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【Ka频段卫星通信信道建模及系统性能仿真】主要关注的是在卫星通信系统设计中的关键环节——Ka频段的信道建模和性能分析。Ka频段,位于30 GHz至40 GHz之间,因其宽广的可用带宽、较小的天线尺寸和相对较低的干扰水平,成为现代卫星通信的重要选择。然而,该频段对大气条件如雨、雾、雪等的敏感性,给通信质量带来了挑战。 文章深入分析了Ka频段卫星通信信道的统计特性。这包括信道的衰落特性、多径传播、大气损耗等因素。这些特性对于理解信号在传输过程中可能受到的影响至关重要。通过统计建模,可以量化这些影响,为系统设计提供依据。 接着,作者建立了Ka频段卫星通信信道的统计模型。这一模型能够反映信道的动态变化,如快衰落和慢衰落,并考虑了大气条件对信号强度的影响。此外,还构建了基于此模型的系统仿真框架,用于评估不同系统配置和算法在实际环境下的性能。 在系统性能仿真部分,文章使用了实际的信道模型进行了一系列的仿真试验,以测试卫星通信系统的性能。这些仿真可能包括误码率、数据速率、信号质量等多个指标,以全面评估系统的可靠性、稳定性和效率。仿真结果为优化系统设计提供了宝贵的数据支持。 文章通过解析方法分析了相干BPSK(二进制相移键控)信号在Ka频段的性能。BPSK是一种常见的数字调制方式,其性能受信道条件影响较大。通过理论推导和仿真结果的对比,文章得出了关于Ka频段卫星通信系统性能的有用结论。 这篇文章提供了一种综合的卫星通信系统设计方法,特别是针对Ka频段的特性进行了详尽的研究。这些研究成果对于卫星通信系统的规划、设计和优化具有重要的指导意义,对于提升卫星通信在恶劣天气条件下的服务质量具有实际应用价值。
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Ka 频段卫星通信信道建模及系统性能仿真
王爱华 ,罗伟雄
(
北京理工大学 电子工程系 ,北京 100081
)
摘 要 :本文给出了卫星通信系统设计、建模和仿真的一般方法 ,重点是 Ka 频段卫星通信信道的
建模及仿真。我们首先分析了 Ka 频段卫星通信信道的统计特性 ,建立了信道的统计模型 ,然后在
此基础上建立了 Ka 频段卫星通信信道及系统的仿真模型 ,并进行了系统性能的仿真 ,最后利用分
析法分析推导了相干 BPSK信号在 Ka 频段的系统性能 ,并与仿真结果进行了比较 ,得出了有用的
结论。
关键词 :Ka 频段 ;信道模型 ;性能仿真
中图分类号 :TN927. 2 文献标识码 :B 文章编号 :1000 - 436X
(
2001
)
07 - - 09
Modelling of Ka2band satellite communication channel and
system performance simulation
WANG Ai2hua ,LUO Wei2xiong
(
Beijing Institute of Technology ,Beijing ,100081 ,China
)
Abstract :This paper presents a general method for satellite communication system design ,modelling and simula2
tion. Stress is placed on modelling and simulation of a Ka2band satellite communication channel. Statistical char2
acteristics and model of the channel at Ka2band are given firstly ,then we conducted the system performance sim2
ulations based on the channel and system simulation model proposed by this paper. Finally the analytical deriva2
tion of the performance of coherent BPSK signal at Ka2band is described and a useful conclusion is drawn by
comparing with the simulation results.
Key words: Ka2band;channel model ;performance simulation
1 前言
随着对卫星通信需求的增加以及新技术的发展 ,近年来 ,越来越多的国家和机构相继加
入到对 Ka 频段卫星通信系统的开发和使用之中。例如 ,许多 LEO 系统将使用 20/ 30GHz 链路 ,
新一代的跟踪及数据中继卫星
(
TDRS
)
将使用 Ka 频段进行实验 ,NASA 打算利用高于 30GHz 的
频率进行深空通信等。目前 ,该频段已不止用作商用 ,其军用价值也日益显露 ,美国军方已开始
使用 20/ 40GHz 链路进行军事通信。
与较低频率的 C频段和 Ku 频段相比 ,Ka 频段的卫星通信具有三个明显优势 ,即频谱可用
收稿日期 :2000 - 05 - 24 ;修订日期 :2001 - 05 - 09
作者简介 :王爱华
(
1965年 -
)
,女 ,天津人 ,北京理工大学98级博士生 ,主要研究方向为卫星通信系统设计及仿
真分析技术研究等 ;罗伟雄
(
1940 年 -
)
,男 ,上海人 ,北京理工大学应用电子技术教研室主任 ,教授 ,博士生导
师 ,主要研究方向为通信与电子系统和电路理论。
2001 年 9 月
第 22 卷 第 9 期
通 信 学 报
JOURNAL OF CHINA INSTITUTE OF COMMUNICATIONS
Vol. 22 No. 9
Septenber 2001
率高、潜在干扰小和设备体积小等。然而 ,Ka 频段卫星通信也存在一大缺点 ,即该频段对大气
损伤非常敏感。测量数据表明
[1]
,在大于 0. 1 % 的时间内对于 30GHz 的上行频率雨衰可超过
40dB ,而对于 20GHz 的下行频率雨衰也将超过 20dB。
针对 Ka 频段卫星通信信道的这一特点 ,要想预测卫星通信系统在 Ka 频段的性能 ,我们首
先需要了解 Ka 频段信道的统计特性 ,然后再在此基础上建立相应的系统功能模型 ,才能进行
功能评估。本文在进行功能评估时 ,主要采用了两种方法 ,即分析法和仿真法。
通信系统的计算机仿真技术是随着通信理论及计算机技术的不断发展而日益成熟的 ,并
已逐渐成为通信系统设计必不可少的、强有力的工具 ,仿真中利用等效复基带概念 ,很容易实
现从基带到基带的整个信号流程的仿真。
2 Ka 频段卫星通信信道的传输特性
在 20/ 30GHz 的卫星通信中 ,由于大气层
(
雨、水蒸汽、云雾、氧气和闪烁
)
将会引起信号的
额外衰落 ,因此 ,自由空间传播公式需要进行修正。这些衰落不仅是频率的函数 ,而且还是位
置、仰角、季节和系统可行性的函数 ,其中一些衰落
(
例如雨衰
)
的年平均值将随载波频率和系
统可行性的增加而迅速增大。下面分别讨论之。
(
1
)
雨衰 A
r
由于降雨而引起的信号衰落是 Ka 频段卫星通信所经受的最严重的传播损
耗。测量数据表明 ,雨衰是载波频率和系统可行性的函数。在大仰角情况下 ,A
r
可用下式表
示
[2]
[ A
r
] = C
1
exp
(δ
1
f
)
+ C
2
exp
(δ
2
f
)
-
(
C
1
+ C
2
)
(
dB
)
式中 f
(
GHz
)
为载波频率 ,
C
1
, C
2
,
δ
1
和
δ
2
是系统可行性的函数。在仰角较小时
(
例如小于10°
)
,
A
r
可用下述转换公式进行换算得到
[ A
r
(θ)
]
= [ A
r
(θ
0
)
]sin
θ
/ sin
θ
0
(
dB
)
式中
θ
为地球站仰角 ,
θ
0
为参考仰角。
(
2
)
大气吸收 主要是氧气和水蒸汽吸收损耗。其中氧气的吸收损耗与温度和气压有关。
ITU2R 给出了倾斜路径下氧气吸收损耗的表达式
[3]
[ A
o
] =
(
h
o
γ
o
)
/ sin
θ
(
dB
)
式中
γ
o
(
dB/ km
)
表示氧气损耗系数 ,
h
o
(
km
)
为干燥空气的有效高度 ,
θ
为仰角。
水蒸汽的吸收损耗主要与温度有关。ITU2R 给出了相应的水蒸汽吸收损耗表达式
[3]
[ A
w
] =
(
h
w
γ
w
)
/ sin
θ
(
dB
)
式中
γ
w
(
dB/ km
)
表示水蒸汽损耗系数 , h
w
(
km
)
为水蒸汽的有效高度 ,
θ
为仰角。
测量数据表明
[ A
o
] + [ A
w
] ≈ 1
(
dB
)
(
3
)
云雾衰落 A
c
在 Ka 频段上 ,沿着传播路径的云雾将使信号受到衰落 ,该衰落量的大
小与液体水的含量及温度有关。ITU2R 给出的云雾衰落表达式为
[4]
[ A
c
] =
(
0. 4095fL
)
/ [
ε
″
(
1
+
η
2
)
sin
θ
]
(
dB
)
式中L 为云雾厚度
(
近似为 1km
)
,
ε
′和
ε
″分别为水的介电常数的实部和虚部 ,f
(
GHz
)
为载波频
率 ,
η
=
(
2 +
ε
′
)
/
ε
″,
θ
为仰角。
(
4
)
大气层闪烁 A
s
由于大气层折射率的时变性引起的衰落 ,它将使传输信号幅度和相
位迅速波动。
·26·
通 信 学 报 2001 年
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