基于SIMULINK的衛(wèi)星通信系統(tǒng)仿真研究

呂大千，何　俊，李柔剛，張璟琿

（電子工程學(xué)院，合肥　230037）

基于SIMULINK的衛(wèi)星通信系統(tǒng)仿真研究

呂大千，何俊，李柔剛，張璟琿

（電子工程學(xué)院，合肥230037）

簡(jiǎn)要分析衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成，估算衛(wèi)星通信系統(tǒng)中存在的各種損耗與噪聲，提出以鏈路信噪比、通信誤碼率作為衡量衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)，并建模研究與分析信噪比與誤碼率的內(nèi)在聯(lián)系。運(yùn)用SIMULINK仿真軟件，以同步衛(wèi)星為仿真對(duì)象，在衛(wèi)星通信原理基礎(chǔ)上對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)適當(dāng)簡(jiǎn)化，構(gòu)建衛(wèi)星通信基帶等效模型，仿真得到出發(fā)射前和解調(diào)后信號(hào)星座圖、功率譜圖以及通信誤碼率曲線，對(duì)仿真結(jié)果的分析證明該仿真系統(tǒng)的合理性與可靠性，為運(yùn)用SIMULINK軟件仿真研究衛(wèi)星通信系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

衛(wèi)星通信，SIMULINK，系統(tǒng)仿真

0　引言

衛(wèi)星通信系統(tǒng)是以地面移動(dòng)通信技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合通信衛(wèi)星、計(jì)算機(jī)和微電子等技術(shù)，支持用戶終端互相通信的系統(tǒng)。衛(wèi)星通信系統(tǒng)由于系統(tǒng)組成復(fù)雜、數(shù)據(jù)傳輸損耗與噪聲種類繁多，仿真比較復(fù)雜。本文以地球同步通信衛(wèi)星為研究對(duì)象，分析衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成部分，估算星地鏈路的傳輸損耗與噪聲，并在SIMULINK環(huán)境下對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

1　衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成

如下頁圖1所示，在發(fā)射分系統(tǒng)中，信源產(chǎn)生的初始信號(hào)經(jīng)過調(diào)制后通過上變頻器，上變頻器將已調(diào)中頻信號(hào)與本振載波混頻，加載到衛(wèi)星上行射頻頻率上，射頻信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后向衛(wèi)星發(fā)射。

在接收分系統(tǒng)中，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)來的微弱信號(hào)首先通過低噪聲放大器處理，下變頻器將來自低噪聲放大器的已調(diào)射頻信號(hào)從下行頻率變換到中頻，信號(hào)解調(diào)后送至信宿。

圖1　衛(wèi)星通信系統(tǒng)簡(jiǎn)化框圖

2　衛(wèi)星通信傳輸特性

信號(hào)由衛(wèi)星天線向地面接收系統(tǒng)傳輸過程中，依次經(jīng)過高層大氣、電離層、平流層、對(duì)流層到達(dá)接收系統(tǒng)。此過程中的傳播損耗主要包括：自由空間傳輸、天線指向損耗、大氣層損耗等［2］。除損耗外，信號(hào)在傳播過程中還會(huì)夾雜著各類噪聲，降低鏈路傳輸?shù)男旁氡?，影響通信質(zhì)量。

2.1鏈路損耗計(jì)算

自由空間傳輸損耗是傳輸中最基本的損耗。接收天線接收點(diǎn)信號(hào)功率僅僅是發(fā)射天線輻射功率的一小部分，大部分能量都向其他方向擴(kuò)散，傳輸距離越遠(yuǎn)，接收點(diǎn)截獲的功率越小，即傳輸損耗越大。

損耗計(jì)算公式為：

式中，Lp表示自由空間傳輸損耗（無量綱數(shù)值）；d表示傳播距離（m）；表示工作波長（m）；c表示光速（m/s）；f為工作頻率（Hz）。

除自由空間傳輸損耗外，衛(wèi)星通信鏈路的其他損耗還包括：①天線指向損耗：在衛(wèi)星通信鏈路中，地球站天線軸向偏離導(dǎo)致增益下降的情況。②大氣層和電離層損耗：無線電波通過大氣層時(shí)，受到大氣層影響的傳播損耗，包括電離層的吸收，還有對(duì)流層中氧分子、水蒸氣分子和云、霧、雨、雪等的吸收與散射。這些損耗的大小與電磁波的頻率、波束的仰角、天氣的好壞有密切關(guān)系。③電離層閃爍：電磁波通過電離層時(shí)，由于電離層的不均勻性引起的電磁能量在時(shí)空重新分布的現(xiàn)象。

上述3種損耗比自由空間傳輸損耗小得多，在具體計(jì)算中往往以統(tǒng)計(jì)余量的方式計(jì)入總損耗匯總。

2.2鏈路噪聲估計(jì)

衛(wèi)星通信過程中，接收系統(tǒng)在接收到信號(hào)的同時(shí)，還會(huì)收到大量噪聲，這些噪聲統(tǒng)稱為天線噪聲。天線噪聲通過饋線進(jìn)入接收機(jī)，夾雜在微弱的信號(hào)中，對(duì)提取、處理信號(hào)造成了一定影響。天線噪聲的主要表現(xiàn)為熱噪聲，以等效噪聲溫度衡量。

噪聲功率PN表示為：

式中，TN是等效噪聲溫度（K）；BN是等效噪聲帶寬（Hz）；k是玻爾茲曼常數(shù)（無量綱）。若系統(tǒng)有多個(gè)噪聲源，可以將等效噪聲溫度相加得到總噪聲溫度，進(jìn)而得到總噪聲功率，這些噪聲包括：

①大氣噪聲TA：電波在穿過電離層、對(duì)流層時(shí)，會(huì)因?yàn)殡姶泡椛涠纬稍肼?。圖2曲線表示晴朗天氣下，大氣噪聲對(duì)地球站天線噪聲溫度影響。

圖2　大氣、宇宙噪聲對(duì)天線噪聲溫度的影響

②宇宙噪聲TU：外空間星體里的熱氣體及分布在星際空間的物質(zhì)所形成的噪聲。圖2中虛線表示宇宙噪聲對(duì)地球站天線噪聲溫度的貢獻(xiàn)程度。

③降雨噪聲TR：降雨及云、霧在引起電波損耗的同時(shí)也產(chǎn)生降雨噪聲，如圖3所示，它對(duì)噪聲溫度的貢獻(xiàn)程度與雨量、頻率、天線仰角有關(guān)。

圖3　雨、云霧對(duì)天線噪聲溫度的影響

綜上所述，天線等效噪聲溫度TN可表示為：

3　衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能指標(biāo)

在對(duì)通信系統(tǒng)的仿真或者評(píng)價(jià)時(shí)，往往要涉及通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)問題。衡量通信系統(tǒng)質(zhì)量?jī)?yōu)劣的指標(biāo)，主要包括有效性和可靠性。對(duì)給定的通信系統(tǒng)，降低對(duì)有效性的要求，可以提高它的可靠性，反之亦然。

3.1鏈路信噪比

鏈路信噪比記為SNR，表示為：

式中，PR為接收機(jī)輸入端的載波功率（W），PN為輸入端的噪聲功率（W），Gr為接收天線的增益（無量綱）；k為波爾茲曼常數(shù)（無量綱）；Ts為噪聲源的等效噪聲溫度（K）；BN為濾波器帶寬（Hz）。

L為傳輸過程中的各種損耗，總體損耗L以分貝值表示為：

3.2通信誤碼率

對(duì)于QPSK信號(hào)，其誤碼率與每比特信息能量Eb、噪聲功率譜密度N0有關(guān)［4］：

式中，Eb等于平均接收功率PR與比特周期Tb之積：

上式兩邊同時(shí)除以N0得：

式中，PR/N0即為信噪比，通常用S/N0表示。由此可得誤碼率Pe與信噪比、比特速率的關(guān)系：

4　衛(wèi)星通信系統(tǒng)仿真

4.1仿真準(zhǔn)備

為體現(xiàn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作原理并且適當(dāng)減少仿真工作量，在系統(tǒng)仿真時(shí)對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)化簡(jiǎn)：考慮到載波作為一種載體，不含任何有效信息，仿真全程采用基帶等效模型。

假設(shè)某地球同步通信衛(wèi)星與地面站的天線基本對(duì)準(zhǔn)，通信距離約為36 000 km，上下行鏈路頻率為6/4GHz，信號(hào)調(diào)制樣式為QPSK，則傳播損耗與噪聲分別為：

由圖2、圖3可知，大氣噪聲TA≈10 K，宇宙噪聲TU≈10 K，降雨噪聲TR≈14 K。

4.2仿真實(shí)現(xiàn)

參照衛(wèi)星通信系統(tǒng)簡(jiǎn)化框圖，在Simulink環(huán)境下建立如圖4所示仿真系統(tǒng)［5］，其中星上透明轉(zhuǎn)發(fā)模塊采用基于Saleh模型的信號(hào)放大器，該模型對(duì)透明轉(zhuǎn)發(fā)器的AM-AM、AM-PM效應(yīng)進(jìn)行了較好模擬［6］。仿真時(shí)間設(shè)為50 s，抽樣時(shí)間為0.001 s。

4.3仿真結(jié)果分析

4.3.1信號(hào)星座圖

圖4　QPSK信號(hào)發(fā)射前、解調(diào)后信號(hào)星座圖

圖4左圖顯示地面發(fā)射站的射頻信號(hào)星座圖，右圖顯示經(jīng)過星地傳輸并接收解調(diào)的信號(hào)星座圖。由圖可見，經(jīng)過上變頻并射頻放大的信號(hào)沒有出現(xiàn)碼間串?dāng)_等現(xiàn)象，星座圖為近似圓環(huán)，解調(diào)后的信號(hào)雖然有少許相位扭曲，但仍能分辨出信號(hào)的相位信息。

4.3.2時(shí)頻特性

下頁圖6上圖顯示輸入輸出信號(hào)波形，顏色不同的部分表示輸出產(chǎn)生誤碼的信號(hào)，從圖中可以看出通過星地鏈路傳輸后，解調(diào)模塊較好地恢復(fù)出初始信號(hào)，誤碼率較低。中圖與下圖顯示的分別是系統(tǒng)傳遞函數(shù)在某時(shí)刻的幅頻特性、相頻特性曲線，由于仿真系統(tǒng)采用基帶等效模型，調(diào)制后的信號(hào)未做帶限處理，頻譜帶寬無限寬，并且系統(tǒng)傳遞函數(shù)的幅頻、相頻曲線大多數(shù)時(shí)間為平穩(wěn)的直線或類直線，但偶爾會(huì)因?yàn)閾p耗、噪聲等因素而產(chǎn)生類似于圖中所示的微小波動(dòng)。

4.3.3通信誤碼率

如下頁圖7所示，仿真開始的10 s內(nèi)，仿真數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量較少引起通信誤碼率起伏較大；10 s以后，通信趨于穩(wěn)定，而天線噪聲、傳輸損耗等影響導(dǎo)致的噪聲在整個(gè)仿真過程中具有平穩(wěn)的統(tǒng)計(jì)特征，通信誤碼率保持在0.001 6左右。

圖5　SIMULINK仿真示意圖

圖6　Simulink功率譜分析示意圖

圖7　誤碼率隨時(shí)間變化示意圖

5　結(jié)論

本文首先對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析；然后估計(jì)了傳輸過程中可能遇到損耗與噪聲，并在此基礎(chǔ)上提出了通信系統(tǒng)性能指標(biāo)；最后利用通信仿真軟件SIMULINK對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果顯示出本模型的合理性和可靠性。需要說明的是，本文構(gòu)建的衛(wèi)星通信系統(tǒng)模型是基于基帶信號(hào)的簡(jiǎn)化模型，僅實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星通信最基本的功能，模型具備一定的擴(kuò)展空間，在研究衛(wèi)星通信中的具體問題時(shí)，需要此基礎(chǔ)上添加相應(yīng)模塊。

［1］郭慶，王振永.衛(wèi)星通信系統(tǒng)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

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

［3］王麗娜，衛(wèi)星通信系統(tǒng)［M］.北京：國防工業(yè)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，鄔書躍.基于SIMULINK的現(xiàn)代通信系統(tǒng)仿真分析［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，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

呂大千（1990-），男，山東青島人，碩士研究生。研究方向：電子對(duì)抗裝備效能評(píng)估與作戰(zhàn)運(yùn)用。