卫星通信第3章.

1第3章卫星通信链路设计3.1接收机输入端的载噪比3.2卫星通信链路的C/T3.32卫星通信系统从发端地球站到收端地球站的信息传输过程中，要经过上行链路、卫星转发器和下行链路。上行链路的信号质量(如误码性能)取决于卫星收到的信号功率电平和卫星接收系统的噪声功率电平大小。下行链路信号的质量取决于收端地球站接收到的信号功率电平和地球站接收系统的噪声功率电平的大小。3卫星通信链路设计的主要目的就是尽量有效地在地球上两个通信点之间提供可靠而又高质量的连接手段，而衡量卫星通信链路传输质量最主要的指标是卫星通信链路中接收机输入端的载波功率与噪声的比值，即载噪比(简记为C/N或CNR)。因此，在进行卫星通信链路的设计或分析时，为了满足一定的通信容量和传输质量，需要对接收机输入端的载噪比提出一定的要求，而载噪比又与发射端的发射功率、天线增益，传输过程中的各种损耗及引入的各种噪声和干扰，以及接收系统的天线增益、噪声性能等因素有关。此外，由于存在某些不稳定因素(如降雨等)，因此载噪比的设计还要留有一定的余量。43.1.1接收机输入端的载波功率卫星或地球站接收机输入端的载波功率一般称为载波接收功率，记做C，［C］以dBW(以1瓦为零电平的分贝)为单位，由式(1-6)可得［C］=［EIRP］＋［GR］－［LP］(3-1)其中，［GR］为接收天线的增益(dBi)，［LP］为自由空间损耗(dB)，［EIRP］为发射机的有效全向辐射功率(dBW)。3.1接收机输入端的载噪比5若考虑发射馈线损耗［LFT］(dB)，由式(1-9(b))，则有效全向辐射功率［EIRP］为［EIRP］=［PT］－［LFT］＋［GT］(3-2)若再考虑接收馈线损耗［LFR］(dB)、大气损耗［La］(dB)、其它损耗［Lr］(dB)，则接收机输入端的实际载波接收功率［C］(dBW)可以表示为［C］=［PT］－［LFT］＋［GT］＋［GR］－［LP］－［LFR］－［La］－［Lr］(3-3)6例3-1已知IS-Ⅳ号卫星作点波束1872路运用时，其有效全向辐射功率［EIRP］S＝34.2dBW，接收天线的增益［GRS］＝16.7dBi。又知某地球站有效全向辐射功率［EIRP］E＝98.6dBW，接收天线的增益［GRE］＝60.0dBi。接收馈线损耗［LFRE］＝0.5dB。试计算卫星接收机输入端的载波接收功率［CS］和地球站接收机输入端的载波接收功率［CE］。解：若上行链路工作频率为6GHz，下行链路工作频率为4GHz，距离d＝40000km，则利用式(1-8)可求得上行链路自由空间传播损耗［LPU］为7［LPU］＝200.04dB下行链路自由空间传播损耗［LPD］为［LPD］＝196.52dB利用式(3-3)(忽略［La］、［Lr］和［LFRS］)，求得卫星接收机输入端的载波接收功率［CS］为［CS］≈［EIRP］E＋［GRS］－［LPU］＝－84.74dBW地球站接收机输入端的载波接收功率［CE］(忽略［La］和［Lr］)为［CE］≈［EIRP］S＋［GRE］－［LPD］－［LFRE］＝－102.82dBW83.1.2接收机输入端的噪声功率在卫星通信链路中，地球站接收到的信号是极其微弱的。特别是在地球站中，由于使用了高增益天线和低噪声放大器，使接收机内部的噪声影响相对减弱。因此外部噪声的影响已不可以忽略，即其它各种外部噪声也应同时予以考虑。地球站接收机的噪声来源如图3-1所示，可分为外部噪声和内部噪声两大类。9图3-1地球站接收机的噪声源10外部噪声主要有如下几种：(1)宇宙噪声。宇宙噪声主要包括银河系辐射噪声，太阳射电辐射噪声，月球、行星及射电点源的射电辐射噪声。卫星工作频率在1GHz以下时，银河系辐射噪声影响较大，故一般就将银河系噪声称为宇宙噪声。(2)大气噪声。大气除了产生吸收现象外，还同时产生噪声。通常天线波束内的大气，将在天线输出上产生随入射角而变化的大气噪声。这种影响在入射角小时，将急剧增加。11(3)降雨噪声。降雨除了会引起无线电波的损耗外，同时也会产生噪声。实践证明，卫星工作频率在4GHz时，噪声温度的上升最大可达100K。国际卫星通信组织设计4GHz接收系统时，为了避免暴雨的影响，考虑到天线口径通常都小于10m，其降雨噪声余量通常取1～2dB。(4)干扰噪声。这是来自其它地面通信系统的干扰电波引起的噪声。按CCIR的规定，任意1h内干扰噪声的平均值应该在1000pW以下。12(5)地面噪声。在天线副瓣较大的情况下，会混进来一些直接由地面温度引起的噪声以及由地面反射的大气噪声，这些噪声叫做地面噪声。通过天线设计，可以把此噪声温度控制在3～20K。(6)上行链路噪声和转发器交调噪声。上行链路噪声主要由转发器接收系统产生，其大小取决于卫星天线增益和接收机噪声温度。转发器交调噪声主要是由于行波管放大器同时放大多个载波，因非线性特性而产生的。这些噪声将随信号一起，经下行链路而进入接收系统。此外，还有天电噪声、太阳噪声、天线罩噪声等。13接收系统内部的噪声，主要来自馈线、放大器和变频器等部分。由电子线路分析可知，如果接收系统输入端匹配，则各种外部噪声和天线损耗噪声综合在一起，进入接收系统的噪声功率应为N=kTtB(3-4)式中，N为进入接收系统的噪声功率；Tt为天线的等效噪声温度；k=1.38×10－23J/K为波尔兹曼常数；B为接收系统的等效噪声带宽。143.1.3接收机输入端的载噪比与地球站性能因数模拟通信系统的输出信噪比，数字通信系统中的传输速率和误码率，均与接收系统的输入信噪比有关。卫星通信也是这样。由于在卫星通信系统中，其接收机收到的不是调频信号就是数字键控信号，因此接收机收到的信号功率可以用其载波功率C来表示。对于调频信号，载波功率等于调频信号各个频谱分量的功率之和；而对于数字键控信号，载波功率就是其平均功率。15根据前面已经求出的接收机输入端的载波功率和噪声功率，可以直接列出接收机输入端的载波噪声功率比为(3-5)以分贝(dB)表示为(3-6)式中，有效全向辐射功率［EIRP］=［PT·GT］=［PT］＋［GT］。BkTLGGPNCtPRTT1BkTGLNCtRPlg10EIRP161.卫星转发器接收机输入端的［C/N］S对于上行链路，地球站为发射系统，卫星为接收系统。设地球站有效全向辐射功率为［EIRP］E，上行链路自由空间传输损耗为LPU，卫星转发器接收天线的增益为GRS，卫星转发器接收系统的馈线损耗为LFRS，大气损耗为［La］，则卫星转发器接收机输入端的载噪比［C/N］S为(3-7)式中，TS为卫星转发器输入端的等效噪声温度；BS为卫星转发器接收机的带宽。SSaFRSRSPUESlg10EIRPBkTLLGLNC17若GRS中计入了LFRS，则该GRS称为有效天线增益；若将La和LPU合并为LU(称为上行链路传输损耗或上行链路传播衰减)，则式(3-7)可写为(3-8)SSRSUESlg10EIRPBkTGLNC182.地球站接收机输入端的［C/N］E对于下行链路，卫星转发器为发射系统，地球站为接收系统。设卫星转发器的有效全向辐射功率为［EIRP］S，下行链路传输损耗为LD，地球站接收天线有效天线增益为GRE，则地球站接收机输入端的载噪比［C/N］E为(3-9)式中，Tt为地球站接收机输入端等效噪声温度，B为地球站接收机的频带宽度。BkTGLNCtlg10EIRPREDSE19式(3-9)是整个卫星链路计算的综合效果。应该指出，折算到地球站接收系统输入端的噪声Nt不仅包括了地球接收系统本身的噪声ND，还包括了上行链路噪声NU和转发器的交调噪声NI。虽然这三部分噪声到达接收机输入端时已经混合在一起，但因各部分噪声之间彼此是独立的，所以计算噪声功率时，可以将三部分相加，即Nt=NU＋NI＋ND=k(TU＋TI＋TD)B=kTtB(3-10)则有Tt=TU＋TI＋TD(3-11)式中，TU、TI和TD分别表示上行链路、卫星转发器和下行链路的噪声温度。20令(3-12)则Tt=(1＋r)TD(3-13)将式(3-13)代入式(3-9)，得(3-14)DIUTTTrBTrkGLNCDREDSE1lg10EIRP21当只计下行链路本身的噪声时，则得(3-15)所以，不难得出［C/N］D与［C/N］E的关系为(3-16)式(3-16)表明，当计入上行链路噪声和转发器交调噪声后，［C/N］E的值有所下降。rNCNC1lg10EDBkTGLNCDREDSDlg10EIRP223.地球站性能因数G/T当转发器设计好了之后，［EIRP］S的值就确定了。如果地球站的工作频率和通信容量均已确定，LD和B的值也是确定的，则接收机输入端载波噪声比C/N将取决于地球站的性能因数GRE/TD，通常简写为G/T。显然G/T的值越大，C/N的值越高，表明接收系统的性能就越好。23无论模拟通信系统要保证话路输出端信噪比S/N为一定值，还是数字通信系统满足一定的传输速率与误码率要求，都需要接收系统输入端载噪比C/N达到一定的数值。如果卫星通信链路的通信容量和传输质量等方面的指标已经确定，那么接收机输入端要达到的载噪比也就确定了。在3.1节，我们已经得出了载噪比C/N的公式，不过，由于它是带宽B的函数，因此缺乏一般性，对不同带宽的系统不便于比较。3.2卫星通信链路的C/T值24若改用载波功率与等效噪声温度之比C/T值表示，这就与带宽B无关了，即(3-17)因此，通常都把C/T值作为卫星通信链路的一个重要参数。若Tt是接收系统的等效噪声温度，则它包括上行链路的热噪声TU、下行链路的热噪声TD以及转发器的交调噪声TI。下面将分别进行讨论。BkNCTC253.2.1热噪声的C/T值1.上行链路的C/TU值根据式(3-17)得C/TU的值为(3-18)将式(3-8)代入式(3-18)得(3-19)kBNCTClg10SSUSRSUEUEIRPTGLTC26由式(3-19)可以看出，GRS/TS值的大小直接关系到卫星接收性能的好坏，故将它称为卫星接收机的性能因数(或品质因数)，通常简写为G/T。G/T值越大，C/T值越大，接收性能就越好。为了说明上行链路［C/T］U值与转发器输入信号功率的关系，在此引入转发器灵敏度的概念。当卫星转发器达到最大饱和输出时，其输入端所需要的信号功率，就是转发器灵敏度，通常用功率密度WS来表示，即单位面积上的有效全向辐射功率27(3-20)或以分贝表示为(3-21)以上讨论的是卫星转发器只放大一个载波的情况。而在频分多址(FDMA)系统中，一个转发器要同时放大多个载波。为了抑制因交调所引起的噪声，需要使总输入信号功率从饱和点减少一定数值，如图3-2所示。2UE22E2ESπ4EIRPπ4π4EIRPπ4EIRPLddW2UESπ4lg10LEIRPW28图3-2行波管的输入、输出特性29通常把行波管放大单个载波时的饱和输出电平与放大多个载波时工作点的总输出电平之差，称为输出功率退回或输出补偿；而把放大单个载波达到饱和输出时的输入电平与放大多个载波时工作点的总输入电平之差，称为输入功率退回或输入补偿。由于进行输入补偿，因而由各地球站所发射的［EIRP］总和，将比单载波工作使转发器饱和时地球站所发射的［EIRP］小一个输入补偿［BO］I。假设以［EIRP］ES表示转发器在单载波工作时地球站的有效全向辐射功率，那么多载波工作时地球站的有效全向辐射功率的总和30［EIRP］EM应为(3-22)所以，将式(3-21)代入式(3-22)可得(3-23)与