衛(wèi)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(wèi)星通信是實現(xiàn)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(tǒng)容量大、方便且快捷等眾多優(yōu)勢，在軍事和民用領域都有巨大的實用價值[1]。隨著衛(wèi)星通信的快速發(fā)展，衛(wèi)星通信系統(tǒng)工程、衛(wèi)星鏈路設計、系統(tǒng)性能分析等問題變得越來越重要。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信息傳輸中，一條傳輸鏈路包括發(fā)端地球站、上行鏈路、衛(wèi)星轉發(fā)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(fā)射端的發(fā)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(tǒng)的天線增益和噪聲等[3]。

圖1 衛(wèi)星通信綜合鏈路示意圖

為了對衛(wèi)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(wèi)星系統(tǒng)的傳輸信道部分中進行分許。從地面站到衛(wèi)星，再從衛(wèi)星到地面站的傳輸過程中，路徑損耗和路徑噪聲是影響衛(wèi)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(diào)噪聲、干擾噪聲等。

在衛(wèi)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(shù)量級，所以研究損耗和噪聲成為衛(wèi)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(wèi)星系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量。在模擬制衛(wèi)星系統(tǒng)中，載噪比決定了解調(diào)輸出后的信噪比；在數(shù)字式衛(wèi)星系統(tǒng)中，載噪比對比特誤碼率起決定性作用。為保證通信質(zhì)量，載噪比在一定范圍內(nèi)越高越好，為此要綜合分析衛(wèi)星通信傳輸鏈路，已達到最優(yōu)的鏈路性能[5]。

2 頻率轉換衛(wèi)星

在通信衛(wèi)星中，轉發(fā)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(xiàn)通常有兩種構型：頻率轉換轉發(fā)器和星上處理轉發(fā)器[6]。整個衛(wèi)星通信系統(tǒng)的載噪比（C/N）取決于鏈路系統(tǒng)方程的推導，這兩種類型的轉發(fā)器上下行鏈路存在著不同的函數(shù)關系，最終會呈現(xiàn)出不同的鏈路性能。本文對現(xiàn)階段應用最為廣泛的頻率轉換衛(wèi)星為主要研究對象，進行詳細的鏈路性能分析。

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

圖2 頻率轉換衛(wèi)星工作原理示意圖

如圖2是一個頻率轉換轉發(fā)器的典型實現(xiàn)，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(fā)射。頻率轉換衛(wèi)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(tǒng)的整體性能依賴于這兩條鏈路。

3 上行鏈路

推導衛(wèi)星鏈路性能方程，包含路徑損耗和路徑噪聲的影響。在衛(wèi)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(fā)射天線增益；gSR為接收天線增益。

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

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

5 系統(tǒng)載噪比

已知頻率轉換衛(wèi)星的下行鏈路發(fā)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(wèi)星沒有對信號進行處理，所以衛(wèi)星輸入載噪比等于衛(wèi)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(jù)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(fā)器的系統(tǒng)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(wèi)星鏈路分析中可以滿足使用條件，應用廣泛。但是當對系統(tǒng)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(wèi)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(yōu)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(tǒng)，則：

可見，上下行鏈路性能相同時，衛(wèi)星系統(tǒng)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(wèi)星鏈路強于另一條鏈路時，即存在受限鏈路的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，綜合信噪比取決于受限鏈路，總體鏈路性能不可能優(yōu)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(wèi)星通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星系統(tǒng)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(guī)律，很難再推導出有關綜合鏈路性能的其他規(guī)律。衛(wèi)星通信系統(tǒng)受系統(tǒng)參數(shù)（發(fā)射功率、天線增益、噪聲系數(shù)）、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(tǒng)總體性能的定量影響。必須基于復雜的系統(tǒng)本身進行分析計算，針對給定的系統(tǒng)參數(shù)，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(tǒng)總體性能。這樣就可以通過調(diào)整可變系統(tǒng)參數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)設計，已達到一個相對最優(yōu)的系統(tǒng)性能。