《卫星通信与卫星网络》课件-第4章

第4章卫星链路预算4.1基本传输理论4.2系统噪声4.3卫星转发器的特性4.4-卫星链路性能4.5本章小结

链路预算的主要任务通常有两类:

一是在选定卫星转发器和地球站设备的情况下,验证系统能否满足用户的使用要求;

二是在已知空间站或地球站部分参数的条件下,根据实

际应用的技术要求,确定对设备另一部分指标的要求,如地球站天线尺寸、接收机噪声性能等。

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。图4-1所示为卫星通信基本链路图。

图4-1卫星通信基本链路图

上行链路的信号质量(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。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。

4.1基本传输理论

4.1.1功率通量密度功率通量密度(PFD,PowerFluxDensity)是指在单位面积上通过的功率。假设在自由空间中有一总功率为Pt的发射源,从源点开始传播,电磁波在空间是等方向性的,因此发射源按照球形向四周辐射。在距离发射源R处穿过球面的功率通量密度可表示为

如图4-2所示,假设发射机输出功率为Pt,采用无损天线,天线的增益为Gt,则天线视轴方向上距离R处的功率通量密度为

图4-2功率通量密度

4.1.2天线增益

天线增益是指在给定方向上天线每单位立体角的辐射功率与全向天线在每单位立体角的平均辐射功率的比值。卫星通信系统中,实际应用的天线一般都是定向天线,在某方向上发射或者接收电磁波特别强,此辐射功率最大的方向称为天线的视轴方向,天线增益便是在视轴方向的增益值。

实际的物理天线,在入射到天线孔径上的能量中,一部分能量会被反射到自由空间,另一部分能量会被有损耗元件(如馈源、支撑组件、副反射器等)吸收。综合考虑以上因素,假设天线是物理直径为D、孔径面积为A的理想天线,利用有效孔径Ae来说明效率降低的程度,则

天线理论中,天线增益与面积之间有一基本关系式,其天线增益表示为

式中,λ是工作频率对应的波长,单位为m;ηA为天线效率,天线效率是指天线实际接收功率和输入到天线的功率之比。

不同的天线其ηA值不同,一般的抛物面反射天线的天线效率通常为50%~75%,小型天线的ηA

略小一些,大型卡赛格伦天线的ηA

略大一些,喇叭天线的ηA

则接近90%。因此结合图4-2,假设接收机的接收天线增益为Gr、接收面积为A、有效孔径面积为Ae,则地面站接收机的接收功率Pr可表示为

4.1.3有效全向辐射功率

通常把地球发射天线或卫星天线在视轴方向上辐射的功率称为有效全向辐射功率(EIRP,EffectiveIsotropicRadiatedPower),它是天线发射功率Pt与天线增益Gt的乘积,具体表示如下:

若考虑发射机与天线之间连接时在波导、滤波器和耦合器上产生的馈线损耗,发射端的馈线损耗用Lta表示,则式(4-6)可表示为

EIRP是卫星通信链路发射端唯一的品质因数指标。

4.1.4-自由空间路径损耗

发射机发射信号时,信号由电磁波在自由空间无方向性地辐射,经过一定距离的传播,接收功率会因为辐射而受到损耗,这种损耗称为路径损耗。路径损耗定义为有效发射功率与接收功率之间的比值,用Lp来表示。综上所述,系统的接收功率便可表述如下:

在通信系统中,通常用分贝来简化表达式,因此式(4-5)变为

式中,各项用分贝表示为

4.1.5链路功率预算方程

式(4-9)是卫星通信链路的基本链路传输方程,此方程表示理想情况下的接收功率。然而在实际传输链路中还有其他附加损耗,包括大气损耗、馈线损耗和天线指向损耗等。大气损耗是电磁波在大气层中传输时,受到电离层自由电子和离子的吸收,对流层中氧气、水蒸气以及雨、雪等的吸收和散射,从而形成的损耗,用La来表示。发射端的馈线损耗用Lra表示,接收端的馈线损耗用Lra表示。综合考虑通信链路中的各种损耗,链路功率预算方程可表示为

通常大多数卫星链路采用模拟传输中的频率调制方式,或者采用数字调制中的相位调制方式。这两种调制方式都不会影响系统中载波的幅度,因此利用式(4-5)计算出来的

收功率Pr等于载波功率C。

4.2系统噪声

4.2.1噪声系数噪声系数可以用来衡量通信系统或者器件内部产生的噪声水平。噪声系数NF的定义是系统输入信号的信噪比与系统输出信号的信噪比的比值,具体表达式如下:其单位通常用分贝(dB)表示。

4.2.2噪声温度

噪声温度是通信接收机中的一个非常重要的概念。在射频频段,噪声主要源于接收机中各种器件的电子随机热运动,我们通过噪声温度来确定每个器件引入的热噪声的多少,因此,噪声温度也是另一种量化噪声的方法。

一个热噪声源得到的可用噪声功率表示为

其中,k=1.38×10-23J/K=-228.6dBW/(K·Hz),为玻耳兹曼常数;Tp为热噪声源的物理温度,单位是K;Bn为噪声带宽,单位是Hz;Pn是可测噪声功率,单位为W,只有当负载与噪声源的阻抗匹配时它才会传送到负载端;kTp表示噪声的功率谱密度,单位为W/Hz。

噪声系数与噪声温度的转换关系如下:

式中,T0是计算标准噪声的参考温度,通常取290K。若噪声系数单位为分贝,则计算时需先进行单位转换。表4-1给出卫星通信链路中常用的噪声系数与噪声温度的对照。

4.2.3系统噪声温度的计算

卫星通信系统中,信号传输路径上每个器件都会产生噪声,这些噪声的总和就是系统噪声温度,用来评估链路的整体性能。图4-3所示是带有RF(RadioFrequency)放大器和单一频率转换器的接收机结构框图。下面以图4-3为例来分析一组级联部件的噪声温度合并的过程。

图4-3接收机结构框图

为了便于分析系统噪声,只研究从RF输入端到IF输出端,利用与原器件有相同增益的等效无噪声单元加上一个位于单元输入端的噪声源表示接收机的各个噪声器件,替代后的输出噪声与原器件的输出噪声相同,具体等效电路如图4-4所示。

图4-4-接收机等效噪声模型

整个接收机简化为一个增益与原接收机相同的等效无噪声单元。在单元的输入端,Tin是天线输出端的噪声温度,TRF、Tm和TIF分别是RF放大器、混频器和IF放大器的噪声温度,GRF、Gm和GIF分别为三个器件的增益。由此,我们可以把IF放大器输出端的总噪声功率表示为

由式(4-14)可以得出,等效系统的噪声温度Ts的表达式为

根据式(4-14)和式(4-15)的结果,可以对图4-4的等效系统进行简化,简化后的模型如图4-5所示。图中,系统的噪声温度Ts作为一个总的噪声源加在增益为GRF·Gm·GIF的无噪接收机的前端,两个模型输出端的噪声功率相同。

图4-5接收机简化噪声模型

系统噪声温度Ts表示的是接收机系统中几个主要噪声器件的噪声温度和,其他器件对系统噪声温度的影响很小,可以忽略。如果接收机前端RF放大器的增益很高,则系统的噪声温度可以简化为天线噪声温度和LNA噪声温度之和,即Ts=Tin+TRF。

4.2.4-接收系统品质因数

接收系统的G/T是接收天线增益与接收系统噪声温度的比值,称为接收系统品质因数G/T。G/T是通信链路预算的重要参数,它能反映传输链路及接收系统的性能,G/T的计算必须准确。

综合前几节内容,地面站接收系统载噪比C/N与Pr/Pn等价,具体表示为

由式(4-16)可知,C/N和Gr/Ts成正比。

4.3卫星转发器的特性

4.3.1单载波饱和通量密度单载波饱和通量密度(SFD,SaturationFluxDensity)的定义是:单载波模式下,转发器要达到最大饱和输出功率,需要卫星接收天线端达到的功率通量密度,用ψs表示。ψs的表达式如下:用分贝可表示为

4.3.2输入/输出回退

卫星转发器是一种准线性放大器,它的性能是决定上行链路功率通量密度的关键要素。通常转发器采用行波管放大器(TWTA,TravellingWaveTubeAmplifier)或固态功率放大器(SSPA,SolidStatePowerAmplifier)。图4-6给出了功率放大器的输入、输出特性曲线。单载波情况下的特性曲线定义了饱和输出工作点,即获得最大输出功率Pout要求的最小输入功率Pin。

图4-6功率放大器的输入/输出特性曲线

4.4-卫星链路性能

卫星通信系统的上行链路以地球站为发射系统,以卫星为接收系统。由式(4-10)可以得出卫星转发器输入端的接收功率Pr为其中,Lup表示除路径损耗以外的全部上行链路损耗。

4.4.2下行链路载噪比

卫星通信系统的下行链路泛指卫星发送信号,而地面站接收信号的链路。与上行链路类似,可以得到下行链路的载噪比的表达式为

式中,EIRPs为载波需要的卫星全向有效辐射功率,Gre为地球站接收天线的有效天线增益,Ldn包括下行链路路径损耗和下行链路的其他所有损耗,Te是地球站接收机输入端的等效噪声温度,Be是地球站接收机的频带宽度。同样,式(4-27)可以用载温比表达为

当卫星转发器处于多载波工作时,考虑输出功率回退BOo,故式(4-28)可表示为

对于下行链路,地球站接收机是终端点,信号不需要使得某一功率放大器处于饱和状态,因此,无需知道地球站接收机的饱和通量密度,其下行载噪比大小是由卫星全向有效辐射功率EIRPs与地面接收系统的G/T值所决定的。

4.4.3交调噪声

卫星转发器和地面站设备中的功率放大器均为非线性放大器,当它以接近饱和功率放大多个载波时,载波之间会产生一系列交调产物。这些交调产物落在相邻的载波频率上,就会产生交调噪声,从而降低输出信号的载噪比。

在卫星通信系统中,除交调噪声外还存在其他干扰,主要有上下行邻星干扰和交叉极化干扰。工程设计中为了简化设计过程,可以将所有干扰对系统载噪比的影响统一考虑,即交

调干扰、邻星干扰、交叉极化干扰以及其他干扰成分对系统的总干扰为3~5dB。

4.4.4-链路总载噪比

4.4.5链路余量

通信系统中,任何一条链路建立后,其参数不可能始终不变。在实际的链路预算时,除了要考虑各种噪声及干扰外,还要考虑气象条件、转发器和地球站设备某些不稳定因素及天线指向误差等方面的影响。若要保证信号在这些因素变化后仍能达到系统要求的传输质量,链路的门限载噪比(C/N)th是传输链路必须确保的最低载噪比,因此在选择系统的总载噪比(C/N)o时,必须留有一定的余量,即门限余量,记为Mth,可表