1、1通信衛星鏈路計算通信衛星鏈路計算山東大學2內容提要內容提要衛星鏈路解釋及其研究目的衛星鏈路解釋及其研究目的衛星鏈路的分類衛星鏈路的分類衛星鏈路計算的任務衛星鏈路計算的任務影響衛星鏈路的若干因素影響衛星鏈路的若干因素衛星鏈路計算衛星鏈路計算典型衛星通信系統鏈路計算實例典型衛星通信系統鏈路計算實例3衛星鏈路解釋及其研究目的衛星鏈路解釋及其研究目的 衛星通信的顯著特點是通信距離遠，電磁波在傳播時受到極大的衰減。僅自由空間損耗就達200db，地球站收到的信號通常只有幾個微瓦。因此衛星通信中噪聲的影響是非常重要的問題。 鏈路計算的目的：盡量有效地在兩個地球站之間提供可靠而高效的連接手段，為此，發送站發

2、出的信號到達接受站時，必須具備足夠高的電平，而且不管對通信質量的總噪聲影響如何，都要保證必須的業務質量。鏈路所需的載噪比載噪比用 表示 。是隨特定的系統和系統的用途而異。載噪比涉及到發端功率，收發兩端天線增益，傳輸過程中的各種損耗、噪聲及干擾、氣象條件等因素。C T4衛星鏈路的分類衛星鏈路通常分為三大類，分別是： 固定衛星業務通信鏈路； 移動通信衛星鏈路；1. 星際衛星鏈路。5衛星鏈路計算的任務衛星通信鏈路計算通常分為兩類，分別是：1，已知轉發器及地球站的基本參數，計算地球站能得到的載噪比及其應發射的 。 系統容量的計算，即一個轉發器能容納多少載波（話路），通常從功率角度和頻帶角度出發計算，兩

3、種結果取最小者。功率角度：一般是按轉發器總的 及每個載波要求的 ；頻帶角度：按轉發器總的帶寬及每個載波要求占的帶寬。2，已知轉發器的基本參數以及根據接收機輸出信噪比 或 所提出的對 的要求（或由門限 以及門限備余量 所提出的對 的要求），確定地球站天線尺寸、接收機噪聲性能、發射功率等。 EIRP. s mEIRPsEIRPS N0bE ntC NthC NEtC N6影響衛星鏈路的主要因素影響衛星鏈路質量的主要因素有如下幾個：自由空間傳播損耗；鏈路中各種噪聲；電離層的法拉第效應；降雨損耗；多徑和陰影遮蔽效應；多普勒頻移；1. 各種交調干擾。7衛星鏈路計算發射機接收機衛星上行載噪比下行載噪比交調

4、、干擾載噪比待發送信號接收信號 國際無線電咨詢委員會（CCIR）規定了利用衛星通信系統作為洲際通信的標準鏈路模型。鏈路模型：地球站-衛星-地球站8通常總的衛星鏈路 由三部分合成的：上行鏈路 計算；下行鏈路 計算；交調、干擾鏈路 計算。其中 是真值，而非dB值，計算時一定要注意。下邊分別對之進行討論。tC TUC TDC TIC T衛星鏈路計算1111UDItC TC TC TC TC T9幾個關鍵因子介紹幾個關鍵因子介紹在計算衛星鏈路之前，先介紹幾個必要的因子： 天線增益G； sGEG：衛星天線增益：地面站天線增益天線增益：222DGD：天線直徑：天線效率：天線接收的無線電波長G定向天線輻射時

5、，接受點收到的最大功率全向天線輻射時，接受點收到的最大功率10幾個關鍵因子介紹幾個關鍵因子介紹2，自由空間傳輸損耗（通信距離方程） 在衛星通信中，電波主要是在大氣層以外的自由空間傳播，大氣層只占很小的一部分，因此首先研究的是自由空間傳播損耗，在此基礎上再考慮大氣層及其他損耗。自由空間損耗用下式計算：d:衛星-地面站距離(m)； ：電磁波波長(m)當用d(km)、f(GHz)且用dB(即以10為底的對數)表達時:2244fddfLcf:電磁波頻率(Hz) ；c: 光速。單位：dB92.4520 lg20 lgfLdf 11幾個關鍵因子介紹幾個關鍵因子介紹3，有效全向輻射功率典型的衛星通信系統組成

6、圖如下圖所示：發射機地球站或通信衛星接收機通信衛星或地球站TPTGRG24TTRRTTRfP G GPP G GdL定義有效全向輻射功率為：寫成dB形式為：TTEIRPP GTTEIRPPGRPC12接收機輸入端的噪聲功率接收機輸入端的噪聲功率 因為接收機使用了高增益天線和低噪聲放大器，內部噪聲的影響相對很弱。因此外部噪聲就成了主要因素了。接收機的外部噪聲主要有以下幾個方面：天線噪聲。包括宇宙噪聲、大氣噪聲、降雨噪聲、天線損耗噪聲、天電噪聲、天線罩噪聲及天線副瓣收到的地面噪聲等。干擾噪聲。主要包括來自其他通信系統的干擾噪聲和人為干擾噪聲。上行鏈路噪聲和轉發器非線性產生的交調噪聲。內部噪聲主要來

7、自饋線、放大器和下變頻器等。因此輸入端的噪聲功率為tNk T B231.38 10/kJ K波爾茲曼常數：等效溫度：tT等效帶寬：B13接收機輸入端的載噪比接收機輸入端的載噪比1TTRftP G GCNLkT B寫成dB形式就是： 10lgRftEIRPGLkTB 10lgTTRftCPGGLkT BN由于噪聲功率N是帶寬B的函數，缺乏一般性，對不同帶寬的系統不便于比較，實際中經常使用 表達載噪比。CT fCGEIRPLTTGT稱為品質因子(1-01)14載噪比三個表達式的關系載噪比三個表達式的關系 0CCBNnCkBT15上行鏈路 計算UC T由(1-01)公式的上行鏈路UC TsEfUUs

8、atGCEIRPLTTEEIRPssatG TfUL地球站有效全向輻射功率衛星天線品質因子上行自由空間損耗注意：該公式計算的是單載波的情況通常在計算上行鏈路載噪比時，會使用到轉發器靈敏度的概念。轉發器靈敏度是指當衛星轉發器達到最大飽和輸出時，其輸入端所需要的信號功率。用功率密度 表示，即單位面積上的有效全向輻射功率。sW22224444EEEsPUEIRPEIRPEIRPWdLd或者以dB形式表達為16上行鏈路 計算UC T2410lgsEfUWEIRPL在FDMA系統中，一個轉發器通常要同時轉發多個載波。為了減小因交調產生的噪聲，需要使總的輸入信號功率從飽和點減小一定的數值，即進行輸入補償，

9、是轉發器工作在線性部分。用 表示轉發器在單載波工作時的數值，則多載波工作時的數值應為 ，所以，EsEIRPiEMEsEIRPEIRPBO 2410lgifUEMsEIRPWBOL最后就得到了多載波的載噪比 2410lgEMssatfUissatsUMCEIRPG TLWBOG TT17下行鏈路 計算DCT與上行鏈路計算相似，求得單載波時的載噪比RsfDDDGCEIRPLTTsEIRPfDLRDGT轉發器有效全向輻射功率下行自由傳輸損耗地面站天線品質因子同樣在FDMA系統下，轉發器輸出功率也有一定輸出補償。因此，多載波工作時，轉發器的有效全向輻射功率為： RRSMfDSSofDDMDDGGCEI

10、RPLEIRPBOLTTTSSEIRP轉發器在單載波飽和工作時的有效全向輻射功率18上行、下行鏈路載噪比計算19上行、下行鏈路載噪比計算ESEIRP為使衛星單載波飽和輸出所必須的地球站EIRP dBEMEIRP實際工作點，地球站EIRP總和的 dBiBO輸入補償；SSEIRP衛星單載波飽和輸出EIRP dBSMEIRP實際工作點時，衛星總的輸出EIRP dBSGT衛星天線品質因子EGT地球站天線品質因子oBO輸出補償20上行、下行鏈路載噪比計算對于上行、下行鏈路載噪比計算公式可總結出如下的統一公式：fTTRTCGEIRPLTTT：發端R：收端21交調噪聲的交調噪聲的通常用實驗的方法或計算機模擬

11、的方法獲得載波公率與互調噪聲平均功率譜密度比 ，并用等效噪聲溫度折算，即0228.6IICCTn0ICnICT通常，輸入補償值的改變會影響上行、下行、交調干擾載噪比的值，下列圖清楚地表示它們地關系22一般通過輸入補償值根據這個圖得出交調干擾載噪比。23門限余量門限余量 門限載噪比 就是解調器輸出的被恢復的基帶信號質量的最低要求值。 但是，任何衛星通信系統建成之后，它的參數并不是一成不變的，它還會經常地受到氣象條件、轉發器及地球站設備某些不穩定因素的影響。因此，為了在這些因素變化后仍能正常工作，必須留有一定的余量。thCT tthCCETT24降雨余量降雨余量 在上行鏈路時，衛星發射會時刻受到監

12、控站的監控，地球站也將隨時得到監控站的指令，對發射功率加以調整。因此，上行鏈路電波的衰減對上行載噪比的影響較容易得到解決。 在下行鏈路時，特別是地球站使用高增益天線及低噪聲放大器時，下行鏈路本身的噪聲在正常工作時已不是很大，而降雨、降雪等氣象因素對下行鏈路就產生了顯著影響。故系統設計中的降雨余量備份是針對下行鏈路 提出的，而認為降雨對上行鏈路 的影響不予考慮。DCTUCT25降雨余量降雨余量降雨余量的含義是：降雨時下行線路的 可容許惡化多少倍（用m倍表示）或說應有多大的余量才能使衛星通信鏈路總的 仍保持在門限的水平上。降雨備余量為：DCTtCT111110lgthtDDCCCTTTMCT26門

13、限余量與降雨余量的關系門限余量與降雨余量的關系 定義r為折算到地球站接收機輸入端的上行、互調干擾噪聲功率之和與下行噪聲功率之比。111tDUItDDDDCCTTTTTTrTTCT結合門限余量可得1mrEr其中/1010Mm 27鏈路計算實例 本節分別給出了國際衛星通信系統的模擬制和數字制兩種鏈路計算實例。模擬制以SCPC-FM-FDM方式為例；數字制以SCPC-PSK-TDMA方式為例。28模擬制1，模擬制電話鏈路標準CCIR對衛星通信系統的標準參考鏈路在傳輸電話和電視方面。對電話鏈路，在零相對電平點（即電話通路中試驗者信號電平為0 dBm的點）所允許的噪聲功率作了如下建議：任一小時的平均噪聲

14、功率不超過10000 pw(加權值);在一晝夜的20以上的時間中，每分鐘的平均噪聲功率不超過l0 000 pw(加權值);在任一個月的0.3以上的時間中，每分鐘的平均噪聲功率不超過50 000 pw(加權值);1) 在任一年的0.03以上的時間中，積分時間為5ms的噪聲功率不超過1 000 000pw(非加權值)。29項目IS-2IS-3IS-4上行鏈路噪聲1 5001 4101 130衛星轉發器內互調噪聲1 6002 3402 160下行鏈路噪聲6 4004 2504 210地球站設備內部噪聲5001 0001 500來自其他系統的噪聲-1 0001 000總計10 00010 00010

15、000IS- ，IS- , IS- 系統噪聲分配（pW0p）以零相對電平點10 000pW0p的噪聲功率，換算成噪聲電平為1000010 log5001pwdBmpm p 模擬制30模擬制模擬制衛星鏈路計算的一般步驟為：根據輸出的要求信噪比計算所需的載比 ；計算門限值 ；計算衛星鏈路實際達到的 ;計算每一載波的 和 值；1) 計算系統可容納的載波數 n。thCTtCTtCTtCTEIRP31IS-衛星鏈路計算衛星鏈路計算IS-衛星的參數如下表：工作頻率6/4 GHz30 dB/K22.5 dBW3400 Hz-17.6dBW300 Hz-67.5dBW/m平方1000 Hz11 dB4800

16、Hz4.9 dB 2700 Hz ssEIRPsGTsWIBOoBOEGTHFLFrfrf衛星鏈路噪聲取 7500 pW .f32IS-衛星鏈路計算衛星鏈路計算1, 根據衛星噪聲功率計算所需的tCT31201 1010log20log195.951.37500 10rtCSfdBNT又知壓擴器對信噪比可改善17 dB，則51.320log195.9 17175.2()rttCfTCdBT 33IS-衛星鏈路計算衛星鏈路計算2，計算門限值 thCT5log181.35log2700181.3179.3(/)thCfTdBW K 34IS-衛星鏈路計算衛星鏈路計算3，衛星鏈路實際的tCT多載波時，

17、衛星輸出飽和有效全向輻射功率為：17.6()SMSoEIRPEIRPBOdBW多載波時，衛星飽和輸入的有效全向輻射功率為：2410log85.6()fEMSIUEIRPWBOLdBW92.4520lg20lg200.642589?6fULdfdBdkmfGHz35上行、下行、互調載噪比22.54.9196.530149(/)fUMSSoRUC TEIRPBOLG TdBWK 2410log132.6(/)fUMEMSSISUC TEIRPLG TWBOG TdB K根據IS- 衛星典型 曲線查得C TIMIBOC T135.4(/)IMdBW K 所以，總載噪比為：10101013.2614.

18、913.5410log 10101010log 101010149.3(/)UMDMIMC TC TC TtMC TdBW KIS-衛星鏈路計算衛星鏈路計算364，每載波的EIRP 和 C T 值149.3( 175.2)25.9(/)tMTC TC TdBW K 因為 因此，地球站可少發25.9（dBW/K）,與此對應的各 均降低25.9(dBW/K).降低后總的載噪比為：C T15.8517.4916.1310log 101010175.2(/)tC TdBW K相應門限余量為： 175.2 179.34.1(/)tthEC TC TdBW K IS-衛星鏈路計算衛星鏈路計算375，系統可容納的載波數因為 25.9(/)389EMEIEMEIEIRPn EIRPnEIRPEIRPdBW Kn所以該系統可容納389路電話。IS-衛星鏈路計