卫星传输链路（共7篇）
卫星传输链路 篇1
卫星传输是广播电视节目主要传输手段之一, 利用卫星进行广播电视信号的转发, 要涉及传输链路的计算问题。卫星链路计算的目的和作用, 简单的讲就是帮助新用户经济合理地选配收发站的硬件配置, 协助老用户确认改变线路的可行性, 给出合理性建议。
1 卫星链路计算的任务
卫星链路计算的任务主要是根据传输系统功能和要求, 并通过计算信息速率、字符率求出基带信号占用带宽, 确定向卫星公司租用转发器的使用带宽;通过转发器及地球站的参数, 计算地球站能得到的载噪比以及相应的发射EIRP;通过转发器及接收机的基本参数, 确定地球站的天线尺寸、发射功率等。 一般链路计算中主要是对地球站天线尺寸、发射功放、占用的卫星功率及链路可用度进行优化设计。
2 链路计算相关参数
2.1 天线增益
卫星通信中, 一般使用定向天线, 它把电磁能量聚集在某一方向辐射。
天线的增益定义为:
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对于喇叭天线, 抛物面天线等面天线其增益的计算公式为:
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式中:A——天线的口面面积;
λ——工作波长, m;
η——天线效率。
2.2 自由空间传输损耗
卫星通信的一个显著特点是电磁波传输的距离非常远。电磁波在传播过程中受到极大的衰减, 传输损耗非常大。当采用C波段传输, 上下行频率分别是6GHz及4GHz时, 自由空间的传输损耗约分别为200dB及196.5dB。通信距离方程表示电波在自由空间以球面波的形式传播, 电磁能量扩散在球面上, 而接收点只能接收到其中一小部分, Lf就是此含义。对于C波段来说:
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2.3 全向辐射功率
卫星传输中用有效全向辐射功率EIRP来代表地球站或卫星发射系统的发射能力。EIRP是天线所发射的功率Pt与该天线增益的乘积:
EIRP=Pt×Gt
它表明了定向天线在最大辐射方向实际所辐射的功率, 它比全向天线辐射时在该方向大了Gt倍。
2.4 损耗
电磁波在空间传输时除自由空间损耗外, 还有其他损耗。这些损耗包括:大气损耗, 大气的折射影响, 天线跟踪误差损耗, 极化误差损耗, 电离层闪烁。在链路计算中, 主要考虑的是大气损耗中的降雨损耗 (对于Ku频段的卫星尤其重要) , 天线的跟踪误差。
3 计算
详细的链路设计主要根据卫星地球站计划租用卫星的参数、节目传送方式和系统要求, 并依据发射点和落地点的相关参数进行的。下面是以甘肃卫星地球站为例进行链路的相关计算。
3.1 计算参数
以中星6B卫星S10转发器为例, 卫星轨道位置为东经115.5度, 上行频率6135MHz, 下行频率3910MHz, 转发器带宽36 MHz。卫星等效全向辐射功率EIRPs为36～44.5dBW, 在兰州约为41 dBW, 饱和功率通量密度SFD为-70到-95 dBw /m2 , 卫星接收天线增益和噪声温度比G/T=-5dB/K。
发射点有关参数。甘肃卫星地球站为例, 发射点地址为东经103.75°, 北纬36.07°.使用卫星转发器为C波段.天线口径为9M, 其天线增益为53.1dB.GENⅣ功率放大器功率P为3kW, 其输出饱和功率为64dBW, 对于QPSK调制信号传输, 要求功放工作在线性区, 至少需要回退1～2dB.高功放输出波导开 关及馈线系统损耗约2dB。
接收端有关参数。接收端地点以兰州为例, 天线口径选用1.8M, 2M二种。
3.2 基带信号
根据系统功能和要求, 并通过计算信息速率、字符率求出基带信号占用带宽, 以向卫星公司租用转发器的使用带宽。
3.2.1 信息速率
一路视频5Mbps, 一路立体声电视伴音0.256Mbps, 三路立体声广播3×0.256=0.768Mbps, 一路图文电视0.338Mbps, 一路低速业务数 据通道0.0192Mbps, 一路高速数据1.5Mbps.总信息速5+0.256+0.768+0.0.338+0.01922+1.5=7.88Mbps。取开销为总信息速率 的2% , 则有效传输比特率为7.88× (1+0.02) =8.03Mbps。
3.2.2 传输速率
因前向纠错率FEC为3/4, RS纠错编码为 (188, 204) , 故有传输速率为R=8.03×4/3×204/188=11.6Mbps。
3.2.3 字符率
QPSK调制时, 有11.6/2=5.8Mbps。
3.2.4 占用带宽B
当滚降系数取0.35时, 载波带宽为5.8× (1 +0.35) =7.83MHz, 加0.16MHz保护带宽后, 则占用带宽B=7.83+0.16=8MHz。
可见, 根据计算结果, 租用转发器带宽至少要8MHz。
3.3 卫星下行EIRPs的计算
卫星公司提供的技术资料表明, 转发器用SCPC方式多载波时, 为减少失真, 则转发器的总输出功率回退 (OPBP) 需3dB, 甘肃卫视占用带宽8而言, 输出功率还需回 退101g (36/8) dB, 故卫星下行等效全向辐射功率即:EIRPs=41-[3+101g (36/8) ]=41-9.5=31.5 (dBW) 。
3.4 卫星上行EIRPe的计算
由于上行EIRPe与上行频率和传播损耗有关, 因此, 必须首先求出自由空间电波的传播损耗 Lf上=201g (4πd / λ) , Lf又与卫星到发射点的距离d有 关, d=6378/44.7-13.22cosξcosφ=6378/44.7-13.22cos36.07cos (115.5-103.75) =37380km。
式中:ξ 是发射点纬度;φ是发射点与卫星经度差.知 道了 后, 就可方便地求出Lf =201g (4×3.14×37380×10×6.135/3) =199.65 (dB) ;另考虑到上行大气吸收和雨衰的原因, 取0.5 dB左右, 则上行链路总损耗为Lu=200.15 dB, 因此, S10B转发器推至饱和所需上行EIRPes可根据公式求得:
EIRPes=SFD-10lg4π/λ2+[Lf]+[Ls]
即:EIRPes=-87-37.2+200.15+0.7=76.65 (dBW) , 卫星公司提供的技术资料, 转发器用 于SCPC方式多载波传送时, 为减少失真, 转发器输 入回退需要6dB, 则: EIRPe=EIRPes-IPBO=76.65-6 =70.65 (dBW) 。
3.5 高功放输出功率
要求高功放输出功率, 首先要求得天线发射端口功率P天, 因为P天=EIRPe-[G]=70.65-53.1=17.55 (dBW) , 考虑到高功放到天 线的馈线损耗约为2.4dB, 因此, 高功放输 出功率应为19.95dBW。因功放最大输出设定为60dBm, 即30 dBW, 那么上行功率储备 P备=30-19.95=10.05 dBW。
3.6 下行接收计算
3.6.1 接收天线增益
取2M, 1.8M天线的效率均为0.65 , 下 行频率3910MHZ, 则根据天线增益计算公式
G=20lgπd/λ+10lgη
得2M天线增益G2=201g (3.14×2/0.0767) +101g0.65 =201g81.8+101g0.65=20×1.91-1.87=36.33 (dB)
1.8M天线增益 G1.8=201g (3.14×1.8/0.0767) +101g0.65=201g73.68+ (-1.87) = 20×1.87-1.87=35.53 (dB)
3.6.2 卫星接收机的输入电平
卫星接收机的输入电平应该在接收机规定的范围之内, 若输入信号过强则在接收机内部产生较大的失真。
而输入信号过弱, 接收机内部噪声的影响就会很严重。目前市场上的数字卫星接收机输入电平范围的典型数值是-60～-30dBm。
卫星接收机输入功率电平Pi=EIRP-L0+Gr+GLNB-Lcable-Ls, 其中为L0自由空间损耗, Gr为接收天线增益, GLNB高频头增益, Lcable为电缆损耗, Ls为功分器损耗。若使用2M天线接收甘肃卫视, 高频头的增益为60, 第一中频电缆长50M。采用SYKY-75-9-7型电缆, 采用十二路无源功分, 则接收机的输入功率电平Pi=41-195.7+36.3+60-8.3-14=-80.3dBw=-50.3dBm这样的输入电平对目前市场上见到的数字卫星接收机来说很合适的。
4 结束语
在进行计算时一般遵循以下三个原则: 功带平衡的原则, 上、下行降雨不同时考虑的原则, 适度保守的原则, 这样的计算结果才有可靠性。
摘要：利用卫星转发广播电视信号, 转发的质量如何, 接收站的设备如何配置, 都需要涉及传输链路的计算, 它是设计地球站或接收站时进行的信号传输质量和各种技术参数的定量分析计算。以甘肃地球站为例, 对卫星租用带宽、上行功率、天线接收系统等的计算作了全面的阐述。
关键词：卫星,广播电视,传输链路,计算
参考文献
[1]车晴, 王京玲.数字卫星广播系统[M].北京广播学院出版社, 2000.
卫星传输链路 篇2
卫星传输以其覆盖广、距离远、不受地理环境限制、质量优、经济效益高等优点,成为了广播电视传输体系中的重要手段。从业人员要加深对卫星广播电视传输相关知识的理解和掌握,才能为广播电视安全运行提供保障。
2广播电视卫星传输系统组成及功能
广播电视卫星传输系统由:卫星上行地球站、广播(通信)卫星、卫星接收系统和卫星测控4大部分组成,如图1所示。
2.1卫星上行地球站主要作用是将电台、电视台传输来的节目进行复接,信道编码,调制成70MHz或140MHz中频信号,经上变频器变频到射频信号,再经高功放进行功率放大至足够强度,最后通过带自动跟踪控制的天馈系统发向同步卫星。数字卫星上行地球站发送系统由信号处理系统、上行系统、天线与馈线系统、天线跟踪系统组成,存在多路单载波(MCPC)和单路单载波(SCPC)2种工作方式。
2.2广播电视卫星的主要作用是接收上行地球站发射的上行信号,经滤波、低噪声放大、下变频和功率放大形成卫星下行信号,通过卫星天线将信号转发覆盖特定服务区域,信号处理过程如图2所示(C波段卫星为例)。进入轨道后的广播电视卫星主要由天线子系统、广播子系统、电源子系统、跟踪遥测指令子系统、位置与姿态控制子系统和温度控制子系统等组成。天线子系统接收上行地球站发送来的电磁波(微波信号),同时确定地面覆盖区的大小和形状向地面卫星接收站辐射电磁波;广播子系统实际是微波中继系统,将天线接收的电磁波(微波信号)进行一定频带内的微波中继处理,即是依靠称为转发器的设备信道来完成。1颗卫星有多个转发器分别工作,每个转发器能同时接收和转发多个地球站发射的信号。现在国内中央台和各省广播电视使用的卫星主要是C波段中星6B (115.50°E)和Ku波段中星9号(92.20°E,直播卫星)2颗卫星。
2.3卫星接收站用于接收卫星广播电视电磁波信号,经变频、解调、解扰、解复用、解码后送至有线电视前端或地面无线发射台再次传输、发射使用或直接用于用户收听收看。主要由接收天馈系统、低噪声放大变频单元LNB (高频头)、高频同轴电缆、功分器和卫星接收机IRD (可以为LNB提供直流电源)等组成,如图3所示。
(1)接收天馈系统由天线反射面、馈源喇叭(馈源盘)、极化器、圆矩波导变换器、馈线、天线反射面座架等组成。作用在于通过天线反射面将空中的卫星电磁波信号能量反射汇聚送入抛物面天线焦点处设置的馈源系统中,由馈源系统中的馈源喇叭将汇聚到焦点的能量全部收集起来,送入馈源系统中的极化器进行极化分离,再通过圆矩波导变换器和波导同轴转换将信号传输至高频头输入端口。
(2)高频头是卫星接收系统的室外单元,将接收到的微弱卫星信号进行低噪声放大,下变频,输出第一中频信号。高频头处于接收系统的最前端,其噪声的大小对接收系统性能的影响最大,因此高频头的噪声和增益指标好坏直接决定了接收系统的C/N值好坏。低噪声放大器由微波场效应管和微带电路构成,噪声小,增益可达40～45dB;下变频器是通过本振,产生1个稳定的频率与卫星信号频率混合的方法,把信号从RF频率(卫星下行频率)变换到IF频率(第一中频)的电路组件;此处本振频率高,稳定性高,信号电平较大;中频放大器将微弱的第一中频(950～1750MHz)信号进行放大,频带宽度为500～800MHz,增益约在20～30dB,动态范围达到40 dB以上,输出阻抗为75Ω。
(3)卫星功分器的作用是将输入的一路第一中频信号分为多路输出相等或不相等能量信号,给多台卫星接收机提供输入信号。
(4)卫星电视接收机又称为综合解码接收机(即IRD)是指将高频头(LNB)输出的第一中频信号(1GHz频段)通过变频调谐、解调、解码和解复用处理后,转换为音视频信号或者射频信号的电子设备,是室内单元。目前普遍使用数字卫星电视接收机。
3卫星下行传输链路估算
要保证接收系统的高质量,仅了解广播电视卫星传输系统基本组成及功能是不够的,还必须了解各种因素对传输链路的影响,并且掌握接收系统链路估算,从理论上保证接收系统的可靠性和稳定性。从卫星传输链路示意图(图4)中可以看到,上行链路是指上行地球站发送信号、卫星空间广播系统接收信号的传输链路;下行链路是指卫星上广播系统发送信号,地球接收站接收信号的传输链路。大部分专业人员主要涉及到下行接收系统的设计与建设,常需要估算下行链路,其中主要包括链路功率、载噪比、自由空间传输损耗以及卫星转发器等效全向辐射功率EIRP、归一化信噪比Eb/N0,参与计算的参数还应当包括天线增益、接收站位置、卫星轨道位置、工作频率、以及接收系统的品质因数G/T。
图中PTU指上行地球站发射功率,PRu指上行链路卫星接收功率,PTD指下行链路卫星发送功率,PRD指地面接收站接收功率,EIRPE指上行链路上行站发射的等效全向辐射功率,EIRPs指下行链路卫星等效全向辐射功率,LFS是自由空间传输损耗,LF是馈线损耗,LAM是天线失调损耗,LAA是固定大气吸收损耗和Lp电离层去极化损耗。NsAT是卫星引入的噪声,NIss是卫星输入饱和状态下的噪声,ND是卫星接收站引入的噪声。
3.1下行传输链路功率估算
从图4可以看到,接收端的功率与发送端功率、空间传输损耗、接收端天线增益直接相关,即
其中PRD是指接收输入端功率,单位为dBw;EIRPs是指卫星转发器天线口面端口的等效全向辐射功率,单位为dBw;GR是接收天线增益,单位为dB;LOSSES是指卫星传输链路各种损耗值之和(包括自由空间传输损耗、馈线损耗、天线失调损耗、固定大气吸收和电离层极化损耗),单位为dB。特别注意,此公式是以分贝值相加。
3.1.1等效全向辐射功率EIRP
等效全向辐射功率(EIRP)是一个很重要的参数,对于发送端的EIRP值可以看着是输出端信号功率,对于接收端的EIRP可以看着是输入端信号功率。由公式(3-2)给出功率W和dBw之间的换算关系:
3.1.2天线增益(GR)
天线增益在出厂时已调测达标。天线都具有方向性,并且不可能完全各向同性以及天线面加工精度的影响,因此有天线效率η的存在。抛物面天线口径越大,加工精度越高,其增益越高。
3.1.3传输链路损耗(LOSSES)
(1)自由空间传输损耗(LFs)
自由空间传输损耗(LFs)计算如下:
其中d是发射天线和接收天线之间的距离。通常需要转换成频率f来计算,转换式为入=c/f,其中c=3×108m/s。当频率取单位值为MHz,距离单位为km时,自由空间传输损耗又表示为
LFs=32.4+201g d+201g f dB (3-4)
工程上简化计算地面接收站至卫星的距离d,可用公式(3-5)估算如下:
其中φ星、φ站、θ站站分别表示卫星和地面接收站的经度和纬度。
(2)馈线损耗(LF)
馈线系统是用于连接天线和设备。对于发送端来说,功率放大器与发射天线是通过滤波器、耦合器和波导连接;对于接收端来说是接收天线通过波导、滤波器、耦合器和电缆与接收设备相连接。信号在传输过程中必然会产生一定功率损耗,统称为馈线损耗(LF),用dB表示。
(3)天线失调损耗(LAM)
建立卫星链路时,理想情况是使地球站天线和卫星空间天线中心轴对齐,得到最大增益。在实际工程中总有误差,造成一定损耗。这种卫星轴外损耗称为天线指向损耗(LA),通常不到ldB。天线中的损耗还可能来自极化方向的失调损耗(LM),这两种损耗通常统称为天线失调损耗(LAM)。天线的极化是指天线辐射或接收的无线电波的电场矢量方向。极化失调是指接收天线极化方向与发射信号极化方向不完全匹配,造成能量损失,影响接收效果,其值过大无法收看到卫星广播电视节目。
(4)固定大气吸收损耗(LAA)和去极化损耗(Lp)
能量被大气吸收造成的损耗称为大气吸收损耗(LAA),主要是由空气中所含氧气和水蒸气引起,不同于因为不利天气因素引起的大气衰减,用dB表示。
卫星和地球站之间传输的电磁波经过电离层时会受到太阳辐射,造成线极化穿越电离层时,加速电离层中自由电子的运动,并且电子运动方向在地球磁场作用下发生变化,改变电场方向。同时,电子反作用于电磁波,使极化改变,从而改变无线电信号的传播。在线极化下,其共极分量(有效分量)降低(出现夹角α),形成极化不匹配损耗即去极化损耗（Lp),可表示为Lp=10log (1/cos2α) dB。因此在一些高质量要求的使用中需要在天线端安装极化跟踪器补偿此损耗。在圆极化的情况下,几乎不影响电场的共极和交叉分量,损耗不计入。
综上所述,晴天时的下行链路功率预算方程可表示为
PRD—为接收输入端功率,单位dBw;EIRPs,一等效全向辐射功率,单位dBw;
在雨天,电磁波遇到雨滴时会产生去极化效应,会被吸收和散射,造成雨衰(Lα)。雨衰大小是频率、天线仰角和降雨率的函数。雨衰随着频率的升高而增大,随着降雨率的增加而增加。工作在8GHz以上频率的电磁波雨衰影响就比较显著,Ku波段必须考虑雨衰因素,C波段可以忽略雨衰(可预留一定降雨储备量)。雨天的下行链路功率预算方程可表示为
此式与晴天计算式相比,多减去雨衰值Lα,在实际工程中可查相应的雨衰估算曲线得到。
3.2下行传输链路载噪比计算
3.2.1载噪比
载噪比是接收机输入载波功率与噪声功率之比(C/N),是卫星地面接收站性能指标,也是接收信号质量衡量指标。传输介质只要不是处于绝对温度的零度,就存在热噪声。卫星传输通道必然存在热噪声,若接收端的载波信号和热噪声功率比达不到规定的(C/N)门限值,系统就无法有效分离载波中的有用信号和噪声,不能保证接收信号质量。因此,系统载噪比的计算尤为重要。热噪声的主要特征是具有平坦的功率谱,即单位带宽的噪声功率是恒定值,其单位带宽的噪声功率称为噪声功率谱密度(N0)。噪声功率谱密度N0=KT,其中K是玻尔兹曼常数1.38×10-23 (J/K),T是绝对温度值(K为单位)。热噪声与温度相关,不受频率变化的影响。通常使用载噪密度比C/N0进行链路估算,它与载噪比C/N存在关系
(3-8)式采用分贝数计算,BN是噪声带宽,单位是Hz。当噪声带宽BN等于信号带宽B时(即BN=B),则BN=(1+α)RsHz (3-9)
其中,α是滚降系数;R,是符号率,单位为波特率。
3.2.2下行链路载噪密度比计算
(C/N0) D—下行链路载波对频谱噪声密度比即载噪密度比,.单位dBHz
(G/T) E—地球接收站品质因素,单位dB/K K-玻尔兹曼常数
LOSSESD一下行链路传输损耗(不包含接收机馈线损耗),单位dB
(3-10)式采用分贝数进行计算。
在数字电视接收系统中,用误码率Pe来衡量传输质量。采用不同调制解调方式,达到相同的误码率Pe值所需的最低每比特信号的能量Eb与噪声功率谱密度N0之比,即归一化信噪比门限值(Eb/N0)th是不同的,工程上可查关系图表得到误码率Pe对应的Eb/N0的门限值。而载噪比与归一化信噪比(Eb/N0)之间存在公式(3-11)所示关系
(3-11)式采用分贝数计算。式中m为每个符号的比特数,且m=Rb/B。Rh是信息速率,单位为bit/s,其值与编码效率Rc、符号率Rs、数字调制载波状态数M相关,关系为R b=Rc Rs (log2M)。实际(Eb/N0)值高于要求的门限值才能满足系统接收要求的误码率,才可以避免由于传输链路影响造成误码率高而导致图像出现“马赛克”或突然中断现象,才存在高质量接收的基础。
4下行传输链路估算在接收系统中的应用
以接收中星6B上C频段四川电视节目为例,进行数字卫星电视接收系统设计估算,从理论上确保接收系统可实现性与稳定性。
(1)接收系统建设目的。
接收四川电视节目作为再次无线发射使用或有线前端节目源使用。
(2)接收系统规划使用器材情况。
3m前馈天线(受安装条件限制,允许的最大尺寸)、一体化高频头、二功分器、中频电缆30m、专业卫星接收机
(3)四川电视台卫星节目技术参数。下行频率:3902MHz;符号率:9.3Mbaud;前向纠错:3/4;滚降系数:0.35
(4)中星6B下行EIRPs。
由于同一颗星上的转发器,对处于卫星天线传播覆盖的中心区和边缘地区的EIRPs值是不同的,故在工程设计估算中,需要根据卫星波束图来查找当地的EIRPs值。从中星6B的卫星波束图(图5)上查找成都地区的EIRPs值在42～44.5dBW之间,此处取42dBW进行估算。
(5)成都接收站(104.10°E,30.7°N)与中星6B(115.50°E)间自由空间传输损耗。
利用公式(3-5)得到星站距离d≈37031km
那么,自由空间传输损耗LFs=32.4+201gd+201gf=195.58dB
(6)空间去极化损耗Lp=-0.4 dB(一般情况下取值)
(7)大气吸收损耗LAA=一0.2 dB(天线仰角约53°)
(8)天线增益GR=40 (3m天线,天线效率65%)
(9)储备余量△M=-6dB (电离层闪烁、雨衰、大气衰减等等)
(10)接收馈线损耗LF=-0.2 dB(馈线接头/波导同轴转换)
(11)接收系统噪声温度Ts计算和G/T值计算。
接收系统的噪声(ND)是由接收站天线噪声和接收站内部噪声组成。天线噪声是宇宙、地面、大气、降雨及人工制造的噪声与天线本身的损耗产生的噪声之和。由于噪声源输出噪声功率的大小为kTB (k是玻尔兹曼常数,T是绝对温度,B是接收设备带宽,是定值),其大小实际上只取决于它的温度T。那么,接收站内部噪声的大小可以用噪声温度(Ts)来表示。卫星接收站内部噪声用等效温度度量噪声功率比较方便。工程中常常使用一个工作温度为T,衰减为L的电阻四端网络内部噪声理论分析得到的计算公式(4-1)计算内部噪声等效到网络输入端的噪声温度,用公式(4-2)计算内部噪声等效到网络输出端的噪声温度。
其中L是用功率实际比值参与计算,即要将dB功率增益这个相对值,变换为输入与输出功率比值。TS和G/T值计算结果如表1所示(室温20℃为例)。
(12)总的传输损耗(不含储备余量)
(13)总的传输损耗(含储备余量)
(14)接收系统输入功率
(15)接收系统输入口载噪密度比
用公式(3-10)得到(C/N0)D=89.94 dBHz
(16)接收系统输入口载噪比
由公式(3-9)可计算出带宽BN带入公式(3-8)得到C/N=18.95 dB。
(17)归一化信噪比(Eb/N0)值
中星6B等同DVB-S系统,采用的是QPSK调制。通过查找QPSK解调器特性图、卷积解码器输入输出的误码率关系图和R-S解码输入输出的误码率关系图可知,系统输出的误码率要优于10-11,(数字卫星接收机音视频性能指标要求),则QPSK解调输出的误码率应小于10-4,对应于QPSK解调器输入端的归一化信噪比(Eb/N0)th值约为5.5dB左右(理论值)。
根据公式(3-11)估算(Eb/N0)。其中Rc在DVB-S系统中为内码编码效率即FEC的值(此处为3/4),M值为4 (QPSK调制),则(Eb/N0)为18.49dB,远高于理论门限值,有足够的余量,完全能满足高质量接收要求。
(18)安装完成后实测情况
使用TEK2712频谱仪测试结果如下(在2功分器输出端测试):
接收机输入端口电平为-51 dBm;接收机输入端口C/N值为18 dB。
(19)结论
工程中,C/N值达到12 dB就能较稳定接收广播电视节目,此系统实测C/N值达到18 dB,具有足够余量,此系统建设的设计与安装是满足使用需求的。
5接收调试和运行过程中常见现象及原因
接收系统性能估算满足要求的情况下,如果出现接收异态,则要在安装中查找原因。下面将安装中常见问题及可能的原因列出,供工程人员参考。
5.1安装时收不到信号,无图像和声音
可能的原因及处理方法:
(1)接收机故障,更换接收机。
(2)高频头损坏或IRD没供电给高频头。查看无线配置菜单,或给高频头加电,或更换高频头。
(3)馈线短路或断路,重新制作馈线电缆头,或更换馈线。
(4)馈源极化器装反,造成信号损失20dB以上。重新安装极化器,正确偏转。
(5)天线指向没有对准卫星。查看接收机信号强度和质量加以判断。调天线方位角和仰角,菜单指示和质量达到最大。
5.2安装时信号不稳定,时而出现马赛克,声音断断续续
可能的原因及处理方法:
(1)高频头增益太低或故障,更换高频头。
(2)接收机故障。
(3)馈线两端电缆头芯线或地线接触不良,导致接触电阻大,信号衰耗严重。清洗两端子或重做电缆头。
(4)天线安装精度是否有问题。一般通过目测检查天线面是否受损,口面是否平整,馈源是否受损。
(5)天线指向未对准卫星。信号弱,处于临界接收状态。仔细调整天线,使信号强度、质量指示最强。
(6)天线未安装好,如焦距不准,主面、副面及馈源不同轴或天线基座不牢固,遇风、雨有晃动等。重新安装天线或加固基座。
(7)极化角未调好。如果未调到最佳极化偏转位置,信号损耗大,且刚好使系统载噪比处于临界接收状态附近,遇雨天相对严重,另一极化信号也可能造成严重干扰。
(8)馈源、高频头、馈线等漏水、潮湿或有异物,如鸟窝。除水除潮清理杂物后重新安装。
6结束语
广播电视卫星传输的发展蒸蒸日上,出现了卫星电视接收工程建设中良莠不齐的现象,难以保证使用的稳定、可靠。希望通过对卫星传输系统组成、功能及传输链路影响因素、估算方法的介绍和实例的剖析以及故障解决方法简述,对业内提高广播电视卫星接收工程建设质量有所帮助。
参考文献
[1]叶后裕,范启岭.卫星电视接收技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,1988.
[2]Dennis Roddy.郑宝玉等译.Satellite Communications(Fourth Edition)[M].机械工业出版社,2011(6)
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[4]吕海寰,甘仲民等.卫星通信系统与工程[M].中国人民解放军通信工程学院.1983.
[5]方德葵.卫星数字传榆与微波技术[M].中国广播电视出版社.2005(3).
[6]车晴,张文杰,王京玲等.数字卫星广播与微波技术[M].中国广播电视出版社.2003(1)
卫星传输链路 篇3
随着数字通信技术的发展, Ka波段卫星通信将成为未来卫星通信的主流和军事卫星通信发展的必然趋势。在Ka波段,由降雨引起的信号衰减也比较显著,一场大雨引起的降雨雨衰(以下简称"雨衰")将超过20 dB,如此大的降雨衰减完全可能造成卫星通信的中断[1]。因此,对于Ka频段的卫星通信系统,准确的把握雨衰特性能够为抗雨衰提供重要的依据。但目前我国Ka 波段卫星通信还没有得到广泛的应用,很多地区没有条件测量Ka波段雨衰。
国内对Ka波段的雨衰的研究大多还是根据ITU -R模型[2]进行理论计算。但通过实际测量发现实测值和ITU -R模型的预测值误差相对较大[3,4]。本文根据武汉地区的Ku波段下行链路信号的雨衰实测和降雨数据,使用精确相对较高的频率转换法[5],对同轨道、同路径、相同降雨率情况下Ka波段下行链路信号雨衰进行了正确的换算。并根据换算结果对ITU -R模型进行修正。该换算值可为建立Ka频段卫星通信系统提供理论依据。
2 Ku波段降雨率和雨衰的测量
2.1 测量原理
国内外常见测试雨衰的方法主要有三种:卫星信标法、辐射计法和雷达法。本实验采用卫星信标法。卫星信标法是指通过雨天条件下测量接收到的卫星信标功率与晴天条件下的卫星信标功率相减,得到雨衰值。同时利用雨量计记录下当时的降雨率,就可以得到相应的雨衰与降雨率之间的关系。其测试原理图如图 1所示。
雨量计采用"双阀容栅式雨量计",其工作环境温度:0℃~60℃;测量精度:0.1mm~7mm/h;示值误差:一次性降雨≤10mm,误差≤±0.2mm,一次性降雨>10mm,误差≤±2%;工作电压:由采集器提供9~24V直流电压。测量时雨量计测出分钟降雨量(mm),并通过数据采集器存入电脑。将电脑中的数据乘以60,即为对应于该分钟的降雨率(mm/h)。
卫星信标信号由接收天线接收后,经高频头(LNB)下变频后送入频谱分析仪,再通过RS-232接口将信号电平数据存入电脑。Ku频段天线采用Super Dream生产的。低噪声变频器(LNB):增益60dB;本振11300MHz;输入频率:12.25GHz~12.75GHz;输出频率:950MHz~1450MHz;实验中测量的是垂直极化信号,根据低噪声变频器的要求,供电电路采用12.5V直流电源。
测试地点:武汉,纬度:30.52°,经度:114.31°,海拔:53.3m,卫星:亚太六号,位置:东经134°,频率:12GHz,极化方式:垂直极化。测试时间:2008年4月-2008年12月。
2.2 数据的获取与处理
选取一段时间测量的降雨率和Ku频段卫星信号下行链路的雨衰数据作为分析,通过matlab软件对获取的数据进行处理得到以下结果,如图 2。
图 2为2008年5月3日19:00至20:40降雨率和Ku频段卫星信号衰减的测量情况,从图中可以明显看出:信号衰减随着降雨率增大而增大;在降雨前后由于对流层闪烁,云吸收,大气衰减和水蒸气吸收,尽管没有降雨,信号也有4-5dB的衰减。
图 3是实测的Ku雨衰数据通过matlab综合整理得到的。图中"点"是实验实测Ku衰减值;"虚线" 是实测值根据最小二乘法拟合得到的降雨率和降雨衰减曲线;"实线" ITU-R的预测值。从图中可以看出ITU-R的预测值和信号衰减的实测值之间存在一定的误差。
3 Ku/Ka频段雨衰的频率换算
频率换算法,即根据测量得到某个特定频率f1的降雨损耗A1则可以换算相同条件下另一个频率f2上的降雨损耗A2。频率换算法需要在一定频率上进行长期的统计,而且这些数据必须由地星之间的实验链路采集而来,才能换算成另一频率的衰减值。目前已经有许多不同种类的换算模型被定义出来,有从实验数据上得到的,有从理论上得到的。这里所使用的是Boithas1989年给出的经验公式,经长期的统计数据验证,该公式具有较高的精确度[5]:
式中
A1,A2是频率在f1和f2的卫星链路的雨衰值。该变换公式适用于频率范围在7~50GHz时的情况。
图 4中"点"是实验实测Ku衰减值,"实线"是实测值根据最小二乘法拟合得到的降雨率和降雨衰减曲线,"虚线"是通过Ku频段拟合得到的雨衰值进行频率换算,得到的Ka频段(20GHz)的降雨率和降雨衰减曲线。由图可以看出: Ka频段的雨衰随着降雨率的增大而增大,当Ku频段的雨衰为5dB时,Ka频段的衰减达到了12dB左右,而随着Ku频段下行链路雨衰值增大8dB左右时,Ka频段的雨衰可达到20dB。在相同的降雨率情况下Ka频段的雨衰远大于Ku频段的雨衰,受降雨影响更为严重。已知武汉地区0.01%的降雨率为63(mm/hr)[6],要保证Ka卫星通信系统年平均可用度达99.99%,通过图中可以看出要通过抗雨衰技术使得雨衰补偿达到20dB,才能保证Ka频段卫星链路在降雨时的可用性。
图 5中"虚线"为频率换算值,"实线"为ITU-R预测值,由图可以看出随着降雨率的增大两者误差也越大。
4 ITU-R雨衰预测模型的修正
ITU-R推荐的降雨衰减预测模型为:
其中L为降雨有效路径,γ为降雨衰减率,R为降雨率,a、b为相关系数,对于不同频率其值不同[7]。
为了修正ITU-R预测模型定义 :
其中Perr是频率换算值与ITU-R模型预测值的误差,A是频率换算值,AITU是由ITU-R预测模型的衰减值。将误差Perr由最小二乘法拟合得到的其拟合曲线,表达式为:
则修正后的武汉地区Ka频段降雨衰减预测模型为:
Am=AITU+Perr
=AITU-0.0004R2+0.2333R-8.4053 (6)
其中Am是修正后的降雨衰减预测值,R为降雨率。修正后的降雨衰减预测值可以较为准确的预测亚太六号星到武汉地区的Ka频段降雨衰减值。
5 结 语
对亚太六号卫星Ku频段下行链路的雨衰值和降雨率进行测量,通过频率转换对相同条件下Ka频段下行链路的雨衰进行了正确的换算,换算结果可以为Ka频段卫星通信系统采取有效的抗雨衰措施提供理论依据,并对ITU-R预测模型进行修正。该方案也适用于Ka频段卫星上行链路(30GHz) 的雨衰换算。降雨率的测量是一项长期性的对降雨规律积累,而本次实测时间较短,随着测量时间的越长,换算的精确性也越大。
摘要：利用雨量计、频谱仪、计算机等设备,对武汉地区某时段降雨率和Ku频段卫星下行链路(12GHz)的降雨衰减进行了测量。通过数据处理,得到降雨率与降雨衰减的关系。经频率换算得到了相同条件下Ka频段卫星下行链路(20GHz)的降雨率与降雨衰减的关系。针对ITU-R预测模型的不精确性,根据频率换算值对预测模型进行修正。该换算值可为该链路Ka频段卫星通信抗雨衰方案的设计提供理论依据。
关键词：卫星通信,Ka频段,降雨衰减,降雨率
参考文献
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[6]周兆清.Ka卫星通信系统中雨衰分析[J].无线电通信技术,2006,32(5):53-55.
卫星传输链路 篇4
卫星微波新闻采集直播车是新一代的电子新闻采集系统 (ENG) , 它可以卫星为传输平台, 电视台在新闻现场所采集到的视频及音频信号, 通过DSNG系统处理后, 发射到同步卫星中继站, 再转送回电视台, 可以直接转播或经过编辑后播出。同传统的有线传输和微波发射相比, DSNG完全打破了新闻采集的区域性限制, 能够更快、更方便、更经济地采集和转播突发性及重要新闻事件。扬州卫星微波直播车投入使用以来, 成功的转播了党的十七大、2008全国两会, 并多次和省级以上电视台联动, 为地方台节目扩展提供了强有力的技术保证。
2 整体设计
目前国内组装卫星车主要分:简易制作+传输功能为一体的卫星车;完全制作+传输功能为一体的卫星车;纯传输功能卫星车配制飞行箱等。各种设计各有优劣, 本台车体选用IVECO都灵E, 实行第一种方案, 其特点是灵活、机动、经济。简易的制作系统, 中心设备为Sony产AWS-G500切换台, 6路视频输入, 内带8路输入的调音台, 可输出模拟视音频信号和嵌入音频的SDI信号, 为DSNG系统提供了丰富的信号选择。
3 DSNG系统的设计
由于Ku波段DSNG系统体积较小, 运输较为方便的特点, 所以车载式DSNG系统往往选用Ku波段作为发射频率。DSNG系统的信号处理和传送流程如图1所示。
来自制作系统的视音频信号输入至编码器, 由编码器对该音频及视频信号进行MPEG-2压缩编码, 编码器则输出MPEG-2 DVB码流信号。较常见的两种MPEG-2压缩编码方式为4∶2∶2和4∶2∶0。如果信号回传至电视台经解码后直接播出, 4∶2∶0已经可以满足播出图像质量的要求。4∶2∶2压缩编码相对增加码率, 但具有较佳的图像质量。如果信号须经过多次解码和编码处理, 那么在反复处理的过程中, 图像清晰度会有所下降, 在此情况下, 则可使用4∶2∶2的压缩编码以补偿图像清晰度的下降, 但发射传输的成本将增大。如果不清楚对方接收机的指标, 建议使用4∶2∶0编码, 以减少故障发生概率。来自编码器的MPEG-2 DVB传输码流送到DVB调制解调器进行一系列扰码和调制变成70 MHz或140 MHz卫星中频信号后送入上变频单元, 变换为Ku波段的射频信号, 经高功率放大器和天线发射至卫星转发器, 电视台接收到由卫星转发器转发的信号后, 将该信号解码还原为视音频信号并进行实时转播或其他处理。
本车DSNG系统最大特点是SE4000编码器和Ku波段室外型200 W功率放大器。SE4000编码器把MPEG-2编码和DVB调制集成于一个1U的机箱内, L波段输出可选, 经带上变频功能的室外型高功放后, 直接输出Ku波段至天线发射, 既节省了车内有限的空间, 又节约了系统设备成本。具体链路如图2所示。
由视音频系统送来的加嵌的SDI信号送到编码调制器, 通过设置编码调制器选择正确的视音频源 (数字、模拟、嵌入等) 和传输音频的数量。视频编码采用MPEG-2标准, 总压缩码率可调。视音频信号经过数字压缩编码通过编码器形成ASI流, 然后通过编码调制器内置的调制器进行QPSK调制, 以L波段信号输出到综合跳线板上。
通过跳线将L波段信号送到1∶1室外型Ku频段200 W功率放大器中, 功率放大器含有L波段~Ku波段的上变频器模块 (BUC) , 将L波段变频后放大通过波导倒换开关输出至车载天线, 发送电视信号到卫星。
经天线接收, 低噪声锁相环下变频器LNB变频输出L频段信号, 再经1∶4功分器将2路信号分别送入综合跳线板供接收机和频谱仪使用。
在波导倒换开关的输出端, 接入了一个40 dB的定向耦合器, 将上行射频信号耦合出来, 通过测试转发器变频到L波段, 最终接入综合跳线板。这样就可采用L波段的频谱分析仪检测射频输出, 大大提高了故障诊断效率。
4 关于业务卫星的选择
从物理位置上讲, 应该尽量选择和卫星车所在经度相近的卫星:首先, 与卫星车所在经度相近的卫星使通信波束穿越大气层的距离变短, 减少了由自由空间、雨衰、沙尘吸收、电离层和对流层的闪烁和折射等引起的各种空间损耗;其次, 增加了天线的仰角, 较大的仰角可减少天线的噪声温度, 从而使G/T值上升, 优化整个系统的指标。当然, 较高仰角的天线也可使天线不受建筑物和树木的阻挡, 避免不必要的麻烦。
从转发器的性能讲, 应尽量选择高功率, 带线性器的转发器。功率高, 可降低对高功放功率输出的要求。线性器可提高转发器分配功率的效率, 在相同有效全向发射功率 (EIRP) 下, 带线性器转发器可比不带线性器的转发器多提供2 dB的功率。当然随着卫星的老化, 转发器的功放也逐渐老化, 其输出功率也随之降低。另外卫星上的太阳能电池板的蓄电池的老化也使系统供电不足, 影响功放的输出。因此选用新的卫星对保证系统的良好运行也是有好处的。
5 DSNG系统的一般性操作
作为DSNG系统的实际操作者, 一方面确保上行信号准确高效地传送到卫星接收天线, 同时地面接收设施准确无误地接收来自卫星的数据信息, 实现卫星通信链路的连通;另一方面确保自身的上行信号不会对其他网络造成干扰或影响, 因此和卫星公司进行正确有效的上星标定是非常重要的。上星标定通常包括天线指向和极化角调整、载波功率和频率标定以及载波带宽的调整等。
1) 工作前的准备工作: (1) 根据实际需要, 提前填写使用申请表; (2) 卫星车停放车头尽量向南, 以减少天线寻星路径和避免天线内部各类电缆发生绞线;确保前方仰角45°以上无明显遮挡;避免强磁场干扰;确保天线展开运动路径无任何障碍。
2) 标定前的准备工作: (1) 确保设备及连接电缆处于正常状态, 未被改动; (2) 正确设置天线控制器 (ACU) , 展开对准卫星后, 通过ACU面板选单检查方位角, 极化角, 仰角的数值, 和以前的值比较, 或通过频谱仪测量目标卫星信标, 初步确认天线的工作指向正确; (3) 检查频率设置, 确保正确的射频发射频率; (4) 做好发射CW载波 (未调制载波) 的准备。
CMMB网络监控传输链路改造 篇5
关键词：CMMB,监控,传输,光纤,微波
1概述
随着CMMB网络建设的逐步推进和用户群的不断扩大, 对网络设备运行情况和信号播出质量提出了更高的要求。因此, 建设一套能够可以随时了解设备工作状态、及时发现播出系统故障以便于尽快处理的监控系统是一项迫切需要尽快实施的保障性工程。但CMMB节目传输网络建设初期多采用单向网络, CMMB节目信号从前端机房到发射机房为信号下行链路, 并没有考虑监控等数据的回传链路问题。本文将结合海南省目前CMMB节目传输网络现状, 讲述如何对现有发射站点传输系统进行改造, 实现发射站点监控信号回传功能, 同时又要充分利用现有投资达到节约建设成本。
2海南CMMB单频网节目传输链路现状
考虑到各个发射站点的地理位置和传输资源的不同, 站点采用的传输也不同。现有的CMMB单频网节目传输链路为下行链路, 不具有发射站点到前端机房传输的上行链路。节目传输链路概况如下:
CMMB中心机房节目源通过光纤单向传输到海南有线电视中心机房并在海南有线电视中心机房和数字电视节目流复用适配成DS3信号, 通过有线电视省干SDH传输至各市县前端机房。
市县前端机房到发射站点采用三种接入传输模式:
1.具有光纤链路到达的站点, 采用点对点光纤传输通道;
2.无法和机房建立点对点光纤传输通道, 但可通达有线电视信号的站点, 采用HFC网络传送;
3.针对光纤和HFC链路无法到达的站点采用微波方式进行传输。
3传输系统改造方案
由于海南省CMMB网络传输有如下节点:海南中广监控平台、海南省电视台、中国有线海南分公司、发射站点。其中发射站点又可分为使用微波传输发射点、光纤传输发射点和射频传输发射点。现针对各个节点和各类发射点进行链路改造分析。
3.1整体改造方案
海南省CMMB网络传输链路改造方案整体拓扑图如图1所示, 其中绿色标识的是进行升级改造的设备。根据传输方式的不同采用不同方式进行改造。
针对节目采用光纤传输的链路, 将原有单向光端机更换为IP合路光端机, 实现IP回传功能。将发射站点采集器采集的监控回传信号通过IP合路光端机回传到地市的有线网络公司, 用E1适配器将IP回传信息通过SDH网络回传到有线省公司, 再通过相应适配器将回传信息转成IP信号, 通过交换机后利用有线省公司的IP合路光端机将回传信息发送省台, 之后将IP回传信号与其他链路回传信号一起通过交换机走IP专网回传至省中广集中监控平台。由于原有光端机的功能是进行ASI与光信号的互相转换, 更换后的IP合路光端机也可实现此功能, 另外增加了IP信号与光信号的转换从而实现监控数据回传的功能。所以更换后的光端机不会对原有的有线网络系统造成影响。
针对节目采用微波传输的链路, 由于微波设备是双向可回传微波设备, 所以只需要将涉及DS3适配器进行升级或更换为具备IP双向传输功能的适配器即可实现监控数据的回传。具体实现过程:将发射站点采集器采集的监控数据通过DS3适配器将IP信号变换为DS3信号后发送到微波设备, 之后省台微波设备接收信号并通过DS3适配器将DS3信号变化为IP信号后其他链路回传信号一起通过交换机走IP专网传送到省中广集中监控平台, 从而实现对发射站点的监控。
针对节目采用射频传输的链路, 要实现监控数据的回传, 则采用2G或3G网络资源通过无线方式直接回传监控信息至省中广集中监控平台。
3.2针对不同传输链路具体分析
3.2.1光纤传输改造方案
1.监控数据由发射站点传送到有线省公司部分
如图2、图3所示, 为了实现回传功能, 需要将原有单向光端机改为ASI/IP合路光端机, 通过ASI/IP合路光端机实现发射点监控信息回传, 并通过适配器完成IP信号到E1信号的转换。之后通过SDH网传回有线省公司, 在有线省公司通过交换机完成站点监控数据的汇聚。此处需要如下资源:租用2条2M的E1链路, 新购1对E1适配器, 将原光端机更换为ASI/IP合路光端机。目前此类站点共16个, 配置相同。
另三亚狗岭发射点与田头岭发射点, 琼海发射点与博鳌发射点间节目传输采用光纤和微波混合链路传输, 下面以三亚狗岭和田头岭传输链路改造为例进行具体阐述。
如图4、图5所示, 针对三亚市2个发射点的实际情况, 由于田头岭发射站信号是从狗岭发射站通过微波传输而来, 所以改造分两段进行。微波链路部分先将田头岭发射站的上下适配器进行升级或更换为具备IP双向传输能力的适配器, 这样田头岭发射站点的监控数据即可传送到狗岭发射机房的交换机, 同时狗岭发射点的监控信号也接入机房交换机。接下来就是光纤链路改造同前面文昌等16个站点改造相同, 即将原传输链路的普通单向光端机更换为ASI/IP合路光端机, 并增加1对E1适配器将IP信号转换为E1信号, 通过SDH网络回传到有线省公司, 最后在有线省公司交换机完成监控数据汇聚。此处需要如下资源:租用2条2M的E1链路, 新购1对E1适配器, 更换1对ASI/IP光端机, 新购或升级1对DS3适配器, 新购交换机1台。此类站点共2条链路4个站点, 每条链路上的配置相同。
2.监控数据由有线省公司到省台再到省中广监控平台部分
如图6、图7所示, 通过光纤链路传输的监控信号通过SDH网传送到有线省公司后, 通过1台交换机完成数据汇聚, 之后所有站点监控信号通过1对ASI/IP合路光端机传送到省台, 之后与其余微波链路站点传送来的IP监控信号进入1台交换机通过一条IP专网传送到省中广的监控平台, 最终完成站点监控信息的传送。此部分需要如下资源:租用1条2M×N (N=回传站点数量) 的IP专网, 更换1对ASI/IP合路光端机, 新购2台交换机。
3.2.2微波传输改造方案
如图8、图9所示, 针对3个由省台直接通过微波链路传送CMMB节目的站点, 需要将原有4台DS3适配器进行升级或更换, 实现IP监控数据的双向传输功能。同时考虑到IP监控数据通过DS3适配后点对点的传输特性, 需要新增加2台DS3适配器与原有适配器构成3站点的IP监控数据点到点传输。此时为实现CMMB节目的下传还需要增加1台码流分配器将CMMB复用器输出的信号分为3路信号分别通过3条微波链路传送到各发射站点。此处需要如下资源:升级或更换原有4台DS3适配器, 新购2台DS3适配器, 新购1台码流分配器。
3.2.3射频传输改造方案
目前针对乐东利国和洋浦两个站点, 由于是通过HFC网络传输, 无法通过链路改造完成回传。则采用2G或3G网络资源, 通过增加无线Modem和无线路由可实现无线传输方式将监控数据回传至省中广监控平台。
4总结
本文根据海南的实际情况, 按搭建监控系统的要求, 从节约建设成本角度考虑对现有的传输系统进行改造升级。针对各个环节中不同的传输方式采用不同的方案进行升级改造, 详细讲述如何实现将单向传输网络升级为适合于CMMB节目下传和监控数据回传需求的双向网络。
参考文献
[1]孙学康, 张金菊.光纤通信技术[M].北京:人民邮电出版社, 2008.
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卫星传输链路 篇6
空间卫星光通信能够有效突破低轨卫星与定点卫星间高码率通信, 但高频调制速率和大功率光源技术是目前空间卫星光通信链路中的关键点和难点, 为有效实现空间卫星间的光通信, 应当提高光源的发射功率和调制码速率, 并采用灵敏度相对高的接收机。
本文分析探讨了空间卫星光通信链路的关键技术, 在现有技术的支持下选择了可行性方案。
一、空间卫星光通信链路关键技术
捕捉、对准与跟踪系统、通信系统以及辅助系统组成了空间卫星光通信的整个终端。由于信号光束发散时角度很小, 大约10-20μrad, 在建立空间卫星通信链路过程中, 对准与跟踪技术是空间卫星光通信链路的关键技术, 对准与跟踪技术的精准度直接影响光通信系统的通信质量。
空间卫星间通行特点主要表现为距离长、码速率高以及误码率低, 空间卫星光通信对光通信光源的功率要求也因此而更高, 加上对准与跟踪精度和系统对体积、质量和功率的限制, 信号光的波速太小无法满足通信需要, 同时接收天线的限制和光源功率需求的增加也是空间卫星通信链路的关键技术。
LEO-GEO的通信距离为45000km, 通信码速率为1Gb/s, 通信误码率为10-7, 考虑到卫星的质量和体积的限制, 应当选择孔径为250mm的天线来实现卫星间的通信。当发射天线效率、接收天线效率、对准与跟踪指向偏差、链路储备以及接收机灵敏度分别为-3d B、-7 d B、-2d B、1d B和-40d Bm时, 根据以上公式可以得出, 当发射光束发散角为10μrad时, 光源发射功率应当达到5.9W;当发射光束发散角为20μrad时, 光源发射功率应达到23μrad。
二、空间卫星光通信链路尖技术的解决方案
卫星间光通信的波长通常在800nm、1060nm和1550nm三个波段中选择, 在质量、体积和功耗限制下, 卫星间通信的激光光源大多数选择的半导体激光器是800nm和1060nm波段的。目前, 对于1550nm波段, 随着光放大器技术越来越成熟, 光功率的放大技术也更为成熟。
由于目前相应的800nm波段的卫星光通信波放大器达不到理想的效果, 所以需要用更大功率的激光器进行直接和间接综合调制。然而, 激光器功率的增大, 对调制带宽和深度要求也越来越高, 同时也对调制电压提出了更高要求。800nm波段的激光器在单纵模和单横模方面比1550nm波段的激光器都要差, 不宜采用直接的调制方法。
对此, 对于800nm波段的调制最好采用间接调制的方式。从通信系统整体来看, 一味的想要提高发射端的功率是不现实的, 为更好的实现空间卫星光通信, 可以提高接收机的灵敏度, 将灵敏度改善3d B, 或者将光源发射功率降低3d B。但是设计和制造高灵敏度的接收机有很大的工作难度, 受目前技术的限制, 提高接收机的灵敏度是一项艰难的但又不得不解决的关键技术。
三、空间卫星光通信链路技术解决方案的对比
从空间卫星光通信链路关键技术来看, 以下两种方案可以采用:第一, 在1550nm波段, 可以直接耦合低功率分布反馈式激光器与光纤功率放大器得到码速率高的发射光源, 在接收端加入前置掺铒光纤放大器来提高接收机的灵敏度。第二, 是针对于800nm波段的, 调制时利用大功率的激光器进行, 同时同样用波分复用技术降低单路通信码速率, 这样可以提高接收机的灵敏度。
从激光器性能上看, 1550nm波段的分布反馈式激光器可以进行良好的单纵模激光输出性, 且系数相对较小。如果选择单模尾纤的输出方式, 有利于光束的微弧度量级的准直。多纵模输出是针对800nm波段的大功率激光器, 输出系数大, 使得光束的准直变得困难。从背景光的影响上来看, 来自太阳光、地面反射光以及其他星光的背景光对800nm波段的干扰相对比较大。
直升机卫星通信的前向链路设计 篇7
直升机卫星通信是指直升机通过机载卫星设备实现与卫星的直接通信,并通过卫星的转接与地面站进行信息的传输和交换。直升机卫星通信系统的特点是直升机在通信中无需地面中继站进行中继转发,不受地面起伏的影响,信号的传输损耗相对较小,因而能够在更广阔的区域内进行信息传输[1]。直升机卫星通信存在的主要问题是由于天线可安装的位置受限,卫通链路会受到旋翼的遮挡,在一定程度上影响了通信的质量。
当前,国外较成熟的UHF直升机卫星通信系统利用UHF频段在传输过程中的衍射特性,在一定程度上解决了旋翼遮挡的问题[2]。但UHF频段的传输速率低、可利用的频带有限,因此能提供更大通信带宽的Ku、Ka频段的直升机卫星通信系统逐渐成为研究重点,旋翼遮挡也就不可避免地成为影响通信系统性能的关键因素。采用多次重传机制的传输设计可以解决旋翼遮挡对接收的影响,重传的次数越多,信息的可靠性就越高,但是会降低链路的传输效率[3]。相比较而言,二次重传机制可以满足需要,而且信道利用率更高。本文重点研究了采用二次重传的链路传输模式,对同一组数据复制后捆绑发送,在接收端采用遮挡检测和分集接收的方法降低遮挡带来的影响。
1 传输链路设计
直升机卫星通信的前向链路是指地面基站经卫星到直升机之间的通信链路。对直升机卫星通信系统进行前向链路设计,要考虑到旋翼的周期性遮挡所带来的信号中断、数据丢失和信噪比降低等问题。对系统的各功能模块要围绕着解决这些关键性的问题进行设计,系统主要结构如图1所示。
地面站将所要发送的数据经过TPC编码,进入重组成帧模块。重组成帧模块会对将要发送的数据进行包括复制和重组在内的结构处理:模块先将数据按照正常的顺序进行帧排列,而后把已经组建好的源帧进行一次复制,最后把复制帧平均插入到每个数据帧当中,使得源帧和复制帧刚好各占半个帧的时隙,并按照模块的设置程序建立帧结构。组帧后的数据在经过调制后发送至卫星,并经卫星信道的转发送至直升机的接收机进行解调。解调后的数据分成2路:一路要进行旋翼遮挡参数的估计;另一路进行分集接收。参数估计模块将旋翼遮挡的估计值反馈至接收机,接收机以此为依据对源帧和重传帧进行分集接收,并利用相关器选择不同的分集接收方式。最后送至译码器进行TPC译码。
2 关键技术设计与研究
2.1 帧结构设计
帧结构设计的重点是合理设置重传帧的权重,在能够解决旋翼遮挡影响的前提下尽量提高信道的利用率。本设计中,1个数据帧包括多个偶数子帧,后半部的子帧为重传数据,其完全复制前半部子帧的结构和编码信息。数据帧的时长T设定为等于旋翼的一次遮挡周期,具体数值通过解调反向链路所携带的遮挡周期参数的估计值来确定。前向链路的数据帧是动态帧,帧长Tf与所选择的信息传输速率Rb和时长T相关,Tf =Rb×T。设每次遮挡时间为t,如果满足T ≥2t则可保证在受遮挡的情况下,源帧和复制帧可组合成为一个完整的数据帧,从而实现信息的有效接收,其结构如图2所示。
子帧的结构固定,由帧头、备用信息和编码后的数据3部分组成。如果子帧的长度为B,则每个数据帧包含的子帧数目S=
2.2 信号遮挡检测与参数估计
信号遮挡检测的数值用于指导前向链路进行分集接收及反向链路成帧模块组帧和突发传输。采用非线性变换的FFT功率谱法对接收信号进行检测,各组成模块如图3所示。
首先,对接收信号进行包络平方运算(即非线性变换处理),利用非线性变化去除信号相位调制的相关信息,以消除调制符号的影响:
其次,通过FFT变换来搜索频谱峰值以确定信号能量大小,而后提取检测信号谱线的峰值门限值进行判别,大于门限值则判断为可正常接收信号,小于则认为信号被旋翼遮挡。比较完成后将判决输出的信号进行滤波处理,最后送至周期估计模块对遮挡周期和时长等参数进行估算。
2.3 分集接收
在本设计中,数据帧分为源帧与复制帧2个部分,在传输的时间和空间上具有相互的独立性。相邻子帧间的帧头部分有充足的时隙间隔将有效数据隔开,因此可以采用分集的方式对信号进行接收,达到抗衰落的目的。分集接收的方法有很多,针对同一组源帧与复制帧受遮挡的不同情况,拟分别采用2种不同的接收方式以提高接收信号的信噪比:无遮挡时采用最大比率合并接收的方法,有遮挡时采用选择性接收的方法。
最大比率合并接收是指将各支路信号进行加权叠加后合并接收[4]。进行合并接收是将未受遮挡的同组源帧与复制帧送入加权网络进行线性合并。合并后输出的信噪比等于源帧与复制帧信噪比之和。选择性接收是在有多支路的接收信号中,选取信噪比最高的支路信号作为输出信号[5]。根据前文设计,1组数据帧有且只受到1次遮挡,而源帧与复制帧的间隔时隙足够长,因而可以在接收的过程中将受遮挡影响的子帧从整帧中“剔除”出去,选择未受遮挡的子帧。
3 仿真分析
进行仿真的主要目的是对2种分集接收方法进行比较,通过分析得出在不同遮挡情况下最优的分集接收方式。仿真采用理想情况下的QPSK调制。以下是2种接收方法在相同信号噪声条件下误码率的性能仿真图,图4为无遮挡条件下接收机的性能比较,图5为有遮挡条件下接收机的性能比较。
以上仿真结果说明:在无遮挡条件下合并接收的误码率与理论值基本一致,优于选择接收;而在有遮挡的情况下选择接收比合并接收的性能更好。这是由于无遮挡时采用合并接收增加了判决时有用信号的电平值,通过提高信噪比降低了误码率。而在遮挡时刻接收到的主要是噪声,合并后将降低接收信号的信噪比,增加了误码率。因此,根据数据帧受遮挡的情况,有针对性地设计不同的接收方法,可以优化系统的传输性能。
4 结束语
在实际的工程实现中,还要考虑到硬件设计的难易程度和设备所处工作环境等方面的因素,如直升机本身的操控特性对微波天线的尺寸和重量都有严格的限制和要求,要尽量选择较高的工作频段,尽可能缩小天线的尺寸;要结合传输距离的实际需求合理选择功率放大器,不能一味追求高功放而无限制地增加重量。在我国,机载卫星通信技术还处于起步阶段,相关算法和软、硬件必将拥有更加广阔的发展空间。
参考文献
[1]张跃.新一代卫星通信研究[J].数字技术与应用,2011(5):55-55.
[2]WILCOXSON D,SLEIGHT B,O'NEILL J,et al.Helicop-ter Ku-band SATCOM On-the-Move[R].U.S:[s.n.],2003.
[3]SATOH M,LI Huan-bang,FUJINO Y,et al.Helicopter-Satellite Communication System Developed for Transmis-sion of Disaster and Emergency Infomation[C]∥AIAA,21st International Communications Satellite Systems Con-ference and Exhibit.U.S:CRL,2003:2319-2327.
[4]RAPPAPORT T S.无线通信原理与应用(第2版)[M].北京:电子工业出版社,2006:266-277.
[5]王杰令,刘祖军,杨宏,等.频率选择信道中的RAKE合并接收方案[J].电子科技大学学报,2010,39(5):662-665.
[6]王功浩,张庆字.无线信道中的分集接收技术研究[J].科技信息,2011(11):203-208.
[7]孙屹,李妍.Matlab通信仿真开发手册[M].北京:国防工业出版社,2005:203-208.