通信衛(wèi)星鏈路計算

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1、通信衛(wèi)星鏈路計算通信衛(wèi)星鏈路計算山東大學(xué)內(nèi)容提要內(nèi)容提要 衛(wèi)星鏈路解釋及其研究目的衛(wèi)星鏈路解釋及其研究目的 衛(wèi)星鏈路的分類衛(wèi)星鏈路的分類 衛(wèi)星鏈路計算的任務(wù)衛(wèi)星鏈路計算的任務(wù) 影響衛(wèi)星鏈路的若干因素影響衛(wèi)星鏈路的若干因素 衛(wèi)星鏈路計算衛(wèi)星鏈路計算 典型衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈路計算實例典型衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈路計算實例衛(wèi)星鏈路解釋及其研究目的衛(wèi)星鏈路解釋及其研究目的 衛(wèi)星通信的顯著特點是通信距離遠，電磁波在傳播時受到極大的衰減。僅自由空間損耗就達200db，地球站收到的信號通常只有幾個微瓦。因此衛(wèi)星通信中噪聲的影響是非常重要的問題。 鏈路計算的目的：盡量有效地在兩個地球站之間提供可靠而高效的連接手段，為此，發(fā)

2、送站發(fā)出的信號到達接受站時，必須具備足夠高的電平，而且不管對通信質(zhì)量的總噪聲影響如何，都要保證必須的業(yè)務(wù)質(zhì)量。鏈路所需的載噪比載噪比用 表示 。是隨特定的系統(tǒng)和系統(tǒng)的用途而異。載噪比涉及到發(fā)端功率，收發(fā)兩端天線增益，傳輸過程中的各種損耗、噪聲及干擾、氣象條件等因素。C T衛(wèi)星鏈路的分類衛(wèi)星鏈路通常分為三大類，分別是：1. 固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)通信鏈路；2. 移動通信衛(wèi)星鏈路；3. 星際衛(wèi)星鏈路。衛(wèi)星鏈路計算的任務(wù)衛(wèi)星通信鏈路計算通常分為兩類，分別是：1，已知轉(zhuǎn)發(fā)器及地球站的基本參數(shù)，計算地球站能得到的載噪比及其應(yīng)發(fā)射的 。 系統(tǒng)容量的計算，即一個轉(zhuǎn)發(fā)器能容納多少載波（話路），通常從功率角度和頻帶角度出

3、發(fā)計算，兩種結(jié)果取最小者。功率角度：一般是按轉(zhuǎn)發(fā)器總的 及每個載波要求的 ；頻帶角度：按轉(zhuǎn)發(fā)器總的帶寬及每個載波要求占的帶寬。2，已知轉(zhuǎn)發(fā)器的基本參數(shù)以及根據(jù)接收機輸出信噪比 或 所提出的對 的要求（或由門限 以及門限備余量 所提出的對 的要求），確定地球站天線尺寸、接收機噪聲性能、發(fā)射功率等。 EIRP. s mEIRPsEIRPS N0bE ntC NthC NEtC N影響衛(wèi)星鏈路的主要因素影響衛(wèi)星鏈路質(zhì)量的主要因素有如下幾個：1. 自由空間傳播損耗；2. 鏈路中各種噪聲；3. 電離層的法拉第效應(yīng)；4. 降雨損耗；5. 多徑和陰影遮蔽效應(yīng)；6. 多普勒頻移；7. 各種交調(diào)干擾。衛(wèi)星鏈路計

4、算發(fā)射機接收機衛(wèi)星上行載噪比下行載噪比交調(diào)、干擾載噪比待發(fā)送信號接收信號 國際無線電咨詢委員會（CCIR）規(guī)定了利用衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為洲際通信的標準鏈路模型。鏈路模型：地球站-衛(wèi)星-地球站通常總的衛(wèi)星鏈路 由三部分合成的：1. 上行鏈路 計算；2. 下行鏈路 計算；3. 交調(diào)、干擾鏈路 計算。其中 是真值，而非dB值，計算時一定要注意。下邊分別對之進行討論。tC TUC TDC TIC T衛(wèi)星鏈路計算1111UDItC TC TC TC TC T幾個關(guān)鍵因子介紹幾個關(guān)鍵因子介紹在計算衛(wèi)星鏈路之前，先介紹幾個必要的因子：1. 天線增益G； sGEG：衛(wèi)星天線增益：地面站天線增益天線增益：222DG

5、D：天線直徑：天線效率：天線接收的無線電波長G定向天線輻射時，接受點收到的最大功率全向天線輻射時，接受點收到的最大功率幾個關(guān)鍵因子介紹幾個關(guān)鍵因子介紹2，自由空間傳輸損耗（通信距離方程） 在衛(wèi)星通信中，電波主要是在大氣層以外的自由空間傳播，大氣層只占很小的一部分，因此首先研究的是自由空間傳播損耗，在此基礎(chǔ)上再考慮大氣層及其他損耗。自由空間損耗用下式計算：d:衛(wèi)星-地面站距離(m)； ：電磁波波長(m)當用d(km)、f(GHz)且用dB(即以10為底的對數(shù))表達時:2244fddfLcf:電磁波頻率(Hz) ；c: 光速。單位：dB92.4520 lg20 lgfLdf 幾個關(guān)鍵因子介紹幾個關(guān)

6、鍵因子介紹3，有效全向輻射功率典型的衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成圖如下圖所示：發(fā)射機地球站或通信衛(wèi)星接收機通信衛(wèi)星或地球站TPTGRG24TTRRTTRfP G GPP G GdL定義有效全向輻射功率為：寫成dB形式為：TTEIRPP GTTEIRPPGRPC接收機輸入端的噪聲功率接收機輸入端的噪聲功率 因為接收機使用了高增益天線和低噪聲放大器，內(nèi)部噪聲的影響相對很弱。因此外部噪聲就成了主要因素了。接收機的外部噪聲主要有以下幾個方面：天線噪聲。包括宇宙噪聲、大氣噪聲、降雨噪聲、天線損耗噪聲、天電噪聲、天線罩噪聲及天線副瓣收到的地面噪聲等。干擾噪聲。主要包括來自其他通信系統(tǒng)的干擾噪聲和人為干擾噪聲。上行鏈路

7、噪聲和轉(zhuǎn)發(fā)器非線性產(chǎn)生的交調(diào)噪聲。內(nèi)部噪聲主要來自饋線、放大器和下變頻器等。因此輸入端的噪聲功率為tNk T B231.38 10/kJ K波爾茲曼常數(shù)：等效溫度：tT等效帶寬：B接收機輸入端的載噪比接收機輸入端的載噪比1TTRftP G GCNLkT B寫成dB形式就是： 10lgRftEIRPGLkTB 10lgTTRftCPGGLkT BN由于噪聲功率N是帶寬B的函數(shù)，缺乏一般性，對不同帶寬的系統(tǒng)不便于比較，實際中經(jīng)常使用 表達載噪比。CT fCGEIRPLTTGT稱為品質(zhì)因子(1-01)載噪比三個表達式的關(guān)系載噪比三個表達式的關(guān)系 0CCBNnCkBT上行鏈路 計算UC T由(1-01

8、)公式的上行鏈路UC TsEfUUsatGCEIRPLTTEEIRPssatG TfUL地球站有效全向輻射功率衛(wèi)星天線品質(zhì)因子上行自由空間損耗注意：該公式計算的是單載波的情況通常在計算上行鏈路載噪比時，會使用到轉(zhuǎn)發(fā)器靈敏度的概念。轉(zhuǎn)發(fā)器靈敏度是指當衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器達到最大飽和輸出時，其輸入端所需要的信號功率。用功率密度 表示，即單位面積上的有效全向輻射功率。sW22224444EEEsPUEIRPEIRPEIRPWdLd或者以dB形式表達為上行鏈路 計算UC T2410lgsEfUWEIRPL在FDMA系統(tǒng)中，一個轉(zhuǎn)發(fā)器通常要同時轉(zhuǎn)發(fā)多個載波。為了減小因交調(diào)產(chǎn)生的噪聲，需要使總的輸入信號功率從飽和點

9、減小一定的數(shù)值，即進行輸入補償，是轉(zhuǎn)發(fā)器工作在線性部分。用 表示轉(zhuǎn)發(fā)器在單載波工作時的數(shù)值，則多載波工作時的數(shù)值應(yīng)為 ，所以，EsEIRPiEMEsEIRPEIRPBO 2410lgifUEMsEIRPWBOL最后就得到了多載波的載噪比 2410lgEMssatfUissatsUMCEIRPG TLWBOG TT下行鏈路 計算DCT與上行鏈路計算相似，求得單載波時的載噪比RsfDDDGCEIRPLTTsEIRPfDLRDGT轉(zhuǎn)發(fā)器有效全向輻射功率下行自由傳輸損耗地面站天線品質(zhì)因子同樣在FDMA系統(tǒng)下，轉(zhuǎn)發(fā)器輸出功率也有一定輸出補償。因此，多載波工作時，轉(zhuǎn)發(fā)器的有效全向輻射功率為： RRSMfD

10、SSofDDMDDGGCEIRPLEIRPBOLTTTSSEIRP轉(zhuǎn)發(fā)器在單載波飽和工作時的有效全向輻射功率上行、下行鏈路載噪比計算上行、下行鏈路載噪比計算ESEIRP為使衛(wèi)星單載波飽和輸出所必須的地球站EIRP dBEMEIRP實際工作點，地球站EIRP總和的 dBiBO輸入補償；SSEIRP衛(wèi)星單載波飽和輸出EIRP dBSMEIRP實際工作點時，衛(wèi)星總的輸出EIRP dBSGT衛(wèi)星天線品質(zhì)因子EGT地球站天線品質(zhì)因子oBO輸出補償上行、下行鏈路載噪比計算對于上行、下行鏈路載噪比計算公式可總結(jié)出如下的統(tǒng)一公式：fTTRTCGEIRPLTTT：發(fā)端R：收端交調(diào)噪聲的交調(diào)噪聲的通常用實驗的方法

11、或計算機模擬的方法獲得載波公率與互調(diào)噪聲平均功率譜密度比 ，并用等效噪聲溫度折算，即0228.6IICCTn0ICnICT通常，輸入補償值的改變會影響上行、下行、交調(diào)干擾載噪比的值，下列圖清楚地表示它們地關(guān)系一般通過輸入補償值根據(jù)這個圖得出交調(diào)干擾載噪比。門限余量門限余量 門限載噪比 就是解調(diào)器輸出的被恢復(fù)的基帶信號質(zhì)量的最低要求值。 但是，任何衛(wèi)星通信系統(tǒng)建成之后，它的參數(shù)并不是一成不變的，它還會經(jīng)常地受到氣象條件、轉(zhuǎn)發(fā)器及地球站設(shè)備某些不穩(wěn)定因素的影響。因此，為了在這些因素變化后仍能正常工作，必須留有一定的余量。thCT tthCCETT降雨余量降雨余量 在上行鏈路時，衛(wèi)星發(fā)射會時刻受到監(jiān)

12、控站的監(jiān)控，地球站也將隨時得到監(jiān)控站的指令，對發(fā)射功率加以調(diào)整。因此，上行鏈路電波的衰減對上行載噪比的影響較容易得到解決。 在下行鏈路時，特別是地球站使用高增益天線及低噪聲放大器時，下行鏈路本身的噪聲在正常工作時已不是很大，而降雨、降雪等氣象因素對下行鏈路就產(chǎn)生了顯著影響。故系統(tǒng)設(shè)計中的降雨余量備份是針對下行鏈路 提出的，而認為降雨對上行鏈路 的影響不予考慮。DCTUCT降雨余量降雨余量降雨余量的含義是：降雨時下行線路的 可容許惡化多少倍（用m倍表示）或說應(yīng)有多大的余量才能使衛(wèi)星通信鏈路總的 仍保持在門限的水平上。降雨備余量為：DCTtCT111110lgthtDDCCCTTTMCT門限余量與

13、降雨余量的關(guān)系門限余量與降雨余量的關(guān)系 定義r為折算到地球站接收機輸入端的上行、互調(diào)干擾噪聲功率之和與下行噪聲功率之比。111tDUItDDDDCCTTTTTTrTTCT結(jié)合門限余量可得1mrEr其中/1010Mm 鏈路計算實例 本節(jié)分別給出了國際衛(wèi)星通信系統(tǒng)的模擬制和數(shù)字制兩種鏈路計算實例。模擬制以SCPC-FM-FDM方式為例；數(shù)字制以SCPC-PSK-TDMA方式為例。模擬制1，模擬制電話鏈路標準CCIR對衛(wèi)星通信系統(tǒng)的標準參考鏈路在傳輸電話和電視方面。對電話鏈路，在零相對電平點（即電話通路中試驗者信號電平為0 dBm的點）所允許的噪聲功率作了如下建議：1) 任一小時的平均噪聲功率不超過

14、10000 pw(加權(quán)值);2) 在一晝夜的20以上的時間中，每分鐘的平均噪聲功率不超過l0 000 pw(加權(quán)值);3) 在任一個月的0.3以上的時間中，每分鐘的平均噪聲功率不超過50 000 pw(加權(quán)值);4) 在任一年的0.03以上的時間中，積分時間為5ms的噪聲功率不超過1 000 000pw(非加權(quán)值)。項目IS-2IS-3IS-4上行鏈路噪聲1 5001 4101 130衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器內(nèi)互調(diào)噪聲1 6002 3402 160下行鏈路噪聲6 4004 2504 210地球站設(shè)備內(nèi)部噪聲5001 0001 500來自其他系統(tǒng)的噪聲-1 0001 000總計10 00010 00010 0

15、00IS- ，IS- , IS- 系統(tǒng)噪聲分配（pW0p）以零相對電平點10 000pW0p的噪聲功率，換算成噪聲電平為1000010 log5001pwdBmpm p 模擬制模擬制模擬制衛(wèi)星鏈路計算的一般步驟為：1) 根據(jù)輸出的要求信噪比計算所需的載比 ；2) 計算門限值 ；3) 計算衛(wèi)星鏈路實際達到的 ;4) 計算每一載波的 和 值；5) 計算系統(tǒng)可容納的載波數(shù) n。thCTtCTtCTtCTEIRPIS-衛(wèi)星鏈路計算衛(wèi)星鏈路計算IS-衛(wèi)星的參數(shù)如下表：工作頻率6/4 GHz30 dB/K22.5 dBW3400 Hz-17.6dBW300 Hz-67.5dBW/m平方1000 Hz11

16、dB4800 Hz4.9 dB 2700 Hz ssEIRPsGTsWIBOoBOEGTHFLFrfrf衛(wèi)星鏈路噪聲取 7500 pW .fIS-衛(wèi)星鏈路計算衛(wèi)星鏈路計算1, 根據(jù)衛(wèi)星噪聲功率計算所需的tCT31201 1010log20log195.951.37500 10rtCSfdBNT又知壓擴器對信噪比可改善17 dB，則51.320log195.9 17175.2()rttCfTCdBT IS-衛(wèi)星鏈路計算衛(wèi)星鏈路計算2，計算門限值 thCT5log181.35log2700181.3179.3(/)thCfTdBW K IS-衛(wèi)星鏈路計算衛(wèi)星鏈路計算3，衛(wèi)星鏈路實際的tCT多載波時

17、，衛(wèi)星輸出飽和有效全向輻射功率為：17.6()SMSoEIRPEIRPBOdBW多載波時，衛(wèi)星飽和輸入的有效全向輻射功率為：2410log85.6()fEMSIUEIRPWBOLdBW92.4520lg20lg200.642589?6fULdfdBdkmfGHz上行、下行、互調(diào)載噪比22.54.9196.530149(/)fUMSSoRUC TEIRPBOLG TdBWK 2410log132.6(/)fUMEMSSISUC TEIRPLG TWBOG TdB K根據(jù)IS- 衛(wèi)星典型 曲線查得C TIMIBOC T135.4(/)IMdBW K 所以，總載噪比為：10101013.2614.9

18、13.5410log 10101010log 101010149.3(/)UMDMIMC TC TC TtMC TdBW KIS-衛(wèi)星鏈路計算衛(wèi)星鏈路計算4，每載波的EIRP 和 C T 值149.3( 175.2)25.9(/)tMTC TC TdBW K 因為 因此，地球站可少發(fā)25.9（dBW/K）,與此對應(yīng)的各 均降低25.9(dBW/K).降低后總的載噪比為：C T15.8517.4916.1310log 101010175.2(/)tC TdBW K相應(yīng)門限余量為： 175.2 179.34.1(/)tthEC TC TdBW K IS-衛(wèi)星鏈路計算衛(wèi)星鏈路計算5，系統(tǒng)可容納的載波

19、數(shù)因為 25.9(/)389EMEIEMEIEIRPn EIRPnEIRPEIRPdBW Kn 所以該系統(tǒng)可容納389路電話。IS-衛(wèi)星鏈路計算衛(wèi)星鏈路計算數(shù)字制 數(shù)字制衛(wèi)星鏈路計算與模擬制大同小異，只是在第一步計算輸出信噪比時，根據(jù)誤碼率歸一化信噪比 ，據(jù)此計算出門限載噪比 。其他步驟則與模擬制相似。在此就不具體計算了。0bEnthCT參考資料參考資料1呂海寰、蔡劍明等，衛(wèi)星通信系統(tǒng)，人民郵電出版社，20032張更新、張杭等，衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，人民郵電出版社，20013王秉鈞、王少勇等，現(xiàn)代衛(wèi)星通信系統(tǒng)，電子工業(yè)出版社，20044劉國梁、榮昆璧，衛(wèi)星通信，西安電子科技出版社，19945Rodger E.Ziemer、Roger L.Peterson，數(shù)字通信基礎(chǔ)（第二 版），機械工業(yè)出版社，2005