1、1衛星通信衛星通信Satellite Communications北京電子科技學院通信工程系北京電子科技學院通信工程系2012 年年 02 月月2 C/N載噪比載噪比 EIRP等效全向輻射功率；等效全向輻射功率； G/T接收性能指數；接收性能指數； Eb/ N0位能位能-噪聲密度比噪聲密度比6.1 接收機載接收機載/噪比與噪比與Eb / N0的計算的計算3天線增益天線增益 G自由空間的傳播損耗自由空間的傳播損耗 LP發射設備的性能指數發射設備的性能指數 EIRP接收設備的性能指數接收設備的性能指數 G/T載波接收功率載波接收功率 C接收系統在輸入端的噪聲功率接收系統在輸入端的噪聲功率 N在接收

2、系統輸入端的總噪聲溫度在接收系統輸入端的總噪聲溫度 T 衛星通信的參數計算衛星通信的參數計算(一一) 4載波載波-噪聲功率比噪聲功率比 C/N噪聲密度噪聲密度 N0載波載波-噪聲密度比噪聲密度比 C/N0位能位能 Eb位能位能-噪聲密度比噪聲密度比 Eb / N0噪聲因數噪聲因數（F）和噪聲系數和噪聲系數（NF）補償衰減補償衰減Lbo 衛星通信的參數計算衛星通信的參數計算(二二) 5載波接收功率載波接收功率C（W） C = PT GT GR / L總總=EIRP GR / L總總 取取決于發射功率及發射天線增益，接收天線增益、傳決于發射功率及發射天線增益，接收天線增益、傳播損耗及各種損耗。播損

3、耗及各種損耗。 CdBW =EIRPGRLp Lf rLa =PtGTLf tGRLp Lf rLa6.1 接收機載接收機載/噪比與噪比與Eb / N0的計算的計算6 例題例題 衛星轉發器的衛星轉發器的EIRP為為 40.2 dBW，地面站接收天線增，地面站接收天線增益為益為62 dB，下行鏈路大氣損耗為，下行鏈路大氣損耗為0.4 dB，下行傳播損，下行傳播損耗為耗為205.6 dB，地面站分路和饋線損耗為，地面站分路和饋線損耗為4 dB，求地，求地面站的載波接收功率面站的載波接收功率C。解：解：C = PTGTGR/L總總 CdBW =EIRPGRLpd La Lf b = 40.2 62

4、205.6 0.4 4 = 107.8 dBW6.1 接收機載接收機載/噪比與噪比與Eb / N0的計算的計算7 噪聲功率噪聲功率為為： N = k T B k 波耳茲曼常數（波耳茲曼常數（1.381023 J / K） k (dBJ/K) = ? 噪聲功率噪聲功率N與它所具有的噪聲溫度與它所具有的噪聲溫度T、帶寬、帶寬B成正比。成正比。 6.1 接收機載接收機載/噪比與噪比與Eb / N0的計算的計算8 載波載波-噪聲比噪聲比C / N（總帶寬的噪聲功率）：（總帶寬的噪聲功率）： 接收機輸入載噪比為接收機輸入載噪比為 C / N = EIRP Gr / L kBT = (EIRP / L k

5、B) (Gr / T) C/ N 與與 EIRP，Gr/ T成正比。成正比。6.1 接收機載接收機載/噪比與噪比與Eb / N0的計算的計算9例題例題 載波接收功率載波接收功率C =123.3dBW，接收機等效接收機等效噪聲溫度噪聲溫度T=140K，帶寬帶寬B為為20MHz，求求C / N解：解：N = kTB = 1.381023 140 20 106 N= 228 .6 + 21.5 + 73 =134.1dBW C/ N = CN =123 .3 + 134.1 = 10.8 dB6.1 接收機載接收機載/噪比與噪比與Eb / N0的計算的計算10噪聲密度噪聲密度N0 它是它是1Hz帶寬

6、內標準的噪聲功率帶寬內標準的噪聲功率(歸一化歸一化)， N0 = N / B =T k 其中其中 N=BTk 已知：已知：等效噪聲帶寬為等效噪聲帶寬為10MHz，總的噪聲功率，總的噪聲功率 為為0.02761012 W，求噪聲密度和噪聲溫度。，求噪聲密度和噪聲溫度。解解： N0 = 10lg(2.761014 10 7 ) =205.6dBW/Hz T = N0 k = 205.6(228.6) = 23dBK6.1 接收機載接收機載/噪比與噪比與Eb / N0的計算的計算11 載波載波-噪聲密度比噪聲密度比C/N0（單位帶寬的噪聲功率）（單位帶寬的噪聲功率） 它是它是平均帶寬平均帶寬的的載波

7、功率與噪聲密度的比，載波載波功率與噪聲密度的比，載波功率是載波和與它相關的邊帶功率的綜合參數功率是載波和與它相關的邊帶功率的綜合參數。 C / N0 = C / kT = EIRP Gr / L kT C / N0 （dB）=C N0 6.1 載載/噪比與噪比與Eb/N0的計算的計算12 接收機性能指數接收機性能指數Gr / Te Gr / Te（dB）=GrTe Te：接收機等效噪聲溫度：接收機等效噪聲溫度6.1 載載/噪比與噪比與Eb/N0的計算的計算 接收機輸入載噪比為接收機輸入載噪比為 C / N = EIRP Gr / L kBTe = (EIRP / L kB) (Gr / Te)

8、 C/ N 與與 EIRP，Gr/ Te 成正比。成正比。 Gr/Te越大，接收機的越大，接收機的C/ N 越高，表明接收機的性越高，表明接收機的性能越好，因此，能越好，因此，稱稱 Gr/Te 為接收機的性能指數。為接收機的性能指數。 136.1 載載/噪比與噪比與Eb/N0的計算的計算 國際衛星組織規定：國際衛星組織規定： 標準標準A 站，在站，在4GHz, 仰角仰角 E= 5時，時， 接收機的接收機的 Gr / Te 40.7 （dB / K） 在其他在其他 f 時，時， Gr / Te 40.7 + 20lg ( f / 4 ) 標準標準B 站，站， Gr / Te 31.7 + 20l

9、g ( f / 4 ) 標準標準C 站，站， Gr / Te 37.0 + 20lg ( f / 11.4 ) 非標準站，非標準站， Gr / Te 31.7 （dB / K） 14 載波功率與位能載波功率與位能Eb 地面站發射機和衛星轉發器中常用行波管放大器，為地面站發射機和衛星轉發器中常用行波管放大器，為了盡可能提高效率，功放的工作點應盡量靠近飽和區了盡可能提高效率，功放的工作點應盡量靠近飽和區。 目前衛星系統多采用相移鍵控（目前衛星系統多采用相移鍵控（PSK）和正交調制）和正交調制（QAM），它們的輸入基帶信號是），它們的輸入基帶信號是PCM編碼，因此編碼，因此，比載波功率比載波功率C更

10、有意義的參數是每個碼位的能量更有意義的參數是每個碼位的能量Eb 。單位：每單位：每比特能量比特能量 (J / bit )。6.1 載載/噪比與噪比與Eb/N0的計算的計算15 若數字信號的信息若數字信號的信息(比特比特)速率為速率為Rb (bit/s)，則則一個比特位的時間寬度為一個比特位的時間寬度為Tb (s/bit)，它與它與平均帶平均帶寬寬的的載波功率載波功率C（W）的乘積為比特能量）的乘積為比特能量Eb，表，表示為：示為： Eb = C Tb 或或 Eb = C / Rb J/bit = W s / bit J/bit = W / (bit/s) 6.1 載載/噪比與噪比與Eb/N0的

11、計算的計算16 例題例題 總的載波功率總的載波功率C為為1000W，求在，求在50Mbps的傳輸的傳輸速率下，每一位的能量（速率下，每一位的能量（Eb）。）。 解：解：Eb = 1000（J / s ）/ 50106 bit / s = 20 10 - 6 J / bit（47dBJ / bit） Eb =C Rb = 30 10log50 106 = 30 77 = 47dBW/ bps6.1 載載/噪比與噪比與Eb/N0的計算的計算17TbLKRGEIRPbRBNCBNbRCNbE0 Eb /N0是評價數字通信系統的一個最重要最常用的參是評價數字通信系統的一個最重要最常用的參數，系統的誤碼

12、率是數，系統的誤碼率是Eb/N0的函數，它是比較不同傳輸的函數，它是比較不同傳輸速率、調制體制或編碼方法的一種簡便方法。速率、調制體制或編碼方法的一種簡便方法。 在實際應用中，經常將在實際應用中，經常將C/N0轉換為轉換為Eb /N0。)()()(0dBbRBdBNCdBNbE6.1 載載/噪比與噪比與Eb/N0的計算的計算18 結論結論 在保證所要求的誤碼率在保證所要求的誤碼率(Eb/N0)的條件下，的條件下，EIRP和和G/T 值越大可允許的信息速率值越大可允許的信息速率Rb越高（系統容量才越越高（系統容量才越大）。大）。 只要只要C和傳輸速率和傳輸速率Rb保持不變，位能保持不變保持不變，

13、位能保持不變(上式上式的分子的分子)。 只要噪聲溫度不變，只要噪聲溫度不變，N0也就是常數。也就是常數。所以，在給定所以，在給定 C，Rb，N0 時，時， Eb / N0 保持不變，保持不變，它與編碼方式、調制它與編碼方式、調制體制以及帶寬無關。體制以及帶寬無關。6.1 載載/噪比與噪比與Eb/N0的計算的計算各種數字調制方式的P（e）與C/N的關系6.1 載載/噪比與噪比與Eb/N0的計算的計算各種數字調制方式的P（e）與Eb/N0的關系6.1 載載/噪比與噪比與Eb/N0的計算的計算例例 題題已知：采用相干解調已知：采用相干解調8PSK，發射機的，發射機的(位位)速率為速率為90Mbps，

14、在差錯概率，在差錯概率P(e)為為10-5時，接收機帶寬為最時，接收機帶寬為最小奈魁斯特帶寬，確定小奈魁斯特帶寬，確定C/N和和Eb/No的最低理論值。的最低理論值。 解：解：8PSK的帶寬效率為的帶寬效率為3bps/Hz，因此，要求最小帶，因此，要求最小帶寬為寬為1/3位速率或位速率或30MHz，查圖得到最小，查圖得到最小C/N是是18.5dB。 (知道調制方式和差錯率可知信噪比知道調制方式和差錯率可知信噪比)dBdBsMbMHzdBNEb7 .13)8 . 4(5 .18/9030lg105 .1801. 由于寬帶載波功率完全獨立于噪聲帶寬，而噪聲由于寬帶載波功率完全獨立于噪聲帶寬，而噪聲

15、帶寬的增加必然引起噪聲功率的增加。因此，噪帶寬的增加必然引起噪聲功率的增加。因此，噪聲帶寬的增加直接造成聲帶寬的增加直接造成C/N的減少。的減少。2. 為了精確地確定為了精確地確定Eb/No比，必須知道接收機的噪聲比，必須知道接收機的噪聲帶寬。帶寬。討論討論 當帶寬變化時的情況當帶寬變化時的情況3. Eb只取決于寬帶載波功率和位速率，所以，只取決于寬帶載波功率和位速率，所以，Eb不受噪聲帶寬增加的影響。不受噪聲帶寬增加的影響。No是是1Hz帶寬的歸一化帶寬的歸一化噪聲功率，因此也不受噪聲帶寬增加的影響。但噪聲功率，因此也不受噪聲帶寬增加的影響。但隨著噪聲帶寬的增加，隨著噪聲帶寬的增加，C/N降

16、低。降低。4 . 當兩個數字無線系統的調制體制、位速率、帶當兩個數字無線系統的調制體制、位速率、帶寬都不相同時，寬都不相同時， 用用C/N很難確定哪一個系統的差很難確定哪一個系統的差錯概率較低。由于錯概率較低。由于Eb/No與帶寬和調制體制無關，與帶寬和調制體制無關，用用Eb/No來比較兩個數字無線電系統差錯概率的性來比較兩個數字無線電系統差錯概率的性能會更恰當。能會更恰當。 討論討論 當帶寬變化時的情況當帶寬變化時的情況24 噪聲因數噪聲因數F與等效噪聲溫度與等效噪聲溫度Te關系關系01)0(000TeTeTTGKBiGSKBTiSNSiNiSF 所以所以 Te =（F 1）T0 在衛星系統

17、中，常用環境溫度在衛星系統中，常用環境溫度（T0）和等效噪和等效噪聲溫度（聲溫度（Te）表示接收機的性能。噪聲系數）表示接收機的性能。噪聲系數NF 的精確不如等效噪聲溫度的精確不如等效噪聲溫度Te的精度高。的精度高。25 噪聲因數（噪聲因數（F）和噪聲系數（）和噪聲系數（NF）是用來）是用來表示信號通過一段電路或多級電路信噪比降表示信號通過一段電路或多級電路信噪比降低多少的性能指數。低多少的性能指數。 噪聲因數（噪聲因數（F）是輸入信噪比與輸出信噪比）是輸入信噪比與輸出信噪比的比值。換句話說，是比值的比值。的比值。換句話說，是比值的比值。 它表示信號波形從輸入傳輸到輸出，信噪它表示信號波形從輸

18、入傳輸到輸出，信噪比下降的量值。某系統的噪聲因數為比下降的量值。某系統的噪聲因數為6dB，意味著什么？意味著什么？ 噪聲系數（噪聲系數（NF）是用）是用dB表示的噪聲因數（表示的噪聲因數（F），也是表示接收機性能的常用參數。），也是表示接收機性能的常用參數。6.1 載載/噪比與噪比與Eb/N0的計算的計算6.1 載載/噪比與噪比與Eb/N0的計算的計算噪聲和干擾噪聲和干擾熱噪聲熱噪聲太陽系噪聲太陽系噪聲宇宙噪聲宇宙噪聲大氣及降雨噪聲大氣及降雨噪聲地面噪聲地面噪聲互調噪聲互調噪聲共信道干擾共信道干擾交叉極化干擾交叉極化干擾衛星系統之間和衛星同地面微波系統的干擾衛星系統之間和衛星同地面微波系統的干

19、擾6.1 載載/噪比與噪比與Eb/N0的計算的計算6.2 衛星通信的鏈路計算衛星通信的鏈路計算 無線電鏈路設計的目標來看，衛星通信的鏈路模型無線電鏈路設計的目標來看，衛星通信的鏈路模型可以劃分為：地球站可以劃分為：地球站 衛星鏈路衛星鏈路(上行鏈路上行鏈路)、衛星轉、衛星轉發器、衛星發器、衛星 地球站地球站(下行鏈路下行鏈路) 三個基本部分組成。三個基本部分組成。6.2 衛星通信的鏈路計算衛星通信的鏈路計算30 數字衛星通信系統的數字衛星通信系統的鏈路框圖如下，鏈路框圖如下，標明了標明了影響系統性能的增益和衰減。在評價數字衛星影響系統性能的增益和衰減。在評價數字衛星的性能時，首先分析上、下鏈路

20、參數來確定其的性能時，首先分析上、下鏈路參數來確定其總的性能。總的性能。HPA Pt LbG/Te LNALb Eb/N0 Lb Lb G/Tes EIRPs LNA HPAEIRPeLfC/NLfGrs CSLpu La Gte PTePTS GTsLpd La Ce Gre6.2 衛星通信的鏈路計算衛星通信的鏈路計算31上、下行鏈路方程上、下行鏈路方程 無論數字衛星還是模擬衛星其射頻部分是模無論數字衛星還是模擬衛星其射頻部分是模擬的，也就是說擬的，也就是說FSK，PSK，QAM或其他調制或其他調制體制目的都是將原始信號放到模擬的體制目的都是將原始信號放到模擬的RF載波上載波上去。去。單一載

21、波頻率衛星系統的鏈路方程的計算單一載波頻率衛星系統的鏈路方程的計算：6.2 衛星通信的鏈路計算衛星通信的鏈路計算32上行鏈路方程上行鏈路方程 下行鏈路方程下行鏈路方程 KLTeGeEIRPseNCTeGreLKEIRPLKTeGrEIRPsNC00 KLTeGsEIRPesNCTeGrsLKEIRPLKTeGrEIRPeNC00鏈路計算鏈路計算 在給定的期望誤碼率在給定的期望誤碼率P(e)值和調制體制下，用值和調制體制下，用給出的系統參數來核算衛星、地面站接收機的給出的系統參數來核算衛星、地面站接收機的C/N和和Eb/N0的值是否滿足要求。的值是否滿足要求。本章小結本章小結本節要求掌握以下類型

22、的計算：本節要求掌握以下類型的計算： 1. 給定星站間距離和工作頻率，計算自由空間的傳給定星站間距離和工作頻率，計算自由空間的傳播損耗。播損耗。 2. 給定拋物面天線的發射或接收頻率和拋物面天線給定拋物面天線的發射或接收頻率和拋物面天線的大小尺寸，計算天線的收、發增益。的大小尺寸，計算天線的收、發增益。 3. 對地球站（發射或接收）設備和噪聲的相關參數對地球站（發射或接收）設備和噪聲的相關參數進行計算和分析。進行計算和分析。 4. 給定上行或下行鏈路的相關參數，進行鏈路計算給定上行或下行鏈路的相關參數，進行鏈路計算。作業作業-10 教材教材 P234-計算題計算題-2 衛星發射天線具有衛星發射天線具有18dB的增益，發射的增益，發