高頻段衛星通信中的衰減抵消策略

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點,因此被廣泛應用于軍事、民航和商業等領域。但是,由于高頻段衛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量,就需要采取一定的措施來減少由天氣原因導致的信號衰減。例如:當大氣中存在較多的水汽時,就會導致信號在傳輸過程中出現衰減。因此,可以通過優化大氣環境來減少這種信號衰減。通常情況下,天氣因素導致的信號衰減都是由大氣的折射作用引起的。

1 高頻段衛星通信的特性

高頻段衛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,這使得在衛星信號傳輸過程中會出現一定程度的衰減。此外,地球表面存在的多徑效應以及多普勒頻移等特性,使得信號傳輸過程中也會出現一定程度的衰減。因此,為了確保能夠在一定程度上實現最佳的通信質量,需要對高頻段衛星通信系統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星通信的影響

2.1 路徑影響

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

2.2 天氣因素對衛星信號傳輸質量的影響

天氣因素對衛星信號傳輸質量的影響主要是通過2種方式來體現。

第一種是大氣衰減效應。這主要是由大氣吸收和散射引起的,對通信質量會造成一定影響。當大氣吸收和散射作用在衛星通信系統中占據主導地位時,會導致系統性能下降[3]。

第二種是大氣降水。大氣降水也會對通信系統產生一定影響,進而導致傳輸信號出現衰減。如果雨量比較大,則會導致降雨區域較廣,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量產生一定影響。為了降低天線增益,可以通過2種方式來實現。

第一種是降低天線的體積和質量,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,在對衛星通信系統進行設計時,如果需要考慮到對衛星通信系統造成的影響,那么就需要保證系統具有較強的抗干擾能力。同時,還需要在設計階段充分考慮到不同地區環境的變化,并且根據環境條件來確定天線增益等相關參數。

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

3.2 使用動態增益控制技術來改變信道條件

使用動態增益控制技術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的調整。這就需要在衛星通信中使用動態增益控制技術,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來實現,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。可以對濾波處理之后的信號進行適當的調整,還需要將調整后的信號通過一定的調制方式傳遞到衛星通信中,以確保能夠最大限度地減少信號衰減。

采用動態增益控制技術來降低高頻段衛星通信中的信號衰減具有一定的優勢。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,由于存在較大的多徑效應,在這些地區使用衛星通信系統時,一般情況下都會采用具有較大增益的高頻段衛星。

3.3 天線自適應技術

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

天線自適應技術主要包括3個方面:一是波束賦型技術,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,即通過調整天線的相位和幅度來獲取最佳的信號接收效果;三是自適應波束成形技術,即通過調整波束的形狀來達到最優效果。

3.4 利用非相干解調技術來進行解調

目前,非相干解調技術主要有以下幾種:(1)直接解調;(2)相位解調法;(3)相位均衡法;(4)自適應均衡法;(5)自適應均衡加補償器法。其中,直接解調技術在多徑和多普勒效應比較明顯的地區,可以提高系統的通信質量;相位解調技術可以有效地克服多徑效應帶來的影響;相位均衡技術是利用信道對信號進行補償的方法,可以有效地消除信號的干擾;自適應均衡加載補償器法是利用自適應算法對接收信號進行補償,從而提高系統的通信質量。

3.5 使用極化復用技術來減小衰減

一般情況下,每個天線具有2個或3個極化狀態。當只有1個天線接收信號時,其輸出信號會受到調制,從而會導致信號質量下降。為了解決這個問題,可以通過極化復用技術來提高接收信號的質量。

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來進行解調。在這種情況下,解調時需要同時考慮極化狀態和天線數量2個方面的因素。首先,由于衛星通信中所使用的頻率非常高,因此需要對極化狀態進行選擇。對于不同的極化狀態而言,其對應的解調方法也不一樣。通常情況下,可以通過調整接收端的接收信號強度來達到解調效果。

因此,需要結合各個極化狀態之間的關系來對解調方法進行選擇。為了避免出現誤譯,可以采用一些算法來提高解調過程中的安全性和可靠性。

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

3.6 降低衛星的極化偏移

極化偏移是指衛星通信系統中,天線方向圖中的極化分量在空間分布不均勻的現象。在衛星通信系統中,由于衛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,即存在著變化規律。通常情況下,這種變化規律的存在是由于衛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生變化。當衛星通信系統工作時,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中的時延和抖動等問題。

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

3.7 采用動態頻率控制技術來減少由于時間變化而引起的信號衰減

在高頻段衛星通信系統中,由于各種原因而導致的信號衰減會產生一系列的影響,比如接收功率的變化、傳輸時延、信道噪聲等。這些影響在衛星通信系統的接收端會導致接收機性能下降,甚至無法正常工作。為了應對這種情況,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,針對高頻段衛星通信中的衰減抵消策略進行了大量研究,而動態頻率控制技術是其中一種比較常用的方法。動態頻率控制技術通過控制天線的發射和接收頻率來實現對信號衰減的有效抑制。在衛星通信系統中,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,而這些因素會導致信號發生變化。如果想要有效抑制這種衰減,那么就需要將發射頻率和接收頻率進行統一調整,以確保在最大程度上對信號衰減進行抑制。

在動態頻率控制技術中,需要使用頻譜感知技術,根據接收到的帶內信號感知分析來動態選擇合適的發射頻率和接收頻率,并作出及時調整,以確保能夠實現在最大程度上對信號衰減進行抑制。同時還需要根據用戶所處地理位置和衛星通信系統波束覆蓋情況來確定可用的轉發器資源,進而確定鏈路信號最佳的發射和接收頻率,對天線參數進行合理調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 結語

隨著衛星通信技術的不斷發展,人們對其性能的要求也在不斷提高。因此,在未來的高頻段衛星通信系統中,需要對其進行不斷優化,以確保能夠達到最佳的通信質量。為了確保能夠達到最佳的通信質量,需要采用多種不同的技術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星通信系統的影響,然后提出了幾種減少天氣因素引起信號衰減的方案,希望能夠為相關技術人員提供一定的參考。