第3章 卫星通信链路设计

1、卫星通信第3章 卫星通信链路设计2第第3 3章章 卫星通信链路设计卫星通信链路设计n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，要经过上行链路上行链路(uplink)、卫星转发器卫星转发器(transponder)和下行链路下行链路(downlink) 。n上行链路的信号质量(如误码性能)取决于卫星收到的信号卫星收到的信号功率电平功率电平和卫星接收系统的噪声功率电平大小接收系统的噪声功率电平大小。n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收端地球站接收到的信号功率电平电平和地球站接收系统的噪声功率电平的大小地球站接收系统的噪声功率电平的大小。3第第3 3章章 卫星通信链路设

2、计卫星通信链路设计n卫星通信链路设计的主要目的n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。的连接手段。n而衡量卫星通信链路传输质量最主要的指标n卫星通信链路中接收机输入端的载波功率与噪声的比值载波功率与噪声的比值，即载噪比(简记为C/N或CNR)。n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。n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。n由于存在某些不稳定因素(如降雨等)，因此

3、载噪比的设计还要留有一定的余量。4第第3章章 卫星通信链路设计卫星通信链路设计n3.1 接收机输入端的载噪比n3.2 卫星通信链路的C/T值n3.3 数字卫星链路的计算53.1 3.1 接收机输入端的载噪比接收机输入端的载噪比n3.1.1 接收机输入端的载波功率n3.1.2 接收机输入端的噪声功率n3.1.3 接收机输入端的载噪比与地球站性能因数6n自由空间传播损耗：n有效全向发射功率：3.1.1 接收机输入端的载波功率接收机输入端的载波功率n天线增益：n接收功率：2244EIRPTTRTTRTTRRPpP GCAP G GddP G GGLL2244PddfLcEIRPTTP G22244R

4、RAfGAc73.1.1 接收机输入端的载波功率接收机输入端的载波功率n载波接收功率C： C=EIRPGRLPGR：接收天线的增益（dBi） LP：自由空间损耗(dB) EIRP发射机的有效全向辐射功率(dBW)n考虑发射馈线损耗LFT(dB)，则EIRP为EIRP=PTLFTGT83.1.1 接收机输入端的载波功率接收机输入端的载波功率 同时考虑接收馈线损耗LFR(dB)、大气损耗La(dB)、其它损耗Lr(dB)，则接收机输入端的接收机输入端的实际载波接收功率实际载波接收功率C(dBW)可以表示为可以表示为 C=PTLFTGTGR LPLFRLaLrEIRP93.1.1 接收机输入端的载波

5、功率接收机输入端的载波功率例例3-1 已知IS-号卫星作点波束1872路运用时，其有效全向辐射功率EIRPS34.2 dBW，接收天线的增益GRS16.7 dBi。又知某地球站有效全向辐射功率EIRPE98.6 dBW，接收天线的增益GRE60.0 dBi。接收馈线损耗LFRE0.5 dB。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。 上行链路工作频率为6GHz，下行链路工作频率为4GHz，距离为40000km。103.1.2 接收机输入端的噪声功率接收机输入端的噪声功率n在卫星通信链路中，地球站接收到的信号是极其微弱的。n在地球站中，由于使用了高增益天线高

6、增益天线和低噪声放大低噪声放大器器，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其它各种外部噪声也应同时予以考虑应同时予以考虑。n地球站接收机的噪声可分为外部噪声和内部噪声两大类。11图3-1 地球站接收机的噪声源12外部噪声外部噪声n宇宙噪声：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1 GHz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。n大气噪声：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。

7、这种影响在入射角小时，将急剧增加。n降雨噪声：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4 GHz时，噪声温度的上升最大可达100 K。国际卫星通信组织设计4 GHz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10 m，其降雨噪声余量通常取12 dB。13外部噪声外部噪声n干扰噪声：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。n地面噪声：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320 K。14外部噪声外部噪声n上行链

8、路噪声和转发器交调噪声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。n天电噪声、太阳噪声、天线罩噪声等。n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。15接收系统的噪声功率接收系统的噪声功率 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 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=1.381023

9、J/K为波尔兹曼常数； B为接收系统的等效噪声带宽。163.1.3 接收机输入端的载噪比与地接收机输入端的载噪比与地球站性能因数球站性能因数n根据接收机输入端的载波功率和噪声功率，可得接收机输入端的载波噪声功率比为：n以分贝(dB)表示为n式中，有效全向辐射功率 EIRP=PTGT=PTGT。BkTLGGPNCtPRTT1 BkTGLNCtRPlg10EIRP17卫星转发器接收机输入端的卫星转发器接收机输入端的C/NS 卫星转发器接收机输入端的载噪比C/NS为 EIRPE：地球站有效全向辐射功率为； LPU：上行链路自由空间传输损耗； GRS：卫星转发器接收天线的增益； LFRS：卫星转发器接

10、收系统的馈线损耗；大气损耗为La；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。 SSaFRSRSPUESlg10EIRPBkTLLGLNC18卫星转发器接收机输入端的卫星转发器接收机输入端的C/NS 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)，则卫星转发器接收机输入端的C/NS可写为： SSRSUESlg10EIRPBkTGLNC19地球站接收机输入端的地球站接收机输入端的C/NE 设卫星转发器的有效全向辐射功率为EIRPS，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

11、站接收机输入端的载噪比C/NE为 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。 EDRESEIRP10lgtLGkT BCN20地球站接收机输入端的地球站接收机输入端的C/NE 地球站接收系统输入端的噪声Nt包括了地球接收系统本身的噪声ND、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=NUNIND=k(TUTITD)B=kTtB 则有 Tt=TUTITD 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。21地球站接收机

12、输入端的地球站接收机输入端的C/NE UIDDRESEDRESDDEDD110 lg(1)EIRP10 lgEIRP1 lg10tDTTrTr TTCLGkBNCLGkBNCCNr TTrN令：，则有：当只计算下行链路本身的噪声时，则22地球站性能因数地球站性能因数G/T 当转发器设计好了之后，EIRPS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。233.2 卫星通信链路的卫星通信链路的C/T值值n无论模拟通信系统

13、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。n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。n载噪比C/N的公式是带宽B的函数，故缺乏一般性，对不同带宽的系统不便于比较。243.2 卫星通信链路的卫星通信链路的C/T值值n若改用载波功率与等效噪声温度之比C/T值表示，则与带宽B无关，即n因此，通常都把通常都把C/T值作为卫星通信链路的一个重要参数值作为卫星通信链路的一个重要参数。n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

14、热噪声TD以及转发器的交调噪声TI。下面将分别进行讨论。BkNCTC253.2 卫星通信链路的卫星通信链路的C/T值值n3.2.1 热噪声的C/T值n3.2.2 交调噪声的C/T值n3.2.3 卫星链路的C/T值26上行链路的上行链路的C/TU值值n根据以上分析可得n即：nGRS/TS值的大小直接关系到卫星接收性能的好坏，故将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它称为卫星接收机的性能因数(或品质因数或品质因数)，通常简写，通常简写为为G/T。G/T值越大，值越大，C/T值越大，接收性能就越好。值越大，接收性能就越好。kBNCTClg10SSUSRSUEUEIRP

15、TGLTC27转发器灵敏度转发器灵敏度n转发器灵敏度：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输入端所需要的信号功率。n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：2UE22E2ES4EIRP44EIRP4EIRPLddWSU2E4EIRP10 lgWL28上行链路的上行链路的C/TU值值图3-2 行波管的输入、输出特性29上行链路的上行链路的C/TU值值n输出功率退回或输出补偿：输出功率退回或输出补偿：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工作点的总输出电平之差。n输入功率退回或输入补偿：输入功率退回或输入补偿：放大单个载波达到饱和输出时的输入

16、电平与放大多个载波时工作点的总输入电平之差。n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BOI。30上行链路的上行链路的C/TU值值n假设以EIRPES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n与之相对应的C/TU值用C/TUM表示，即IESEMBOEIRPEIRP S2EMI4EIRPBO10 lgUWL RSUEMUMSRSS2ISEIRP4BO10 lgGCLTTGWT31下行链路的下行链路的C/TD值值n在下行链路中，卫星转发器为发射系统，地球站为接收系统

17、。用上述同样的方法可以求得 GRE/TD称为地球站性能因数，常用GR/TD表示。n多载波工作时的有效全向辐射功率为 式中，EIRPSS是卫星转发器在单载波饱和工作时的EIRP；BOO为输出补偿值。DREDSDEIRPTGLTCSMSSOEIRP= EIRPBO32下行链路的下行链路的C/TD值值 IS-卫星输入、输出补偿的标准值如下：对于全波束，BOO4.8 dB，BOI11 dB；对于点波束，BOO8.8 dB，BOI16 dB。DRDOSSDMBOEIRPTGLTC33交调噪声的交调噪声的C/T值值 当各载波均受调制时，频谱的分布很广。如果近似认为卫星通信的交调噪声是均匀分布的，则可以采用

18、与热噪声类似的处理方法，求得载波互调噪声比。也可以用C/NI或C/TI来表示为 BNCBkNCTC6 .228lg10lg10III34交调噪声的交调噪声的C/T值值图3-3 C/TUM、C/TDM、C/TIM及C/TtM与BOI的关系35卫星链路的卫星链路的C/T值值n整个卫星链路的C/T为n根据上行链路、下行链路和交调噪声的C/T值，可以推得整个卫星链路的C/T 为： DREStD1EIRP(1)CLGTr T1D1I1U1tTCTCTCTC36门限余量和降雨余量门限余量和降雨余量n门限：容许的最低C/T值，C/Tth表示。n门限余量：为了保证在某些因素变化后仍能使其通信质量满足要求而必须

19、留有一定的余量，以Mth表示。n假定降雨使下行链路噪声增加到原来噪声的MR倍，而其它C/T值(即C/TU和C/TI)保持不变，即下行噪声温度由TD增加到TDMRTD，显然TD应为ththTCTCM)(IUthDTTTT37门限余量和降雨余量门限余量和降雨余量n降雨余量n门限余量Mth与降雨余量MR之间的关系：1D1I1U1thDDR/TCTCTCTCTTMrrMM1Rth383.3 数字卫星链路的计算数字卫星链路的计算n数字卫星系统传输质量可靠性指标的误码率Pe作为链路标准。n在数字卫星通信中大多采用PSK调制方式，通常为2PSK或QPSK，因此下面以PSK调制方式为例，介绍数字卫星通信链路中

20、主要通信参数的确定。393.3 数字卫星链路的计算数字卫星链路的计算n3.3.1 主要通信参数的计算方法n3.3.2 PSK/TDMA方式n3.3.3 SCPC/PSK/TDMA方式n3.3.4 卫星通信系统总体设计的一般程序403.3.1 主要通信参数的计算方法主要通信参数的计算方法n归一化信噪比Eb/n0nC/T值b2SbbSS000logtEM RE RE RCNn Bn Bn Bb0bttRknEBkNCTCb0btlg10lg10RknETC22loglogbssbRRMEEM413.3.1 主要通信参数的计算方法主要通信参数的计算方法n误码率与归一化信噪比（2PSK或QPSK）n当

21、Pe=10-4时，归一化理想门限信噪比为0becerf121nEP0th8.4bEnth0th10lg10lgbbECkRTn423.3.1 主要通信参数的计算方法主要通信参数的计算方法n门限余量n接收系统最佳频带宽度Bbbbthtth0008.4thEEECCMNNnnnMRRB2bSlog25. 105. 125. 105. 1433.3.2 PSK/TDMA方式方式 数字链路参数的计算数字链路参数的计算 例例3-3 已知工作频率为6/4 GHz，利用IS-卫星，卫星转发器G/TS18.6 dB/K，WS72 dBW/m2，EIRPSS23.5 dBW，上行传播衰减为200.6 dB，下行

22、传播衰减为196.7 dB。考虑到卫星行波管存在AM/AM和AM/PM转换等非线性特性的影响会使误码率变坏，为此采取一些必要的输入、输出补偿，取BOI6 dB，BOO2 dB。又知标准地球站GRE/TD40.7 dB/K，链路标准取误码率Pe104，d40000 km，Rb60 Mb/s。试计算QPSK-TDMA数字链路的参数。443.3.2 PSK/TDMA方式方式n功率受限下的信息速率功率受限下的信息速率 在卫星转发器功率受限的情况下，有效全向辐射功率EIRPS固定不变。根据下行链路方程可以得到 式中，RP为卫星链路在功率受限条件下的信息传输速率；M为系统余量。 )lg(10EIRPRED

23、S0bMkTBGLnElg10EIRPDRE0DSPMkTGnELRb453.3.2 PSK/TDMA方式方式 例例3-4 已知EIRPSS23.5 dBW，工作频率为6/4 GHz，LD196.7 dB(f4 GHz)。当采用QPSK调制时，Eb/n08.4 dB，收端地球站性能因数GRE/TD40.7 dB/K，其它衰减Lr1.5 dB。试计算卫星链路的信息传输速率。463.3.2 PSK/TDMA方式方式 频带受限下的信息速率频带受限下的信息速率 在卫星频带受限的情况下，转发器带宽与码元速率之比可近似地表示为 式中，BS为卫星转发器带宽；Rb为带宽受限条件下的信息速率；m为信息速率与码元

24、速率之间的关系。对于QPSK调制(M4)，m2； kWR一般取1.2。 SSWRbb22log log SSbSWRBBBkRRRMmRBMk或473.3.2 PSK/TDMA方式方式 例例3-5 已知IS-系统的一个转发器带宽BS36 MHz， kWR1.2。试计算该系统的信息传输速率。483.3.2 PSK/TDMA方式方式n对于信息速率的计算，在功率受限和频带受限的情况下，所求的RP与Rb相差不多，都接近于60 Mb/s。n若计算结果出现RPRb的情况，而确定系统传输速率为Rb时，则表明卫星转发器的功率尚有余量，可以采用MPSK调制。系统容量的确定系统容量的确定49系统容量的确定系统容量的确定n卫星链路一帧内传输的比特数一帧内n路话音编码后传送的比特数一帧内各分帧报头所含的比特数n若以R表示卫星链路的比特速率，以P表示每一分帧内报头所含的比特数，以Rch表示每一话路编码后的比特速率，以Tf表示帧周期，nf表示一帧内的分帧数(站数)，则上式可表示为ffTPnRRnch150系统容量的确定系统容量的确定 例例3-6 以IS-系统参数为例，若取R=60 Mb/s，采用PCM编码后，每话路的