摘要：衛(wèi)星通信技術(shù)近年來(lái)獲得了良好的發(fā)展，隨著經(jīng)濟(jì)水平不斷提升，其重要程度也愈發(fā)明顯。衛(wèi)星通信技術(shù)不僅應(yīng)用于軍事與應(yīng)急通信領(lǐng)域，在工業(yè)生產(chǎn)等行業(yè)也被廣泛應(yīng)用。應(yīng)用衛(wèi)星光通信技術(shù)增強(qiáng)通信能力是增加衛(wèi)星載荷效率的有效途徑，但是衛(wèi)星運(yùn)行引發(fā)的多普勒效應(yīng)有一定概率對(duì)衛(wèi)星間的激光通信造成不利影響。文章對(duì)光通信中多普勒頻移對(duì)波分復(fù)用衛(wèi)星的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響展開(kāi)分析，重點(diǎn)分析了多普勒頻率變化的幅度。

關(guān)鍵詞：多普勒;衛(wèi)星光;通信網(wǎng)絡(luò);波分復(fù)用

中圖法分類號(hào)：TN929文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research on Doppler effect of satellite optical communicationnetwork based on wavelength division multiplexing

WANG Lu

（Early Warning Section of Command Information Support Center of Tangshan Civil Air Defense Office（Civil Defense），Tangshan，Hebei 063000，China）

Abstract：Satellite communication technology has achieved good development in recent years.With thecontinuous improvement of economy， the importance is becoming more and more obvious. Satellitecommunication technology is not only used in the field of military and emergency communication，but also widely used in various industries such as industrial production. Using satellite opticalcommunication to enhance communication capability is an effective way to increase satellite loadefficiency， but the Doppler effect caused by satellite relative operation has a certain probability tocause adverse effects on laser communication between satellites. This paper analyzes the influence ofDoppler frequency shift on the relative motion of WDM satellites in optical communication，focuseson the amplitude of Doppler frequency change.

Key words： Doppler， satellite light， communication network， wavelength division multiplexing

多普勒效應(yīng)最早由奧地利數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家多普勒于1842年提出。他認(rèn)為，物體的輻射頻率以及波長(zhǎng)會(huì)隨著觀察者和光源的運(yùn)動(dòng)而改變。包含光波在內(nèi)的所有波動(dòng)現(xiàn)象均有多普勒效應(yīng)，當(dāng)前很多研究者的研究重點(diǎn)集中于計(jì)算衛(wèi)星間光通信鏈路多普勒頻率變化的方法之上，當(dāng)使用極地軌道時(shí)，衛(wèi)星間的光載波的波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生一系列變化[1]。這是因?yàn)楣馔ㄐ诺牟ㄩL(zhǎng)可與云和大氣霧的粒徑相媲美，光通信在衛(wèi)星鏈路中的使用受到嚴(yán)格限制，但是在衛(wèi)星間的連接中則不存在這樣的問(wèn)題。如今，建立光通信網(wǎng)絡(luò)的方法已成為許多國(guó)家的重點(diǎn)研究對(duì)象，兩顆通信衛(wèi)星的相對(duì)運(yùn)動(dòng)都極有可能引起多普勒效應(yīng)。在普通的衛(wèi)星通信中，通?？墒褂面i相環(huán)來(lái)跟蹤多普勒頻率的變化，但在光通信網(wǎng)絡(luò)中，這很困難，不需要類似的解決方案去解決。本文研究了多普勒效應(yīng)對(duì)衛(wèi)星間光通信的影響，并提出了相關(guān)建議。

1概述

1.1衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

簡(jiǎn)單而言，衛(wèi)星通信技術(shù)是利用人造衛(wèi)星來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)電波的一種通信手段。在整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信的過(guò)程中，以衛(wèi)星為中間站，實(shí)現(xiàn)各個(gè)用戶之間的信息傳遞。整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)由三部分組成，即地面端、空間端以及用戶端。地面端包括網(wǎng)絡(luò)控制中心、衛(wèi)星控制中心、信息通信中心，所有地面端操作設(shè)備保證了網(wǎng)絡(luò)通信的暢通，并將移動(dòng)終端接入核心網(wǎng)絡(luò);空間端是指衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線電波，完成各類通信信號(hào)空間傳輸;用戶端根據(jù)使用情況分為機(jī)載用戶、艦船用戶、手持用戶等。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信能夠?qū)崿F(xiàn)全球信息傳輸，但其缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn)，如在信息通信過(guò)程中出現(xiàn)延時(shí)、通信信號(hào)傳輸質(zhì)量差。目前，衛(wèi)星通信不僅在軍事上得到了廣泛應(yīng)用，在各個(gè)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域及百姓生活也普遍應(yīng)用，尤其是5G 時(shí)代的到來(lái)，以5G 為主的相關(guān)科技為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信提供了更大的發(fā)展空間，也讓衛(wèi)星定位功能在移動(dòng)通信上得到廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航、定位、測(cè)速測(cè)距，讓每個(gè)終端用戶獲得了良好的使用體驗(yàn)[2]。

1.2多普勒效應(yīng)

光通信網(wǎng)絡(luò)的多普勒效應(yīng)只被觀察者和波源的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡所影響，有基于相對(duì)論的電子學(xué)表明，當(dāng)觀察者和波源之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，洛倫茲變換獲得可以得出光波的多普勒頻移量。假設(shè)波源在波源的運(yùn)動(dòng)方向上運(yùn)動(dòng)，但傳播軌跡和波源的夾角是θ，此時(shí)就可以通過(guò)“Lorentz”進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

1.3多普勒頻移

如今，移動(dòng)衛(wèi)星通信服務(wù)讓“全球通”得到了落實(shí)和實(shí)現(xiàn)。通過(guò)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信的方式有很多種，如低軌道（ LEO ）衛(wèi)星、中軌道（ MEO ）和靜止軌道（GEO）衛(wèi)星。為保證全球信號(hào)的連續(xù)覆蓋，移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)需要合理利用不同的衛(wèi)星（如 Irilim 系統(tǒng)就利用了六十六顆衛(wèi)星）來(lái)創(chuàng)建星座。當(dāng)然，把衛(wèi)星連接起來(lái)創(chuàng)建一個(gè)移動(dòng)通信體系，便形成了 ISL 系統(tǒng)。通信的終端個(gè)人通信和寬帶化日益增長(zhǎng)的需求將使得 ISL 從微波技術(shù)轉(zhuǎn)向更大容量的波分復(fù)用衛(wèi)星光通信技術(shù)或者激光技術(shù)。在此，我們將量化不同情況下的多普勒頻率變化，以及對(duì) ISL 的可能影響。

2我國(guó)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1寬帶多媒體領(lǐng)域

近年來(lái)，衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展讓網(wǎng)絡(luò)寬帶多媒體逐步走向成熟，網(wǎng)絡(luò)多媒體作為信息技術(shù)的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)與技術(shù)的融合，網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)離不開(kāi)衛(wèi)星通信技術(shù)的支持，二者相輔相成，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信、量能指標(biāo)與傳輸效率決定最終用戶端的多媒體技術(shù)實(shí)踐與發(fā)展，并且隨著衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信的不斷提升，多媒體技術(shù)整體也得到了明顯改善，更好地服務(wù)于工業(yè)生產(chǎn)，滿足了用戶更高的網(wǎng)絡(luò)通信要求[3]。

2.2衛(wèi)星電視直播領(lǐng)域

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及社會(huì)生活的需要，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)已經(jīng)被引入電視直播領(lǐng)域，并且很早就進(jìn)入了快速發(fā)展通道，相關(guān)網(wǎng)絡(luò)直播設(shè)備（如數(shù)字電視、衛(wèi)星電視等）也得到了快速發(fā)展，已經(jīng)普遍走進(jìn)了大眾的娛樂(lè)生活。良性的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)發(fā)展刺激了市場(chǎng)需求，并且以各類賽事及綜藝直播活動(dòng)為載體的內(nèi)容被現(xiàn)場(chǎng)直播給廣大受眾，用戶也越來(lái)越接受網(wǎng)絡(luò)直播類信息通信內(nèi)容，且根據(jù)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，滿意度呈上升趨勢(shì)。從某種意義而言，衛(wèi)星通信已是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)電視發(fā)展的主流方向，也是未來(lái)衛(wèi)星通信的主要內(nèi)容。

2.3快速增長(zhǎng)的消費(fèi)需求

從社會(huì)服務(wù)屬性角度而言，衛(wèi)星通信技術(shù)已為公益事業(yè)服務(wù)發(fā)展注入了新的動(dòng)力，尤其是近年來(lái)衛(wèi)星通信服務(wù)呈上升趨勢(shì)，衛(wèi)星通信與當(dāng)前的市場(chǎng)消費(fèi)已密不可分。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展讓市場(chǎng)消費(fèi)需求逐步膨脹。反之，如果衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)止步不前，也最終會(huì)導(dǎo)致市場(chǎng)緊縮與萎靡。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)已成為經(jīng)濟(jì)、娛樂(lè)、工業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展主流，社會(huì)對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)要求也越來(lái)越高。從通信行業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的角度而言，社會(huì)消費(fèi)需求的膨脹既是一種全新的挑戰(zhàn)，也是網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星通信的一次發(fā)展機(jī)遇，只有跟隨時(shí)代發(fā)展的步伐，才能讓更多的消費(fèi)者受益于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)信息通信技術(shù)[4]。

3衛(wèi)星光通信網(wǎng)絡(luò)的多普勒影響分析

3.1單波長(zhǎng)非相干光通信

在通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行的光通信過(guò)程中，半導(dǎo)體的光檢測(cè)器通常用于檢測(cè)光信號(hào)。由不同材料制成的光電探測(cè)器都可以對(duì)各種波長(zhǎng)的光波做出反映，這是因?yàn)檎麄€(gè)宇宙中有眾多的擾動(dòng)，假如不采取動(dòng)作，大波長(zhǎng)范圍之內(nèi)的太陽(yáng)光和星光等宇宙景觀會(huì)刺激光探測(cè)器的光度計(jì)電流。強(qiáng)烈的背景噪音會(huì)降低系統(tǒng)的信噪比，更有可能完全切斷通信，所以目前這個(gè)問(wèn)題急須解決。一般的方法是在接收端用光學(xué)器件在光電進(jìn)行檢測(cè)之前過(guò)濾窄帶信號(hào)，同時(shí)使信號(hào)光的波長(zhǎng)得以通過(guò)，以過(guò)濾通信中該長(zhǎng)度的大部分背景光，保證可以使得通信信噪比得到滿足。當(dāng)然，在保證通過(guò)的條件下，濾波器的通帶越窄，系統(tǒng)的信噪比就更好。但是，如果系統(tǒng)改變多普勒頻率，那么濾波器通帶不可以沒(méi)有限制的減小，通帶的波長(zhǎng)一定要比多普勒效應(yīng)引起的峰值波長(zhǎng)范圍要大，才可以確保信號(hào)能夠通過(guò)。與多普勒頻率不變的狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，這種效應(yīng)降低了接收端的信噪比，可能會(huì)引起接收靈敏度下降。所以，在離散單波長(zhǎng)激光通信的狀況之下，當(dāng)兩顆通信衛(wèi)星間出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先要慎重考慮濾光片的傳輸范圍。另外，應(yīng)增加天線增益或發(fā)射功率，對(duì)接收靈敏度降低進(jìn)行補(bǔ)償[5]。

3.2多波長(zhǎng)非相干光通信

針對(duì)非相干的多波長(zhǎng)光通信，對(duì)于系統(tǒng)除了造成描述中的影響以外，還規(guī)定了關(guān)于幾個(gè)光載波間的距離和波長(zhǎng)分離設(shè)備的傳輸特性的要求。光纖通信應(yīng)用極為寬廣的多波長(zhǎng)系統(tǒng)是眾所周知的 DWDM（密集波分復(fù)用）。選擇此波長(zhǎng)范圍時(shí)，特別要考慮如下因素：（1）光載波自身譜線的寬度，當(dāng)前用于通信的縱向單模半導(dǎo)體（SLMLD）激光器的譜寬可以小于4nm，但是和波長(zhǎng)相比，也是不可以忽視的;（2）信號(hào)調(diào)制產(chǎn)生的光諧波放大在1550mm 波端，25Gbit/s 信號(hào)調(diào)制后的光載波頻譜比 Q02nm 寬。此外，內(nèi)部調(diào)制頻譜也可以實(shí)現(xiàn)某種程度的頻譜增益;（3）由于光源老化引起的波長(zhǎng)發(fā)生偏移，如果相鄰信道的波長(zhǎng)偏移太大，很明顯會(huì)導(dǎo)致信道間的干擾過(guò)大，并產(chǎn)生一些錯(cuò)誤;（4）分波復(fù)用器隔離寬度;（5）光纖摻雜放大器具有很寬的增益譜，常見(jiàn)的放大器有效增益光譜在50nm 之內(nèi)，較小的波長(zhǎng)范圍對(duì)于該光譜寬度內(nèi)對(duì)齊盡可能多的波長(zhǎng)有幫助，可以提升系統(tǒng)的整體容量。在衛(wèi)星之間傳輸多個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，需要清楚地考慮上述大部分因素，還需要綜合深入考慮衛(wèi)星相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移。可以預(yù)見(jiàn)，衛(wèi)星之間的波分復(fù)用通信需要選取更大的波長(zhǎng)范圍。與此同時(shí)，傳輸范圍也應(yīng)增加，并在通道區(qū)域盡可能保持平坦。

3.3相干光通信

針對(duì)相干光通信，光接收機(jī)的接收端的等效輸入光功率是光信號(hào)功率和本振的光功率之間乘積平方根。所以，當(dāng)在功率較大的區(qū)域使用功率振蕩器時(shí)，系統(tǒng)可以容納10～25分貝的本地振蕩器，從而大大提高了接收靈敏度，這對(duì)于光遠(yuǎn)距離通信具有重要意義。

在光纖通信中，因?yàn)橥ㄟ^(guò)相干光通信保持所需偏振狀態(tài)的條件難以得到響應(yīng)，而 EDFA 能夠補(bǔ)償光功率的損失，所以相干光通信并未得到廣泛應(yīng)用。衛(wèi)星之間之所以采用激光通信，一是空間距離很大、功率損失很大，并且無(wú)法補(bǔ)償;二是在空間中傳播的光能夠保持一致的外觀，所以相干光通信具有很強(qiáng)的實(shí)用性。但是，如果改變多普勒的頻移，就會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)峻的問(wèn)題，一是本地提供本振光，此時(shí)本振波長(zhǎng)固定、載波固定，光信號(hào)受頻移的影響進(jìn)而發(fā)生變化。當(dāng)本振可以隨著信號(hào)光載波頻率的變化時(shí)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信中的基本技術(shù)問(wèn)題已得到解決，但同時(shí)需要調(diào)整本地激光振蕩器的頻率才能實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的同步跟蹤。從技術(shù)執(zhí)行角度而言;三是本鎮(zhèn)光波發(fā)射端接收光波時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題，這時(shí)信號(hào)光和本振光出現(xiàn)了同樣的多普勒頻移現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)的檢測(cè)輸出不受多普勒頻移的影響。但因?yàn)楸菊窆馐墙?jīng)歷了很長(zhǎng)一段距離的傳輸，導(dǎo)致接受功率比較低，最后的結(jié)果就是只得到了極小的本振收益，沒(méi)有達(dá)到提升靈敏度的目標(biāo)。

總之，相干光通信雖然可以讓接收機(jī)檢測(cè)到本振，增大接收敏度度，但不適用于通信雙方衛(wèi)星因存在多普勒頻移而發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況。但是，在 GEO 衛(wèi)星之間建立連接時(shí)，因?yàn)?GEO 衛(wèi)星間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)和距離，因此光信號(hào)范圍的傳播損失較大，此時(shí)光通信應(yīng)該具有較強(qiáng)的可用性。

4結(jié)束語(yǔ)

隨著社會(huì)的發(fā)展，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)生活的各個(gè)方面，對(duì)于諸多領(lǐng)域的發(fā)展具有重要作用。多普勒效應(yīng)是因?yàn)樾l(wèi)星之間出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的，這可能會(huì)致使信號(hào)提供者的頻率發(fā)生波動(dòng)，在 ISL 中使用激光通信增加衛(wèi)星的有效載荷時(shí)，多普勒效應(yīng)對(duì)通信有一定的影響。本文對(duì)其展開(kāi)了討論和評(píng)估，最后從結(jié)果可以看出，當(dāng) LEO 軌道間衛(wèi)星使用波長(zhǎng)為1550nm 的激光產(chǎn)生 ISL 時(shí)，多普勒效應(yīng)會(huì)引起高達(dá)10個(gè)數(shù)量級(jí)的頻移。對(duì)于具有單一波長(zhǎng)的離散激光通信，接收器的靈敏度會(huì)降低。對(duì)于具有多個(gè)波長(zhǎng)的離散激光通信，本文提出了對(duì)通帶帶寬和器件載波波長(zhǎng)范圍的需求，不可以直接使用地板解復(fù)用波分的 DWDM 規(guī)范。與此同時(shí)，本文還指出了多普勒效應(yīng)對(duì)不離散通信有嚴(yán)重影響，應(yīng)盡可能規(guī)避在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星之間使用不離散的光通信。

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作者簡(jiǎn)介：

王璐（1983—），本科，工程師，研究方向：電子工程類（空情、雷達(dá)、衛(wèi)星等）。