卫星接收系统的工程设计(地球站)

第五章卫星接收系统的工程设计与调试卫星链路的计算方法数字卫星链路的传输质量链路方程：上行链路，下行链路，总链路卫星接收站的工程设计卫星接收天线的几何参数卫星接收机的输入电平接收系统的噪声温度工程设计实例5.1卫星链路的计算方法1、卫星链路的计算，就是对信号传输质量与各项技术参数之间的关系进行定量分析。2、在诸多技术参数中起着举足轻重作用的是（1）广播卫星的等效全向辐射功率EIRP（2）卫星接收天线的口径。3、卫星链路可分为上行链路和下行链路两部分，两个链路的性能指标串接之后就决定了整个卫星链路的质量，在实际工程问题中，由于上行链路的性能一般要优于下行链路的性能，因此整个卫星链路的传输质量在很大程度上由下行链路来确定。5．1．2数字卫星链路的传输质量1、在数字卫星链路中，由于存在着各种噪声和干扰的影响，因此在卫星接收机的解码过程中就会出现误码，于是误码率(误码数与总码数之比)就成为了传输质量的判断依据。误码率越小，则系统的性能就越好。2、误码率是Eb/N0的函数，数字卫星链路的传输质量是由系统的Eb/N0所决定的。在DVB-S系统中，误比特率与Eb/N0门限之间的关系在表5—1中给出，该表是数字卫星链路的计算依据。内码码率RcRS译码后达到BER=10-10~10-11，维特比译码后BER=2×10-4所需的Eb/N0（dB）1/24.52/35.03/45.55/66.07/86.45．1．3链路方程卫星链路分为上行链路和下行链路两种，由于两种链路的已知参数是不同的，因此上行链路方程和下行链路方程的形式略有区别。一、上行链路1、已知参数已知参数为：①卫星转发器单载波饱和通量密度ψs，②卫星转发器的品质因素G／T、③卫星转发器的输入补偿B0i。发射天线的增益，固态功放的输出功率5．1．3链路方程2、卫星转发器单载波饱和通量密度是指，当卫星转发器中的行波管放大器处于刚刚饱和状态时，上行信号电磁波在卫星所在地点的功率通量密度，单位为dBw／m2。目前，卫星转发器单载波饱和通量密度的典型值在-70～-80dBw／m2的范围内。5．1．3链路方程3、卫星转发器的输入补偿B0i卫星转发器的输入补偿与传送节目的方式有关。（1）在转发MCPC方式的数字卫星信号时，由于在转发器的工作带宽之内只有一个载波，故不存在交调干扰，为了充分利用功率，转发器的输出功率接近饱和状态，也就是说，B0i≈0。（2）在转发SCPC方式的数字卫星信号时，在转发器的工作带宽之内存在多个载波，此时就会出现交调干扰，为了减少交调干扰的影响，转发器的输出功率要比饱和时低几个分贝；另外每一路载波都是转发器的激励信号，而转发器的输入功率为各个输入载波的功率之和，因此每一路载波的强度也要比单载波激励时小一些。考虑到上述的两个原因，工作在单路单载波方式SCPC时，卫星转发器的输入补偿大约在10dB左右。行波管的非线性

行波管的非线性（续）饱和点：输出功率最大的点。线性区：从低端的热噪声极限至1dB压缩点所限定的区域。1dB压缩点：实际的功率转移曲线比外插的直线低1dB的点。非线性效应多载波情况下，将产生互调/交调干扰。单载波情况下，包络起伏将造成相位调制。输入补偿多载波工作时，对任何载波，饱和点附近的功率输出小于单载波饱和点的值。为了降低互调/交调失真，行波管的工作点必须靠近曲线的线性部分。如图。输入补偿：任何载波的工作点输入电平与单载波饱和点输入电平的dB差。输出补偿：输出功率相应的下降值。输入补偿（续）输出补偿输出补偿与输入补偿的关系不是线性的。考虑输出补偿值的经验方法如图所示。在线性区，输入补偿与输出补偿的dB变化比例是1：1。所以输出补偿比输入补偿小5dB，即BOo=BOi–5dB。例：BOi=11dB时，BOo=6dB。也有“7/11”经验法则：即BOi=11dB时，BOo=7dB。输出补偿（续）2．4广播卫星的电参数

2．4．1等效全向辐射功率（EIRP）

反映了卫星的辐射能力，仅与卫星本身有关，与其他参数无关。表达式：EIRP=10lgPTWTA-Lt+Gt（单位：dBW）其中：PTWTA：行波管的输出功率（行波管和一般晶体管类似，只是其工作在微波频率波段上，输出功率较大。）Lt：行波管至星载天线的功率损耗。Gt：卫星星载天线的增益，是一相对值。C波段EIRP：30～40dBW；Ku波段EIRP：40～60dBW2/4/2023数字卫星广播142．4广播卫星的电参数

2．4．2波束图：将地面各点的EIRP标注到地图上，称为波束图。一颗广播卫星的等效全向辐射功率是随着接收地点而改变的，在工程上为了便于使用，通常将卫星的等效全向辐射功率标注在地图上，称为卫星的波束图或称为卫星的覆盖区域。在进行卫星线路工程设计的过程中，波束图很重要，根据波束图能够确定接收地点的等效全向辐射功率，然后才可以进行以后的工程设计工作。2/4/2023数字卫星广播152．4广播卫星的电参数

2．4．3品质因素：（G/T）1、定义：品质因素是衡量卫星转发器本身质量的一项特性参数，反映了卫星转发器接收弱信号的能力。2、表达式：G/T=G-10lg（Ta+Tt）（单位：dB/K）其中G：卫星星载天线在上行工作频率（6或14GHz）时的增益（dB）Ta：星载天线的噪声温度（K）Tt：卫星转发器的等效噪声温度（K）数字卫星广播2．4广播卫星的电参数

2．4．4功率通量密度：（ψ）1、定义：卫星发射出的电磁波达到地面时的功率通量密度。反映了卫星信号到达地面时的强度。2、表达式ψ=EIRP-20lgd-10lg（4π）-△L（单位：dBW/m2）其中d：卫星至地面的距离（m）△L：附加损耗又称大气衰减（dB）数字卫星广播2.6.2功率传输公式卫星链路计算的基本出发点就是弗里斯(Friis)功率传输公式。Pr：接收天线输送给匹配负载的功率Pt：发射天线的输入功率PrPt5．1．3链路方程4、上行地球站的等效全向辐射功率EIRPE与卫星转发器单载波饱和通量密度的关系为dU:上行地球站与卫星之间的距离，单位为m5、噪声功率Pn的表达式：k：玻尔兹曼常数；B：信道带宽5．1．3链路方程6、模拟上行链路的载噪比:λ:卫星上行信号的波长，单位为m7、数字卫星上行链路的Eb/N0表达式：Rb：数字信号的码率，单位：bit/s8、C/N与Eb/N05．1．3链路方程推导过程5．1．3链路方程卫星链路分为上行链路和下行链路两种，由于两种链路的已知参数是不同的，因此上行链路方程和下行链路方程的形式略有区别。二、下行链路1、已知参数已知参数为：①卫星转发器的等效全向辐射功率EIRP，②接收点与卫星转发器间的距离d，③卫星接收天线的增益G，④卫星接收系统的等效噪声温度T。接收链路分析主要公式1、下行链路自由空间传播损耗L0,D

式中：d—星站距离，m；

λ—工作波长，m。接收链路分析主要公式（续）2、数字卫星下行链路的Eb/N0，即下行链路方程

接收链路分析主要公式（续）式中：EIRPS—转发器饱和等效全向辐射功率，dBW；BOo,S—转发器输出补偿，称为功率回退，dB；m—转发器载波数；△LD—下行链路附加损耗，主要由降雨引起。单位：dB；L0—电波的扩散损耗，dB；k—玻尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/K，10lgk=-228.6dBJ/K

5.2卫星接收站的工程设计在卫星接收站的工程设计过程中，主要的工作是要根据卫星的等效全向辐射功率相对接收信号质量的要求，（1）确定接收天线的直径；（2）计算卫星接收天线的几何参数：仰角、方位角、极化角（3）卫星接收机的输入电平（4）整个卫星接收系统的等效噪声温度。5．2．1卫星接收天线的几何参数卫星接收天线的几何参数有天线的仰角EL、方位角AZ和极化角αp，以及接收地点与广播卫星之间的距离d。可以通过公式计算，也可以通过查曲线求得。工程上通常用查曲线的方法。5．2．1卫星接收天线的几何参数（1）、卫星接收天线的仰角EL位置矢量R与地平面的夹角就是接收天线的仰角EL，（113页，式5-18，或114页，图5-2）（2）、卫星接收天线的方位角AZ位置矢量R在地平面上的投影与接收点正南方向的夹角，（114页，式5-19，或114页，图5-2）2．6卫星广播中的电波传播问题2．6．1极化1、极化方式：电磁波通过交变的磁场和电场向前传输，其中以电场方向表示极化方向。1）、线极化定义:当时间变化时，若电场矢量的方向始终平行于某一直线，这样的电波就称为线极化波(线极化)。数字卫星广播2．6．1极化

应用：广播和通信领域中，大量地使用着线极化波．发射和接收线极化波的天线就称为线极化天线。分类：线极化又可以根据极化方向分为：垂直极化和水平极化两种方式。通常是以地平面为参考面，垂直于地面的线极化称为垂直极化，而平行于地面的线极化则称为水平极化。水平极化普遍应用于短波广播、电视广播、调频广播等领域，而垂直极化则普遍应用于中波广播、移动通信等领域。2．6卫星广播中的电波传播问题2．6．1极化1、极化方式：2）、圆极化定义：沿着电波传播的方向看，圆极化波中电场矢量端点的运动轨迹为一个圆。分类：圆极化波也可以分为左旋圆极化和右旋圆极化两种方式。顺着波的传播方向看去，若电场矢量顺时针旋转，就称为右旋极化波；若电场矢量逆时针旋转，就称为左旋极化波。数字卫星广播2．4广播卫星的电参数

2．4．7频率复用

1、目的充分利用宝贵的频谱资源2、在两种线极化波之间存在着所谓的“极化隔离”：具体说就是，水平线极化天线接收水平线极化波，而不接收垂直线极化波；反之，垂直线极化天线接收垂直线极化波，而不接收水平线极化波。这样在同一频率范围之内，我们同时使用水平线极化波和垂直线极化波来传送两路信号，两者之间互相不干扰。数字卫星广播2．4广播卫星的电参数

2．4．7频率复用区域性的卫星广播普遍采用线极化方式，其优点是设备相对简单，而缺点是接收天线调整赂微复杂一些。

两种圆极化波之间也存在极化隔离，故我们可同时使用右旋圆极化波和左旋回极化波来传送两路信号。洲际性的卫星广播普遍采用圆极化方式，其优点是接收天线调整相对简单，而缺点是设备复杂一些。数字卫星广播（3）、卫星接收天线的极化角αp接收点地平面与水平极化波电场平面之间的夹角。（4）查曲线法确定仰角、方位角和极化角给出的3个计算公式都比较复杂。而在工程设计过程之中，往往采用查曲线的方法来求出天线的仰角、方位角和极化角，这样做的好处是计算方便、简单易行，同时精度也足以满足工程上的需要。图5—2为接收天线仰角和方位角的曲线，其中横坐标为接收地点与卫星经度差的绝对值，而纵坐标为接收地点的纬度，由这两个参数就可以根据图5—2来估算出天线仰角和方位角的数值，其误差不超过2.5度。方位角仰角接收地点的纬度接收地点与卫星经度差的绝对值查表的具体步骤如下：①根据(5-16)式求出接收地点与卫星的经度差φ。注意：φ>0，表示卫星在接收地点的西南方向上；φ=0，表示卫星在接收地点的正南方向上：φ<0，表示卫星在接收地点的东南方。②在图5-2上找到代表接收地点纬度的横线，并根据经度差的绝对值在该线上标出相应卫星的位置．如亚洲二号在图5—2中的“1”点，亚太IA在“2”点，泛美四号在“3”点。

③根据每颗卫星在图中的位置，估计出具体的仰角和方位角数值，若细心一点的话，估计数值的误差小于2.5度。④根据仰角的数值．从图4-12（84页）中找到对应的天线噪声温度的数值。⑤采用类似的方法在图5-3（114页）中标出卫星的位置，然后估计出极化角的具体数值，估计数值的误差不超过1.25度。查表的具体步骤如下（续）：(5)接收地点与同步卫星间的距离d接收地点与同步卫星间的距离也是由接收点经纬度和卫星位置所共同确定的，其计算公式为在地球上任何地点，卫星天线到同步卫星的距离的取值范围是计算卫星到接收地点间距离的目的是为了求出自由空间中电波的扩散损耗L0。将距离的实际数据代入(5—10)式，可以得到扩散损耗的取值范围:在工程上C波段的电波扩散损耗可以按照196．2dB来计算，而Ku波段的电波扩散损耗可以按照205.8dB来计算，其误差均不会超过0.67dB。

(5)接收地点与同步卫星间的距离d（续）5.2.5工程设计实例任务：以亚洲3S卫星C波段转发器为例，进行上行和下行系统的链路计算。已知条件：发射端和接收端地点选择济南，设备参数：发射天线口径为9米，固态功率放大器功率为200W，接收天线口径为2.4米、2米、1.5米。亚洲3S卫星参数：（以济南为例）转发器带宽：36MHz工作频段：上行5845－6425MHz下行3625－4200MHz轨道位置：105.5E上/下行极化方式：线性双极化饱和功率通量密度：ψS=－89.3dBW/m2（上行链路）卫星转发器有效全向辐射功率：EIRPs=40.6dBW（下行链路）5.2.5工程设计实例济南地理位置：经度117E，纬度36.65N(=36.65)，与卫星的经度差：=接收地点的经度-卫星的经度=117—105.5=11.5。天线仰角：45.78度，（113页，式5-18，或114页，图5-2）方位角：18.82度（即南偏西18.82度，若为负数则卫星在接收地点的东南方），（114页，式5-19，或114页，图5-2）卫星到地球站距离：du为37498Km。（115页，式5-21）5.2.5工程设计实例上行系统链路计算：已知（1）卫星转发器饱和通量密度ψS：-89.3dBW/m2（2）卫星转发器的输入补偿BOi:6dB（3）卫星发射天线的增益G:53.1dB（或者已知固态功放的发射功率）任务：固态功放需要多大的发射功率，或者确定上行站需要多大直径的天线。上行地球站的等效全向辐射功率EIRPE与卫星转发器单载波饱和通量密度的关系为：5.2.5工程设计实例上行系统链路计算：考虑到在多载波情况下保持良好的线性，转发器的输入功率回退6dB左右：EIRPE=-89.3+162.48-6=67.18dBW由于租用的带宽为BMHz，则分配到一个SCPC载波EIRP值为：EIRPES=EIRPE-10lg（36/B）,B为每路SCPC的带宽如何确定B?5.2.5工程设计实例上行系统链路计算：租用转发器带宽B一路标清数字视频压缩后按照标准为:5Mbps一套立体声电视伴音压缩后标准为:0.256Mbps六套立体声广播压缩后标准为：6×0.256=1.536Mbps；低速串行数据：0.0384Mbps；总信息速率:5+0.256+1.536+0.0384=6.8304Mbps.开销为信息率的10%,则数据率为:6.8304×(1+0.1)=7.513Mbps传输速率Rb:取FEC=3/4,RS纠错编码为(204，188),则:Rb=7.513×4/3×204/188=10.87Mbps字符率(QPSK调制):10.87÷2=5.435Mbaud，取5.4Mbaud。占用带宽(滚降系数为0.4):5.4×1.4=7.56MHz加保护带后租用带宽:7.56+0.16=7.72MHz，取7.7MHz5.2.5工程设计实例上行系统链路计算：EIRPES=EIRPE-10lg（36/B）=67.18-10lg（36/7.7）=67.18-6.7=60.48dBW上行站使用9米发射天线，增益为53.1dB@6.2GHz。天线发射端口功率P=EIRPES–G=60.48–53.1=7.38dBW考虑到功放到天线的馈线损耗约为2dB因此上行站固态功放的输出功率应为9.38dBW，即8.67W。5.2.5工程设计实例下行系统链路计算：（1）卫星转发器等效全向辐射功率EIRP（2）卫星接收天线的直径、口面效率（3）卫星接收天线的品质因数G/T（4）下行链路的损耗任务：确定下行链路的Eb/N0，与DVB-S系统的误码性能要求对照，确定能否正确接收卫星信号。5.2.5工程设计实例下行系统链路计算：由于租用的带宽为7.7MHz，则分配到一个SCPC载波的EIRP值为：40.6—10lg（36/7.7）=33.9dBW。考虑到在多载波情况下保持良好的线性，