第4章1 卫星通信系统

1、通信卫星的分类通信卫星的分类按轨道分：赤道轨道，极轨道，倾斜轨道，同步按轨道分：赤道轨道，极轨道，倾斜轨道，同步卫星，移动卫星，卫星，移动卫星，GEO，MEO，LEO； 按通信范围分类：国际通信卫星，区域性通信卫按通信范围分类：国际通信卫星，区域性通信卫星，国内通信卫星；星，国内通信卫星；按用途分类：综合业务通信卫星，军事通信卫星，按用途分类：综合业务通信卫星，军事通信卫星，海事通信卫星，电视直播卫星，气象卫星等；海事通信卫星，电视直播卫星，气象卫星等；按转发能力分类：无星上处理能力，有星上处理按转发能力分类：无星上处理能力，有星上处理能力；能力；按频段分类按频段分类0.1-0.3（GHz），

2、），VHF，移动移动、导航业务；导航业务；0.3-1.0，UHF，移动、导航业务；移动、导航业务；1.0-2.0，L，移动业务、指令传输；移动业务、指令传输；2.0-4.0，S，移动业务、指令传输；移动业务、指令传输；4.0-8.0 (4/6)，C，固定业务；固定业务；8.0-12.0，X；12.0-18.0 (12/14)，Ku，固定业务；固定业务；18.0-24.0，K ；24.0-30.0，Ka；33.0-50.0，Q ； 50.0-75.0，V。按重量分类按重量分类大型卫星，大型卫星，Large，1000kg，1亿美元；亿美元；小卫星，小卫星，Small，500-1000kg，0.5-

3、1亿美元；亿美元；微小卫星，微小卫星，Mini，100-500kg，500-2000万美元；万美元；微卫星，微卫星，Micro，10-100kg，200-300万美元；万美元；纳卫星，纳卫星，Nano，10kg，100万美元；万美元；皮卫星，皮卫星，Pico ，1kg。 下图是静止卫星与地球相对位置的示意图。由此可见，只需三颗等间隔配置静止卫星就可以实现全球通信。卫星系统的结构卫星系统的结构卫星的主要设备包括下列卫星的主要设备包括下列七大系统七大系统 位置与姿态控制系统位置与姿态控制系统 ；天线系统天线系统 ；转发器系统转发器系统 ；遥测指令系统遥测指令系统 ；电源系统电源系统 ；温控系统温控

4、系统 ；入轨和推进系统入轨和推进系统。推进系统的自旋控制推进系统的自旋控制8链路传输工程 概述 星地链路传播特性 卫星通信全链路质量9概述 星际链路： 只考虑自由空间传播损耗。 星-地链路： 由自由空间传播损耗和近地大气层的各种影响所确定； 卫星通信的电波要经过对流层（含云层和雨层）、平流层、电离层和外层空间，跨越距离大，影响电波传播的因素很多。10热层（电离层）热层（电离层）80 - 500 km80 - 500 km中间层中间层50 - 80 km50 - 80 km 平流层平流层16 - 50 km16 - 50 km对流层对流层7- 16 km7- 16 km外逸层外逸层500 - 6

5、4,374 km500 - 64,374 km11卫星通信系统的主要技术参数12(1)天线增益G 卫星通信中所使用的喇叭天线、抛物面天线等面天线的增益可按下式计算：24 AG v其中，其中，A为天线口面面积，为天线口面面积， 为波长，为波长， 为天为天线效率，现代卡塞格伦天线的线效率，现代卡塞格伦天线的 可达可达0.75(f=4GHz)或或0.65(f=6GHz)左右。左右。vA 也称为天线的有效接收面积也称为天线的有效接收面积Ae。13(2) 等效全向辐射功率（EIRP）v 定义：地球站或卫星的天线发射的功率P与该天线增益G的乘积。表明了定向天线 在最大辐射方向实际所辐射的功率。可表示为 E

6、IRP=PG或 EIRP(dBW)= P(dBW)+G(dB)v 上行链路功率辐射能力通常用等效全向辐射功率（EIRP）来衡量。Equivalent Isotropic Radiated Power14(3) 馈线损耗(L) 实际的发射装置中，发射机和天线之间有一段馈线，馈线损耗定义为其输入端功率Pin与输出端功率Pout的比值。L=Pin/Pout 通常用dB为单位，表示为L(dB)=Pin(dBW)-Pout(dBW)15(4) 传输损耗(L) 卫星通信中，电波在上行或下行链路中传输时，会受到各种因素的影响而产生损耗。最主要的是自由空间传播损耗，此外，还应考虑大气损耗、天线跟踪误差、极化方

7、向误差等所产生的损耗。 通常用dB为单位。16(5) 等效噪声温度（Te）和噪声系数(NF) 噪声温度是通信接收机中的一个重要概念，利用它可以衡量接收系统中产生的热噪声大小。 噪声功率为kTBBnN0v其中，其中，k为波耳兹曼常数，为波耳兹曼常数，1.3810-23J/K；T为噪声源的噪声温度，单位为为噪声源的噪声温度，单位为K。B为系为系统带宽为统带宽为B，单位，单位Hz。17 在实际卫星通信中，其内部总是会产生热噪声或其他噪声。为了链路分析和设计的方便，把这些噪声统统等效成热噪声来处理，因而引入等效噪声温度Te的概念。 假设网络内部产生噪声为N，如果一个输入匹配电阻在温度Te时产生的噪声功

8、率刚好等于N，则Te即为该网络的等效噪声温度。 Te是一个等效温度，不等于环境的物理温度。BkTNe18 除等效噪声温度外，通常噪声系数也被用来表示系统的噪声性能。噪声系数定义为：室温(290K)条件下，网络的输入信噪比和输出信噪比的比值 噪声温度(Te)与噪声系数(NF)的关系为NF=10lg(1+Te/290)dBooiiFNSNSN/19(6) 品质因数（G/T ）v 下行接收系统的性能主要通过品质因数G/T来体现。v 定义：接收天线增益与接收系统总的等效噪声温度的比值。 G/T=G(dB)-10lgT (dB/K)20星-地链路传播特性 卫星通信的电波在传播中要受到损耗，其中最主要的是

9、自由空间传播损耗，它占总损耗的大部分。其它损耗还有大气、雨、云、雪、雾等造成的吸收和散射损耗等。卫星移动通信系统还会因为受到某种阴影遮蔽(例如树木、建筑物的遮挡等)而增加额外的损耗，固定业务卫星通信系统则可通过适当选址避免这一额外的损耗。211 自由空间传播损耗 自由空间传播，是指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件。 电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。 自由空间电波传播是无线电波最基本、最简单的传播方式。自由空间是一个理想化的概念，为人们研究电波传播提供了一个简化的计算环境。22 虽然电波在自由空间里传播不受阻挡，不产生反射、折射、绕射、散

10、射和吸收，但是，当电波经过一段路径传播之后，能量仍会受到衰减，这是由辐射能量的扩散而引起的。 电波在传播过程中，能量将随传输距离的增大而扩散，由此引起的传播损耗称为链路的自由空间传播损耗。23 经电磁场理论推导，自由空间传播损耗Lf为 fddBLflg20lg2044.92)(其中，其中，d为传播距离，单位为为传播距离，单位为km f为工作频率，为工作频率，单位为单位为GHz传播距离传播距离d越远，自由空间路径损耗越远，自由空间路径损耗Lf越越大，当传播距离大，当传播距离d加大一倍时，自由空间加大一倍时，自由空间路径损耗路径损耗Lf就增加就增加6dB。电波频率电波频率f 越高，自由空间路径损耗

11、越高，自由空间路径损耗Lf就就越大，当电波频率越大，当电波频率f 提高一倍时，自由空提高一倍时，自由空间传播损耗间传播损耗Lf就增加就增加6 dB。 于是，若接收机与辐射源（发射机）相隔的距离为于是，若接收机与辐射源（发射机）相隔的距离为d d，接，接收天线的有效面积为收天线的有效面积为A A，则所接收的信号载波功率，则所接收的信号载波功率p pr r为（假定为（假定辐射源是定向辐射，其天线增益为辐射源是定向辐射，其天线增益为G Gt t）自由空间自由空间传播传播损耗计算损耗计算22(4)rrtrtpp AGG Pd24rAG24ttrp Gpd自由空间自由空间传播损耗传播损耗在不考虑发射与接

12、收天线增益的情况下（即在不考虑发射与接收天线增益的情况下（即G Gt t、G Gr r都为都为1 1）发射功率与接收功率之比定义为自由空间传播损耗，记作发射功率与接收功率之比定义为自由空间传播损耗，记作L Lf f。于是有于是有（二）自由空间传播损耗（二）自由空间传播损耗2222222(4)4(4)ttfrtrtppdLd fpcGG Pd（二）自由空间传播损耗（二）自由空间传播损耗22222(4)4fdLd fc式中，式中，f f为电波频率；为电波频率；c c为电波传播速度，约为为电波传播速度，约为3 310108 8 m/s m/s 。（二）自由空间传播损耗（二）自由空间传播损耗用分贝表示

13、自由空间电波传播损耗时，用分贝表示自由空间电波传播损耗时，L Lf f为为222222228(4)410lg10lg410lg10lg10lg43.1420lg20lg20lg3 1092.4420lg20lgfdLd fcdfcdfdf 28自由空间损耗与传播路径长度的关系自由空间损耗与传播路径长度的关系29v例：卫星和地面站之间的距离为例：卫星和地面站之间的距离为40,000km。计算计算6GHz时的自由空间损耗。时的自由空间损耗。解：解： )(05.2006lg2040000lg2044.92lg20lg2044.92dBfdLf302 链路附加损耗和噪声 卫星通信系统涉及空间段和地面段

14、，存在各种各样的噪声和干扰。信号传播过程中除自由空间传播损耗外，还有其它一些附加损耗。1、 大气吸收损耗 在大气各种气体中，水蒸汽、氧气对电波的吸收衰减起主要作用，称为大气吸收损耗。31大气吸收附加损耗与频率的关系大气吸收附加损耗与频率的关系H2OO232 如图，总体上看，大气吸收损耗随频率的增加而加大。由于在22GHz和60GHz处有较大的损耗峰存在，这些频率不宜用于星-地链路，但可用于星间链路。在0.3-l0GHz的频段，大气损耗小，适合于电波传播，这一频段是当前应用最多的频段。30GHz附近也有一个低损耗区，正式Ka频段的“无线电窗口”。332、 雨衰和云雾雪的影响 由降雨引起的电波传播

15、损耗的增加则称为雨衰。雨衰是雨滴对微波能量的吸收和散射产生的，并随着频率的增高而加大。通常在Ku波段及其以上波段，雨衰的影响不容忽视。 雨衰的大小与雨量大小，以及电波穿过雨区的有效传输距离有关。 为保证可靠通信，在进行链路设计时，通常先以晴天为基础进行计算，然后留有一定余量，以保证降雨、下雪等情况仍然满足通信质量要求，这个余量叫降雨余量。34降雨衰减系数的频率特性降雨衰减系数的频率特性353、大气折射的影响 在大气层中，离地球表面越高，空气密度越低，对电波的折射率也随之减小，使电磁波在大气层中的传播路径出现弯曲。 由于折射的影响，这就使得电磁波到达卫星站 (或地球站 )时偏离了原来的位置。因此

16、，地球站对准卫星的仰角，卫星的可视性都与在自由空间时不同且还产生附加损耗等。相比自由空间传播，波束上翘一个角度增量。 大气折射在低仰角通信时比较严重。3637微波信号通过大气层时产生折射微波信号通过大气层时产生折射384、电离层、对流层闪烁的影响 闪烁的概念：地球站与卫星间的无线电波通过电离层和对流层时，由于该层媒质小范围折射率不规则的起伏变化，使地面接收到的信号振幅与相位发生快速的起伏现象，这种起伏变化称为闪烁。39电离层闪烁形成多径传播电离层闪烁形成多径传播40 电离层闪烁：由电离层内电子密度的随机不均匀性，可使信号产生折射。主要对较低频段(1GHz以下)的电波产生明显的散射和折射，引起信

17、号衰落。 对流层闪烁：由于对流层的温度、湿度的逆变或湍流运动，引起折射指数的不均匀性，对电波产生散射。主要影响低仰角和10GHz以上频率，强度随电波频率的升高而增大 。 对闪烁深度大的地区，用编码、交织、重发等技术来克服衰落，减少闪烁的影响；其它地区可用适当增加储备余量的方法克服闪烁的影响。 415、多径传播 电波在移动环境中传输时，会受到地形、地物的影响而产生反射、绕射、散射等，从而使电波沿着各种不同的路径传播，到达接收天线时，已经成为通过各个路径到达的合成波，这称为多径传播。 各传播路径分量的幅度和相位各不相同，接收端多径信号可能同相叠加，信号增强，也可能反相抵消，合成信号被减弱，由此形成

18、的合成信号起伏不定，称为多径衰落。42地面反射形成的多径传播地面反射形成的多径传播436、系统热噪声 热噪声，又称白噪声。只要传导媒质不处于绝对零度 （-273C），其中的带电粒子就存在随机运动，产生对信号形成干扰的噪声，称为热噪声。 热噪声是由导体中电子的热震动引起的，它是温度变化的结果，但不受频率变化的影响。热噪声是在所有频谱中以相同的形态分布，它是不能够消除的。 44热噪声功率kTBN k为波耳兹曼常数，为波耳兹曼常数，1.3810-23J/K；T为噪声源的噪声温度，单位为为噪声源的噪声温度，单位为K；B为系统带宽，单位为系统带宽，单位Hz 。457、宇宙噪声 宇宙噪声来自于外层空间星体

19、的热气体在星际空间的辐射，包括银河系辐射噪声、太阳辐射噪声和月球、行星等射电源辐射噪声，其中最主要的噪声干扰源来自太阳。 在太阳处于寂静期时，只要接收机的天线不对准太阳，太阳噪声对系统的影响不大。但在每年的春分和秋分前后若干天，每天会有几分钟时间日凌日凌中断，造成严重干扰。干扰发生的具体时间与地球站位置有关。468、大气和降雨噪声 电波穿过电离层、对流层时，水蒸气和氧分子的谐振会吸收电波能量而带来附加损耗，同时产生电磁辐射形成噪声，即大气噪声。 降雨除了衰减信号以外还引起噪声温度的增加和去极化的发生，降雨引起的衰减对信号影响较明显，因此，一般情况下都要考虑雨衰的影响，在进行较精确的计算时也还要

20、考虑降雨噪声和去极化等因素。 工程上，降雨噪声和雨衰往往一并考虑，用留有足够系统余量的方法来解决。479、其它噪声干扰 卫星通信系统内的其他噪声干扰主要包括系统间干扰、共道干扰、互调干扰、交叉极化干扰等。系统间干扰：如卫星通信系统与地面微波通信系统之间的干扰。共道干扰：为了充分利用频率资源，常采用空间频率复用技术，相同频道可能分配在指向不同地区的两个波束覆盖区，但波束间的隔离往往并不十分理想，从而产生共信道干扰。48交叉极化干扰：为了充分利用频率资源，卫星通信系统常采用极化隔离频率复用技术，即两个波束的指向区域可能是重叠的并且使用相同的频率，通过使用不同的极化方式来实现信号间的隔离。由于极化的

21、不完全正交可能造成干扰，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。这也是一种共道干扰。在微波和波长更短的波段，去极化主要产生于雨、冰晶。49互调干扰： 卫星转发器中采用了高功率放大器(HPA, High Power Amplifier)，当转发器用于转发多载波信号时，HPA可以同时放大多个载波信号(几个、十几个甚至几百个载波) 。 目前卫星转发器的功放级大都采用行波管放大器(TWTA) ，作为功放级的TWTA，是一个非线性放大器，它的幅度特性是非线性的，交调干扰主要是由放大器的非线性特性引起的。50传播问题传播问题物理原因物理原因主要影响主要影响衰减和天空噪声衰减和天空噪声增加增加大

22、气气体、云、雨大气气体、云、雨大约大约10GHz以上频率以上频率信号去极化信号去极化雨、冰结晶体雨、冰结晶体C和和Ku频段的双极化系统频段的双极化系统（取决于系统结构）（取决于系统结构）折射和大气多径折射和大气多径 大气气体大气气体低仰角跟踪和通信低仰角跟踪和通信信号闪烁信号闪烁对流层和电离层折对流层和电离层折射扰动射扰动对流层：低仰角和对流层：低仰角和10GHz以上频率以上频率电离层：电离层：10GHz以下频率以下频率反射多径和阻塞反射多径和阻塞 地球表面及表面上地球表面及表面上物体物体卫星移动业务卫星移动业务传播延迟、变化传播延迟、变化 对流层和电离层对流层和电离层精确的定时、定位、精确的

23、定时、定位、TDMA系统系统卫星通信系统的传播问题卫星通信系统的传播问题513.3 卫星通信全链路质量 链路预算分析52PT：发射功率Pr：电波经自由空间传播后的接收信号功率Lt：发射机到发射天线的波导传播损耗（馈线）Lr：接收天线到接收机的波导传播损耗Lf：自由空间传播损耗由此获得功率平衡方程frtrttrLLLGGPP v若功率单位为若功率单位为dBW，损耗单位为，损耗单位为dB，则功率平衡，则功率平衡方程可写为方程可写为rrrftttPLGLGLP53 传输损耗(L) 实际卫星通信中，除自由空间传播损耗，此外，还应考虑大气损耗、天线跟踪误差、极化方向误差等所产生的损耗。 总的传输损耗是各

24、种损耗之和。v定义发射机的等效全向辐射功率定义发射机的等效全向辐射功率EIRP为：为：EIRP=Pt-Lt+Gtv由此，功率平衡方程可写为由此，功率平衡方程可写为rrrfPLGLEIRP54 根据前面对热噪声的分析，接收机的输入噪声功率为kTBBnN0k为波耳兹曼常数，为波耳兹曼常数，1.3810-23J/K；B为系统的带宽；为系统的带宽；T为接收系统的为接收系统的等效噪声温度等效噪声温度，它包括天线、，它包括天线、馈线和接收机在内的所有噪声的等效噪声温馈线和接收机在内的所有噪声的等效噪声温度。以接收机输入端为参考点，将天线、馈度。以接收机输入端为参考点，将天线、馈线的噪声温度折算到接收机输入

25、端，并与接线的噪声温度折算到接收机输入端，并与接收机内部噪声折算的等效噪声温度相加。收机内部噪声折算的等效噪声温度相加。55 （地球站）天线噪声主要包括了由天线主瓣进入天线的宇宙噪声、大气噪声，和由天线旁瓣进入的地面噪声、大气噪声和太阳噪声。同时，下雨时还有雨的吸收噪声。 一般来说，晴天条件下天线噪声温度大约在30-50K的范围，然而它与下列因素有关：仰角（仰角越大，噪声越小）；天线直径（直径越大，噪声越小）；天气条件（雨天噪声剧增，特别是10GHz以上的频段）。56 卫星通信中，通常用载噪比载噪比来衡量整个链路性能。 用C表示接收信号载波功率(相当于前面的Pr)，G表示接收天线增益(相当于前

26、面的Gr)，N表示接收端的噪声功率 于是，接收信号的载噪比（载波功率与噪声功率之比）C/N为kTBLLLGGPNCfrtrtt57 EIRP=PtGt L=LfLtLr 为系统总的传输损耗，G/T为接收系统的品质因数，于是，C/N化简为)(6 .228dBBLTGEIRPNCBLkTGEIRPkTBLLLGGPNCfrtrtt111v以以dB为单位为单位58 在进行链路预算分析时，为了避免涉及接收机的带宽，也常用载波功率与等效噪声温度之比C/T反映系统的性能TGLEIRPTGLLLEIRPTCfrt/v式中，式中，L=LfLtLr 为总的传输损耗，为总的传输损耗，G/T为接为接收系统的品质因数

27、，它是评价接收机性能收系统的品质因数，它是评价接收机性能好坏的重要参数，好坏的重要参数，G/T越大，接收性能越好。越大，接收性能越好。)/(LTGEIRPKdBTC59 不同类型的卫星通信系统，对G/T的要求有较大差异。例如 国际卫星七号（IS-）的工作于全球波束的空间站G/T值为-11.5dB/K，天线仰角大于5度的A型标准地球站，在晴天的G/T值应满足：G/T40.7+20lg(f/4)。 欧洲通信卫星（EUTELSAT）是区域性波束覆盖，空间站G/T值为-5.3dB/K，而对地球站G/T的要求为37.7 dB/K +20lgf/4。 卫星移动通信的地面移动终端天线增益通常只有12dB，G

28、/T在-22-23 dB/K左右。60 例：假设卫星链路的传播损耗为200dB，余量和其它损耗总计为 3dB，接收机的G/T值为11dB/K，EIRP值为45dBW。计算系统接收到的C/N值。（假设带宽为36MHz）解：解：kTBLLLGEIRPNCfrt/ )(04. 656.756 .22832001145/dBBkLTGEIRPNC61 例：载波频率12GHz，自由空间损耗206dB，天线指向损耗1dB，大气损耗2dB，接收机的G/T值为19.5dB/K，接收机馈线损耗1dB。EIRP为48dBW。计算载噪比。（假设带宽为10MHz）解：解： )(1 .16706 .2281212065

29、 .1948/dBBkLTGEIRPNC62 例：已知IS-IV号卫星工作在C波段，卫星和地球站相距d=40000km，作点波束1872路运用时，其有效全向辐射功率EIRPS=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EIRPE=98.6dBW，接收天线增益GRE=60.0dB。接收馈线损耗LF=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。63解：距离解：距离d=40000km， C波段上行链路工作波段上行链路工作频率为频率为6GHz，下行链路工作频率为，下行链路工作频率为4GHz，则上行链路自由空间传播损耗为则上行链路自由空间传播损耗为)(04.200lg20lg2044.92dBfdLU)(52.196lg20lg2044.92dBfdLD下行链路自由空间传播损耗为下行链路自由空间传播损耗为64 上行链路，地球站发射，卫星接收。地球站有效全向辐射功率EIRPE=98.6dBW，卫星接收天线增益GRS=16.7dB，接收机载波功率 )(74.84dBWLGEIRPCURSESv下行链路，卫星发射，地球站接收。卫星下行链路，卫星发射，地球站接收。卫星 EIRPS=34.2dBW ，地球站接收天线增益，地球站接收天线增益GRE=60.0dB，接收馈线损耗，接收