影響衛星通信質量因素的思考與總結

王 洋，秦映茹，龔海武

（中國衛星海上測控部，江蘇江陰 214431）

0 引言

衛星通信，簡單地說，就是地球上（包括地面、水面和低層大氣中）的無線電通信站之間利用人造衛星作為中繼站進行的通信。一個衛星通信系統組成如圖1 所示。通信衛星的中繼作用是把一個地球站送來的信號經過變頻和放大傳送給另一段的地球站。地球站實際上是衛星系統與地面系統的接口，地面用戶通過地球站出入衛星系統，形成連接電路。衛星系統與其他通信方式相比，特點有：

（1）衛星通信的覆蓋面積大、通信距離遠；

（2）組網靈活，便于多址聯接；

（3）通信容量大；

（4）通信質量好；

（5）經濟效益、社會效益好。

而目前由于遠洋船舶的特殊性，衛星通信仍是遠洋通信的主要手段，而通信質量的好壞對遠洋船舶的日常通信和船舶行駛安全都有著重要意義。

圖1 衛星通信系統的基本組成

1 影響衛星通信質量的因素

1.1 等效全向同性輻射功率EIRP

EIRP 定義為發射機發出的功率PT與天線增益GT的乘積，即EIRT=PT×GT（W）。衛星天線和地球站天線均為高增益天線，不是各向同性天線，在各個方向上的輻射是不等的。EIRP 的物理意義是：為保持同一接收點的收信電平不變，用無方向性天線代替原天線時所對應饋入得等效功率。EIRP 表示發送功率和天線增益的聯合效果，用它作為系統參數來研究衛星系統會帶來方便，尤其是用于估算接收站對某一載波的接收功率非常方便。

EIRP 是表征地球站或轉發器的發射能力的一項重要技術指標。這一指標值越大，則該站或轉發器的發射能力越強。

1.2 載波功率與噪聲功率比

衛星通信線路中的載波功率與噪聲功率之比簡稱載噪比，它是決定衛星通信線路性能最基本的參數之一。

信號在傳輸過程中會發生各種損耗，并受各種噪聲干擾。大家最關心的是衛星或地球站接收機輸入端的載噪比，用C/N 表示。根據通信距離方程并考慮到傳輸過程中降雨（La）、大氣折射（Lde，Ldi）、天線跟蹤誤差（LTr）、極化誤差（Lp）等引起的損耗，以及接收系統饋線的損耗（LF），接收機輸入端的載波功率C 為：

式中，L 為全部傳輸損耗。

以接收機輸入端為參考點的接收系統等效噪聲功率N 為：

所以接收機輸入端的載噪比為：

用分貝值表示，且應用［EIRP］的概念，則：

1.3 門限載噪比［C/N］th 或［C/T］th

解調器輸出的被恢復的基帶信號質量的好壞，通常模擬制用信噪比（S/N）、數字制用誤碼率（Pe）或誤比特率（Pb）作為最基本的度量。而其好壞，在設備一定的條件下，取決于解調器輸入端的載噪比。

衛星通信系統的設計或分析中，門限載噪比的含義常是：為保證用戶接收到的話音、圖像和數據有必要的質量，接收機所必須得到的最低載噪比。也就是說，這時對接收機收到的信號進行解調后能有起碼的信噪比或誤比特率。對于模擬制多路電話衛星通信線路情況，通常把最低通路的［S/（N+D）］w 值為43 分貝（加權值）時的輸入［C/N］值作為門限電平。又如數字電話，若采用2PSK 或QPSK 方式調制，則通常以誤比特率為10-3（DM）或10-4（PCM）所對應的［C/N］或［Eb/n0］（能量Eb=C.是每比特的持續時間）為門限電平。

1.4 地理增益

地理增益：一顆衛星與若干地球站構成一個衛星通信系統，各地球站處于不同的地理位置，故分別處于衛星天線波速的不同輻射方向上，但它們的天線總是對準衛星的，即便相同的工作頻率、天線尺寸，但由于各地球站與衛星的距離不同，它們天線的仰角也不同，因而傳輸耗損L 就不同，天線噪聲溫度Ta也不同；又由于各站處于衛星天線波束的不同方向上，它們接收所對應的衛星其實［EIRP］s 就不同，并且通常不是最大值（只有在衛星波束最大輻射方向才是其最大值）。同樣，在計算衛星接收系統的載噪比時，其接收天線增益也是方向的函數。

1.5 傳輸耗損

電波在衛星通信的上行或下行線路中傳輸時，主要應考慮自由空間傳播損耗，此外，還應考慮大氣損耗、天線跟蹤誤差和極化方向誤差所引起的損耗等。

1.5.1 自由空間傳播損耗Lf

自由空間傳播損耗表示由于電波在自由空間以球面波形式傳播，電磁能量擴散在球面上，而接收點只能接收到其中一小部分。

1.5.2 大氣損耗La

C 波段電波在晴天通過大氣層產生的吸收損耗情況如表1 所示。

表1 服務器配置 （dB）

表1 給出了天氣晴好條件下，C 波段通過大氣層的損耗值，在天氣情況較差的條件下，考慮到對流層中雨霧云雪的影響，損耗強度可采用如下公式估算：

損耗強度（雪）=7.47×10-5f·I（1+5.77×10-5f3I0.6）（dB/km）

其中，頻率單位為GHZ，降雨強度為（mm/h），即每小時在單位容器中的積水高度（mm），通常在15GHZ 以下，中等強度（4mm/h）以上的雪才有影響。此外，在低仰角情況下還需考慮大氣閃爍導致電磁波的漫散射。在設計衛通鏈路時，對系統衰減數值可參考上表測得的損耗情況，結合降雨備余量給出門限備余量。

1.6 天線方向跟蹤誤差損耗LTr

由于星體漂移、大氣折射、天線波束指向起伏以及天線跟蹤系統跟蹤精度等原因，天線指向會偏離理論方向，考慮到天線波束一般很窄，因此，真正指向衛星方向上的天線增益并不是天線增益的最大值，類似于信號在天線指向上發生了衰減，這種損耗稱為跟蹤誤差損耗，公式表示如下：

LTr為天線跟蹤精度損耗，G（o）為地球站天線指向對準衛星時，衛星（或地球站）天線接收到的信號功率增益，θ 為天線偏離理論方向角度值，通常情況下G（θ）可采用如下計算求得：

2 有效的解決辦法

船載衛星通信中，一旦信道質量變差，影響接收信噪比時，可以通過提高跟蹤精度、增加發射功率來改善通信質量，考慮到改進伺服結構的困難性及星上轉發器的行波管放大器功率非線性，必須從其他方面提高通信質量，使得在信道變壞的情況下仍然能夠實現可靠通信。

2.1 調制方式

數字衛星通信的系統的調制方式選擇應綜合考慮多方面因素，主要包括衛星頻帶與功率的有效利用、帶限與遲延失真、熱噪聲、鄰近信道干擾、同信道干擾、行波管放大器等器件相位和幅度非線性影響、衛星工作頻點、同步電路、設備功能實現難易、容許Eb/n0下降程度等。

衛星信道屬于帶限非線性信道，在寬帶信道條件下應優先考慮MSK（最小頻移鍵控）及OQPSK（交錯四相移相鍵控），在帶寬較窄（系統3 分貝帶寬與碼符持續時間的乘積BT＜1）時，QPSK 調制較MSK 調制對峰值調幅調相變換系數增加不敏感，性能較好。故采用QPSK 調制方式為優。

2.2 差錯控制

衛星通信信號的衰減主要存在于遠距離傳輸數據，衛星有效載荷最大化是信號不發生畸變的重要保證。考慮到衛星功率受限，其信號不可能提供太大能量，因此采取差錯控制技術，保證誤碼率在允許范圍內，提高通信容量。

衛星信道屬于無記憶高斯白噪聲信道，差錯是隨機出現的，但也會出現少量突發性錯誤。對于編碼約束長度不長或誤比特率要求不高時，可采用Veterbi 碼糾錯，對于突發性干擾，可通過交織編碼技術來糾正突發性錯誤圖樣。

Turbo 碼應用了香農信道編碼定理中的隨機譯碼條件，具備接近香農理論極限譯碼性能。在信噪比較低的高斯噪聲環境下性能優越，具有很強的抗衰落干擾能力。只要時延和復雜度允許，Turbo 碼可以在移動信道的惡劣條件下接近極限通信能力，在通信雙方設備均支持Turbo 編解碼方式下，以采取Turbo 碼方式為優。

3 結語

衛星通信是保障遠洋船舶日常通信和船舶行駛安全的重要方式，通信質量的好壞對船舶影響很大。本文主要是對一些影響衛星通信質量因素的總結，并提出了一些能提高通信質量的辦法。