通信卫星链路计算

通信卫星链路计算山东大学内容提要卫星链路解释及其研究目的卫星链路的分类卫星链路计算的任务影响卫星链路的若干因素卫星链路计算典型卫星通信系统链路计算实例卫星链路解释及其研究目的卫星通信的显著特点是通信距离远，电磁波在传播时受到极大的衰减。仅自由空间损耗就达200db，地球站收到的信号通常只有几个微瓦。因此卫星通信中噪声的影响是非常重要的问题。链路计算的目的：尽量有效地在两个地球站之间提供可靠而高效的连接手段，为此，发送站发出的信号到达接受站时，必须具备足够高的电平，而且不管对通信质量的总噪声影响如何，都要保证必须的业务质量。链路所需的载噪比用表示。是随特定的系统和系统的用途而异。载噪比涉及到发端功率，收发两端天线增益，传输过程中的各种损耗、噪声及干扰、气象条件等因素。CT卫星链路的分类卫星链路通常分为三大类，分别是：1.固定卫星业务通信链路；2.移动通信卫星链路；3.星际卫星链路。卫星链路计算的任务卫星通信链路计算通常分为两类，分别是：1，已知转发器及地球站的基本参数，计算地球站能得到的载噪比及其应发射的。系统容量的计算，即一个转发器能容纳多少载波（话路），通常从功率角度和频带角度出发计算，两种结果取最小者。功率角度：一般是按转发器总的及每个载波要求的；频带角度：按转发器总的带宽及每个载波要求占的带宽。2，已知转发器的基本参数以及根据接收机输出信噪比或所提出的对的要求（或由门限以及门限备余量所提出的对的要求），确定地球站天线尺寸、接收机噪声性能、发射功率等。EIRP.smEIRPsEIRPSN0bEntCNthCNEtCN影响卫星链路的主要因素影响卫星链路质量的主要因素有如下几个：1.自由空间传播损耗；2.链路中各种噪声；3.电离层的法拉第效应；4.降雨损耗；5.多径和阴影遮蔽效应；6.多普勒频移；7.各种交调干扰。卫星链路计算发射机接收机卫星上行载噪比下行载噪比交调、干扰载噪比待发送信号接收信号国际无线电咨询委员会（CCIR）规定了利用卫星通信系统作为洲际通信的标准链路模型。链路模型：地球站-卫星-地球站通常总的卫星链路由三部分合成的：1.上行链路计算；2.下行链路计算；3.交调、干扰链路计算。其中是真值，而非dB值，计算时一定要注意。下边分别对之进行讨论。tCTUCTDCTICT卫星链路计算1111UDItCTCTCTCTCT几个关键因子介绍在计算卫星链路之前，先介绍几个必要的因子：1.天线增益G；sGEG：卫星天线增益：地面站天线增益天线增益：222DGD：天线直径：天线效率：天线接收的无线电波长G定向天线辐射时，接受点收到的最大功率全向天线辐射时，接受点收到的最大功率几个关键因子介绍2，自由空间传输损耗（通信距离方程）在卫星通信中，电波主要是在大气层以外的自由空间传播，大气层只占很小的一部分，因此首先研究的是自由空间传播损耗，在此基础上再考虑大气层及其他损耗。自由空间损耗用下式计算：d:卫星-地面站距离(m)；：电磁波波长(m)当用d(km)、f(GHz)且用dB(即以10为底的对数)表达时:2244fddfLcf:电磁波频率(Hz)；c:光速。单位：dB92.4520lg20lgfLdf几个关键因子介绍3，有效全向辐射功率典型的卫星通信系统组成图如下图所示：发射机地球站或通信卫星接收机通信卫星或地球站TPTGRG24TTRRTTRfPGGPPGGdL定义有效全向辐射功率为：写成dB形式为：TTEIRPPGTTEIRPPGRPC接收机输入端的噪声功率因为接收机使用了高增益天线和低噪声放大器，内部噪声的影响相对很弱。因此外部噪声就成了主要因素了。接收机的外部噪声主要有以下几个方面：天线噪声。包括宇宙噪声、大气噪声、降雨噪声、天线损耗噪声、天电噪声、天线罩噪声及天线副瓣收到的地面噪声等。干扰噪声。主要包括来自其他通信系统的干扰噪声和人为干扰噪声。上行链路噪声和转发器非线性产生的交调噪声。内部噪声主要来自馈线、放大器和下变频器等。因此输入端的噪声功率为tNkTB231.3810/kJK波尔兹曼常数：等效温度：tT等效带宽：B接收机输入端的载噪比1TTRftPGGCNLkTB写成dB形式就是：10lgRftEIRPGLkTB10lgTTRftCPGGLkTBN由于噪声功率N是带宽B的函数，缺乏一般性，对不同带宽的系统不便于比较，实际中经常使用表达载噪比。CTfCGEIRPLTTGT称为品质因子(1-01)载噪比三个表达式的关系0CCBNnCkBT上行链路计算UCT由(1-01)公式的上行链路UCTsEfUUsatGCEIRPLTTEEIRPssatGTfUL地球站有效全向辐射功率卫星天线品质因子上行自由空间损耗注意：该公式计算的是单载波的情况通常在计算上行链路载噪比时，会使用到转发器灵敏度的概念。转发器灵敏度是指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。用功率密度表示，即单位面积上的有效全向辐射功率。sW22224444EEEsPUEIRPEIRPEIRPWdLd或者以dB形式表达为上行链路计算UCT2410lgsEfUWEIRPL在FDMA系统中，一个转发器通常要同时转发多个载波。为了减小因交调产生的噪声，需要使总的输入信号功率从饱和点减小一定的数值，即进行输入补偿，是转发器工作在线性部分。用表示转发器在单载波工作时的数值，则多载波工作时的数值应为，所以，EsEIRPiEMEsEIRPEIRPBO2410lgifUEMsEIRPWBOL最后就得到了多载波的载噪比2410lgEMssatfUissatsUMCEIRPGTLWBOGTT下行链路计算DCT与上行链路计算相似，求得单载波时的载噪比RsfDDDGCEIRPLTTsEIRPfDLRDGT转发器有效全向辐射功率下行自由传输损耗地面站天线品质因子同样在FDMA系统下，转发器输出功率也有一定输出补偿。因此，多载波工作时，转发器的有效全向辐射功率为：RRSMfDSSofDDMDDGGCEIRPLEIRPBOLTTTSSEIRP转发器在单载波饱和工作时的有效全向辐射功率上行、下行链路载噪比计算上行、下行链路载噪比计算ESEIRP为使卫星单载波饱和输出所必须的地球站EIRPdBEMEIRP实际工作点，地球站EIRP总和的dBiBO输入补偿；SSEIRP卫星单载波饱和输出EIRPdBSMEIRP实际工作点时，卫星总的输出EIRPdBSGT卫星天线品质因子EGT地球站天线品质因子oBO输出补偿上行、下行链路载噪比计算对于上行、下行链路载噪比计算公式可总结出如下的统一公式：fTTRTCGEIRPLTTT：发端R：收端交调噪声的通常用实验的方法或计算机模拟的方法获得载波公率与互调噪声平均功率谱密度比，并用等效噪声温度折算，即0228.6IICCTn0ICnICT通常，输入补偿值的改变会影响上行、下行、交调干扰载噪比的值，下列图清楚地表示它们地关系一般通过输入补偿值根据这个图得出交调干扰载噪比。门限余量门限载噪比就是解调器输出的被恢复的基带信号质量的最低要求值。但是，任何卫星通信系统建成之后，它的参数并不是一成不变的，它还会经常地受到气象条件、转发器及地球站设备某些不稳定因素的影响。因此，为了在这些因素变化后仍能正常工作，必须留有一定的余量。thCTtthCCETT降雨余量在上行链路时，卫星发射会时刻受到监控站的监控，地球站也将随时得到监控站的指令，对发射功率加以调整。因此，上行链路电波的衰减对上行载噪比的影响较容易得到解决。在下行链路时，特别是地球站使用高增益天线及低噪声放大器时，下行链路本身的噪声在正常工作时已不是很大，而降雨、降雪等气象因素对下行链路就产生了显著影响。故系统设计中的降雨余量备份是针对下行链路提出的，而认为降雨对上行链路的影响不予考虑。DCTUCT降雨余量降雨余量的含义是：降雨时下行线路的可容许恶化多少倍（用m倍表示）或说应有多大的余量才能使卫星通信链路总的仍保持在门限的水平上。降雨备余量为：DCTtCT111110lgthtDDCCCTTTMCT门限余量与降雨余量的关系定义r为折算到地球站接收机输入端的上行、互调干扰噪声功率之和与下行噪声功率之比。111tDUItDDDDCCTTTTTTrTTCT结合门限余量可得1mrEr其中/1010Mm链路计算实例本节分别给出了国际卫星通信系统的模拟制和数字制两种链路计算实例。模拟制以SCPC-FM-FDM方式为例；数字制以SCPC-PSK-TDMA方式为例。模拟制1，模拟制电话链路标准CCIR对卫星通信系统的标准参考链路在传输电话和电视方面。对电话链路，在零相对电平点（即电话通路中试验者信号电平为0dBm的点）所允许的噪声功率作了如下建议：1)任一小时的平均噪声功率不超过10000pw(加权值);2)在一昼夜的20％以上的时间中，每分钟的平均噪声功率不超过l0000pw(加权值);3)在任一个月的0.3％以上的时间中，每分钟的平均噪声功率不超过50000pw(加权值);4)在任一年的0.03％以上的时间中，积分时间为5ms的噪声功率不超过1000000pw(非加权值)。项目IS-2IS-3IS-4上行链路噪声150014101130卫星转发器内互调噪声160023402160下行链路噪声640042504210地球站设备内部噪声50010001500来自其他系统的噪声-10001000总计100001000010000IS-Ⅱ，IS-Ⅱ,IS-Ⅳ系统噪声分配（pW0p）以零相对电平点10000pW0p的噪声功率，换算成噪声电平为1000010log5001pwdBmpmp模拟制模拟制模拟制卫星链路计算的一般步骤为：1)根据输出的要求信噪比计算所需的载比；2)计算门限值；3)计算卫星链路实际达到的;4)计算每一载波的和值；5)计算系统可容纳的载波数n。thCTtCTtCTtCTEIRPIS-Ⅳ卫星链路计算IS-Ⅳ卫星的参数如下表：工作频率6/4GHz30dB/K22.5dBW3400Hz-17.6dBW300Hz-67.5dBW/m平方1000Hz11dB4800Hz4.9dB2700HzssEIRPsGTsWIBOoBOEGTHFLFrfrf卫星链路噪声取7500pW.fIS-Ⅳ卫星链路计算1,根据卫星噪声功率计算所需的tCT312011010log20log195.951.3750010rtCSfdBNT又知压扩器对信噪比可改善17dB，则51.320log195.9171