极化干扰对星地遥感数据传输影响分析

郝志松，李 聪

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081)

0 引言

国内外遥感卫星开始使用极化复用技术进行数据传输系统，以提高信息传输速率。极化复用技术是指利用同一个星载发射天线和同一个地面接收天线传输2个同频率的极化方向为正交的载波信号。采用线极化形式的载波时，选用垂直极化波和水平极化波;采用圆极化形式的载波时，选用左旋极化波和右旋极化波。载波极性取决于发射天馈线系统的极化特性，接收天线必须同发射天线相同极化以实现极化匹配，如果极化匹配，则能接收其全部能量;如果部分匹配，则只能接收其部分能量;如果正交，则不能接收信号的全部能量。由于天线性能和使用的原因，极化复用的2个信号间存在极化干扰。

1 引起极化干扰的主要因素

利用极化复用方式进行星地数据传输，必须要解决极化干扰问题。在天气晴好时，极化干扰主要受3个方面的影响:① 星上天线极化隔离度;② 地面接收天线极化隔离度;③星地极化偏移角度。

这3方面的影响都会使极化匹配呈现在部分匹配状态，其中星地极化偏移角度可以通过地面调整，使其对数传系统的影响远小于天线隔离度的影响，即影响数传系统的主要因素为天线的极化隔离度。通过调研，Ka频段载波的天线极化隔离度技术指标可以做到大于20 dB。

2 极化干扰理论推导

假设信号的传输带宽为奈奎斯特带宽W，即成形系数为0，此时进行正交极化2路信号的干扰如图1所示。

图1 等带宽极化干扰示意

设符号速率为Rs，则式(1)成立:

再设信息速率为Rbit，则Rbit/Rs=a，a与调制方式、编码效率有关。

Eb为每信息bit能量;C'0为的功率谱密度，其对数形式为C0;N'0为噪声的功率谱密度，其对数形式为N0。

此时，

在这种情况下加入极化干扰，假设极化隔离度为20 dB。此时的每信息比特能量和噪声功率谱密度之比近似为:

所以Eb/N0恶化情况近似为:

3 极化干扰仿真分析

3.1 QPSK+1/2LDPC的情况

a=1，Eb/N0恶化情况如图2所示。QPSK体制解调损失为2 dB解调器，在Eb/N0＞10 dB时，引入极化干扰后Eb/N0仍＞9.5 dB，误码率都在1×10－8以下。

图2 QPSK加信道编码Eb/N0恶化情况

在Eb/N0＜10 dB时，引入极化干扰后Eb/N0最多恶化0.5 dB，且Eb/N0＜8 dB时，基本无恶化，对误码率影响不大。在此情况，引入极化干扰对数据传输系统性能没有影响。

3.2 QPSK加信道编译码的情况

解调损失为2 dB的解调器，在 Eb/N0＞20 dB时，引入极化干扰后的Eb/N0＞15 dB，误码率在1×10－9以下，对系统性能影响不大。a=2，Eb/N0恶化情况如图3所示。

图3 QPSK不加信道编码Eb/N0恶化情况

在Eb/N0=15 dB时，引入极化干扰后Eb/N0=13 dB，误码率由1 ×10－9量级增加到1 ×10－8量级;在Eb/N0=13 dB时，引入极化干扰后 Eb/N0=11.5 dB，误码率由1 × 10－8量级增加到1 × 10－6量级，对系统性能有所影响。

因为遥感卫星的误码率要求一般小于1×10－7，并留有一定的功率余量，因此采用这种调制方式时，极化干扰对系统的影响有限。

3.3 16QAM不加信道编码的情况

a=4，Eb/N0恶化情况如图4所示。解调损失为2 dB的解调器，在Eb/N0=17 dB时，引入极化干扰后Eb/N0=12 dB，误码率由10－8量级上升到10－3量级。采用16QAM调制方式，在不加信道编码的情况下对解调性能影响很大，使系统不能工作。

图4 16QAM Eb/N0恶化情况

4 极化干扰试验

利用现有硬件条件，搭建试验系统，对极化干扰情况进行试验验证。试验系统的码速率为500 Mbps，原理框图如5所示。

图5 试验原理

利用2个相同的调制器，发出相同的功率，加入相同的白噪声，调整每一路的白噪声电平，使系统误码率小于1×10－7。把其中一路调制器加噪后的中频信号衰减20 dB后和另一路合路，并接入到解调器，观察误码率变化情况。测试结果有如下3条:

①采用QPSK体制，编码效率为1/2的LDPC编码，经测试极化干扰前Eb/N0=4.35的情况下，误码率为2.35 ×10－8，极化干扰后Eb/N0恶化为4.25，误码率为3.74 × 10－8;

②采用QPSK体制，不加入信道编码，经测试极化干扰前 Eb/N0=13.12的情况下，误码率为9.40 × 10－8，极化干扰后 Eb/N0恶化为 11.61，误码率为 3.22 × 10－6;

③采用16QAM体制，不加入信道编码，经测试极化干扰前 Eb/N0=17.40的情况下，误码率为8.92 × 10－8，极化干扰后 Eb/N0恶化为 12.18，误码率为 2.67 × 10－4。

试验结果和理论仿真分析基本一致。

5 结论分析

经过理论推导和对几种典型制式传输系统仿真试验可知，隔离度为20 dB的极化复用系统，随着a的增加，Eb/N0工作门限逐步提高，极化干扰对系统误码率性能的影响也随之加剧。在Eb/N0工作门限＜10 dB时，系统几乎不受影响;Eb/N0工作门限在10～15 dB时，系统的误码率性能会下降1～2个数量级;Eb/N0工作门限＞15 dB时，系统的误码率性能会严重下降。

因此在星地数据传输系统使用极化复用方式传输16QAM或16APSK等体制且没有信道编码的信号时，在接收端应采用极化干扰抵消技术，以降低极化干扰的影响。

6 结束语

极化复用技术应用于卫星遥感数据对地传输，可提高带宽利用率1倍，减少数据传输时间。但如果处理不好极化干扰问题，将在很大程度上降低传输性能，甚至使整个系统瘫痪。掌握了极化干扰对星地数据传输系统影响规律，通过采用数字处理方式，可减小极化干扰对数传系统的影响，对星地遥感数据传输系统的建设具有参考意义。 ■

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