卫星链路设计

第四章卫星链路设计本章节内容基本传输理论系统噪声温度和G/T下行链路设计小型地面站卫星系统上行链路设计总体C/N的链路设计系统设计实例链路设计的重要性在尽可能小的发射功率、接收天线尺寸下获得相应的通信可靠性（指定的BER值、S/N值）为RF系统关键性器件如HPA、LNA提供设计依据，为天线系统提出设计目标考虑各种情况下链路的衰减情况，给出合理的链路余量需要对通信系统的各个方面知识有较多了解！基本传输理论理想化信号源：各向同性源、物理上无法实现距离R处穿过球面通量密度为：22/4mWRPFt有向天线的增益G(θ)4/)()(0PPGP(θ)：天线每单位立体角的辐射功率P0：天线总辐射功率G(θ)：天线在角θ方向上的增益立体角定义：球面某一区域面积/半径2，整个球面角为4πPt：发射机功率等效全向辐射功率（EIRP）设天线在最大辐射方向的角度为θ=0º（θ角的基准，天线视轴）=则天线增益=G(θ)=G(0º)发射机输出功率为Pt，天线损耗为0，天线增益为Gt天线视轴方向上距离R处通量密度PtGt：等效全向辐射功率EquivalentIsotropicallyRadiatedPower（EIRP）22/4mWRGPFttEIRP如果采用孔径面积为Am2的理想接收天线，则接收功率为：AWFPr各向同性源EIRP=PtW通量密度FW/m2接收天线面积Am2，增益Gr接收机Pr入射通量密度F=Pt/4πR2W/m2，接收功率Pr=F×A=PtA/4πR2W天线口径效率ηA实际天线是有损耗的，有效孔径实际孔径损耗因素：孔径截面能量分布不均、不匹配、相位差一般反射面ηA在50%~75%，喇叭接近90%实际接收功率：天线增益与面积关系：rAeAA)(42WRAGPPettr2/4eAG链路方程将天线增益与有效面积表达式带入接收功率表达式得到著名的链路方程：Lp路径损耗=(4πR/λ)2EIRP=PtGt接收功率=EIRP×接收天线增益/路径损耗（单位W）注意：链路方程与发射接收天线增益直接联系，与天线实际尺寸没必然联系（螺旋阵列等天线实际尺寸可能会小于有效口径！）)()/4(2WRGGPPrttr链路方程的分贝表达通信系统一般利用分贝量简化表达式，链路方程在分贝下表示为：其中：路径损耗：实际工程中链路损耗：–La=大气衰减–Lta=发射天线产生的损耗–Lra=接收天线产生的损耗)(dBWLGEIRPPprr)(/4lg20/4lg10))(/4lg(10))(lg(1022dBRRLdBAGdBWGPEIRPpertt)(dBWLLLLGEIRPPrataaprrdBW：以1W为0dBdBm：以1mW为0dB卫星链路示意图路径损耗Lp大气损耗La卫星EIRP=PtGt损耗Lta地面站接收天线增益GrLNA接收天线Pr计算实例例1：卫星与地球地面站距离40000km，辐射功率10W，天线指向地面站，增益17dB。求接收点通量密度？采用有效面积10m2的天线可以接收到的功率？采用分贝计算：WAFPmAmWRGPFerett1322142721049.2,10/1049.2))104(4/(5010)4/(dBWPmWdBRGPdBFrtt126100.136)/(0.1360.110.1520.27)4lg(10)lg(20)lg(10)(2如果例1中的卫星工作频率为11GHz，接收天线增益为52.3dB，求接收功率。dBWPdBdBdBRRLdBGdBWEIRPdBWLGEIRPPrprprr0.1263.2053.520.273.20510727.2/1044lg20)/4lg(20)/4(3.52,0.27)(272计算实例系统噪声温度和G/T噪声温度可以确定系统中有源器件、无源器件的热噪声的多少物理温度为Tp的黑体在微波频率内可以产生带宽很宽的电子噪声，噪声功率表示为：k：波尔兹曼常数=1.39×10-23J/K=-228.6dBW/K/HzTp：源的物理温度，单位为热力学温度Bn：噪声带宽，单位为Hz注：Pn是可测得的噪声，即负载与噪声源阻抗匹配时才能传到负载端噪声功率谱密度：kTp在常温290K下功率谱密度：-174dBm/Hz300GHz以下功率谱密度基本不变npnBkTP卫星离地面距离很远，所以信号强度一般很低，为了达到指定的C/N（载噪比）必须采用低噪声放大器+降低中频带宽常用GaAsFET管放大器噪声温度大约在30K~200K之间FET管噪声温度随频率增加而增加为什么低噪声放大器噪声温度小于实际物理温度？因为放大器产生的噪声比匹配负载产生噪声小LNARLRSRLRS(匹配负载噪声更大)噪声温度系统噪声温度Ts接收机性能取决于解调器输入端信号功率与热噪声功率之比=系统噪声温度TsTs：将接收机等效为无噪声接收机后，在输入端口增加的噪声源的噪声温度，包括放大器噪声、天线噪声设接收机RF输入端到解调器输入端总增益为Grx，最窄带宽为BnHz，则解调器输入端噪声为：Pno=kTsBnGrx(W)系统载噪比：由Ts、C/N=接收功率Pr，可以方便后续链路的计算C/N与接收机增益无关nsrrxnsrxrBkTPGBkTGPNC超外差接收机噪声温度超外差接收机结构：特点：改变频率方便，滤波器结构易实现，选择性好PrLNA混频器本地振荡器GrfGmBPFBPFIFA去解调器GIF超外差接收机噪声温度接收机等效噪声模型+TRFTin增益GRF无噪声射频放大器+Tm增益Gm无噪混频器+TIF增益GIF无噪声中频放大器Pn)(inRFnRFmIFnmmIFnIFIFnTTkBGGGBkTGGBkTGP超外差接收机噪声温度)/(/)(/)()/()()(mRFIFRFminRFnRFmIFinRFnRFnmmRFnIFRFmIFinRFnRFmIFnmmIFnIFIFnGGTGTTTkBGGGTTkBGBkTGGBkTGGGTTkBGGGBkTGGBkTGP若满足：nsRFmIFnBkTGGGP则：)/(/)/(/RFmIFRFmRFinsRFmIFRFmRFinnnsGGTGTTTTGGTGTTTkBBkT若LNA增益很高则噪声贡献主要来源于：Ts=天线+LNA=Tin+TRF注意:式中所有量为比值不是dB!超外差接收机噪声温度等效无噪声接收机模型+TnoTin增益GlPn无噪损耗器件+TsTin增益GRFGmGIFPn无噪接收机有损器件噪声模型有损器件噪声模型可以用来表示降雨衰减等过程，雨衰的同时会引入一定噪声，可以将噪声放置在天线输入端口处)1(lpnoGTT注意:Tp是器件物理温度，式中Gl为比值不是dB!计算实例例2：有一4GHz接收机增益与噪声温度值如下：Tin=25K，GRF=23dB，TRF=50K，GIF=30dB，TIF=1000K，Tm=500K设混频器Gm=0dB，计算系统噪声温度：设混频器Gm=-10dB，计算噪声温度：若采用50dB增益的LNA，计算噪声温度：采用高增益LNA可以有效降低系统噪声温度！KTs5.87)200/1000()200/500(5025KTs5.137)20/1000()200/500(5025RFinsTTKT1.75)10/1000()10/500(502545如果例子2中LNA增益50dB。若天线与接收机之间有一段2dB损耗的波导，求系统噪声温度，波导温度300K。波导2dB衰减=1.58=Gl=1/1.58=0.631波导对天线输出噪声进行衰减：接收机噪声温度：天线输出端口噪声温度：KGTTlpwg7.110)631.01(300)1(KGTTlpin8.152563.0)1(KTs6.176)10/1000()10/500(507.1108.1545KGTls9.279631.0/6.176/6.176计算实例例题中的结论：提高LNA增益可以降低系统噪声温度天线端口与接收机之间插入导波器件会显著恶化系统性能改良方法：提高LNA增益，Ku波段一般在20~30dB，C波段更高将接收机LNA与天线尽可能的靠近Ku波段直播电视一般将LNA，BPF，Mixer，IFA与天线馈源集成在一起，叫做LNB（LowNoiseBlock）计算实例噪声系数与噪声温度噪声系数定义：噪声系数与噪声温度的关系：T0：计算标准噪声系数的参考温度，通常290K，NF是比值！不是dBoutinNSNSNF)/()/()1(0NFTTd噪声温度K020406080100120150200290噪声系数（dB）00.290.560.821.061.291.501.812.283.0噪声温度K4006008001000150020003000500010000噪声系数（dB）3.84.95.86.57.99.010.512.615.5地面站G/T计算噪声的链路方程表示为：给定卫星下：C/N正比于Gr/Ts，Gr/Ts简记为G/T，单位dB/K例子3：地面站天线直径30m，效率68%，接收信号频率为4150MHz，Ts=79K，天线指向卫星仰角28º，求G/T，若雨衰使得Ts=88K，重新计算G/TsrnttnsrttTGRkBGPRBkTGGPNC224422)/(/4DAGAArmMHzf0723.0,4150dBG6.60,1016.1)0723.0/30(68.062KdBTGdBKTs/6.410.196.60/,0.19)79lg(10KdBTGKTs/2.414.196.60/,88下行链路设计设计目标：少投入、多业务量大型天线设计制造昂贵，C/N留有太多裕量是一种浪费，若Ku波段裕量20dB，则天线尺寸是按3dB的链路裕量天线尺寸的7倍对于一定的可靠性合理选择链路裕量–C波段雨衰少，可靠性达99.99%(1~2dB)，适合语音信号–Ku波段雨衰适中,可靠性0.1%-0.5%(10~20dB)，电视直播–Ka波段雨衰大，中断时间长，适合互联网业务等非实时信道链路预算链路预算简化C/N计算，将各种与卫星有关的参量都采用分贝表示，信号与噪声功率只要加减计算即可，链路设计是一个反复过程，一旦建立链路预算，任何参数变化都很容易计算出来卫星参数：转发器饱和输出功率：20W天线中心轴方向增益：20dB转发器带宽：36MHz下行链路频带：3.7GHz~4.2GHz信号：FM-TV模拟信号FM-TV信号带宽：30MHz接收机允许最小C/N：9.5dB晴天C波段GEO卫星（全球波束）C波段地面站：下行链路频率：4GHz天线中心轴方向增益：49.7dB接收机IF带宽：27MHz接收系统噪声温度：75K下行链路功率预算：Pt=卫星转发器输出功率，20W，13.0dBWBo=转发器输出补偿，-2.0dBGt=卫星天线沿中心轴方向的增益，20dBGr=地面站天线增益，49.7dBLp=4GHz时自由空间路径损耗，-196.5dBLant=卫星天线波束损耗上界，-3.0dBLa=晴天大气损耗，-0.2dBLm=其他损耗，-0.5dBPr=地面站接收功率，-119.5dBW下行链路噪声功率预算k=波尔兹曼常数，-228.6dBW/K/HzTs=系统噪声温度，75K，18.8dBKBn=噪声带宽，27MHz，74.3dBHzN=接收机噪声功率，-135.5dBWC/N=Pr(