雙圓極化頻率復(fù)用技術(shù)在極化鏈路中的應(yīng)用

雙圓極化頻率復(fù)用技術(shù)在極化鏈路中的應(yīng)用

1引入極化頻率復(fù)用技術(shù)近年來，遙感衛(wèi)星星載遙感裝置已從單一遙感裝置轉(zhuǎn)變?yōu)槎噙b感裝置。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來,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。目前,雙圓極化頻率復(fù)用技術(shù)已成功應(yīng)用于我國低軌遙感衛(wèi)星,通過該技術(shù)可同時(shí)向地面站發(fā)送兩路碼速率為450Mbit/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?使我國遙感衛(wèi)星數(shù)傳技術(shù)達(dá)到了世界先進(jìn)水平。該技術(shù)在目前我國在研的多顆遙感衛(wèi)星中也都得到了應(yīng)用。本文首先簡要介紹遙感衛(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)的基本原則2.1同極化和交叉極化雙圓極化頻率復(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)來表示。在數(shù)據(jù)傳輸過程中,假設(shè)入射波能量為E1,經(jīng)過數(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:DXΡ=10×lg(E11E12)=10×lg(1-b1b1)(1)DXP=10×lg(E11E12)=10×lg(1?b1b1)(1)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ΙXΡ=10×lg(E11E21)(2)IXP=10×lg(E11E21)(2)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。即交叉極化引入的干擾通?？蓜澐譃?個(gè)環(huán)節(jié):(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交叉極化損耗來衡量。3雙圓極化頻率恢復(fù)了數(shù)傳道的極化破壞3.1等效合成極化隔離度的計(jì)算在遙感衛(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?？紤]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。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C=ELLL(1-bR)+ELLRbR+ELRRbR≈(1-bR-bL-bΤ)EL(3)C=ELLL(1?bR)+ELLRbR+ELRRbR≈(1?bR?bL?bT)EL(3)接收到的交叉極化信號(hào)(變成右旋)的功率為Ι=ERRL(1-bR)+ERRRbR+ERLL(1-bR)≈(bR+bL+bΤ)ER(4)I=ERRL(1?bR)+ERRRbR+ERLL(1?bR)≈(bR+bL+bT)ER(4)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CΙ=(1-b)ELbER=1-bb(5)上式也可理解為整個(gè)傳輸過程的等效合成極化隔離度,即ΙXΡ_C=10×lg(1-bb)(6)由上式可知,只要知道了整個(gè)傳輸過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可通過對(duì)發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)的測試得到,而對(duì)bL的分析見3.2節(jié)。3.2去極化效應(yīng)方面在遙感衛(wèi)星星地?cái)?shù)傳的電磁波傳播過程中,要經(jīng)過電離層、大氣層。經(jīng)過電離層時(shí)主要產(chǎn)生法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng);經(jīng)過大氣層時(shí)受到各種沉降粒子影響,產(chǎn)生去極化效應(yīng)。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。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鏈路等效合成隔離度的基本原理通過上述分析和計(jì)算,可得到整個(gè)傳輸過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?？紤]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CΝ=CΝ0B+Ι(7)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1CΝ=1CΝ0B+Ι=1CΝ0B+1CΙ=1(1-b)ELΝ0B+11b-1=1+bELΝ0B(1-b)ELΝ0B(8)式中:CΝ為考慮雙極化鏈路損耗時(shí)地面接收到的信噪比真值;ELΝ0B為不考慮雙極化鏈路損耗時(shí)接收端收到的信噪比。可得到在接收端接收到的實(shí)際信噪比為CΝ=(1-b)ELΝ0B1+bELΝ0B=11+10-ΙXΡ_C10ELΝ0B+10-ΙXΡ_C10(9)定義由交叉極化引起的鏈路損耗為L=10×lg(ELΝ0BCΝ)=10×lg(1+bELΝ0B1-b)=10×lg[1+10-ΙXΡ_C10(1+ELΝ0B)](10)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(ELΝ0B,單極化模式下)和鏈路等效隔離度的變化曲線,如圖2所示。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。這就說明,在鏈路等效合成隔離度一定的情況下,可以通過鏈路功率對(duì)雙圓極化帶來的鏈路損耗進(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。4等效能量反旋及極化隔離度計(jì)算傳輸中的應(yīng)用為了保證可靠的衛(wèi)星數(shù)傳通信,國際通信衛(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=0.0009;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=0.0020。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=0.0030。如此便可計(jì)算出整個(gè)傳輸過程的等效能量反旋系數(shù)b=bR+bL+bT=0.0059,以及等效合成極化隔離度為ΙXΡ_C=10×lg(1-bb)=22.3(12)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)。5極化復(fù)用技術(shù)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,是未來衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€(gè)發(fā)展趨勢。國內(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,未來還可以考慮擴(kuò)展至Ka頻段的雙