極化干擾對星地遙感數據傳輸影響分析

郝志松，李 聰

(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

國內外遙感衛星開始使用極化復用技術進行數據傳輸系統，以提高信息傳輸速率。極化復用技術是指利用同一個星載發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為正交的載波信號。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。載波極性取決于發射天饋線系統的極化特性，接收天線必須同發射天線相同極化以實現極化匹配，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

利用極化復用方式進行星地數據傳輸，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在部分匹配狀態，其中星地極化偏移角度可以通過地面調整，使其對數傳系統的影響遠小于天線隔離度的影響，即影響數傳系統的主要因素為天線的極化隔離度。通過調研，Ka頻段載波的天線極化隔離度技術指標可以做到大于20 dB。

2 極化干擾理論推導

假設信號的傳輸帶寬為奈奎斯特帶寬W，即成形系數為0，此時進行正交極化2路信號的干擾如圖1所示。

圖1 等帶寬極化干擾示意

設符號速率為Rs，則式(1)成立:

再設信息速率為Rbit，則Rbit/Rs=a，a與調制方式、編碼效率有關。

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

此時，

在這種情況下加入極化干擾，假設極化隔離度為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體制解調損失為2 dB解調器，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，引入極化干擾對數據傳輸系統性能沒有影響。

3.2 QPSK加信道編譯碼的情況

解調損失為2 dB的解調器，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，對系統性能有所影響。

因為遙感衛星的誤碼率要求一般小于1×10－7，并留有一定的功率余量，因此采用這種調制方式時，極化干擾對系統的影響有限。

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。解調損失為2 dB的解調器，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調制方式，在不加信道編碼的情況下對解調性能影響很大，使系統不能工作。

圖4 16QAM Eb/N0惡化情況

4 極化干擾試驗

利用現有硬件條件，搭建試驗系統，對極化干擾情況進行試驗驗證。試驗系統的碼速率為500 Mbps，原理框圖如5所示。

圖5 試驗原理

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

①采用QPSK體制，編碼效率為1/2的LDPC編碼，經測試極化干擾前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。

試驗結果和理論仿真分析基本一致。

5 結論分析

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

因此在星地數據傳輸系統使用極化復用方式傳輸16QAM或16APSK等體制且沒有信道編碼的信號時，在接收端應采用極化干擾抵消技術，以降低極化干擾的影響。

6 結束語

極化復用技術應用于衛星遙感數據對地傳輸，可提高帶寬利用率1倍，減少數據傳輸時間。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，甚至使整個系統癱瘓。掌握了極化干擾對星地數據傳輸系統影響規律，通過采用數字處理方式，可減小極化干擾對數傳系統的影響，對星地遙感數據傳輸系統的建設具有參考意義。 ■

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

［2］趙 寧.極化復用技術在遙感衛星數據傳輸中的應用［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高速解調器的技術分析［J］.無線電通信技術，2011，37(1):59－62.

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

［5］郭曉峰，鄭雪峰，盧滿宏，等.高速數傳QAM解調器設計及應用［J］.遙測遙控，2011，32(3):21 －23.

［6］呂洪生，楊新德.實用衛星通信工程［M］.成都:電子科技大學出版社，1994:643－645.