衛星通信的鏈路性能分析

楊清森，楊仁慶，趙春昊，張嘉元

（南京熊貓漢達科技有限公司，南京 210004）

1 引言

衛星通信是實現全球通信的一種重要手段，具有覆蓋面極大、通信距離遠、系統容量大、方便且快捷等眾多優勢，在軍事和民用領域都有巨大的實用價值[1]。隨著衛星通信的快速發展，衛星通信系統工程、衛星鏈路設計、系統性能分析等問題變得越來越重要。

衛星通信系統的信息傳輸中，一條傳輸鏈路包括發端地球站、上行鏈路、衛星轉發器、下行鏈路、收端地球站[2]。影響其通信性能的因素主要有：發射端的發射功率與天線增益、傳輸過程中的損耗、傳輸過程中所引入的噪聲與干擾、接收系統的天線增益和噪聲等[3]。

圖1 衛星通信綜合鏈路示意圖

為了對衛星通信傳輸路徑（上行鏈路和下行鏈路）上引入的鏈路性能惡化進行定量計算，把性能惡化的影響加到衛星系統的傳輸信道部分中進行分許。從地面站到衛星，再從衛星到地面站的傳輸過程中，路徑損耗和路徑噪聲是影響衛星通信信號的主要因素。路徑損耗是上行和下行鏈路信號路徑中引入的，主要是自由空間的傳輸損耗，還有大氣損耗、降雨損耗、天線跟蹤誤差損耗、極化誤差損耗等。路徑噪聲則加到上行鏈路和下行鏈路的信號上，主要有熱噪聲、互調噪聲、干擾噪聲等。

在衛星信號接收端，信號已損耗衰減的非常微弱，與噪聲的強度在同一數量級，所以研究損耗和噪聲成為衛星通信中的重要問題[4]。載波功率與噪聲功率的比值稱為載噪比（C/N），可以衡量衛星系統的傳輸質量。在模擬制衛星系統中，載噪比決定了解調輸出后的信噪比；在數字式衛星系統中，載噪比對比特誤碼率起決定性作用。為保證通信質量，載噪比在一定范圍內越高越好，為此要綜合分析衛星通信傳輸鏈路，已達到最優的鏈路性能[5]。

2 頻率轉換衛星

在通信衛星中，轉發器是一組提供上行鏈路信號和下行鏈路信號見通道或鏈路的部件，起實現通常有兩種構型：頻率轉換轉發器和星上處理轉發器[6]。整個衛星通信系統的載噪比（C/N）取決于鏈路系統方程的推導，這兩種類型的轉發器上下行鏈路存在著不同的函數關系，最終會呈現出不同的鏈路性能。本文對現階段應用最為廣泛的頻率轉換衛星為主要研究對象，進行詳細的鏈路性能分析。

自衛星通信實現以來頻率轉換轉發器一直是主導的轉發器類型，使用這種轉發器的衛星又稱為中繼衛星，它接收上行鏈路信號，放大后再發射出去，僅進行載波頻率的轉換。

圖2 頻率轉換衛星工作原理示意圖

如圖2是一個頻率轉換轉發器的典型實現，這里將上行鏈路頻率fUF 變成一個較低的中頻fIF，進行放大后再變成下行鏈路頻率fDOWN，向地球發射。頻率轉換衛星不進行任何處理，上下行鏈路是相關的，上行鏈路中引入的信號惡化（損耗和噪聲）轉移至下行鏈路，系統的整體性能依賴于這兩條鏈路。

3 上行鏈路

推導衛星鏈路性能方程，包含路徑損耗和路徑噪聲的影響。在衛星終端處，接收到的載波功率為：

式中，lU為上行鏈路自由空間鏈路損耗；aU為上行鏈路路徑損耗；gGT為發射天線增益；gSR為接收天線增益。

衛星天線處（B）的噪聲功率是上行鏈路路徑噪聲、衛星天線接收噪聲、衛星接收機系統噪聲三個分量之和，即：

式中，k 為玻爾茲曼常數；bU為上行鏈路信息帶寬；tSA為衛星接收機天線溫度；nfSR為衛星接收機噪聲系數；tU為上行鏈路大氣路徑的平均溫度。

通過上式可以看出路徑損耗和路徑噪聲對上行鏈路載噪比的影響。

4 下行鏈路

同樣可得下行鏈路的載噪比公式：

式中，lD為下行鏈路自由空間鏈路損耗；aD為下行鏈路路徑損耗；gST為發射天線增益；gGR為接收天線增益；bD為下行鏈路信息帶寬；tGA為地面接收機天線溫度；nfGR為地面接收機噪聲系數；tD為下行鏈路大氣路徑的平均溫度。

5 系統載噪比

已知頻率轉換衛星的下行鏈路發射功率pST等于所需的信號載波電平cST與下行噪聲功率nST之和，即：

pST=cST+nST（7）

由于衛星沒有對信號進行處理，所以衛星輸入載噪比等于衛星輸出載噪比。即：

從式（9）和式（10）中可以看出，上行鏈路對下行鏈路的信號載波電平cST與下行噪聲功率nST的影響

下面分析地面站接收機端（D）所接收的所需載波電平，用c'GR表示，則：

帶入式（9）可以得到：

根據式（4）可以得到：

此公式可以看出上行鏈路的惡化對下行鏈路所需信號的影響。

地面站接收的總噪聲功率n'GR是下行鏈路引入的噪聲nGR和從上行鏈路轉移過來的噪聲之和，即：

此公式可以看出上行鏈路的惡化對下行鏈路噪聲的影響。

頻率轉換轉發器的系統載噪比由下式表示：帶入公式可得：

式中的分別由公式表示。

如果≥1和≥1，那么公式可簡化為：

這是一個近似計算公式，在實際衛星鏈路分析中可以滿足使用條件，應用廣泛。但是當對系統進行精確的靈敏度分析時，特別是分析路徑惡化的影響，必須由式（18）計算得出更準確結果。

6 綜合鏈路分析

（1）如果上行鏈路載噪比大于下行鏈路載噪比，即：

稱為下行鏈路受限。則：

可以看出綜合載噪比小于受限的下行鏈路。

（2）如果上行鏈路載噪比小于下行鏈路載噪比，即：

稱為上行鏈路受限。則：

可以看出綜合載噪比小于受限的上行鏈路。

綜上所述，一條衛星鏈路強于另一條鏈路時，綜合信噪比取決于受限鏈路，總體鏈路性能不可能優于受限鏈路的性能。

（3）如果上行鏈路載噪比等于下行鏈路載噪比，即：

則稱為平衡鏈路系統，則：

可見，上下行鏈路性能相同時，衛星系統的綜合鏈路載噪比為任意一條鏈路的1/2，即比單一鏈路的載噪比低3dB。

7 結束語

（1）一條衛星鏈路強于另一條鏈路時，即存在受限鏈路的衛星通信系統中，綜合信噪比取決于受限鏈路，總體鏈路性能不可能優于受限鏈路的性能。

（2）上下行鏈路性能相同時，即在平衡鏈路的衛星通信系統中，衛星系統的綜合鏈路載噪比為任意一條鏈路的1/2，即比單一鏈路的載噪比低3dB。

以上是通過公式推導出來的一般規律，很難再推導出有關綜合鏈路性能的其他規律。衛星通信系統受系統參數（發射功率、天線增益、噪聲系數）、路徑損耗、路徑噪聲等的綜合影響，很難直觀確定路徑惡化對系統總體性能的定量影響。必須基于復雜的系統本身進行分析計算，針對給定的系統參數，利用靈敏度分析來確定路徑惡化，進而分析對上下行鏈路及系統總體性能。這樣就可以通過調整可變系統參數，優化系統設計，已達到一個相對最優的系統性能。