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        極化干擾對星地遙感數(shù)據(jù)傳輸影響分析

        2012-10-18 09:39:16郝志松
        無線電工程 2012年4期
        關(guān)鍵詞:影響系統(tǒng)

        郝志松,李 聰

        (中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊 050081)

        0 引言

        國內(nèi)外遙感衛(wèi)星開始使用極化復(fù)用技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),以提高信息傳輸速率。極化復(fù)用技術(shù)是指利用同一個星載發(fā)射天線和同一個地面接收天線傳輸2個同頻率的極化方向?yàn)檎坏妮d波信號。采用線極化形式的載波時,選用垂直極化波和水平極化波;采用圓極化形式的載波時,選用左旋極化波和右旋極化波。載波極性取決于發(fā)射天饋線系統(tǒng)的極化特性,接收天線必須同發(fā)射天線相同極化以實(shí)現(xiàn)極化匹配,如果極化匹配,則能接收其全部能量;如果部分匹配,則只能接收其部分能量;如果正交,則不能接收信號的全部能量。由于天線性能和使用的原因,極化復(fù)用的2個信號間存在極化干擾。

        1 引起極化干擾的主要因素

        利用極化復(fù)用方式進(jìn)行星地數(shù)據(jù)傳輸,必須要解決極化干擾問題。在天氣晴好時,極化干擾主要受3個方面的影響:① 星上天線極化隔離度;② 地面接收天線極化隔離度;③星地極化偏移角度。

        這3方面的影響都會使極化匹配呈現(xiàn)在部分匹配狀態(tài),其中星地極化偏移角度可以通過地面調(diào)整,使其對數(shù)傳系統(tǒng)的影響遠(yuǎn)小于天線隔離度的影響,即影響數(shù)傳系統(tǒng)的主要因素為天線的極化隔離度。通過調(diào)研,Ka頻段載波的天線極化隔離度技術(shù)指標(biāo)可以做到大于20 dB。

        2 極化干擾理論推導(dǎo)

        假設(shè)信號的傳輸帶寬為奈奎斯特帶寬W,即成形系數(shù)為0,此時進(jìn)行正交極化2路信號的干擾如圖1所示。

        圖1 等帶寬極化干擾示意

        設(shè)符號速率為Rs,則式(1)成立:

        再設(shè)信息速率為Rbit,則Rbit/Rs=a,a與調(diào)制方式、編碼效率有關(guān)。

        Eb為每信息bit能量;C'0為的功率譜密度,其對數(shù)形式為C0;N'0為噪聲的功率譜密度,其對數(shù)形式為N0。

        此時,

        在這種情況下加入極化干擾,假設(shè)極化隔離度為20 dB。此時的每信息比特能量和噪聲功率譜密度之比近似為:

        所以Eb/N0惡化情況近似為:

        3 極化干擾仿真分析

        3.1 QPSK+1/2LDPC的情況

        a=1,Eb/N0惡化情況如圖2所示。QPSK體制解調(diào)損失為2 dB解調(diào)器,在Eb/N0>10 dB時,引入極化干擾后Eb/N0仍>9.5 dB,誤碼率都在1×10-8以下。

        圖2 QPSK加信道編碼Eb/N0惡化情況

        在Eb/N0<10 dB時,引入極化干擾后Eb/N0最多惡化0.5 dB,且Eb/N0<8 dB時,基本無惡化,對誤碼率影響不大。在此情況,引入極化干擾對數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)性能沒有影響。

        3.2 QPSK加信道編譯碼的情況

        解調(diào)損失為2 dB的解調(diào)器,在 Eb/N0>20 dB時,引入極化干擾后的Eb/N0>15 dB,誤碼率在1×10-9以下,對系統(tǒng)性能影響不大。a=2,Eb/N0惡化情況如圖3所示。

        圖3 QPSK不加信道編碼Eb/N0惡化情況

        在Eb/N0=15 dB時,引入極化干擾后Eb/N0=13 dB,誤碼率由1 ×10-9量級增加到1 ×10-8量級;在Eb/N0=13 dB時,引入極化干擾后 Eb/N0=11.5 dB,誤碼率由1 × 10-8量級增加到1 × 10-6量級,對系統(tǒng)性能有所影響。

        因?yàn)檫b感衛(wèi)星的誤碼率要求一般小于1×10-7,并留有一定的功率余量,因此采用這種調(diào)制方式時,極化干擾對系統(tǒng)的影響有限。

        3.3 16QAM不加信道編碼的情況

        a=4,Eb/N0惡化情況如圖4所示。解調(diào)損失為2 dB的解調(diào)器,在Eb/N0=17 dB時,引入極化干擾后Eb/N0=12 dB,誤碼率由10-8量級上升到10-3量級。采用16QAM調(diào)制方式,在不加信道編碼的情況下對解調(diào)性能影響很大,使系統(tǒng)不能工作。

        圖4 16QAM Eb/N0惡化情況

        4 極化干擾試驗(yàn)

        利用現(xiàn)有硬件條件,搭建試驗(yàn)系統(tǒng),對極化干擾情況進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)系統(tǒng)的碼速率為500 Mbps,原理框圖如5所示。

        圖5 試驗(yàn)原理

        利用2個相同的調(diào)制器,發(fā)出相同的功率,加入相同的白噪聲,調(diào)整每一路的白噪聲電平,使系統(tǒng)誤碼率小于1×10-7。把其中一路調(diào)制器加噪后的中頻信號衰減20 dB后和另一路合路,并接入到解調(diào)器,觀察誤碼率變化情況。測試結(jié)果有如下3條:

        ①采用QPSK體制,編碼效率為1/2的LDPC編碼,經(jīng)測試極化干擾前Eb/N0=4.35的情況下,誤碼率為2.35 ×10-8,極化干擾后Eb/N0惡化為4.25,誤碼率為3.74 × 10-8;

        ②采用QPSK體制,不加入信道編碼,經(jīng)測試極化干擾前 Eb/N0=13.12的情況下,誤碼率為9.40 × 10-8,極化干擾后 Eb/N0惡化為 11.61,誤碼率為 3.22 × 10-6;

        ③采用16QAM體制,不加入信道編碼,經(jīng)測試極化干擾前 Eb/N0=17.40的情況下,誤碼率為8.92 × 10-8,極化干擾后 Eb/N0惡化為 12.18,誤碼率為 2.67 × 10-4。

        試驗(yàn)結(jié)果和理論仿真分析基本一致。

        5 結(jié)論分析

        經(jīng)過理論推導(dǎo)和對幾種典型制式傳輸系統(tǒng)仿真試驗(yàn)可知,隔離度為20 dB的極化復(fù)用系統(tǒng),隨著a的增加,Eb/N0工作門限逐步提高,極化干擾對系統(tǒng)誤碼率性能的影響也隨之加劇。在Eb/N0工作門限<10 dB時,系統(tǒng)幾乎不受影響;Eb/N0工作門限在10~15 dB時,系統(tǒng)的誤碼率性能會下降1~2個數(shù)量級;Eb/N0工作門限>15 dB時,系統(tǒng)的誤碼率性能會嚴(yán)重下降。

        因此在星地數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)使用極化復(fù)用方式傳輸16QAM或16APSK等體制且沒有信道編碼的信號時,在接收端應(yīng)采用極化干擾抵消技術(shù),以降低極化干擾的影響。

        6 結(jié)束語

        極化復(fù)用技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對地傳輸,可提高帶寬利用率1倍,減少數(shù)據(jù)傳輸時間。但如果處理不好極化干擾問題,將在很大程度上降低傳輸性能,甚至使整個系統(tǒng)癱瘓。掌握了極化干擾對星地數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)影響規(guī)律,通過采用數(shù)字處理方式,可減小極化干擾對數(shù)傳系統(tǒng)的影響,對星地遙感數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的建設(shè)具有參考意義。 ■

        [1]矯德先,王羽中.遼寧衛(wèi)視極化干擾的分析和解決辦法[J].廣播電視技術(shù),1999(2):77 -78.

        [2]趙 寧.極化復(fù)用技術(shù)在遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用[J].航天器工程,2010,19(4):55 -62.

        [3]劉會紅,林春霞.基于帶通采樣QPSK高速解調(diào)器的技術(shù)分析[J].無線電通信技術(shù),2011,37(1):59-62.

        [4]張永杰,王 東.自適應(yīng)均衡技術(shù)在寬帶微波傳輸中的應(yīng)用[J].無線電通信技術(shù),2008,34(8):44 -47.

        [5]郭曉峰,鄭雪峰,盧滿宏,等.高速數(shù)傳QAM解調(diào)器設(shè)計及應(yīng)用[J].遙測遙控,2011,32(3):21 -23.

        [6]呂洪生,楊新德.實(shí)用衛(wèi)星通信工程[M].成都:電子科技大學(xué)出版社,1994:643-645.

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