雙圓極化頻率復(fù)用數(shù)傳鏈路極化損耗影響分析

張莎莎 劉希剛 黃縉

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

1 引言

近年來(lái)，遙感衛(wèi)星星載遙感器由單一遙感器向多遙感器發(fā)展。同時(shí)，隨著星載遙感器的地面像元分辨率、量化位數(shù)的不斷提高，遙感衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)量也有了極大的提升，數(shù)據(jù)傳輸通道的傳輸能力不足，而造成星地?cái)?shù)據(jù)傳輸頻帶資源緊張。

為滿足遙感衛(wèi)星對(duì)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能力需求的迅速增加，一方面須不斷拓展新的工作頻段，目前已考慮由傳統(tǒng)的X 頻段拓展到Ka頻段；另一方面可引入雙極化頻率復(fù)用（簡(jiǎn)稱極化復(fù)用）技術(shù)，即利用不同極化的正交特性，將2路不同數(shù)據(jù)在同一頻域、同一時(shí)域利用極化特性分隔開(kāi)來(lái)，從而將有限射頻帶寬的通信容量增加一倍，這對(duì)緩解日趨緊張的頻譜資源有重要的意義［1-2］。目前，雙圓極化頻率復(fù)用技術(shù)已成功應(yīng)用于我國(guó)低軌遙感衛(wèi)星，通過(guò)該技術(shù)可同時(shí)向地面站發(fā)送兩路碼速率為450 Mbit／s的X頻段數(shù)傳信號(hào)，極大地提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩刮覈?guó)遙感衛(wèi)星數(shù)傳技術(shù)達(dá)到了世界先進(jìn)水平。該技術(shù)在目前我國(guó)在研的多顆遙感衛(wèi)星中也都得到了應(yīng)用。

本文首先簡(jiǎn)要介紹遙感衛(wèi)星雙圓極化復(fù)用數(shù)傳技術(shù)的原理，然后通過(guò)對(duì)數(shù)傳鏈路的分析提出一種極化損耗的計(jì)算方法，并研究極化損耗對(duì)鏈路性能的影響，以為數(shù)傳鏈路的設(shè)計(jì)提供參考。

2 雙圓極化頻率復(fù)用技術(shù)的基本原理

2．1 雙圓極化頻率復(fù)用的概念

雙圓極化頻率復(fù)用是指在同一頻點(diǎn)利用左旋和右旋圓極化相互正交的特性，將兩個(gè)通道的信號(hào)分別利用兩種圓極化方式進(jìn)行傳輸。由于實(shí)際工程中的圓極化信號(hào)均為橢圓極化，因此兩種交叉極化波之間無(wú)法做到完全正交。評(píng)價(jià)交叉極化水平的指標(biāo)通常用交叉極化隔離度（ⅠXP）或交叉極化鑒別率（DXP）來(lái)表示。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，假設(shè)入射波能量為E1，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)后，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)分量：一個(gè)是同極化分量，能量為E11；另一個(gè)為交叉極化分量，能量為E12。交叉極化鑒別率（DXP）定義為：

式中：DXP的單位為dB；b1為極化波的能量反旋系數(shù)。當(dāng)有兩個(gè)正交的極化波時(shí)，設(shè)進(jìn)入系統(tǒng)前能量分別為E1和E2，在經(jīng)過(guò)系統(tǒng)后，這兩個(gè)電磁波都會(huì)產(chǎn)生同極化和交叉極化分量。交叉極化隔離度（ⅠXP）的定義為，接收的同極化波的能量與接收的交叉極化的能量之比，即

式中：ⅠXP的單位為dB；E11為接收端接收到的E1極化波的同極化分量；E21為接收到的E2極化波的交叉極化分量。當(dāng)兩個(gè)發(fā)射信號(hào)的幅值相等、發(fā)射端與接收端特性相同且經(jīng)歷同樣的路徑時(shí)，可認(rèn)為ⅠXP和DXP的值相等。DXP和ⅠXP的定義適用于所有正交極化信號(hào)傳輸系統(tǒng)。

2．2 交叉極化干擾的產(chǎn)生

在雙圓極化復(fù)用星地?cái)?shù)傳鏈路中，由于發(fā)射及接收端極化的非圓性，以及傳輸途徑中各種介質(zhì)存在著去極化效應(yīng)（例如雨滴），會(huì)產(chǎn)生不同程度的交叉極化分量，以上這些因素就會(huì)造成一種極化波的一部分能量轉(zhuǎn)換為與之正交的極化狀態(tài)，造成兩個(gè)正交極化通道之間的干擾，這種現(xiàn)象稱為交叉極化干擾［3-5］。即交叉極化引入的干擾通?？蓜澐譃?個(gè)環(huán)節(jié)［2］：

（1）數(shù)傳系統(tǒng)發(fā)射端引入的交叉極化干擾；

（2）數(shù)據(jù)傳輸路徑中，由于電離層、大氣等傳輸介質(zhì)的去極化效應(yīng)引入的交叉極化干擾；

（3）數(shù)傳系統(tǒng)接收端引入的交叉極化干擾。

交叉極化干擾可通過(guò)交叉極化損耗來(lái)衡量。

3 雙圓極化頻率復(fù)用數(shù)傳鏈路的極化損耗

3．1 信號(hào)傳輸過(guò)程分析

在遙感衛(wèi)星雙圓極化復(fù)用數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，通常兩路數(shù)傳通道發(fā)射信號(hào)的能量相等、信號(hào)傳播經(jīng)歷的路徑相同、且接收端的特性也相同，可認(rèn)為該系統(tǒng)的雙極化過(guò)程是對(duì)稱的，因此有以下假設(shè)：

發(fā)射左旋信號(hào)的功率為EL，發(fā)射右旋信號(hào)的功率為ER，且EL＝ER；發(fā)射端雙圓極化的能量反旋系數(shù)為bT，傳輸路徑的等效能量反旋系數(shù)為bL，接收端能量反旋系數(shù)為bR，于是，經(jīng)發(fā)射端的發(fā)射出的主極化分量ELL＝（1-bT）EL，ERR＝（1-bT）ER；經(jīng)發(fā)射端發(fā)射出的交叉極化分量ELR＝bTEL，ERL＝bTER……以此類推。考慮傳輸路徑的去極化效應(yīng)后，鏈路各環(huán)節(jié)的主極化分量和交叉極化分量的功率如表1所示。

表1 雙圓極化復(fù)用數(shù)傳鏈路各環(huán)節(jié)的信號(hào)功率Table 1 Signal power at every part of dual-polarized data transmission link

以表1中的通道1信號(hào)為例，接收天線接收到的主極化信號(hào)（仍為左旋）的功率為

接收到的交叉極化信號(hào)（變成右旋）的功率為

式（3）和式（4）中忽略了二階小量。令b＝bR＋bL＋bT，可定義其為整個(gè)傳輸過(guò)程的等效能量反旋系數(shù)，則接收端主極化信號(hào)C與交叉極化信號(hào)Ⅰ的功率比可表示為

上式也可理解為整個(gè)傳輸過(guò)程的等效合成極化隔離度，即

由上式可知，只要知道了整個(gè)傳輸過(guò)程的等效能量反旋系數(shù)b，便可計(jì)算出等效合成極化隔離度。而整個(gè)傳輸過(guò)程的等效能量反旋系數(shù)b由三個(gè)因素決定，即發(fā)射端反旋系數(shù)bT、接收端反旋系數(shù)bR和傳輸路徑的反旋系數(shù)bL。其中bT和bR可通過(guò)對(duì)發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)的測(cè)試得到，而對(duì)bL的分析見(jiàn)3．2節(jié)。

3．2 信號(hào)傳輸介質(zhì)的去極化效應(yīng)分析

在遙感衛(wèi)星星地?cái)?shù)傳的電磁波傳播過(guò)程中，要經(jīng)過(guò)電離層、大氣層。經(jīng)過(guò)電離層時(shí)主要產(chǎn)生法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)；經(jīng)過(guò)大氣層時(shí)受到各種沉降粒子影響，產(chǎn)生去極化效應(yīng)［6-8］。以電離層、晴空大氣為始終存在的因素，以降雨、降雪、沙塵暴的單一存在考慮（即不同時(shí)存在），電波穿過(guò)電離層、大氣層對(duì)X 頻段信號(hào)的典型去極化效應(yīng)為3～4dB，惡劣天氣條件下，特別是特大暴雨天氣下，去極化效應(yīng)非常嚴(yán)重［9］。

知道了傳輸介質(zhì)的去極化效果，便可根據(jù)發(fā)射端的能量反旋系數(shù)bT計(jì)算得到傳輸介質(zhì)的能量反旋系數(shù)bL。

3．3 鏈路極化損耗及其影響

通過(guò)上述分析和計(jì)算，可得到整個(gè)傳輸過(guò)程的等效能量反旋系數(shù)b。在進(jìn)行雙圓極化頻率復(fù)用數(shù)傳鏈路的預(yù)算時(shí)，需對(duì)交叉極化引起的鏈路損耗進(jìn)行評(píng)估。考慮交叉極化信號(hào)相對(duì)主極化信號(hào)均為噪聲（未考慮地面接收端極化補(bǔ)償），在接收端的信噪比為

式中：N0B為接收帶寬內(nèi)的熱噪聲功率；Ⅰ為交叉極化信號(hào)功率。于是得到

定義由交叉極化引起的鏈路損耗為

式中：ⅠXP＿C為整個(gè)數(shù)傳鏈路的等效合成隔離度；L為鏈路交叉極化損耗，dB。

根據(jù)式（9），可繪制出在接收端接收到的實(shí)際信噪比隨鏈路功率（單極化模式下）和鏈路等效隔離度的變化曲線，如圖1所示；根據(jù)式（10），可繪制出極化損耗隨鏈路信噪比，單極化模式下）和鏈路等效隔離度的變化曲線，如圖2所示。

圖1 鏈路實(shí)際接收信噪比與鏈路功率及等效隔離度的變化曲線圖Fig．1 Curves of the actually received link SNR varying with link power and equivalent isolation

由圖1、圖2可得出以下結(jié)論：

（1）在鏈路功率（信噪比）一定的情況下，鏈路等效合成隔離度越大，表示兩個(gè)旋向信號(hào)的正交性越好，接收端實(shí)際接收信噪比越高，即由交叉極化引起的極化損耗就越小。

（2）在鏈路等效合成隔離度一定的情況下，隨著鏈路功率的增大，接收端的實(shí)際接收信噪比逐漸趨近于一個(gè)極限值，同時(shí)由交叉極化引起的極化損耗越大。這就說(shuō)明，在鏈路等效合成隔離度一定的情況下，可以通過(guò)鏈路功率對(duì)雙圓極化帶來(lái)的鏈路損耗進(jìn)行一定程度的補(bǔ)償，但隨著鏈路功率的增大，補(bǔ)償效果逐漸減弱。

圖2 極化損耗隨鏈路功率（單極化模式下信噪比）和鏈路等效隔離度的變化曲線圖Fig．2 Curves of the polarization loss varying with link power（SNR at mono-polarization mode）and equivalent isolation

4 雙圓極化頻率復(fù)用在遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用

為了保證可靠的衛(wèi)星數(shù)傳通信，國(guó)際通信衛(wèi)星公司（INTELSAT）提出了嚴(yán)格的指標(biāo)要求。例如對(duì)新建地球站天線要求達(dá)到電壓軸比RVA＿R≤1．06（0．5dB），相應(yīng)的極化隔離度ⅠXP＿R≥30．7dB，計(jì)算可得接收端能量反旋系數(shù)bR＝0．000 9；同時(shí)要求星上天線極化隔離度達(dá)到ⅠXP＿T≥27dB，計(jì)算可得發(fā)射端能量反旋系數(shù)bT＝0．002 0。取傳輸介質(zhì)去極化4dB，計(jì)算可得傳輸介質(zhì)的能量反旋系數(shù)bL＝0．003 0。如此便可計(jì)算出整個(gè)傳輸過(guò)程的等效能量反旋系數(shù)b＝bR＋bL＋bT＝0．005 9，以及等效合成極化隔離度為

式中：得到的ⅠXP＿C的單位為dB。根據(jù)式（10）繪制出極化損耗隨鏈路接收信噪比（單極化模式下）的曲線，如圖3所示。

由圖3可知，此時(shí)極化損耗會(huì)隨著鏈路功率的增加而增大。因此需綜合考慮軌道高度和鏈路裕度要求等因素，設(shè)計(jì)鏈路發(fā)射功率和等效全向輻射功率（EIPR），以達(dá)到數(shù)傳鏈路的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖3 極化損耗隨鏈路功率（單極化模式下）的變化曲線圖Fig．3 Curve of the polarization loss varying with link power（at mono-polarization mode）

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)上文中針對(duì)雙圓極化頻率復(fù)用技術(shù)在遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用分析，可得出如下結(jié)論和建議：

（1）極化復(fù)用技術(shù)是解決遙感衛(wèi)星輸出傳輸中頻帶資源緊張的一種有效手段，是未來(lái)衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€(gè)發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)外均已成功地將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于在軌運(yùn)行的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中。目前應(yīng)用較廣泛的是X 頻段的雙圓極化數(shù)傳鏈路，未來(lái)還可以考慮擴(kuò)展至Ka頻段的雙圓極化。

（2）采用極化復(fù)用會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量帶來(lái)一定影響，主要表現(xiàn)在極化損耗上，在鏈路計(jì)算中需要予以考慮。根據(jù)本文提出的方法，可對(duì)各環(huán)節(jié)極化隔離度、鏈路發(fā)射功率等參數(shù)，定量估算極化復(fù)用對(duì)數(shù)據(jù)傳輸鏈路的影響。

（3）在實(shí)際的鏈路設(shè)計(jì)中，可根據(jù)不同軌道參數(shù)、不同頻點(diǎn)、不同地面站接收參數(shù)等信息，對(duì)鏈路的發(fā)射極化隔離度和發(fā)射ERIP 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到指標(biāo)體系的最優(yōu)化，在確保下傳的質(zhì)量時(shí)，尋求系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)約系統(tǒng)成本。

（References）

［1］呂海寰，蔡劍銘，甘仲民，等．衛(wèi)星通信系統(tǒng)［M］．北京：中國(guó)郵電出版社，2001

LüHahuan，Cai Jianming，Gan Zhong-min，et al．Satellite communications systems［M］．People’s Posts ＆Telecom Press，2001（in Chinese）

［2］趙寧．極化復(fù)用技術(shù)在遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用［J］．航天器工程，2010，19（4）：55-62

ZhaoNing．Application of dual-polarized technology in remote sensing satellite data transmission［J］．Spacecraft Engineering，2010，19（4）：55-62（in Chinese）

［3］沈民誼．衛(wèi)星通信天線、饋源、跟蹤系統(tǒng)［M］．人民郵電出版社，1993．7

Shen Minyi．Satellite communications antenna，feed horn and tracking system［M］．People′s Posts ＆ Telecom Press，1993（in Chinese）

［4］王衛(wèi)民．頻率復(fù)用通信系統(tǒng)中的交叉極化問(wèn)題［J］．微波學(xué)報(bào)，2005，21（z1）：157-159

Wang Wei-min．Cross polarization problem in frequency re-use communication system ［J］．Journal of Microwaves，2005，21（z1）：157-159（in Chinese）

［5］Chiou T W，Wong K L．Broad-band dual-polarized single microstrip patch antenna with high isolation and low cross polarization［J］．IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2002，50（3）：399-401

［6］Radio communication Sector of ITU．Propagation data and prediction methods required for the design of earthspace telecommunication systems，Rec．ITU-R P．618-9［S］．ITU：Geneva，2007

［7］Olsen R L．Cross polarization during precipitation of terrestrial links：a review［J］．Radio Science，1981，16（5）：761-779

［8］林樂(lè)科，趙振維，董慶生，等．地空路徑水凝物交叉極化特性研究［J］．電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，21（1）：49-52

LinLeke，Zhao Zhenwei，Dong Qingsheng，et al．Study on hydrometeor-induced cross-polarization along earthspace parth［J］．Chinese Journal of Radio Science，2006，21（1）：49-52（in Chinese）

［9］Radio communication Sector of ITU．Specific attenuation model for rain for use in prediction methods，Rec．ITU-R P．838-3［S］．Geneva：ITU，1999