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卫星下行接收链路中空间电磁信号的建模与仿真 摘要:本文论述了在卫星下行信号接收链路中，空间电磁信号的建模与仿真实现方法文中围绕该主题，以某仿真训练系统的工程实践为例，针对下行信号接收链路中关键环节的建模进行了详细阐述，包括自由空间损耗模型、天线方向图增益模型、多种调制方式的信号频谱模型等在验证阶段，通过多次仿真和对比，仿真结果与实际设备接收信号表现出特征和趋势上的一致性，证明了建模方法的有效性和可靠性该方法在多个仿真训练系统的工程实践中成功应用，并多次得到检验关键词：空间电磁信号 接收链路 建模 仿真训练1引言仿真训练系统用于无线电侦察操作岗位的人员培训，解决了因设备长期执行任务导致可用于训练的时间有限等问题，它具备接近真实的业务环境和操作体验，独立于实装系统，给技术人员提供全面的日常培训和操作训练在仿真训练系统中，空间电磁信号的仿真是整个系统中的核心部分，它可以为学员呈现接近真实的信号接收链路，直观的展现信号从卫星发射端，经过距离衰减、天线增益、后端处理设备后，最终以频谱的形式体现在仿真频谱仪屏幕上的整个过程，并且可以实现多种调制方式下的信号频谱，高度接近实装设备的信号接收过程和信号形式。

学员通过操作仿真天线指向，设置仿真后端处理设备的参数，设置仿真频谱仪参数，实现对目标信号的捕获与接收分析处理2 空间电磁信号建模空间电磁信号贯穿于整个下行接收链路，包括从卫星发射端开始，经过距离衰减、天线增益、各后端处理设备，最终以频谱的方式呈现电磁信号的波形[1][2]S频段的接收链路如图1：图1 S频段接收链路框图以实装系统S频段的系统框图为例，仿真接收一颗卫星下发的信号（S频段）并显示在频谱仪上的过程设计场景为： 卫星轨道高度705Km；测控信号中心频率2450MHz；天线正好对准卫星；卫星姿态为正对地的；站心和卫星具有如下几何关系：观测站到卫星质心的连线与卫星指向地心的轴夹角为45度，即下视角 为45度天线接收到的射频信号（低噪声放大器前）链路计算公式： 公式（1）公式（1）包含了卫星无线电信号发射时的功率、无线电信号发射时的天线增益、无线电信号本身的极化、距离损耗、雨衰、天线的增益、天线的极化衰减为了得到进入频谱仪的信号的功率，需要采用以下链路计算公式公式（2）公式（2）包含了S接收通道上的低噪声放大器的增益、功分器的增益、光端机传输通路的损耗、矩阵开关的损耗其中，功分器、光端机、矩阵开关、70M下变频器的增益，均按实装系统中的经验值代入公式计算。

在整个下行信号接收链路的仿真中，核心的几处分别为自由空间损耗建模、天线方向图增益建模和多种调制方式的信号频谱建模建模的仿真结果最终以频谱的形式展现下面对链路中的这几个关键点建模进行详细讨论：1. 自由空间损耗建模距离损耗 包含距离、信号频率的影响因素，如公式（3） 公式（3）其中， 是传播距离（斜距），载波频率 ， 是光速设定斜距 的单位为Km，载波频率 的单位为MHz2. 天线方向图增益建模仿真系统中设定天线的法向正好指向卫星，则增益为方向图的最大值一般抛物面天线的最大增益有如下近似计算公式： 公式（4）3. 多种调制方式的信号频谱建模对于S频段信号，主要的调制方式有BPSK、QPSK；对于X频段信号主要的调制方式有BPSK、QPSK、8PSK、16QAM以这几种调制方式为主进行信号频谱仿真首先通过链路计算获得载波频率 上的信号接收功率P1，信号的信息速率记为 ，码元速率记为 ，码元速率的倒数是码元周期 ，对于不同的数字调制信号来说， 和 有不同的关系，则BPSK、QPSK、8PSK、16QAM这些数字通信信号的频谱表达式可以归结为如下： 公式（5）其中 为载波频率 处频谱仪收到的信号的功率强度。

从公式（6）可以看出，对于相同的信息速率，由于采用不同的调制方式，频谱的“第一零点-第一零点带宽”是不一样的3 仿真结果以S频段信号仿真频谱为例：信号1：频率2230MHZ，左旋，调制方式BPSK，信息速率5Mbps，仿真频谱如图3（左）信号2：频率2230MHZ，左旋，调制方式QPSK，信息速率5Mbps，仿真频谱如图3（右）图3仿真信号频谱4 结论经过工程项目验证，本论文的链路仿真模型是可靠并且准确的，并且在实际工程中验证了仿真的结果与实际设备接收信号表现趋势上的一致性，满足仿真训练的需求参考文献[1] 卫星传输概述及下行传输链路估算与应用[J]:邵锐,西部广播电视,2014.9:45-48.[2] 无线电干扰设备频谱特征仿真模型库系统设计[J]:陈勇,张余.太赫兹科学与电子信息学报,2019.1:33-37.[3]基于不同调制方式的Matlab GUI仿真实验设计与实现[J]:吴仕勋,余佳乐.中文信息,2017.10:89-93.[4]基于Matlab的各种数字调制方式仿真[J]:蒋娜,科技广场. 2013.6:34-45.[5]几种数字调制方式的仿真与分析[J]:刘立林,胡世安.现代电子技术, 2012.9:132-136.-全文完-。