卫星通信系统线路的设计与计算

第3章卫星通信系统线路的设计与计算第3章卫星通信系统线路的设计与计算3.1概述3.2卫星通信线路载波功率的计算3.3卫星通信线路噪声功率的计算3.4卫星通信线路载波功率与噪声功率比3.5数字卫星通信线路设计第3章卫星通信系统线路的设计与计算3.1概述设计一条卫星通信链路的主要目的是：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联接手段。为此，发送站发出的信号到达接收站时，必须具有足够高的电平，而且不管对通信质量的总噪声影响如何，都要保证必需的业务质量。这就是说，接收到的射频载波功率必须远大于噪声功率。链路的载波和噪声功率比(载噪比，C/N)用dB表示。链路所需的载噪比随特定的系统和该系统的用途不同而异。目前，国际上对各种不同系统均已制订出了各自相应的建议值，而且这些规定有时会有所修订，所以在设计卫星通信系统时要查阅有关的最新文本。第3章卫星通信系统线路的设计与计算众所周知，一条链路质量的优劣，对于模拟信号传输是以解调后的信噪比S/N来表示的，而对数字信号传输则用比特误码率(BER)表示。但不论S/N还是BER都取决于解调前的载波功率与等效噪声温度之比C/T、调制方式和设备的实际性能(解调器和滤波器等)。因此，实际上C/T值的计算是链路估算的主要内容。(1)已知通信卫星和地球站的电参数，计算通信链路的传输能力。(2)已知卫星的电参数，根据对传输容量和质量的要求，确定地球站的设备参数。第3章卫星通信系统线路的设计与计算3.2卫星通信线路载波功率的计算1.天线增益G在卫星通信中，一般使用定向天线，把电磁波能量聚集在某个方向上辐射。设天线开口面积为A，天线效率为η,波长为λ，天线直径为D，则天线增益为22ππ4DAG(3.1)第3章卫星通信系统线路的设计与计算2.有效全向辐射功率(EIRP)通常把卫星和地球站发射天线在波束中心轴向上辐射的功率称为发送设备的有效全向辐射功率。它是天线发射功率PT与天线增益GT的乘积，即EIRP=PTGTW(3.2)设发射机末级功放输出功率为Po,馈线损耗为LFT(LFT＞1),则上式还可写为WEIRPFTToLGP(3.3)或用分贝表示，即［EIRP］=［Po］+［GT］-［LFT］dBW(3.4)式中，方括号表示取其dB值。第3章卫星通信系统线路的设计与计算3.载波接收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，记作C，［C］以dBW(以1W为零电平的分贝)为单位。设发射机的有效全向辐射功率为［EIRP］dBW，接收天线增益为GRdB，接收馈线损耗为LFRdB，大气损耗为LadB，自由空间损耗为LPdB,其它损耗为LrdB,则接收机输入端的载波接收功率［C］dBW可以表示为［C］=［EIRP］+［GR］-［La］-［LP］-［Lr］-［LFR］=［Po］-［LFT］+［GT］+［GR］-［La］-［LP］-［Lr］-［LFR］(3.5)第3章卫星通信系统线路的设计与计算【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,接收天线增益GRS=16.7dB。又知某地球站有效全向辐射功率［EIRP］E=98.6dBW,接收天线增益GRE=60.0dB,接收馈线损耗LFRE=0.05dB。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。解若上行线路工作频率为6GHz，下行线路工作频率为4GHz，距离d=40000km,则利用式(13)可求得上行线路传输损耗LU为［LU］=200.04dB第3章卫星通信系统线路的设计与计算下行线路传输损耗LD为［LU］=196.52dB利用式(3.5)(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］-［LU］=-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］-［LD］-［LFRE=-102.37dBW第3章卫星通信系统线路的设计与计算3.3卫星通信线路噪声功率的计算地球站接收系统的噪声主要来源于如下几个方面(参阅1.7.3节)(1)天线噪声。天线噪声包括宇宙噪声、大气噪声、降雨噪声、太阳噪声、天电噪声、天线损耗噪声、天线罩噪声以及天线从副瓣进入的地面噪声等等。(2)干扰噪声。干扰噪声主要来源于其它通信系统。第3章卫星通信系统线路的设计与计算(3)上行链路噪声与转发器互调噪声。这些噪声是伴随信号一起从卫星发送下来的，包括发射地球站、上行链路、卫星接收系统的热噪声，以及多载波工作时卫星和发射地球站的非线性器件产生的互调噪声等。(4)无源器件(如馈线、定向耦合器、波导开关)的噪声。(5)接收机的内部噪声。第3章卫星通信系统线路的设计与计算噪声的大小可直接用噪声功率来度量。众所周知，对于具有热噪声性质的噪声，N=KTB(3.6)式中，K=1.38×10-23J/K为波尔兹曼常数，B为等效噪声带宽，T为等效噪声温度。若单边功率谱密度用n0来表示，则n0=KT，因此噪声的大小也可以用等效噪声温度T间接来表示。第3章卫星通信系统线路的设计与计算为了便于计算，通常把上述噪声都折算到地球站低噪声接收机的输入端，并分为三部分，即上行链路噪声、转发器互调噪声和下行链路噪声。因此，Tt=TU+TI+TD=(r+1)TD(3.7)式中，TU为上行链路噪声，TI为转发器互调噪声温度，TD为下行链路噪声温度，r=(TU+TI)/TD。第3章卫星通信系统线路的设计与计算3.4卫星通信线路载波功率与噪声功率比图3.1单向空间链路一般示意图GRS,TUPS,GSLULDPT,GTGR,TD第3章卫星通信系统线路的设计与计算1.上行线路载噪比与卫星接收机性能指数在计算上行线路载噪比时，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，上行线路传播损耗为LU，卫星转发器接收天线增益为GRS，卫星转发器接收系统馈线损耗为LFRS，大气损耗为La，则可求得卫星转发器接收机输入端的载噪比为)lg(10][][][]EIRP[aFRSRSUEUSSBkTLLGLNC式中,TS为卫星转发器输入端等效噪声温度；BS为卫星转发器接收机带宽。(3.8)第3章卫星通信系统线路的设计与计算如果将LFRS计入GRS之内，则称之为有效天线增益；将La计入LU之内，则式(3.8)可写成)lg(10][][]EIRP[RSUEUSSBkTGLNC由于载噪比C/N是带宽B的函数，因此这种表示方法缺乏一般性，对不同带宽的系统不便于比较。若将噪声改用每赫带宽的噪声功率(即单边噪声功率谱密度n0)表示，则knCTCkTCnC00(3.10)(3.11)(3.9)或第3章卫星通信系统线路的设计与计算即)lg(10lg100kBTCBnCNC(3.12)将式(3.12)代入式(3.9)可得sRSUEUsRSUEU0]EIRP[lg10EIRPTGLTCTGkLnC(3.13)(3.14)由式(3.9)、式(3.13)和式(3.14)可以看出，GRS/TS值的大小直接关系到卫星接收性能的好坏，故把它称为卫星接收机性能指数，也称为卫星接收机的品质因数，通常简写为G/T。G/T值越大，C/N越大，接收性能越好。第3章卫星通信系统线路的设计与计算为了说明上行线路［C/T］U值与转发器输入信号功率的关系，引入了转发器灵敏度的概念。当使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表示，即以单位面积上的有效全向辐射功率表示，有2UES22ES2ESS4)EIRP(44)EIRP(4)EIRP(LddW或2UESS4lg10][)EIRP(LW(3.16)第3章卫星通信系统线路的设计与计算以上是卫星转发器只放大一个载波的情况。但是在频分多址系统中，一个转发器要同时放大多个载波。为了抑制因互调干扰所引起的噪声，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。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，因此由各地球站所发射的EIRP总和，将比单波工作使转发器饱和时地球站所发射的EIRP要小一个输入补偿值。假设以［EIRP］ES表示转发器在单波工作时地球站的有效全向辐射功率，那么多波工作时地球站的有效全向辐射功率的总和应为第3章卫星通信系统线路的设计与计算输入补偿多波输入单波输入0－4输出补偿0－1.5－1.9多波输入饱和电平单波输入饱和电平总输入功率相对电平/dB总输出功率相对电平/dB图3.2行波管输入、输出特性第3章卫星通信系统线路的设计与计算［EIRP］EM=［EIRP］ES-［ＢＯ］I(3.17)式中，［BO］I将式(3.16)代入式(3.17)，得2UISEMπ4lg10][][][]EIRP[LBOW(3.18)与之相应的(C/T)U值用(C/T)UM表示，即2SRSISRSUEMUMπ4lg10EIRPTGBOWTGLTCS(3.19)第3章卫星通信系统线路的设计与计算2.下行线路载噪比与地球站性能指数这时，卫星转发器为发射系统，地球站为接收系统。与上行线路类似，可得其基本关系式为)lg(10][][]EIRP[EEREDSDBkTGLNC(3.20)式中，TE为地球站接收机输入端等效噪声温度；BE为地球站接收机的频带宽度；GRE为地球站接收天线有效天线增益。同样，可以写成另外两种表达形式，即6.228][]EIRP[REDSD0ETGLnC(3.21)第3章卫星通信系统线路的设计与计算EREDSD][EIRPTGLTC(3.22)式中，［GRE/TE］称为地球站性能指数(品质因数)，常用［GR/TD］表示，其中TD为下行线路噪声温度，它关系着地球站接收性能的好坏。因此，在国际卫星通信系统中，为了保证一定的通信质量并能有效地利用卫星功率，对标准地球站的性能指数有明确规定。第3章卫星通信系统线路的设计与计算当考虑到卫星转发器要同时放大多个载波时，为了减小互调噪声，行波管放大器进行输入补偿的同时，输出功率也应有一定补偿值。因此，多载波工作时的有效全向辐射功率为［EIRP］SM=［EIRP］SS-［BO］O(3.23)式中，［EIRP］SS为卫星转发器在单波饱和工作时的［EIRP］。将式(3.23)代入式(3.22)，得DRDODM][]EIRP[TGLBOTCSS(3.24)第3章卫星通信系统线路的设计与计算3.卫星转发器载波功率与互调噪声功率比当卫星转发器同时放大多个信号载波时，由于行波管的幅度非线性和相位非线性的作用，会产生一系列互调产物。其中，落入信号频带内的那部分就成为互调噪声。如果近似认为互调噪声是均匀分布的话，可采用和热噪声类似的处理办法，求得载波互调噪声比，也可用［C/N］I、［C/n0］I或［C/T］I来表示，且BNCTClg106.228II(3.25)第3章卫星通信系统线路的设计与计算一般规律是，越远离行波管饱和点(即输入补偿越大)，［C/T］I越大；越接近饱和点(即输入补偿越小)，［C/T］I越小。而［C/T］U和［C/T］D情况却相反。例如，当输入补偿越小时，［EIRP］S要增大，这时可使［C/T］D得到相应的改善。可是［C/T］I会