第3章 卫星通信第

1、第三章第三章 卫星通信链路设计卫星通信链路设计 卫星链路设计传输方程基本链路分析干扰分析大气损耗和降雨衰减卫星通信系统的可用度卫星链路设计 第一节 传输方程： 卫星链路 自由空间传播损耗 功率通量密度接收信号功率传输方程卫星链路：上行链路下行链路传输方程自由空间传播损耗：222444dPdPPttrPtPrd图 61 自由空间的传播损耗2244cdfdPPLtr传输方程自由空间传播损耗：w 当距离d以km为单位，频率f以GHz为单位时：w 当距离d以km为单位，频率f以MHz为单位时：)(lg20)(lg2045.92)(GHzfkmddBL)(lg20)(lg2045.32)(MHzfkmd

2、dBL传输方程功率通量密度：w 表示发射功率经过空间传播到达接收点后，在单位面积内的功率。 Pfd=PtGt/(4d2)=EIRP/(4d2) （W/m2） Pfd=EIRP（dBW)-10lg(4d2) (dBW/m2)w 卫星转发器饱和通量密度：为使卫星转发器单载波饱和工作，在其接收天线的单位面积上应输入的功率。它反映了卫星转发器的灵敏程度。传输方程接收信号功率：24dGGPLGGPPrttrttr传输方程传输方程例：w 一颗卫星在4GHz时通过一副18dB增益天线，发射25W功率。网络中一个地球站，用一副直径为12m的天线(=65%)来接收，试确定： (1) 地球站的接收天线增益； (2

3、)假定从卫星到地球站的距离为40000km，求传播损耗(3) 求这个地球站的功率通量密度； (4) 在地球站天线输出处收到的功率。 (5) 如工作频率改为11.5GHz，重复上述计算，并比较结果。传输方程分析：w 天线增益G随着频率的增加而增大，但是传播损耗也增大，所以接收的功率通量密度和功率不变。结论：卫星链路对频率的变化是不敏感的：卫星链路对频率的变化是不敏感的w 从技术和经济因素，只对一定的频率范围感兴趣。例如卫星直播电视(DTH)，希望地球站的价格尽可能低，使用小口径天线。高频率卫星上能得到高的EIRP；同时地面上也能使用小口径高增益天线w 虽然卫星链路对频率变化是不敏感的，但是另一些

4、因素也会影响使用频率的选择卫星链路设计基本链路分析：w 上行载噪比计算w 总载噪比计算w 其他损耗w 门限载噪比w 再生型转发器计算基本链路分析上行载噪比计算：kBTGLEIRPkTBLGEIRPkTBLGGPNCrrtt1116 .228/)(BLTGEIRPdBNC基本链路分析上行载噪比计算：w 功率通量密度：w 用dB表示：w 载噪比：222444dEIRPdEIRPPfd24lg10LEIRPPfd6 .2284lg10/2BTGPNCfd基本链路分析上行载噪比计算：w 载波功率与等效功率谱密度的比值(C/no)： C/N=C/n0-B(dB)w 载波功率与等效噪声温度之比C/T： C

5、/N=C/T+228.6-B(dB) 6 .228/0LTGEIRPnCLTGEIRPTC/基本链路分析总载噪比计算：w 设卫星上接收到的载噪比为(C/N)u，它被通信卫星转发，重新发回地球。由卫星天线转发后的EIRP为EIRPs，载噪比为：C/N=(C/N)u，噪声功率为 ：w 接收地球站收到的载波加噪声为C(t)+N(t)+Nd(t) C(t)：上行载波功率经卫星转发后的功率 N(t)：上行噪声功率经卫星转发后的功率 Nd(t)：附加的均值为零的下行加性白噪声 usNCEIRPN)/(基本链路分析总载噪比计算；w 地球站的接收功率：w 伴随的下行噪声功率：w 下行附加噪声功率:Nd=kTB

6、w 在接收地球站，总的噪声功率为：LGEIRPLGGPPrsrttr1)/(ursurNCLGEIRPNCPNkTBNCLGEIRPNurs1基本链路分析总载噪比计算：w 整个卫星线路的载噪比：kTBLNCGEIRPLGEIRPNCusrs/)/(/1基本链路分析总载噪比计算：w 卫星线路的基本方程：w 如果(C/N)u(C/N)d，则C/N(C/N)d，卫星线路是下行线受限制，这是卫星通信的常见情况w (C/N)u(C/N)d，则C/N(C/N)u，则认为卫星线路是上行线受限制111duNCNCNC基本链路分析其他损耗：w BOi和BOow 天线指向损耗w 大气层吸收损耗3210.30.51

7、.02345 （cm）0.010.11.010损耗（dB/km）图 6-11 水蒸汽和氧气的吸收损耗1：水蒸汽，10g/m3（在18时的相对湿度66）；2：氧，压强为15cm水银柱3：总的吸收损耗基本链路分析例：w 某Ku波段（14/12GHz）的卫星系统，它以TDMA方式工作，采用QPSK调制，系统参量如下：根据这些参数，计算载噪比。w 载波调制参数：比特率：60Mbps 噪声带宽：36MHz 比特持续时间带宽积:0.6w 卫星参数：天线增益噪声温度比：1.6dB/K；卫星饱和EIRP：44dBwTWTA输入回退量：0dB；TWTA输出回退量：0dBw 地球站参数天线直径：7m; 发射天线增

8、益(14GHz)：57.6dB接收天线增益(12GHz)：56.3dB; 进入天线的载波功率：174W最大的上行和下行距离：37506km跟踪损耗：1.2dB（上行）和0.9dB（下行）系统噪声温度：160k基本链路分析门限载噪比：w 为保证用户接收到的话音、图像和数据有必要的质量，接收机所必须得到的最低载噪比。w 对于模拟制信号通常用信噪比(S/N)表示传输质量的好坏w 对于数字通信，用误码率表示传输质量。与所要求的误码率相对应的Eb/n0也称门限电平，用(Eb/n0)th表示 C/n0=Eb/n0+R C/N=Eb/n0+R-B 基本链路分析再生型转发器计算：w 很强的信号处理能力，发展方

9、向。w 链路的各个部分是彼此独立的。因此误比特率为edeueuededeuePPPPPPP)1 ()1 (卫星链路设计第三节 干扰分析：w 载波噪声干扰比w 邻星干扰w 卫星通信中常见的其他干扰干扰分析载波噪声干扰比：w 载波噪声干扰比：C/(N+I)=C/Nw 总的载波噪声干扰比：w 所有的干扰都是高斯型的，且是彼此无关的广义平稳随机过程111ICNCNC111111duNCNCICNCNC干扰分析邻星干扰：A B 系统 A 系统 B 干扰分析邻星干扰：w 国际上的有关章程规定，相对峰值归一化(1或0dB)的副瓣包络电平： lg2529cos2222BABAddddd)cos1 (2cos2

10、22222rrrdBABAddrdd2)cos1 (2arccos222 dA r dB 卫星 A 卫星 B 干扰分析邻星干扰：w 上行干扰功率： EIRP：干扰信号在被干扰卫星A方向的EIRP fu：上行干扰频率 du：被干扰卫星A和干扰地球站B1之间的上行距离 Gu：被干扰卫星A的天线在地球站B1方向的增益 fufu， dudu24uuuufdcGPEIRI干扰分析邻星干扰：w 从地球站A2到卫星A的上行载波干扰比：w 用dB表示：w 用功率通量密度SFD表示：)()()()(/dBGdBGdBwPEIRdBwEIRPICuuuuuuGGDSFSFDICuuuGGmdBwDSFmdBwSF

11、DIC)/()/()/(22uuuuuuuuuGGPEIREIRPfdfdGGPEIREIRPIC干扰分析邻星干扰：)(lg2529)()()(*dBdBGdBwEIRPdBwPEIRi)(lg2529)()/()/(2*2dBdBGmdBwSFDmdBwDSFi)()()lg2529()()()(/*dBGdBGdBGdBwEIRPdBwEIRPICuuiuuuiuGGdBGmdBwSFDmdBwSFDIC)lg2529()()/()/()/(2*2干扰分析邻星干扰：w 从卫星A到地球站A1的下行载波干扰比：w 邻近卫星引起的总载波干扰比：)lg2529()()()()/(dBGdBwPEI

12、RdBwEIRPICssd111duICICIC干扰分析卫星通信中常见的其他干扰：w 地面微波系统的干扰w 正交极化干扰w 邻道干扰w 共信道干扰w 码间串扰卫星通信中常见的其他干扰地面微波系统的干扰：w 分配给卫星通信的6/4GHz同时用于地面微波线路w 地球站接收4GHz频带的信号，它对来自地面传输的4GHz微波干扰也很敏感w 地球站以6GHz频带发射，对使用6GHz频段接收的地面微波系统产生干扰w 地球站和地面微波系统间的相互干扰量是载波功率、载波谱密度和两载波间频率差值的函数卫星通信中常见的其他干扰地面微波系统的干扰：w 国际上规定： 对于地面微波通信系统，要求在卫星载波40kHz的带

13、宽内，其功率谱密度低于地球站接收功率谱密度25dB 进入地面微波系统的干扰功率基准为-154dBw/4kHz，并且干扰功率达到这个值的时间不许超过20%；或干扰功率基准为-131dBw/4kHz，且达到这个值的时间不超过0.01%卫星通信中常见的其他干扰正交极化干扰：w 由于极化的不完全正交造成的干扰称为交叉极化干扰(CPI)，即能量从一种极化状态耦合到另一种极化状态引起的干扰w 正交极化鉴别度的定义为对同一入射信号，收到的主极化功率对正交极化功率的比值w 卫星线路的净正交极化鉴别度，是地球站天线和卫星天线在上行和下行线的组合效果。最小净线路正交极化鉴别度： 111min)(21SeXXX卫星

14、通信中常见的其他干扰邻道干扰：w 邻道干扰(ACI)是一种来自相邻或相近信道的干扰。产生邻道干扰的主要原因： 相邻信道间隔太小和滤波不完全 其它站的寄生发射卫星通信中常见的其他干扰共信道干扰：w 为了充分利用卫星的频率资源，现代卫星通信系统很多采用频率复用技术，即把已有频段再使用一次 这种复用技术采用波束隔离的方法，即分别指向不同区域的两个波束传递各自的信息，但使用相同的频带w 由于天线方向图的旁瓣效应，两个波束之间不可能完全隔离，因此会相互产生干扰卫星通信中常见的干扰码间串扰：w 不是来自外部源，而是信道内部产生的。w 对于FDMA方式，存在交调干扰w 对于CDMA方式，存在多址干扰 卫星链

15、路设计第四节 大气损耗和降雨衰减：w 晴天的大气损耗w 降雨衰减w 解决降雨衰减的方法大气损耗和降雨衰减晴天的大气损耗：w 电离层吸收损耗。频率越低越严重。频率高于0.3GHz时可忽略w 对流层对卫星通信的影响。在频率低于10GHz，仰角在5以上时影响可忽略3210.30.51.02345 （cm）0.010.11.010损耗（dB/km）图 6-11 水蒸汽和氧气的吸收损耗1：水蒸汽，10g/m3（在18时的相对湿度66）；2：氧，压强为15cm水银柱3：总的吸收损耗 0.01 0.1 0.5 频率(GHZ) 电离层吸收损耗/dB 100 10 1 0.1 大气损耗和降雨衰减降雨衰减：w 降

16、雨衰减与两个基本参量有关：降雨强度Rp(mm/h)，出现的时间概率(P%)w 根据多年的降雨统计资料，将全球划分为极区、温带、热带、大陆性、海洋性、潮湿、干燥等8类地区，即A、B、C、H等w 由于世界各地降雨量、降雨概率差别很大，后来ITU又进行了雨区划分，将全球分为A、B、C、Q等15个区域。我国各地属于C、E、F、K、N五个区大气损耗和降雨衰减降雨衰减：w 中国0.01%时间百分比与降雨强度分布等值线图大气损耗和降雨衰减降雨衰减：w 影响降雨衰减Lr(dB)的因素： 降雨区垂直高度H，仰角E或D（表面投影线长度） 雨量大小或工作频率。w ITU推荐的降雨衰减计算公式为： ：雨区单位长度衰减

17、（dB/km） a、b：与工作频率、雨点大小、极化方式等有关 Le：通过雨区的有效长度(km)。与降雨云层厚度、降雨区范围、地球站天线仰角等数值有关。ebPrLaRL bpaR大气损耗和降雨衰减降雨衰减：w 对系统噪声温度的影响w 降雨对C/N、C/I的影响w 降雨衰减引起的极化效应 大气损耗和降雨衰减降雨衰减对系统噪声温度的影响：w 大大增加天线的噪声温度w 令Tr表示雨点温度，Lr表示降雨衰减，那么带宽B内的有效噪声功率就是kTrBw 通过衰减因子为Lr的雨区后，噪声功率为kTrB/Lr。雨吸收的功率为kTrB(1-1/Lr)，因此由衰减因子Lr引起的噪声温度为w 由降雨引起的噪声温度的增

18、大并不会影响卫星的系统噪声温度，因为它的天线总是对着290K的热地球 )11 (rrLTT大气损耗和降雨衰减降雨对C/N、C/I的影响：w 上行区下雨：衰减Lr,uw 下行区降雨：衰减Lr,d；G/T变为G/(T+T)大气损耗和降雨衰减降雨衰减引起的去极化效应：w 如果如射无线电波的极化面与雨滴长轴方向重合，则产生的相移与衰减最大w 如果与雨滴短轴方向重合，则产生的相移与衰减最小w 当一个线性极化波以夹角入射到此扁平的雨滴，通过雨滴后的电波就不再是线性极化而是变成有一定倾角的椭圆极化波了w 电波通过雨滴不仅损耗能量、并且产生交叉极化分量，导致XPD降低，进而C/I降低。大气损耗和降雨衰减解决降

19、雨衰减的方法：w 途径分集w 上行功率控制w 加信道编码纠错卫星链路设计卫星系统的可用度和实例：w 卫星系统的可用度w 卫星链路设计思路w 链路设计实例卫星系统的可用度和实例卫星系统的可用度：w 如果一年中的时间百分比p中，误码率超出Pb门限值，则链路中断。链路可用概率为：w 卫星系统的可用度：从发送地球站经过卫星，再到接收地球站的整个系统的可用度。 PA1：发送地球站的可用度 PA2：接收地球站的可用度 PAL：链路可用度 PAS：卫星可用度w 通常用一年中有多少时间百分比卫星链路处于正常工作状态来表示它的可用度PAL，也采用它来表示卫星系统可用度PA%1pPALASALAAAPPPPP21

20、卫星系统的可用度和实例卫星链路设计思路：w 链路设计主要工作w 地球站对链路设计的影响w 卫星对链路设计的影响w 信道对链路设计的影响w 链路可用度的选择w 参数的选择卫星链路设计思路 链路设计主要工作有：w 选择使用的频段w 计算并合理分配噪声w 确定用户载波占用的卫星功率、带宽及占用比w 用户载波占用的地球站功率w 地球站天线的尺寸和功率的大小 卫星链路设计思路地球站对链路设计的影响：w 地理位置提供：降雨衰减的估计，卫星视角，地球站方向卫星的EIRP，地球站卫星路径损耗w 地球站EIRP提供：发送天线增益，发送功率w 接收天线增益与地球站的灵敏度有关w 系统噪声温度也与地球站的灵敏度有关

21、w 交调噪声影响总的载噪比w 设备特性（解调器实现的余量、正交极化鉴别度、滤波器特性）规定的附加链路余量。卫星链路设计思路卫星对链路设计的影响：w 卫星的位置关系到覆盖区和地球站视角w 接收天线增益和辐射方向性图关系到灵敏度和覆盖面积w 转发器增益和噪声特性关系到卫星的EIRPs和Gu/Tu值w 交调噪声影响到地球站接收机上总的载波对噪声功率比w 转发器类型（透明或再生型）影响到系统的噪声预算w 发射功率关系到卫星发射的EIRP卫星链路设计思路信道对链路设计的影响：w 工作频率关系到路径损耗和链路余量w 调制和编码特性控制着要求的载噪比w 系统之间的噪声影响着系统噪声预算w 传播特性控制着链路余量和调制与编码方案的选择卫星链路设计思路链路可用度的选择：w 指链路在长期运行时能保证规定质量的时间百分比。它主要受降雨衰减的影响。其他原因，较小程度上有日凌中断现象，还有卫星转发器故障在内的硬件故障等。w 规定的链路可用度： 通信：99.7% 电视：99.3% 卫星链路设计思路链路可用度的选择：w 需要提供的降雨衰减余量： C波段，上行：1dB，下行：0.5dB