魯辰龍

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)

0 引言

高頻段衛(wèi)星通信具有通信容量大、覆蓋范圍廣、傳輸速度快、不易受地形影響等優(yōu)點,因此被廣泛應(yīng)用于軍事、民航和商業(yè)等領(lǐng)域。但是,由于高頻段衛(wèi)星通信的頻帶資源有限,為了能夠在一定程度上保證通信質(zhì)量,就需要采取一定的措施來減少由天氣原因?qū)е碌男盘査p。例如:當大氣中存在較多的水汽時,就會導(dǎo)致信號在傳輸過程中出現(xiàn)衰減。因此,可以通過優(yōu)化大氣環(huán)境來減少這種信號衰減。通常情況下,天氣因素導(dǎo)致的信號衰減都是由大氣的折射作用引起的。

1 高頻段衛(wèi)星通信的特性

高頻段衛(wèi)星通信的基本特點就是具有較強的信道容量。地球表面存在的反射、繞射等因素,使得地球表面接收的衛(wèi)星信號具有一定的衰減特性。同時,由于其是通過電波傳播,因此電波傳播過程受到各種因素的影響,包括大氣、地形等,這使得在衛(wèi)星信號傳輸過程中會出現(xiàn)一定程度的衰減。此外,地球表面存在的多徑效應(yīng)以及多普勒頻移等特性,使得信號傳輸過程中也會出現(xiàn)一定程度的衰減。因此,為了確保能夠在一定程度上實現(xiàn)最佳的通信質(zhì)量,需要對高頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的信號衰減抵消策略進行深入研究[1]。

2 天氣因素對高頻段衛(wèi)星通信的影響

2.1 路徑影響

天氣因素對高頻段衛(wèi)星通信的影響比較大,這是因為在實際通信過程中,高頻段衛(wèi)星通信距離地面很近,且傳播路徑的變化也比較復(fù)雜[2],此情況會造成信號傳播過程中的衰減。

2.2 天氣因素對衛(wèi)星信號傳輸質(zhì)量的影響

天氣因素對衛(wèi)星信號傳輸質(zhì)量的影響主要是通過2種方式來體現(xiàn)。

第一種是大氣衰減效應(yīng)。這主要是由大氣吸收和散射引起的,對通信質(zhì)量會造成一定影響。當大氣吸收和散射作用在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中占據(jù)主導(dǎo)地位時,會導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降[3]。

第二種是大氣降水。大氣降水也會對通信系統(tǒng)產(chǎn)生一定影響,進而導(dǎo)致傳輸信號出現(xiàn)衰減。如果雨量比較大,則會導(dǎo)致降雨區(qū)域較廣,會對接收端造成一定影響[4]。

2.3 其他因素

在實際通信過程中,還存在其他一些因素,比如:地球曲率、地形起伏等。這些因素都會對通信質(zhì)量造成影響。

3 對抗天氣因素的方法

3.1 提高天線增益

天線增益是指天線在單位時間內(nèi)輻射的電磁波能量。通常情況下,天線增益越大,所接收到的信號能量就越多,但是這也會對通信質(zhì)量產(chǎn)生一定影響。為了降低天線增益,可以通過2種方式來實現(xiàn)。

第一種是降低天線的體積和質(zhì)量,例如:可以通過采用高效率的材料來制作天線,降低天線的質(zhì)量以及體積。

第二種是改變天線的形狀,例如:采用喇叭型天線、喇叭圓極化天線以及超材料天線等。

需要注意的是,在對衛(wèi)星通信系統(tǒng)進行設(shè)計時,如果需要考慮到對衛(wèi)星通信系統(tǒng)造成的影響,那么就需要保證系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力。同時,還需要在設(shè)計階段充分考慮到不同地區(qū)環(huán)境的變化,并且根據(jù)環(huán)境條件來確定天線增益等相關(guān)參數(shù)。

評書是主要流行于華北、東北、西北的語言藝術(shù)，“四大評書表演藝術(shù)家”就全部出自東北。當然，這種藝術(shù)在華中華南也會有所存在，只不過表現(xiàn)形式略有差異，比如筆者這里的湖北大鼓就曾在本地紅極一時。

例如:在某些地區(qū),由于存在較大的多徑效應(yīng),那么就需要采取一些技術(shù)手段來降低信號傳播過程中所產(chǎn)生的損耗。在這些地區(qū)使用衛(wèi)星通信系統(tǒng)時,一般情況下都會采用具有較大增益的高頻段衛(wèi)星。

3.2 使用動態(tài)增益控制技術(shù)來改變信道條件

使用動態(tài)增益控制技術(shù)來改變信道條件是一種降低信號衰減的有效方式。該方法與直接修改信道的方法不同,它可以在不改變信道特性的前提下對信號進行適當?shù)恼{(diào)整。這就需要在衛(wèi)星通信中使用動態(tài)增益控制技術(shù),以確保能夠在一定程度上降低信號的衰減。它可以通過修改信道狀態(tài)來實現(xiàn),這就意味著可以使用不同的增益來改變信道。

在處理濾波過程中,需要利用線性濾波器將信號進行濾波處理,以確保能夠最大限度地減少噪聲干擾。在這種情況下,采用線性濾波器的目的是能夠降低噪聲干擾并提高信噪比?？梢詫V波處理之后的信號進行適當?shù)恼{(diào)整,還需要將調(diào)整后的信號通過一定的調(diào)制方式傳遞到衛(wèi)星通信中,以確保能夠最大限度地減少信號衰減。

采用動態(tài)增益控制技術(shù)來降低高頻段衛(wèi)星通信中的信號衰減具有一定的優(yōu)勢。通過對信道條件進行修改,可以有效地降低噪聲干擾并提高信噪比;使用低通濾波器能夠有效地降低噪聲干擾并提高信噪比,采用一定的調(diào)制方式能夠有效地降低信號衰減并提高信噪比。

例如:在某些地區(qū),由于存在較大的多徑效應(yīng),在這些地區(qū)使用衛(wèi)星通信系統(tǒng)時,一般情況下都會采用具有較大增益的高頻段衛(wèi)星。

3.3 天線自適應(yīng)技術(shù)

天線自適應(yīng)技術(shù)是指利用衛(wèi)星通信的特點,通過對天線位置和相位等參數(shù)進行實時調(diào)整,確保在特定情況下達到最優(yōu)性能。這是一種自適應(yīng)波束成形技術(shù),在信道參數(shù)變化時,能夠自動調(diào)整天線的位置和角度,從而保證最優(yōu)信號的接收。

天線自適應(yīng)技術(shù)主要包括3個方面:一是波束賦型技術(shù),即通過改變天線的位置和角度來確保能夠獲得最佳的接收信號;二是波束形成技術(shù),即通過調(diào)整天線的相位和幅度來獲取最佳的信號接收效果;三是自適應(yīng)波束成形技術(shù),即通過調(diào)整波束的形狀來達到最優(yōu)效果。

3.4 利用非相干解調(diào)技術(shù)來進行解調(diào)

目前,非相干解調(diào)技術(shù)主要有以下幾種:(1)直接解調(diào);(2)相位解調(diào)法;(3)相位均衡法;(4)自適應(yīng)均衡法;(5)自適應(yīng)均衡加補償器法。其中,直接解調(diào)技術(shù)在多徑和多普勒效應(yīng)比較明顯的地區(qū),可以提高系統(tǒng)的通信質(zhì)量;相位解調(diào)技術(shù)可以有效地克服多徑效應(yīng)帶來的影響;相位均衡技術(shù)是利用信道對信號進行補償?shù)姆椒?可以有效地消除信號的干擾;自適應(yīng)均衡加載補償器法是利用自適應(yīng)算法對接收信號進行補償,從而提高系統(tǒng)的通信質(zhì)量。

3.5 使用極化復(fù)用技術(shù)來減小衰減

一般情況下,每個天線具有2個或3個極化狀態(tài)。當只有1個天線接收信號時,其輸出信號會受到調(diào)制,從而會導(dǎo)致信號質(zhì)量下降。為了解決這個問題,可以通過極化復(fù)用技術(shù)來提高接收信號的質(zhì)量。

當只有1個天線接收信號時,可以通過在接收端使用不同的極化狀態(tài)來進行解調(diào)。在這種情況下,解調(diào)時需要同時考慮極化狀態(tài)和天線數(shù)量2個方面的因素。首先,由于衛(wèi)星通信中所使用的頻率非常高,因此需要對極化狀態(tài)進行選擇。對于不同的極化狀態(tài)而言,其對應(yīng)的解調(diào)方法也不一樣。通常情況下,可以通過調(diào)整接收端的接收信號強度來達到解調(diào)效果。

因此,需要結(jié)合各個極化狀態(tài)之間的關(guān)系來對解調(diào)方法進行選擇。為了避免出現(xiàn)誤譯,可以采用一些算法來提高解調(diào)過程中的安全性和可靠性。

在對極化復(fù)用技術(shù)進行研究時需要注意幾點問題:首先,要確定收發(fā)天線之間是否存在極化狀態(tài)差異;其次,要確定極化復(fù)用的具體實現(xiàn)方式;再次,要明確接收端是否需要進行解調(diào);最后,需要選擇合適的解調(diào)方法。只有解決了以上幾個問題之后才能真正實現(xiàn)極化復(fù)用技術(shù)。

3.6 降低衛(wèi)星的極化偏移

極化偏移是指衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,天線方向圖中的極化分量在空間分布不均勻的現(xiàn)象。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,由于衛(wèi)星的運動以及自身特性,極化偏移會隨著時間的推移而變化,即存在著變化規(guī)律。通常情況下,這種變化規(guī)律的存在是由于衛(wèi)星天線陣列在空間中進行了運動,因此極化偏移也會隨之發(fā)生變化。當衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作時,天線陣列將接收到來自地球站的信號,但是在地球站接收到的信號并不一定是極化分量,這就需要通過高精度電調(diào)極化配合伺服控制單元來進行處理。此外,極化偏移還會影響到通信系統(tǒng)中的時延和抖動等問題。

針對這個問題,可以通過設(shè)置最大極化偏移量來實現(xiàn)降低影響。在一般情況下,極化偏移是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中影響時延和抖動的主要因素之一。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中設(shè)置最大極化偏移量,一旦極化偏移超過預(yù)設(shè)閾值,那么就可以通過伺服控制單元及時介入同步電調(diào)極化角度來實現(xiàn)對極化偏移的抵消。

3.7 采用動態(tài)頻率控制技術(shù)來減少由于時間變化而引起的信號衰減

在高頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,由于各種原因而導(dǎo)致的信號衰減會產(chǎn)生一系列的影響,比如接收功率的變化、傳輸時延、信道噪聲等。這些影響在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的接收端會導(dǎo)致接收機性能下降,甚至無法正常工作。為了應(yīng)對這種情況,需要采取一定的措施來減少由于時間變化而引起的信號衰減。

目前,針對高頻段衛(wèi)星通信中的衰減抵消策略進行了大量研究,而動態(tài)頻率控制技術(shù)是其中一種比較常用的方法。動態(tài)頻率控制技術(shù)通過控制天線的發(fā)射和接收頻率來實現(xiàn)對信號衰減的有效抑制。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,信號在傳播過程中會受到大氣損耗、地形損耗等因素的影響,而這些因素會導(dǎo)致信號發(fā)生變化。如果想要有效抑制這種衰減,那么就需要將發(fā)射頻率和接收頻率進行統(tǒng)一調(diào)整,以確保在最大程度上對信號衰減進行抑制。

在動態(tài)頻率控制技術(shù)中,需要使用頻譜感知技術(shù),根據(jù)接收到的帶內(nèi)信號感知分析來動態(tài)選擇合適的發(fā)射頻率和接收頻率,并作出及時調(diào)整,以確保能夠?qū)崿F(xiàn)在最大程度上對信號衰減進行抑制。同時還需要根據(jù)用戶所處地理位置和衛(wèi)星通信系統(tǒng)波束覆蓋情況來確定可用的轉(zhuǎn)發(fā)器資源,進而確定鏈路信號最佳的發(fā)射和接收頻率,對天線參數(shù)進行合理調(diào)整以保證極化隔離度足夠高,進而避免天線接收反極化泄露衰減帶來的影響。

4 結(jié)語

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的不斷發(fā)展,人們對其性能的要求也在不斷提高。因此,在未來的高頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,需要對其進行不斷優(yōu)化,以確保能夠達到最佳的通信質(zhì)量。為了確保能夠達到最佳的通信質(zhì)量,需要采用多種不同的技術(shù)手段來減少由于天氣因素引起的信號衰減。本文首先介紹了天氣因素對高頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的影響,然后提出了幾種減少天氣因素引起信號衰減的方案,希望能夠為相關(guān)技術(shù)人員提供一定的參考。