基于中心频率偏置量的双圆极化频率复用链路优化

基于中心频率偏置量的双圆极化频率复用链路优化

1主要系统指标对比双圆极化频率恢复（简称“圆极化恢复”）是一种经典的无线通信技术。在相同的频带上,通过2种正交的圆极化方式,可同时传输2路相互独立的射频信号,因此可使频谱利用效率翻倍。圆极化方式的优点是不用调整发射天线和接收天线的极化面,适用于低轨遥感卫星相对地面站快速移动的特点,因此在低轨遥感卫星对地数据传输中得到了广泛应用。目前,国内外民用卫星,如“世界观测”(WorldView)系列卫星、资源三号卫星等,均采用X频段双圆极化频率复用技术提高数据下传速率。随着低轨遥感卫星空间分辨率的不断提高,有效载荷数据量大幅提升,有限的传输通道带宽制约着卫星效能的发挥,无法满足用户对海量遥感数据的需求,成为制约遥感卫星总体性能提升的瓶颈。综合考虑数据传输系统的工程实现可行性和海量数据下传的需求,高分辨率低轨遥感卫星采用Ka频段进行对地数据传输是未来发展更好的选择。然而,由于Ka频段频率较高,电磁波在传播路径上主要受到两个因素的较大影响,一是雨衰,二是雨滴和冰晶的去极化。雨衰对单极化系统和双极化系统的作用相同,即减小期望信号的功率,而去极化效应对双极化系统的影响更大。去极化效应可定义为传输信号极化状态的改变,由于大气层中水汽凝结体各向异性的特性,给定极化方式的部分信号(同极化信号)功率转换为与之正交的极化信号(交叉极化信号)的功率,导致双极化系统出现交叉干扰现象,降低系统性能。但是,如果2个旋向射频信号的中心频率不重叠(即中心频率偏置),则频谱重叠区域将减小,总的干扰功率也将减小,因此理论上可有效减小去极化效应带来的系统性能降低。目前,中心频率偏置方式对X频段星地数传链路的影响,已有少量研究,而对Ka频段的研究,国内外尚未见到相关文献报道。本文利用国际电信联盟(ITU)的星地链路计算模型,分析了频率偏置对Ka频段双圆极化频率复用星地数传链路的影响。首先给出了双圆极化系统星地数传链路分析原理,定义双圆极化链路余量,用于链路可用性分析;然后,对不同接收仰角、不同频率偏置量下喀什站和北京站的链路可用情况进行定量分析;最后,提出一种新的量化指标———有效频带利用率,用于表示综合考虑链路可用率、接收弧段长度和频率偏置量后的频带利用率加权值,可为未来Ka频段星地数据传输的工程设计提供参考。2星地数传输线系统的分析原理2.1双圆极化链路的及其与信号特性的关系对低轨遥感卫星而言,地面站接收系统的信噪比决定了解调信号的误码率,而误码率直接影响遥感图像质量。当实际接收的比特能量与噪声功率谱密度之比(简称比特信噪比)Eb/N0不低于给定的门限信噪比(Eb/N0)th时,链路误码率Pe不高于给定的门限误码率(Pe)th(对于光学遥感卫星,通常为1×10-7),即式中:Pe{Eb/N0≥(Eb/N0)th}为Eb/N0≥(Eb/N0)th时的链路误码率;(Pe)th为Eb/N0=(Eb/N0)th时的链路门限误码率。决定双圆极化数据传输性能的传播路径因素,是同极化衰减CPA和交叉极化鉴别率XPD。其中:CPA代表传输信号的功率损耗;XPD定义为接收的同极化信号与交叉极化信号功率之比,代表由去极化效应引起的交叉极化干扰,事实上,XPD相当于信号与干扰噪声的功率比,该干扰噪声可以看作加性高斯白噪声,这与现实中误码性能退化情况吻合。CPA和XPD将导致链路接收比特信噪比降低,有如下关系。式中:(Eb/N0)nom为不考虑传播路径损耗时接收的比特信噪比,dB;F为功率损耗和去极化效应引起的信噪比降低因子,在单圆极化系统中就等于CPA,在双圆极化系统中是CPA和XPD的函数,dB;(Eb/N0)D为考虑信噪比降低因子F后双圆极化系统实际接收的比特信噪比,dB。单圆极化系统的接收比特信噪比(Eb/N0)S仅受雨衰的影响,即双圆极化系统的接收比特信噪比(Eb/N0)D还要考虑去极化效应的影响。如图1所示,从左旋圆极化(LHCP)信号中转换到右旋圆极化(RHCP)信号中的一部分能量,可认为均匀分布在左旋圆极化信号占用带宽BLHCP上。通常而言,2路正交信号的调制方式和码速率均相同,因此右旋圆极化信号占用带宽BRHCP与BLHCP相同(可统一记为BOCC)。图1中,f为信号频率,fLHCP和fRHCP分别为左旋和右旋圆极化信号载波频率,BI为干扰区域占用带宽。由于频率偏置量fOFF的影响,实际干扰的作用区域仅限于图1中的频谱重叠区域(红色区域),有效的干扰功率谱密度I0,OFF为式中:I0为无频率偏置时的干扰功率谱密度。根据XPD的定义,可推导出如下关系。式中:Γ为频带利用率,bit·s-1·Hz-1,对于SQPSK调制方式,取值为2;Eb/I0,OFF和XPD的单位均为分贝(dB)。由式(3)和式(5)可得对比式(2)和式(6),可得双圆极化的信噪比降低因子为定义双圆极化链路余量为MD≥0时,双圆极化链路可用;否则,不可用。可以看出,双圆极化链路的可用性与多个因素相关,包括CPA,XPD,(Eb/N0)nom,(Eb/N0)th,Γ,fOFF,BOCC。要确认链路的可用性,须综合分析各个因素。2.2大气极化分析受加工误差、装配误差、阻抗匹配等因素影响,卫星发射天线和地面接收天线均无法做到与理想状态完全一致,因此无法实现理论上无穷大的极化隔离度。在星地数据传输过程中,无线射频信号受大气中雨滴、冰晶等各向异性物质的影响,产生去极化效应,因此大气也存在等效的极化鉴别率。星地数传链路合成的总交叉极化鉴别率XPDtot由卫星发射天线的交叉极化鉴别率XPDsat、地面站接收天线的交叉极化鉴别率XPDe-s和大气的交叉极化鉴别率XPDatm决定。其中,XPDtot分为2种方法计算。(1)获取最优的总交叉极化鉴别率XbestPDtot的方法。假设XPDsat,XPDe-s,XPDatm之间彼此独立,没有联系,则采用并联网络形式进行功率求和。(2)获取最差的总交叉极化鉴别率XPDtotworst的方法,即所有极化场采用相位求和的方式。在式(9)和式(10)中,所有交叉极化鉴别率均以dB形式表示。式(9)对应最优情况,式(10)对应最差情况,而实际情况应介于两者之间。3结果表明，二元极化系统的星地数传播链分析3.1sqpsk调制拟采用的Ka频段(25.5~27.0GHz)带宽为1.5GHz。与图1对应,设置左旋圆极化的频点为26GHz,单通道码速率为2.0Gbit/s,采用SQPSK调制,占据频带范围为25.5~26.5GHz。右旋圆极化中心频率向右偏置,偏置范围为0~500MHz,采用相同的调制方式和单通道码速率,可保证其信号不超出规定频率的上限(27.0GHz)。假定在一颗卫星与一个地面站之间建立传输链路,卫星采用高970km、回归周期14天的太阳同步圆轨道,链路分析参数如表1所示。3.2链路可用率影响ITU发布的“设计地球-空间电信系统所需的传播数据和预测方法”(ITU-RP.618-10),根据地球上不同地点多年的降雨统计数据,建立可预测任意地点、不同频段星地传输射频信号的CPA和XPDatm的方法。本节根据该标准中的模型,计算国内不同地面站、不同链路可用率、不同频率偏置量下的双圆极化链路余量。地面站选择喀什站和北京站,其0.01%概率的年均单点降雨量分别达到12mm/h和50mm/h。对低轨遥感卫星而言,ITU雨衰(即CPA)模型适用的链路可用率范围为95.000%~99.999%,XPDatm计算模型适用的接收仰角范围为5°~60°。对于星上发射固定等效全向辐射功率的低轨遥感卫星,不同接收仰角所对应的(Eb/N0)nom均不同;不同链路可用率对应不同的CPA,而XPDatm又与CPA相关。这些相互关联的因素在仿真分析中均予以考虑。在典型链路可用率下,图2给出了双圆极化链路余量MD随接收仰角、频率偏置量的变化曲线,图3给出了临界接收仰角随频率偏置量的变化曲线(对特定的频率偏置量,接收仰角不低于临界接收仰角时,链路可用)。从图2和图3可以看出:(1)特定链路可用率下,当无法实现5°仰角起全弧段跟踪时,随着频率偏置量的增大,临界接收仰角减小,对应数传弧段长度增大。(2)特定频率偏置量下,采用相同方法合成链路总交叉极化鉴别率时,降低链路可用率可减小临界接收仰角,对应数传弧段长度增大。(3)分别采用式(9)和式(10)合成总交叉极化鉴别率,对应链路可用情况差别较大。3.3接收比例因子pg如图4所示,R为地球半径,H为卫星轨道高度,α为地面站起始跟踪仰角,O为地心。跟踪仰角不小于α时,卫星对地面站可见,对于圆轨道卫星,可见区域是一个圆锥,该圆锥与卫星运行轨迹所对应球面相交得到一个球冠,根据立体几何知识,该球冠面积为如果一个回归周期内星下点曲线间隔足够密集,则球冠面积大小可定量表示接收弧段的总长度。定义地面站接收比例因子Pg为遥感卫星在一个回归周期内某一起始跟踪仰角与5°起始跟踪仰角所对应的总跟踪弧段长度之比,用于衡量起始跟踪仰角对数传弧段的影响,即图5给出了970km高圆轨道的地面站接收比例因子变化趋势。分析可知,在低起始跟踪仰角时,仰角对总接收弧段长度影响更为明显,即使增加很小的角度,也会造成接收弧段总长度的急剧减小。如图5所示,即使增加5°(即10°起跟踪),其接收弧段长度减小比例达30%,而增加10°(即15°起跟踪),其接收弧段长度减小比例更是高达50%。3.4接收比例因子的影响从图3(a)可以看出,采用式(9)计算时,链路可用率由99.90%变为99.99%,虽然只增加了0.09%,但合格的数传弧段起始跟踪仰角直接由5°增加至16°,接收比例因子只有48%。增大频率偏置量可有效减小起始跟踪仰角,进而增大接收比例因子。例如:链路可用率为99.99%,频率偏置量为500MHz时,可将起始跟踪仰角减小至11.25°,接收比例因子提高至66%。不过也应注意到,增大频率偏置量会导致射频信号占用带宽增大。采用AL表示链路可用率,Rb表示单通道码速率,单通道的SQPSK信号理论占用带宽为Rb/2,当双圆极化信号频率偏置量为fOFF时,共占用带宽(Rb/2+fOFF),2路共传输码速率为2Rb,因此,理想的射频频带利用率为2Rb/(Rb/2+fOFF)。不过,实际链路还要考虑链路可用率和接收比例因子的加权影响,为此,定义SQPSK调制方式的有效频带利用率为由于频谱资源越来越紧张,为充分利用频谱,应尽可能提高链路的有效频带利用率。从前文分析可知,对特定的AL,fOFF增大时,Pg会增大;对特定的fOFF,AL减小时,Pg会增大。可见,这几个因素互相制约。为获取最大的有效频带利用率,须要寻找合理的链路可用率及频率偏置量。为了验证本文方法的有效性,以喀什站和北京站为例,对有效频带利用率进行仿真分析,结果如图6所示,定量分析结果见表2。从图6和表2可以看出:增大频率偏置量无法获取最大有效频带利用率。在载波中心频率重合时,通过选