第3章卫星通信链路设计

1、1 1第3章 卫星通信链路设计 3.1 接收机输入端的载噪比接收机输入端的载噪比 3.2 卫星通信链路的卫星通信链路的C/T值值 3.3 数字卫星链路的计算数字卫星链路的计算习题习题2 2链路传播特性链路传播特性u星际链路：只考虑自由空间传播损耗u星-地链路：由自由空间传播损耗和近 地大气的各种影响所确定3 3 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。热层（热电离层）（Thermosphere） 80 - 500 km中间层（Mesosphere）50 - 80 km 平流层（Stratosphere） 16 - 50 km对流

2、层（Troposphere） 7- 16 km 外逸层（外逸层（ExosphereExosphere） 500 - 64,374 km500 - 64,374 km4 4传播问题物理原因主要影响衰减和天空噪声增加大气气体、云、雨大约10GHz以上频率信号去极化雨、冰结晶体C和Ku频段的双极化系统折射和大气多径大气气体低仰角跟踪和通信信号闪烁对流层和电离层折射扰动对流层：低仰角和10GHz 以上频率电离层：10GHz以下频率反射多径和阻塞地球表面及表面上物体卫星移动业务传播延迟、变化对流层和电离层精确的定时、定位卫星通信系统的传播问题卫星通信系统的传播问题5 51、6 卫星通信工作频段及电波传播

3、特点卫星通信工作频段及电波传播特点1.6.1 工作频段的选择 工作频段主要考虑电离层的反射、吸收；对流层的吸收、散射损耗等因数与频率的关系。6 67 7一般工作频段选择在1G10G；最理想的频率在46G。9 91.6.2 电波传播的特点1、自由空间的传播损耗 卫星通信中电波的损耗主要有自由空间的传播损耗和大气损耗。由于卫星一般位于34万千米的太空，所以主要考虑自由空间传播的损耗。 在自由空间传播过程中，接收信号的功率为：PT 为天线发射功率； G T 为发射天线增益； A R为接收天线开口面积； G R 为接收天线增益。自由空间传播损耗为：以分贝为单位表示为：式中d为地球站到静止卫星的距离，可

4、以取d=40000km 电磁波在传播过程中除了与距离的平方呈反比衰减外，还要受大气因数（如水分、电离层等）的影响，而衰减。 各种因数的影响见下图：11 11下图为 雨、雾、云引起的损耗：13 13卫星通信系统的主要技术参数等效全向辐射功率（等效全向辐射功率（EIRPEIRP） 定义：地球站或卫星的天线发射功率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。 EIRP=PG，或 EIRP(dBW)= P(dBW)+G(dB)噪声温度（噪声温度（T Te e） 定义：将噪声系数折合为电阻元件在相当于某温度下的热噪声，温度以绝对温度K计。噪声温度（Te）与噪声系数(NF）的

5、关系为：NF=10lg(1+Te/290)dB品质因素（品质因素（G/TG/Te e） 定义：天线增益与噪声温度的比值。 G/Te=G(dB)-10lgTe(dB/K)14 14天线增益的计算公式天线增益的计算公式 卫星移动通信系统中的天线增益可以按下式进行计算： (2-3)式中，A是天线口面的有效面积(m2)，是工作波长（m），为天线效率，Ae为接收天线有效面积。其中=c/f，c为光速，取值为3*108(m/s)。(2-3)式作变换，则2244 (2-3)eAGA22244 AfGAc15 15例一 计算频率为6GHz时，口径3m的抛物面天线的增益。（天线效率为0.55）解：根据292284

6、61030.55231010 lg42.9 (dB)GGG22244 AfGAc16 16一、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。自由空间传播损耗自由空间传播损耗 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。17 17图图2-1 以确定的天线面积在不

7、同距离上接收辐射能量以确定的天线面积在不同距离上接收辐射能量2 (2-1)4trPPd18 18自由空间传播损耗计算公式自由空间传播损耗计算公式电波从点源全向天线发出后在自由空间传播，能量将扩散到一个球面上。如用定向天线，电波将向某一方向会聚，在此方向上获得增益，那么到达接收点的信号功率为： 其中：PT为发射功率;GT为发射天线增益;GR为接收天线增益；Lf为自由 空间传播损耗。 TTRRfP GGPL2244 ( 2 -5 )fdd fLcd为传播距离，为工作波长，C为光速，f为工作频率。 Lf通常用分贝表示，当d用km、f用GHz表示时，又可以表示为92.4420lg20lg (dB) (

8、2-8)fLdf19 19l例二 卫星和地面站之间的距离为42,000km。计算6GHz时的自由空间损耗。解：根据公式（2-8）， Lf=92.44+20lg42000+20lg6=200.46 (dB)92.4420lg20lg (dB) (2-8)fLdf2020功率密度的计算公式功率密度的计算公式 功率密度（功率通量密度）是指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。可以表示为（2-1）式。（2-2）式中，PT为天线的发射功率（W），GT为发射天线的增益，d为自由空间传播距离。22 (W/m ) (2-2)4ttrG PPd21 21例三 卫星的EIRP值为49.4dBW，计

9、算卫星离地面距离为40000km时，地面站的功率密度。解：根据式（2-1）， 4.94222104.33 (pW/m )44 3.141640000 1000TTrG PPd22 (W/m ) (2-1)4ttrG PPd地面站的功率密度为2222接收信号功率的计算公式接收信号功率的计算公式若接收信号的有效接收面积为A，则接收到的功率为：若用接收天线增益（式2-3）来表示，上式可以改写为：2 4TTRrG PPPAAd2 (2 -4 )4RTTRPGPGd2244 (2-3)ReAGA2323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、卫星转发器和下行链路。上行链路的

10、信号质量(如误码性能)取决于卫星收到的信号功率电平和卫星接收系统的噪声功率电平大小。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电平和地球站接收系统的噪声功率电平的大小。2424图图2-2 2-2 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92.4420lg20lg (dB) (2-8)fLdf2525 卫星通信系统线路的设计与计算卫星通信系统线路的设计与计算1 1）、卫星通信系统线路的要求：）、卫星通信系统线路的要求：保证通信质量，保证通信质量，使接收到的射频载波功率必须远大于噪声功率。使接收到的射频载波功率必须远大于噪声功率。2 2）设计的主要内容：）设计的主要

11、内容：通过对解调前通过对解调前载波功率与载波功率与等效噪声温度之比等效噪声温度之比 C/T C/T 的计算，的计算，设计通信链设计通信链路。路。26264.1 传输方程传输方程 图4-1绘出与链路设计有影响的、一个网络的主要组成部分。由信号的始发站到终点站，从无线电链路设计的目标来看，可以划分为：地球站 卫星链路 (或上行链路)；卫星；卫星 地球站 (或下行链路) 三部分。2727图图4-1 用于端对端链路设计的、用于端对端链路设计的、从信号始发站到终点站的无线电链路划分从信号始发站到终点站的无线电链路划分 2828 4.1.2 传输方程传输方程 传输方程是设计无线电链路的基础。这个方程描述发

12、送地球站发送的传输方程是设计无线电链路的基础。这个方程描述发送地球站发送的射频功率，与接收地球站收到的射频信号功率、传输频率、和发射射频功率，与接收地球站收到的射频信号功率、传输频率、和发射机到接收机之间距离的关系。机到接收机之间距离的关系。 2929传输方程为： C = PT GT GR (/ 4d)2 用分贝形式表示有： C (dBW) = PT (dBW) + GT (dB) + GR (dB) 20 lg (4 d/) 3030单向空间链路示意图 3.43.4卫星通信线路载波功率与噪声功率比的计算卫星通信线路载波功率与噪声功率比的计算31 311 1、载波功率计算、载波功率计算 上行载

13、波功率上行载波功率 CS （即卫星接收端输入率）即卫星接收端输入率）载波功率载波功率 C 下行载波功率下行载波功率 CE （即地球接收端输入率）即地球接收端输入率） 载波功率与发射功率载波功率与发射功率P PT T、发射天线增益发射天线增益G GT T、接收天线增接收天线增益益G GR R成正比，与各种损耗成正比，与各种损耗L L成反比。成反比。用分贝功率表示为：用分贝功率表示为： C = EIRP + GR - L （dBWdBW）式中式中EIRP = PEIRP = PT T G GT T（W W）或或 EIRP = P EIRP = PT T + + GGT T （dBWdBW） EIR

14、P称为称为有效全向辐射功率有效全向辐射功率，是指卫星和地球站发射是指卫星和地球站发射天线在波束中心轴向上辐射的功率。天线在波束中心轴向上辐射的功率。32323.1.1 接收机输入端的载波功率接收机输入端的载波功率卫星或地球站接收机输入端的载波功率一般称为载波接收功率，记做C，C以 dBW(以1瓦为零电平的分贝)为单位，由式(1-6)可得C=EIRPGRLP(3-1)其中，GR为接收天线的增益(dBi)，LP为自由空间损耗(dB)，EIRP为发射机的有效全向辐射功率(dBW)。3.1 接收机输入端的载噪比接收机输入端的载噪比3333若考虑发射馈线损耗LFT(dB)，由式(1-9(b)，则有效全向

15、辐射功率EIRP为EIRP=PTLFTGT(3-2)若再考虑接收馈线损耗LFR(dB)、大气损耗La(dB)、其它损耗Lr(dB)，则接收机输入端的实际载波接收功率C(dBW)可以表示为C=PTLFTGTGRLPLFRLaLr(3-3)3434 例例31 已知已知ISW号卫星作点波束号卫星作点波束1872路运用时，其有路运用时，其有效全向辐射功率效全向辐射功率EIRPS342dBW，接收天线增益接收天线增益GRS167dB。又知某地球站有效全向辐射功率又知某地球站有效全向辐射功率EIRPE986dBW，接收天线增益接收天线增益GRE60.0 dB，接收馈线损耗接收馈线损耗LFRE0.05dB。

16、试计算卫星接收机输入端的载波接收功率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和地球站接收机输入端的载波接收功率CE。 解解 ： 若上行线路工作频率为若上行线路工作频率为6GHz，下行线路工作频率为下行线路工作频率为4GHz，距离距离d=40000 km，则利用则利用(1. 3)式可求得上行线路式可求得上行线路传输损耗传输损耗Lu为：为： Lu= 92.44+20lg40000+20lg6=20004（dB）下行线路传输损耗下行线路传输损耗LD为为: LD92.44+20lg40000+20lg4= 19652（dB）3535 利用利用(35)式式(忽略忽略La

17、、Lr和和LFRS)求得卫星接收机输入端求得卫星接收机输入端的载波接收功率的载波接收功率Cs为：为： Csl=EIRPE十十GRS一一Lu一一84. 74dBW地球站接收机输入端的载波接收功率地球站接收机输入端的载波接收功率CE(忽略忽略La和和Lr)为：为： CEEIRPs十十GRE一一LD 一一LFRS-10237dBW36363.1.2 接收机输入端的噪声功率接收机输入端的噪声功率在卫星通信链路中，地球站接收到的信号是极其微弱的。特别是在地球站中，由于使用了高增益天线和低噪声放大器，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应同时予以考虑。地球站

18、接收机的噪声来源如图3-1所示，可分为外部噪声和内部噪声两大类。3737图3-1 地球站接收机的噪声源38382、噪声功率的计算、噪声功率的计算1）、）、 噪声功率噪声功率 如果接收系统输入端匹配，则各种外部噪声和天线损耗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综合在一起，进入接收系统的噪声功率噪声功率应为应为 Na = kTaB 式中，式中， Na为进入接收系统的噪声功率；为进入接收系统的噪声功率；Ta为天线的等为天线的等效噪声温度；效噪声温度；B为接收系统的等效噪声带宽；为接收系统的等效噪声带宽；k为波尔兹曼为波尔兹曼常数常数2）、）、等效噪声温度

19、等效噪声温度 将环境温度为将环境温度为T T0 0时放大器内部噪声在输出端产生的噪声时放大器内部噪声在输出端产生的噪声功率折算到输入端热噪声在输出端产生同样大小的噪声功率功率折算到输入端热噪声在输出端产生同样大小的噪声功率时所对应的绝对温度时所对应的绝对温度T Te e，叫做等效噪声温度。叫做等效噪声温度。39393.1.3 接收机输入端的载噪比与地球站性能因数接收机输入端的载噪比与地球站性能因数模拟通信系统的输出信噪比，数字通信系统中的传输速率和误码率，均与接收系统的输入信噪比有关。卫星通信也是这样。由于在卫星通信系统中，其接收机收到的不是调频信号就是数字键控信号，因此接收机收到的信号功率可

20、以用其载波功率C来表示。对于调频信号，载波功率等于调频信号各个频谱分量的功率之和；而对于数字键控信号，载波功率就是其平均功率。4040根据前面已经求出的接收机输入端的载波功率和噪声功率，可以直接列出接收机输入端的载波噪声功率比为(3-5)以分贝(dB)表示为(3-6)式中，有效全向辐射功率EIRP=PTGT=PTGT。BkTLGGPNCtPRTT1 BkTGLNCtRPlg10EIRP41 411.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对于上行链路，地球站为发射系统，卫星为接收系统。设地球站有效全向辐射功率为EIRPE，上行链路自由空间传输损耗为LPU，卫星转发器接收天线的增

21、益为GRS，卫星转发器接收系统的馈线损耗为LFRS，大气损耗为La，则卫星转发器接收机输入端的载噪比C/NS为(3-7)式中，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。 SSaFRSRSPUESlg10EIRPBkTLLGLNC4242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)，则式(3-7)可写为(3-8) SSRSUESlg10EIRPBkTGLNC43432.地球站接收机输入端的地球站接收机输入端的C/NE 对于下行链路，卫星转发器为发射系统，地球站为接收系统。设卫星转发器的有效全向

22、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，则地球站接收机输入端的载噪比C/NE为(3-9)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。 BkTGLNCtlg10EIRPREDSE44444）、卫星通信线路的总载噪比）、卫星通信线路的总载噪比地球站接收端总的载噪比是卫星通信线路载噪比的总和，地球站接收端总的载噪比是卫星通信线路载噪比的总和，它是地球站它是地球站 卫星卫星 地球站整个线路的载噪比。地球站整个线路的载噪比。BkTBTTTkNNNNtDIUDIUt)(DDIUtTrTTTT)1 ( DUITTTr)lg(10BkTGL

23、EIRPNCtRDSt)1 (DRDSTrGkBLEIRP)1 (DRDStTrGLEIRPTC45453.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。4646无论模拟通信系统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。如果卫星通信链路的通信容量和传输质量等方面

24、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。在3.1节，我们已经得出了载噪比C/N的公式，不过，由于它是带宽B的函数，因此缺乏一般性，对不同带宽的系统不便于比较。3.2 卫星通信链路的卫星通信链路的C/T值值4747若改用载波功率与等效噪声温度之比C/T值表示，这就与带宽B无关了，即(3-17) 因此，通常都把C/T值作为卫星通信链路的一个重要参数。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、下行链路的热噪声TD以及转发器的交调噪声TI。下面将分别进行讨论。BkNCTC48483.2.1 热噪声的热噪声的C/T值值1.上行链路的上行链路的C/TU值值根据式(3-

25、17)得C/TU的值为 (3-18) (3-8)将式(3-8)代入式(3-18)得 (3-19)kBNCTClg10SSUSRSUEUEIRPTGLTCSSRSUESlg10EIRPBkTGLNC4949由式(3-19)可以看出，GRS/TS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(或品质因数)，通常简写为G/T。G/T值越大，C/T值越大，接收性能就越好。为了说明上行链路C/TU值与转发器输入信号功率的关系，在此引入转发器灵敏度的概念。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，就是转转发器灵敏度发器灵敏度，通常用功率密度WS来表示，即单位面积上的即

26、单位面积上的有效全向辐射功率有效全向辐射功率5050(3-20)或以分贝表示为(3-21) 以上讨论的是卫星转发器只放大一个载波的情况。而在频分多址(FDMA)系统中，一个转发器要同时放大多个载波。为了抑制因交调所引起的噪声，需要使总输入信号功率从饱和点减少一定数值，如图3-2所示。2UE22E2ES4EIRP44EIRP4EIRPLddW 2UES4lg10LEIRPW51 51图3-2 行波管的输入、输出特性5252通常把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，称为输出功率退回输出功率退回或输出补偿或输出补偿；而把放大单个载波达到饱和输出时的输入电平

27、与放大多个载波时工作点工作点的总输入电平之差，称为输入输入功率退回或输入补偿功率退回或输入补偿。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。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5353EIRPEM应为(3-22) 所以，将式(3-21)代入式(3-22)可得(3-23)与之相对应的C/TU值用C/TUM表示，即IESEMBOEIRPEIRP 2ISEM4lg10BOEIRPFLW5454(3-24) 2SRSISSRSUEMUM4lg1

28、0EIRPTGBOWTGLTC55552.下行链路的下行链路的C/TD值值在下行链路中，卫星转发器为发射系统，地球站为接收系统。用上述同样的方法可以求得(3-25)式中，GRE/TD称为地球站性能因数，常用GR/TD表示。DREDSDEIRPTGLTC5656当考虑到卫星转发器要同时放大多个载波时，为了减少交调噪声，行波管放大器进行输入补偿时，输出功率也应有一定的补偿值。因此，多载波工作时的有效全向辐射功率为(3-26)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。OSSSMBOEIRPEIRP5757由式(3-25)和式(3-26)可得(3-27) IS-卫

29、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。DRDOSSDMBOEIRPTGLTC58583、卫星通信载波功率与噪声功率比、卫星通信载波功率与噪声功率比(小结小结)1）、上行线路载噪比）、上行线路载噪比 式中等式右端第三项称为式中等式右端第三项称为卫星接收机性能指数卫星接收机性能指数，表，表示接收性能的好坏。示接收性能的好坏。2）、下行线路载噪比）、下行线路载噪比式中等式右端第三项称为式中等式右端第三项称为地球站性能指数（品质因数）地球站性能指数（品质因数），表示地球站接收性能的好坏。表示地球站接收性能的好坏

30、。59593）、卫星转发器载波功率与互调噪声功率比）、卫星转发器载波功率与互调噪声功率比互调噪声互调噪声当卫星转发器同时放大多个信号载波时（频当卫星转发器同时放大多个信号载波时（频分多址方式），由于分多址方式），由于“行波管放大器行波管放大器”的非线性使信号产的非线性使信号产生高次谐波而互相影响的互调产物，对其影响的频带来看生高次谐波而互相影响的互调产物，对其影响的频带来看就成为互调噪声。就成为互调噪声。由于影响互调噪声的因素较多，一般不能估算。由于影响互调噪声的因素较多，一般不能估算。6060卫星通信链路设计的主要目的就是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，而衡量卫

31、星通信链路传输质量最主要的指标是卫星通信链路中接收机输入端的载波功率与噪声的比值，即载噪比(简记为C/N或CNR)。因此，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，而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。此外，由于存在某些不稳定因素(如降雨等)，因此载噪比的设计还要留有一定的余量。61 615）、门限余量和降雨余量）、门限余量和降雨余量 考虑到实际卫星通信线路上各种不稳定因素影响，在考虑到实际卫星通信线路上各种不稳定因素影响，在设计通信线路

32、时要留有一定的载噪比余量设计通信线路时要留有一定的载噪比余量门限余量门限余量。 调频鉴频器门限余量调频鉴频器门限余量 门限余量门限余量 降雨余量降雨余量调频鉴频器门限余量：调频鉴频器门限余量： （S/N）th= 10 dB降雨余量：降雨余量： m 10 lg m = 4 dB 6 dB在设计卫星通信线路时应留有门限余量为在设计卫星通信线路时应留有门限余量为： E = C/T C/Tth6262任何一条卫星链路建立后，其参数值不可能始终不变，它经常会受到气象条件、转发器和地球站设备的某些不稳定因素以及天线指向误差等方面的影响。为了保证在这些因素变化后仍能使其通信质量满足要求，则必须留有一定的余量

33、，这就是门限余量门限余量，以Mth表示，即(3-32) 上式说明Mth代表正常气候条件下C/T超过门限值的分贝值。ththTCTCM63633.3.1 主要通信参数的计算方法主要通信参数的计算方法目前国际卫星通信组织规定以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，比如传输话音的链路标准取误码率Pe104。由于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主要通信参数的确定。3.3 数字卫星链路的计算数字卫星链路的计算64641.归一化信噪比归一化信噪比Eb/n0当接收数字信号时，载波接收功率与噪声功率之比C/

34、N可以写成(3-35)式中，Eb为每单位比特信息能量；ES为每个数字波形能量，对于M进制，则有ES=EblbM；RS为码元传输速率(波特速率)；Rb为比特速率，且Rb=RSlbM；B为接收系统等效带宽；n0为单边噪声功率谱密度。BnRMEBnREBnRENC0S2b0SS0bbtlog65652.误码率与归一化信噪比的关系误码率与归一化信噪比的关系对于2PSK或QPSK，有如下关系：(3-36)当Pe=104时，归一化理想门限信噪比为(3-37)(3-38)0becerf121nEPdB4 . 8th0bnEb0bthlg10lg10RknETC66663.门限余量门限余量当仅考虑热噪声时，为

35、保证误码率Pe=104，必须的理想门限归一化信噪比为8.4 dB，则门限余量Mth可由下式来确定：(3-39) 考虑到TDMA地球站接收系统和卫星转发器等设备特性不完善所引起的性能恶化，必须采取门限余量作为保障措施。4 . 80bTH0b0bthtthnEnEnENCNCM67674.接收系统最佳频带宽度接收系统最佳频带宽度B接收系统的频带特性是根据误码率最小的原则确定的。根据奈奎斯特速率准则，在频带宽度(简称带宽)为B的理想信道中，无码间串扰时码字的极限传输速率为2B波特。由于PSK信号具有对称的两个边带，其频带宽度为基带信号频带宽度的两倍。因此，为了实现对PSK信号的理想解调，系统理想带宽

36、应等于波形传输速率(波特速率)RS。但为了减小码间干扰，一般要求选取较大的频带宽度。通常取最佳带宽为(3-40)MRRB2bSlog25. 105. 125. 105. 168685.C/T值值满足传输速率和误码率要求所需的C/T值为(3-41)用分贝表示为(3-42)b0bttRknEBkNCTCb0btlg10lg10RknETC69693.3.2 PSK/TDMA方式方式1.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

37、，下行传播衰减为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。7070解：解：(1)求接收系统的最佳带宽B。根据式(3-40)，可得则取B35 MHz。5 .375 .3126025. 105. 1B71 71(2)确定满足传输速率和误码率要求所需的C/Tth值。当要求Pe104时，有Eb/n08.4 dB。考虑到差分译码引

38、起的误码，取Eb/n010.4 dB，由式(3-38)得4 .1408 .776 .2284 .10lg10lg10b0bthRknETC7272 (3)计算卫星链路实际达到的C/T值。求地球站和卫星有效全向辐射功率：由式(3-23)和式(3-26)分别求得EIRPE726200.63785.6 dBWEIRPS23.5221.5 dBW7373 求C/T值：利用(3-26)式和(3-27)式，得C/TU85.6200.618.6133.6 dBW/KC/TD21.5196.740.7134.5 dBW/K 因为TDMA方式不存在多载波工作产生的交调干扰，所以可利用式(3-31)得dBW/K1

39、 .1371010lg1045.1336.13tTC7474 (4)计算门限余量Mth。dB3 . 3)4 .140(1 .137thtthTCTCM75752.信息速率的计算信息速率的计算1)功率受限下的信息速率在卫星转发器功率受限的情况下，说明卫星的有效全向辐射功率EIRPS是固定不变的。根据下行链路方程可以得到(3-43)或写成)lg(10EIRPREDS0bMkTBGLnE7676(3-44)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。lg10EIRPDRE0DSPMkTGnELRb7777例例3-4 已知EIRPSS23.5 dBW，工作频率为6/4 GHz，L

40、D196.7 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。解：解：取M7.5 dB，因10 lgk228.6，由式(3-44)得RP23.540.7(228.6)7.578.7 dB即RP60 Mb/s78782)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(3-45)或表示为Rb=BSlbM kWR(3-46)mRBMRBkbS2bSWRlog7979式中，BS为卫星转发器带宽；Rb为带宽受限条件下的信息

41、速率；m为信息速率与码元速率之间的关系，mlbM。对于QPSK调制(M4)，m2； kWR一般取1.2。8080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。解：解：将已知数据代入式(3-46)，可得Rb=10 lg3610610 lg210 lg1.278.2 dB即Rb60 Mb/s81 813.系统容量的确定系统容量的确定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。这说明，若按照60 Mb/s确定系统容量，既可满足功率受限条件的要求，又可满足频带受限条件的要求。若计算结果出现

42、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。8282在求得卫星链路信息速率之后，便可根据帧周期、分帧数目等求出系统通路容量。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若以R表示卫星链路的比特数，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 RTf=nRchnfP(3-47)8383经整理后，可以得出系统容量为(3-48) 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

43、比特数为Rch=64 kb/s。已知共有10个站，P=150 bit，Tf=750 ms。试计算其系统容量。ffTPnRRnch18484解：解：根据式(3-48)得 如第2章所述，当系统采用数字话音内插技术时，可使容量达到1800个单向话路。)(9001075015010106010641663单向话路n85853.3.4 卫星通信系统总体设计的一般程序卫星通信系统总体设计的一般程序假定使用的通信卫星、工作频段、通信业务类别、容量及站址等已确定，则卫星通信系统的设计程序如下：(1)确定传送信号质量。(2)根据总通信量确定使用的多址方式。(3)决定地球站天线直径。天线直径大，地球站G/T值高，

44、转发器利用率就高，频带就宽，地球站的建设费用也高；相反，天线直径小，地球站G/T值低，地球站成本也低。因此，对于中央大站，或者通信量大、质量要求高的站，天线的尺寸相应要大；对于边远地区，通信量较小，从经济角度考虑，采用小型天线能保证正常的通信即可。8686(4)根据电话、电视等业务的要求，确定系统配置，包括各类附属设备、专用设备以及地面传输系统设备等。在此基础上确定相应的土建工艺要求，并向土建设计师提出。(5)按照相应规范要求，确定总体系统指标，并对各分系统提出分指标要求。(6)对各分系统设备进行设计。8787作为地球站设计工程师，对于上行链路应特别注意发射机功率放大器位置的确定，以尽量减小传

45、输线上的损耗；同时也要考虑功率放大器有较大的功率调整范围。下行链路设计对地球站有着十分重要的作用，低噪声接收机要尽量靠近馈源，提高G/T值，防止外部干扰信号进入，系统增益分配要合理，系统匹配要良好，以提高通信质量指标。从某种意义上来说，地球站实际上是围绕下行链路设计的。88881对地静止卫星采用L、C、Ku和Ka频段，距离地面站的距离为38500 km。试求以下频率的路径损耗：(1)1.6 GHz/1.5 GHz；(2)6.2 GHz/4.0 GHz；(3)14.2 GHz/12 GHz；(4)30 GHz/20 GHz。习习 题题89892设某卫星EIRPS32 dBW，下行频率为4 GHz

46、，d40000 km，地球站接收天线直径D25 m，效率为0.7。试计算地球站接收信号的功率。3有哪几种噪声在卫星通信中必须考虑？它们产生的原因是什么？4已知某卫星链路上行载波噪声比为23 dB，下行载波噪声比为20 dB，卫星转发器上的载波交调噪声比为24 dB。问总的载波噪声比为多少？5设某地球站发射机末级输出功率为2 kW，天线直径为15 m，发射频率为14 GHz，天线效率为0.7，馈线损耗为0.5 dB。试计算EIRP。90906设某地球站发射天线增益为63 dBi，损耗为3 dB，有效全向辐射功率为87.7 dBW。试求出发射机输出功率。7设发射机输出功率为3 kW，发射馈线损耗为0.5 dB，发射天线直径为25 m，天线效率为0.7，上行频率为6 GHz，d40000 km，卫星接收天线增益为5 dBi，接收馈线损耗为1 dB。若忽略大气损耗，试计算卫星接收机输入端信号功率为多少 dBW。91 918已知地球站EIRPE33 dBW，天线增益为64 dBi，工作频率为14 GHz，接收系统G/T5.3 dB/K。若忽略其他损耗，试求卫星接收机输入端的载噪比C/N和C/T。9设某地球站接收天线直径为30 m，天线效率为0.7，下行频率为4 GHz，下行链路损耗为200 dB，卫星的EIRPS26 dBW，折算到地球站低噪声放大器输入端的系