淺論無(wú)人機(jī)機(jī)載衛(wèi)通天線(xiàn)尺寸與數(shù)字信號(hào)傳輸帶寬關(guān)系

1、淺論無(wú)人機(jī)機(jī)載衛(wèi)通天線(xiàn)尺寸與數(shù)字信號(hào)傳輸帶寬關(guān)系洪都科技HoNGDUSCCEDTECHNoLoGY淺論無(wú)人機(jī)機(jī)載衛(wèi)通天線(xiàn)尺寸與數(shù)字信號(hào)傳輸帶寬關(guān)系賈義海喻玉華(洪都航空工業(yè)集團(tuán))的機(jī)載衛(wèi)通天線(xiàn)尺寸選擇問(wèn)題進(jìn)行了較詳細(xì)的計(jì)算,探討.關(guān)鍵詞機(jī)載衛(wèi)通天線(xiàn)無(wú)人機(jī)信息速率射頻功率AnalysisonRelationshipBetweenAirborneSatelliteCoramunicationAntennaSizeonUAVandmgiudsialTransmissionBandwithJiaYihaiYuYuhua(HongduAviationIndustryGroup)selectioninde

2、tails.KeywordsAirbomesatellitecommunicationantennaiiAVDatatransmissionrateRFpower1引言在無(wú)人機(jī)衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)傳輸鏈路中,經(jīng)常會(huì)碰到這祥的一個(gè)問(wèn)題:當(dāng)傳輸帶寬為2Mbps數(shù)字信號(hào)時(shí),機(jī)載衛(wèi)通天線(xiàn)用lm天線(xiàn)就夠了;而當(dāng)要求傳輸帶寬為20Mbps數(shù)字信號(hào)時(shí),機(jī)載衛(wèi)通天線(xiàn)就要求加大.許多人對(duì)此不解,認(rèn)為都是通視,信號(hào)都可以直接傳送,接收,為何機(jī)載天線(xiàn)就要求加大許多,徒然增加工程難度.附圖為無(wú)人機(jī)衛(wèi)星中繼通信鏈路示意圖,其中從地面站發(fā)送經(jīng)衛(wèi)星中繼到達(dá)無(wú)人機(jī)為上行鏈路,從無(wú)人機(jī)發(fā)送經(jīng)衛(wèi)星中繼到達(dá)地面站為下行鏈路.2衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)

3、鏈路概說(shuō)實(shí)際上這里涉及數(shù)字信號(hào)傳輸中的信號(hào)誤碼率問(wèn)題.數(shù)字信號(hào)誤碼率即:在數(shù)字信號(hào)傳輸6第4期賈義海喻玉華:淺論無(wú)人機(jī)機(jī)載衛(wèi)通天線(xiàn)尺寸與數(shù)字信號(hào)傳輸帶寬關(guān)系地面站/無(wú)人機(jī)附圖無(wú)人機(jī)衛(wèi)星中繼通信鏈路示意圖過(guò)程中,接收,解碼后的數(shù)字信號(hào)與發(fā)送端原數(shù)字信號(hào)正確率之比.一般來(lái)說(shuō),衛(wèi)星中繼鏈路數(shù)字信號(hào)傳輸誤碼率要求10一lO一,最低數(shù)字傳輸誤碼率要求100在實(shí)際的無(wú)線(xiàn)數(shù)字傳輸過(guò)程中,不僅要求無(wú)線(xiàn)信號(hào)可直接傳送,接收,而且必須保證其誤碼率在允許范圍內(nèi).否那么,即使數(shù)字信號(hào)可以傳送,接收到指定設(shè)備,但由于誤碼率高,將使得該設(shè)備不能很好地工作.打個(gè)比方,有些地方的無(wú)線(xiàn)模擬電視信號(hào)傳輸鏈路中,雖然可以接收到電視

4、節(jié)目信號(hào),但視屏畫(huà)面不清楚,雪花點(diǎn)很多,嚴(yán)重影響觀看效果.3衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)鏈路參數(shù)為何傳送不同帶寬的數(shù)字信號(hào),機(jī)載衛(wèi)通天線(xiàn)必須選擇不同Vi徑呢?要揭示這個(gè)問(wèn)題,其關(guān)鍵就是數(shù)字信號(hào)傳輸誤碼率.在衛(wèi)通數(shù)字信號(hào)傳輸鏈路中,數(shù)字信號(hào)傳輸誤碼率與如下因素有關(guān):(1)發(fā)射機(jī)輸出功率:發(fā)射端射頻功放輸出功率.(2)發(fā)端總損耗:包括射頻連接饋線(xiàn),接插件等.(3)發(fā)射天線(xiàn)增益:當(dāng)天線(xiàn)Vi徑增大時(shí),其發(fā)射天線(xiàn)增益也增大.(1)接收天線(xiàn)增益:當(dāng)天線(xiàn)Vi徑增大時(shí),其接收天線(xiàn)增益也增大.(2)收端總損耗:包括射頻連接饋線(xiàn),接插件等.(3)接收機(jī)靈敏度:為使得接收,解碼后的數(shù)字信號(hào)到達(dá)規(guī)定的誤碼率,接收機(jī)需要的最低輸入射頻

5、信號(hào)強(qiáng)度.7洪都科技此數(shù)值與傳輸距離,傳輸介質(zhì),載波頻段/頻率有關(guān).當(dāng)要求誤碼率一定值時(shí),采用不同的調(diào)制方式,選用不同糾錯(cuò)率,那么要求有不同的衰落裕度值.即碼速率.選用不同的衛(wèi)星,對(duì)數(shù)據(jù)的傳送有較大的影響.4衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)鏈路各參數(shù)的計(jì)算'4.1下行傳輸帶寬為2Mbps,20Mbps,上行傳輸帶寬為25.6kbps時(shí)衛(wèi)通鏈路計(jì)算(使用"ZW一1號(hào)"衛(wèi)星).表1為使用"ZW一1號(hào)"衛(wèi)星,其工作頻段為Ku波段.傳輸帶寬分別為2Mbps,20Mbps時(shí),對(duì)機(jī)載射頻功率的計(jì)算要求.第1,2列為各有關(guān)計(jì)算項(xiàng)及其單位;第3列為傳輸帶寬為2Mbps時(shí)(下行),機(jī)

6、載射頻功率要求;第4列為傳輸帶寬為20Mbps時(shí)(下行),機(jī)載射頻功率要求;第5列為傳輸帶寬為25.6Kbps時(shí)(上行),地面站射頻功率要求.表1傳輸帶寬為2Mbps,20Mbps時(shí)機(jī)載射頻功率要求ZW一1號(hào)衛(wèi)星)12345衛(wèi)星類(lèi)型ZW一1號(hào)Ku頻段衛(wèi)星(G/T)sdB/K設(shè)為+5EI脅dBW設(shè)為50WsdBr/m設(shè)為一85接收站天線(xiàn)尺寸m661需機(jī)載(或地面站)W47473327237530.28射頻發(fā)射功率通過(guò)表1,可以看出:(1)第5列中為上行鏈路計(jì)算,地面站天線(xiàn)口徑為6m,機(jī)載衛(wèi)通天線(xiàn)口徑為1m,傳輸帶寬為25.6kbps.計(jì)算得出地面站射頻發(fā)送功率為0.28W.(2)第3列中為下行鏈

7、路計(jì)算,傳輸帶寬為2Mbps,地面站天線(xiàn)口徑為6m,機(jī)載衛(wèi)通天線(xiàn)口徑為1m.計(jì)算得出機(jī)載功放射頻發(fā)送功率為47W.(3)第3列中為下行鏈路計(jì)算,傳輸帶寬為20Mbps,地面站天線(xiàn)口徑為6m,機(jī)載衛(wèi)通天線(xiàn)口徑分別為1m,1.2m,1.4m,3.0m.對(duì)應(yīng)計(jì)算得出機(jī)載功放射頻發(fā)送功率為473W(1m),327W8第4期賈義海喻玉華:淺論無(wú)人機(jī)機(jī)載衛(wèi)通天線(xiàn)尺寸與數(shù)字信號(hào)傳輸帶寬關(guān)系(1.2m),237w(1.4m),53W(3.0m).通過(guò)表1,可以得出如下結(jié)論:Ku頻段衛(wèi)通鏈路上行遙控鏈路很容易實(shí)現(xiàn),其中原因一為遙控?cái)?shù)據(jù)率很低(25.6Kbps),二為地面站天線(xiàn)口徑較大,地面站射頻發(fā)射功率僅為0.

8、28W.Ku頻段衛(wèi)通鏈路下行遙測(cè)鏈路不易實(shí)現(xiàn),其中原因一為遙測(cè)數(shù)據(jù)率較大(幾Mbps到幾十Mbps),二為機(jī)載天線(xiàn)口徑較小.在表1的計(jì)算中,為傳送20Mbps帶寬的下行遙測(cè)數(shù)據(jù),機(jī)載衛(wèi)通天線(xiàn)為1m時(shí),機(jī)載射頻功率為473W.對(duì)于實(shí)際發(fā)射功率為473W,工程上選用的功率放大器可能為800W功放,實(shí)際上,對(duì)于800W射頻功率放大器,其耗電量至少應(yīng)該大于2000W,這對(duì)于機(jī)上供電系統(tǒng)來(lái)講,負(fù)擔(dān)是相當(dāng)沉重的.光憑此點(diǎn)(還有尺寸,重量等因素),要求機(jī)載射頻功率為473W就是不現(xiàn)實(shí)的.因此,必須靠提高機(jī)載天線(xiàn)口徑來(lái)減低機(jī)載射頻功率要求.從表1第3列計(jì)算數(shù)據(jù)中看出,把機(jī)載天線(xiàn)口徑從1m提高到1.4m,其他所

9、有條件都不變情況下,機(jī)載功放射頻發(fā)送功率從473W下降到237W,下降一半!而假設(shè)能把機(jī)載天線(xiàn)口徑提高到3m(實(shí)際工程不允許),那么機(jī)載功放射頻發(fā)送功率下降到53W.因此,加大機(jī)載衛(wèi)通天線(xiàn)口徑是解決下行高傳輸帶寬鏈路緊張的最正確途徑.4.2下行傳輸帶寬為2Mbps,20Mbps,上行傳輸帶寬為25.6kbps時(shí)衛(wèi)通鏈路計(jì)算(使用"XN一1號(hào)"衛(wèi)星)表2為使用"XN一1號(hào)"衛(wèi)星,其工作頻段為Ku波段.傳輸帶寬分別為2Mbps,20Mbps時(shí),對(duì)機(jī)載射頻功率的計(jì)算要求.第1,2列為各有關(guān)計(jì)算項(xiàng)及其單位;第3列為傳輸帶寬為2Mbps時(shí)(下行),機(jī)載射頻功率要求

10、;第4列為傳輸帶寬為20Mbps時(shí)(下行),機(jī)載射頻功率要求;第5列為傳輸帶寬為25.6Kbps時(shí)(上行),地面站射頻功率要求.表2傳輸帶寬為2Mbps,20Mbps時(shí)機(jī)載射頻功率要求(XN一1號(hào)衛(wèi)星)12345衛(wèi)星類(lèi)型XN一1號(hào)Ku頻段衛(wèi)星(G/T)sdB/K設(shè)為+9EIRPsdBW設(shè)為54WsdBW/m設(shè)為一90接收站天線(xiàn)尺寸m661.o08射頻發(fā)射功率通過(guò)表2,可以看出:(1)第5列中上行鏈路計(jì)算,地面站天線(xiàn)口徑為6m,機(jī)載衛(wèi)通天線(xiàn)口徑為lm,傳輸帶寬為9洪都科技25.6kbps.計(jì)算得出地面站射頻發(fā)送功率為0.008W.(2)第3列中下行鏈路計(jì)算,傳輸帶寬為2Mbps,地面站天線(xiàn)口徑為

11、6m,機(jī)載衛(wèi)通天線(xiàn)口徑為1m.計(jì)算得出機(jī)載功放射頻發(fā)送功率為18W.(3)第3列中為下行鏈路計(jì)算,傳輸帶寬為20Mbps,地面站天線(xiàn)口徑為6m,機(jī)載衛(wèi)通天線(xiàn)口m),90W(1.4m).通過(guò)表2,可以得出如下結(jié)論:由于"XN一1號(hào)"衛(wèi)星性能較"ZW一1號(hào)"衛(wèi)星略高,無(wú)論上行還是下行鏈路,都較表1容易實(shí)現(xiàn).Ku頻段衛(wèi)通鏈路上行遙控鏈路使用"ZW一1號(hào)"衛(wèi)星時(shí)就很容易實(shí)現(xiàn),改用性能更高的"XN一1號(hào)"衛(wèi)星后,并無(wú)太多裨益.傳送2Mbps數(shù)據(jù)率數(shù)據(jù)時(shí),Ku頻段衛(wèi)通鏈路下行遙測(cè)鏈路較易實(shí)現(xiàn),改用性能更高的"XN一1

12、號(hào)"衛(wèi)星后,我們看到:機(jī)載天線(xiàn)口徑同為1m,機(jī)載功放射頻發(fā)送功率從47W下降到18W.有一定的改進(jìn)效果.對(duì)于實(shí)際發(fā)射功率為47W和18W,選用的射頻功率放大器均為125W功放,所以在工程上并沒(méi)有得到太多好處,機(jī)載射頻功放體積,重量都一樣,耗電量略小.傳送20Mbps數(shù)據(jù)率數(shù)據(jù)時(shí),Ku頻段衛(wèi)通鏈路下行遙測(cè)鏈路不易實(shí)現(xiàn),改用性能更高的"XN一1號(hào)"衛(wèi)星后,我們看到:機(jī)載天線(xiàn)口徑同為1m,機(jī)載功放射頻發(fā)送功率從473W下降到l8Ow.改進(jìn)效果明顯.因此,選用性能指標(biāo)高的中繼通信衛(wèi)星是解決下行高傳輸帶寬鏈路緊張的有效途徑.4.3下行傳輸帶寬為20Mbps,上行傳輸帶寬為&

13、#39;25.6kbps時(shí)衛(wèi)通鏈路計(jì)算(使用"XN一1號(hào)"衛(wèi)星,地面站天線(xiàn)分別為3m,13m)表3為使用"XN一1號(hào)"衛(wèi)星,工作頻段為Ku波段.傳輸帶寬為20Mbps/25.6kbps,機(jī)載天線(xiàn)為1m,而地面站天線(xiàn)分別為3m和13m.對(duì)機(jī)載/地面站射頻功率的計(jì)算.第1,2列為各表3傳輸帶寬為20Mbps時(shí)機(jī)載/地面站射頻功率要求(XN一1號(hào)衛(wèi)星】_rl23456衛(wèi)星類(lèi)型XN一1號(hào)Ku頻段衛(wèi)星(G/T)SdB/K+9EIRPgdBW54WsdBW/m290發(fā)送站天線(xiàn)尺寸ml3l13接收站天線(xiàn)尺寸m3l131需機(jī)載(或地面站)W1O第4期賈義海喻玉華:淺論無(wú)

14、人機(jī)機(jī)載衛(wèi)通天線(xiàn)尺寸與數(shù)字信號(hào)傳輸帶寬關(guān)系有關(guān)計(jì)算項(xiàng)及其單位;第3列為傳輸帶寬為20Mbps(下行),機(jī)載天線(xiàn)為lm,地面站天線(xiàn)為3m時(shí)機(jī)載射頻功率要求;第4列為傳輸帶寬為25.6kbps時(shí)(上行),機(jī)載天線(xiàn)為lm,地面站天線(xiàn)為3m時(shí)地面站射頻功率要求;第5列為傳輸帶寬為20Mbps時(shí)(下行),機(jī)載天線(xiàn)為lm,地面站天線(xiàn)為13m時(shí)機(jī)載射頻功率要求;第6列為傳輸帶寬為25.6ICbp時(shí)(上行),機(jī)載天線(xiàn)為lm,地面站天線(xiàn)為13m時(shí)地面站射頻功率要求.通過(guò)表3,可以看出:(1)第3列中為下行鏈路計(jì)算,地面站天線(xiàn)口徑為3m,機(jī)載衛(wèi)通天線(xiàn)口徑為lm,傳輸帶寬為20Mbps.計(jì)算得出地面站射頻發(fā)送功率為

15、186W.(2)第5列中為下行鏈路計(jì)算,地面站天線(xiàn)口徑為13m,機(jī)載衛(wèi)通天線(xiàn)口徑為1m,傳輸帶寬為20Mbps.計(jì)算得出機(jī)載功放射頻發(fā)送功率為179W.(3)第4,6列中為上行鏈路計(jì)算,地面站天線(xiàn)口徑分別為3m和13m,機(jī)載衛(wèi)通天線(xiàn)口徑為lm,傳輸帶寬為25.6kbps.計(jì)算得出地面站功放射頻發(fā)送功率分別為0.045W和0.0025W.通過(guò)表3,可以得出如下結(jié)論:機(jī)載衛(wèi)通天線(xiàn)口徑為1m,地面站天線(xiàn)口徑分別為3m,13m,傳輸帶寬為20Mbps,都使用"XN一1號(hào)"衛(wèi)星.計(jì)算得出機(jī)載射頻發(fā)送功率分別為186W,179W,兩者幾乎相等.因此,加大地面站天線(xiàn)口徑對(duì)無(wú)人機(jī)緊張的下行高速率數(shù)據(jù)鏈路并無(wú)幫助.通俗講:加大地面站天線(xiàn)口徑并不能彌補(bǔ)機(jī)載小尺寸天線(xiàn)的缺陷;緊張的下行高速率數(shù)據(jù)鏈路的真正瓶頸在機(jī)載到衛(wèi)星這一段.5結(jié)語(yǔ)通過(guò)以上分析計(jì)算,說(shuō)明無(wú)人機(jī)衛(wèi)星中繼通信上行鏈路較容