號損耗，可知，隨著降雨量增大，降雨衰減增大，傳輸數據準確性與質量降低。因此可以通過動態調整降雨時的鏈路衰減補償，以減小降雨衰減對衛星通信的影響。

3.2 衛星鏈路載噪比的控制

在分析衛星鏈路載噪比過程中，基于香農公式，可以計算出信道最大的信息傳輸速度。對此，從鄰近衛星的干擾著手，從地球站角度進行觀察，可以發現，由于在地球同步軌道上發射的衛星越來越多，地球站天線對準兩顆相鄰衛星偏轉的角度并不大，使得地球站天線旁瓣進入鄰近的衛星，出現功率干擾。

衛星信號經過電離層或大氣層中的冰晶及雨滴時，可能會從傳輸的電磁波中產生正交極化分量，從而產生去極化現象，而在收發過程中會由于極化干擾導致信號的衰減。

根據鏈路公式進行分析，鏈路方程為：

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

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

式中，[C/kT]UL表示上行鏈路載噪比，[C/kT]DL表示下行鏈路載噪比，[EIRP]E表示地球站有效全向輻射功率，[EIRP]SAT表示衛星有效全向輻射功率。[LFS]UL表示上行自由空間損耗，[LFS]DL表示下行自由空間損耗，[G/T]S表示衛星轉發器接收品質因數，[G/T]E表示地球站接收品質因數，[L0]U表示上行其他損耗，[L0]D表示下行其他損耗，k為玻爾茲曼常數。

決定衛星通信鏈路傳輸質量的主要指標是接收系統輸入端的載波功率與噪聲功率譜密度之比（C/N0）。在實際使用中，要根據鏈路情況進行調整，例如，下行鏈路伴有雨衰時，接收站需要在掌握衰減值后增加發射功率，達到補償雨衰的目的；上行鏈路伴有雨衰時，同樣可采用此措施處理。

4 結束語

隨著人們對通信技術要求的提升，Ku頻段衛星通信成為人們關注的重點內容，需要對其進行深入的研究及設計，保障所設計的衛星通信鏈路可以有效地服務于相應的平臺。