郝志松，李 聰

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊 050081)

0 引言

國(guó)內(nèi)外遙感衛(wèi)星開(kāi)始使用極化復(fù)用技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，以提高信息傳輸速率。極化復(fù)用技術(shù)是指利用同一個(gè)星載發(fā)射天線和同一個(gè)地面接收天線傳輸2個(gè)同頻率的極化方向?yàn)檎坏妮d波信號(hào)。采用線極化形式的載波時(shí)，選用垂直極化波和水平極化波;采用圓極化形式的載波時(shí)，選用左旋極化波和右旋極化波。載波極性取決于發(fā)射天饋線系統(tǒng)的極化特性，接收天線必須同發(fā)射天線相同極化以實(shí)現(xiàn)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(hào)的全部能量。由于天線性能和使用的原因，極化復(fù)用的2個(gè)信號(hào)間存在極化干擾。

1 引起極化干擾的主要因素

利用極化復(fù)用方式進(jìn)行星地?cái)?shù)據(jù)傳輸，必須要解決極化干擾問(wèn)題。在天氣晴好時(shí)，極化干擾主要受3個(gè)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(huì)使極化匹配呈現(xiàn)在部分匹配狀態(tài)，其中星地極化偏移角度可以通過(guò)地面調(diào)整，使其對(duì)數(shù)傳系統(tǒng)的影響遠(yuǎn)小于天線隔離度的影響，即影響數(shù)傳系統(tǒng)的主要因素為天線的極化隔離度。通過(guò)調(diào)研，Ka頻段載波的天線極化隔離度技術(shù)指標(biāo)可以做到大于20 dB。

2 極化干擾理論推導(dǎo)

假設(shè)信號(hào)的傳輸帶寬為奈奎斯特帶寬W，即成形系數(shù)為0，此時(shí)進(jìn)行正交極化2路信號(hào)的干擾如圖1所示。

圖1 等帶寬極化干擾示意

設(shè)符號(hào)速率為Rs，則式(1)成立:

再設(shè)信息速率為Rbit，則Rbit/Rs=a，a與調(diào)制方式、編碼效率有關(guān)。

Eb為每信息bit能量;C'0為的功率譜密度，其對(duì)數(shù)形式為C0;N'0為噪聲的功率譜密度，其對(duì)數(shù)形式為N0。

此時(shí)，

在這種情況下加入極化干擾，假設(shè)極化隔離度為20 dB。此時(shí)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(diào)損失為2 dB解調(diào)器，在Eb/N0＞10 dB時(shí)，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(shí)，引入極化干擾后Eb/N0最多惡化0.5 dB，且Eb/N0＜8 dB時(shí)，基本無(wú)惡化，對(duì)誤碼率影響不大。在此情況，引入極化干擾對(duì)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)性能沒(méi)有影響。

3.2 QPSK加信道編譯碼的情況

解調(diào)損失為2 dB的解調(diào)器，在 Eb/N0＞20 dB時(shí)，引入極化干擾后的Eb/N0＞15 dB，誤碼率在1×10－9以下，對(duì)系統(tǒng)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(shí)，引入極化干擾后Eb/N0=13 dB，誤碼率由1 ×10－9量級(jí)增加到1 ×10－8量級(jí);在Eb/N0=13 dB時(shí)，引入極化干擾后 Eb/N0=11.5 dB，誤碼率由1 × 10－8量級(jí)增加到1 × 10－6量級(jí)，對(duì)系統(tǒng)性能有所影響。

因?yàn)檫b感衛(wèi)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(diào)制方式時(shí)，極化干擾對(duì)系統(tǒng)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(diào)損失為2 dB的解調(diào)器，在Eb/N0=17 dB時(shí)，引入極化干擾后Eb/N0=12 dB，誤碼率由10－8量級(jí)上升到10－3量級(jí)。采用16QAM調(diào)制方式，在不加信道編碼的情況下對(duì)解調(diào)性能影響很大，使系統(tǒng)不能工作。

圖4 16QAM Eb/N0惡化情況

4 極化干擾試驗(yàn)

利用現(xiàn)有硬件條件，搭建試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)極化干擾情況進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)系統(tǒng)的碼速率為500 Mbps，原理框圖如5所示。

圖5 試驗(yàn)原理

利用2個(gè)相同的調(diào)制器，發(fā)出相同的功率，加入相同的白噪聲，調(diào)整每一路的白噪聲電平，使系統(tǒng)誤碼率小于1×10－7。把其中一路調(diào)制器加噪后的中頻信號(hào)衰減20 dB后和另一路合路，并接入到解調(diào)器，觀察誤碼率變化情況。測(cè)試結(jié)果有如下3條:

①采用QPSK體制，編碼效率為1/2的LDPC編碼，經(jīng)測(cè)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(jīng)測(cè)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(jīng)測(cè)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(yàn)結(jié)果和理論仿真分析基本一致。

5 結(jié)論分析

經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo)和對(duì)幾種典型制式傳輸系統(tǒng)仿真試驗(yàn)可知，隔離度為20 dB的極化復(fù)用系統(tǒng)，隨著a的增加，Eb/N0工作門限逐步提高，極化干擾對(duì)系統(tǒng)誤碼率性能的影響也隨之加劇。在Eb/N0工作門限＜10 dB時(shí)，系統(tǒng)幾乎不受影響;Eb/N0工作門限在10～15 dB時(shí)，系統(tǒng)的誤碼率性能會(huì)下降1～2個(gè)數(shù)量級(jí);Eb/N0工作門限＞15 dB時(shí)，系統(tǒng)的誤碼率性能會(huì)嚴(yán)重下降。

因此在星地?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)使用極化復(fù)用方式傳輸16QAM或16APSK等體制且沒(méi)有信道編碼的信號(hào)時(shí)，在接收端應(yīng)采用極化干擾抵消技術(shù)，以降低極化干擾的影響。

6 結(jié)束語(yǔ)

極化復(fù)用技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對(duì)地傳輸，可提高帶寬利用率1倍，減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。但如果處理不好極化干擾問(wèn)題，將在很大程度上降低傳輸性能，甚至使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。掌握了極化干擾對(duì)星地?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)影響規(guī)律，通過(guò)采用數(shù)字處理方式，可減小極化干擾對(duì)數(shù)傳系統(tǒng)的影響，對(duì)星地遙感數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的建設(shè)具有參考意義。 ■

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