第3章 衛(wèi)星通信第

1、第三章第三章 衛(wèi)星通信鏈路設(shè)計(jì)衛(wèi)星通信鏈路設(shè)計(jì) 衛(wèi)星鏈路設(shè)計(jì)傳輸方程基本鏈路分析干擾分析大氣損耗和降雨衰減衛(wèi)星通信系統(tǒng)的可用度衛(wèi)星鏈路設(shè)計(jì) 第一節(jié) 傳輸方程： 衛(wèi)星鏈路 自由空間傳播損耗 功率通量密度接收信號(hào)功率傳輸方程衛(wèi)星鏈路：上行鏈路下行鏈路傳輸方程自由空間傳播損耗：222444dPdPPttrPtPrd圖 61 自由空間的傳播損耗2244cdfdPPLtr傳輸方程自由空間傳播損耗：w 當(dāng)距離d以km為單位，頻率f以GHz為單位時(shí)：w 當(dāng)距離d以km為單位，頻率f以MHz為單位時(shí)：)(lg20)(lg2045.92)(GHzfkmddBL)(lg20)(lg2045.32)(MHzfkmd

2、dBL傳輸方程功率通量密度：w 表示發(fā)射功率經(jīng)過(guò)空間傳播到達(dá)接收點(diǎn)后，在單位面積內(nèi)的功率。 Pfd=PtGt/(4d2)=EIRP/(4d2) （W/m2） Pfd=EIRP（dBW)-10lg(4d2) (dBW/m2)w 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器飽和通量密度：為使衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器單載波飽和工作，在其接收天線的單位面積上應(yīng)輸入的功率。它反映了衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的靈敏程度。傳輸方程接收信號(hào)功率：24dGGPLGGPPrttrttr傳輸方程傳輸方程例：w 一顆衛(wèi)星在4GHz時(shí)通過(guò)一副18dB增益天線，發(fā)射25W功率。網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)地球站，用一副直徑為12m的天線(=65%)來(lái)接收，試確定： (1) 地球站的接收天線增益； (2

3、)假定從衛(wèi)星到地球站的距離為40000km，求傳播損耗(3) 求這個(gè)地球站的功率通量密度； (4) 在地球站天線輸出處收到的功率。 (5) 如工作頻率改為11.5GHz，重復(fù)上述計(jì)算，并比較結(jié)果。傳輸方程分析：w 天線增益G隨著頻率的增加而增大，但是傳播損耗也增大，所以接收的功率通量密度和功率不變。結(jié)論：衛(wèi)星鏈路對(duì)頻率的變化是不敏感的：衛(wèi)星鏈路對(duì)頻率的變化是不敏感的w 從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素，只對(duì)一定的頻率范圍感興趣。例如衛(wèi)星直播電視(DTH)，希望地球站的價(jià)格盡可能低，使用小口徑天線。高頻率衛(wèi)星上能得到高的EIRP；同時(shí)地面上也能使用小口徑高增益天線w 雖然衛(wèi)星鏈路對(duì)頻率變化是不敏感的，但是另一些

4、因素也會(huì)影響使用頻率的選擇衛(wèi)星鏈路設(shè)計(jì)基本鏈路分析：w 上行載噪比計(jì)算w 總載噪比計(jì)算w 其他損耗w 門(mén)限載噪比w 再生型轉(zhuǎn)發(fā)器計(jì)算基本鏈路分析上行載噪比計(jì)算：kBTGLEIRPkTBLGEIRPkTBLGGPNCrrtt1116 .228/)(BLTGEIRPdBNC基本鏈路分析上行載噪比計(jì)算：w 功率通量密度：w 用dB表示：w 載噪比：222444dEIRPdEIRPPfd24lg10LEIRPPfd6 .2284lg10/2BTGPNCfd基本鏈路分析上行載噪比計(jì)算：w 載波功率與等效功率譜密度的比值(C/no)： C/N=C/n0-B(dB)w 載波功率與等效噪聲溫度之比C/T： C

5、/N=C/T+228.6-B(dB) 6 .228/0LTGEIRPnCLTGEIRPTC/基本鏈路分析總載噪比計(jì)算：w 設(shè)衛(wèi)星上接收到的載噪比為(C/N)u，它被通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，重新發(fā)回地球。由衛(wèi)星天線轉(zhuǎn)發(fā)后的EIRP為EIRPs，載噪比為：C/N=(C/N)u，噪聲功率為 ：w 接收地球站收到的載波加噪聲為C(t)+N(t)+Nd(t) C(t)：上行載波功率經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后的功率 N(t)：上行噪聲功率經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后的功率 Nd(t)：附加的均值為零的下行加性白噪聲 usNCEIRPN)/(基本鏈路分析總載噪比計(jì)算；w 地球站的接收功率：w 伴隨的下行噪聲功率：w 下行附加噪聲功率:Nd=kTB

6、w 在接收地球站，總的噪聲功率為：LGEIRPLGGPPrsrttr1)/(ursurNCLGEIRPNCPNkTBNCLGEIRPNurs1基本鏈路分析總載噪比計(jì)算：w 整個(gè)衛(wèi)星線路的載噪比：kTBLNCGEIRPLGEIRPNCusrs/)/(/1基本鏈路分析總載噪比計(jì)算：w 衛(wèi)星線路的基本方程：w 如果(C/N)u(C/N)d，則C/N(C/N)d，衛(wèi)星線路是下行線受限制，這是衛(wèi)星通信的常見(jiàn)情況w (C/N)u(C/N)d，則C/N(C/N)u，則認(rèn)為衛(wèi)星線路是上行線受限制111duNCNCNC基本鏈路分析其他損耗：w BOi和BOow 天線指向損耗w 大氣層吸收損耗3210.30.51

7、.02345 （cm）0.010.11.010損耗（dB/km）圖 6-11 水蒸汽和氧氣的吸收損耗1：水蒸汽，10g/m3（在18時(shí)的相對(duì)濕度66）；2：氧，壓強(qiáng)為15cm水銀柱3：總的吸收損耗基本鏈路分析例：w 某Ku波段（14/12GHz）的衛(wèi)星系統(tǒng)，它以TDMA方式工作，采用QPSK調(diào)制，系統(tǒng)參量如下：根據(jù)這些參數(shù)，計(jì)算載噪比。w 載波調(diào)制參數(shù)：比特率：60Mbps 噪聲帶寬：36MHz 比特持續(xù)時(shí)間帶寬積:0.6w 衛(wèi)星參數(shù)：天線增益噪聲溫度比：1.6dB/K；衛(wèi)星飽和EIRP：44dBwTWTA輸入回退量：0dB；TWTA輸出回退量：0dBw 地球站參數(shù)天線直徑：7m; 發(fā)射天線增

8、益(14GHz)：57.6dB接收天線增益(12GHz)：56.3dB; 進(jìn)入天線的載波功率：174W最大的上行和下行距離：37506km跟蹤損耗：1.2dB（上行）和0.9dB（下行）系統(tǒng)噪聲溫度：160k基本鏈路分析門(mén)限載噪比：w 為保證用戶接收到的話音、圖像和數(shù)據(jù)有必要的質(zhì)量，接收機(jī)所必須得到的最低載噪比。w 對(duì)于模擬制信號(hào)通常用信噪比(S/N)表示傳輸質(zhì)量的好壞w 對(duì)于數(shù)字通信，用誤碼率表示傳輸質(zhì)量。與所要求的誤碼率相對(duì)應(yīng)的Eb/n0也稱(chēng)門(mén)限電平，用(Eb/n0)th表示 C/n0=Eb/n0+R C/N=Eb/n0+R-B 基本鏈路分析再生型轉(zhuǎn)發(fā)器計(jì)算：w 很強(qiáng)的信號(hào)處理能力，發(fā)展方

9、向。w 鏈路的各個(gè)部分是彼此獨(dú)立的。因此誤比特率為edeueuededeuePPPPPPP)1 ()1 (衛(wèi)星鏈路設(shè)計(jì)第三節(jié) 干擾分析：w 載波噪聲干擾比w 鄰星干擾w 衛(wèi)星通信中常見(jiàn)的其他干擾干擾分析載波噪聲干擾比：w 載波噪聲干擾比：C/(N+I)=C/Nw 總的載波噪聲干擾比：w 所有的干擾都是高斯型的，且是彼此無(wú)關(guān)的廣義平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程111ICNCNC111111duNCNCICNCNC干擾分析鄰星干擾：A B 系統(tǒng) A 系統(tǒng) B 干擾分析鄰星干擾：w 國(guó)際上的有關(guān)章程規(guī)定，相對(duì)峰值歸一化(1或0dB)的副瓣包絡(luò)電平： lg2529cos2222BABAddddd)cos1 (2cos2

10、22222rrrdBABAddrdd2)cos1 (2arccos222 dA r dB 衛(wèi)星 A 衛(wèi)星 B 干擾分析鄰星干擾：w 上行干擾功率： EIRP：干擾信號(hào)在被干擾衛(wèi)星A方向的EIRP fu：上行干擾頻率 du：被干擾衛(wèi)星A和干擾地球站B1之間的上行距離 Gu：被干擾衛(wèi)星A的天線在地球站B1方向的增益 fufu， dudu24uuuufdcGPEIRI干擾分析鄰星干擾：w 從地球站A2到衛(wèi)星A的上行載波干擾比：w 用dB表示：w 用功率通量密度SFD表示：)()()()(/dBGdBGdBwPEIRdBwEIRPICuuuuuuGGDSFSFDICuuuGGmdBwDSFmdBwSF

11、DIC)/()/()/(22uuuuuuuuuGGPEIREIRPfdfdGGPEIREIRPIC干擾分析鄰星干擾：)(lg2529)()()(*dBdBGdBwEIRPdBwPEIRi)(lg2529)()/()/(2*2dBdBGmdBwSFDmdBwDSFi)()()lg2529()()()(/*dBGdBGdBGdBwEIRPdBwEIRPICuuiuuuiuGGdBGmdBwSFDmdBwSFDIC)lg2529()()/()/()/(2*2干擾分析鄰星干擾：w 從衛(wèi)星A到地球站A1的下行載波干擾比：w 鄰近衛(wèi)星引起的總載波干擾比：)lg2529()()()()/(dBGdBwPEI

12、RdBwEIRPICssd111duICICIC干擾分析衛(wèi)星通信中常見(jiàn)的其他干擾：w 地面微波系統(tǒng)的干擾w 正交極化干擾w 鄰道干擾w 共信道干擾w 碼間串?dāng)_衛(wèi)星通信中常見(jiàn)的其他干擾地面微波系統(tǒng)的干擾：w 分配給衛(wèi)星通信的6/4GHz同時(shí)用于地面微波線路w 地球站接收4GHz頻帶的信號(hào)，它對(duì)來(lái)自地面?zhèn)鬏數(shù)?GHz微波干擾也很敏感w 地球站以6GHz頻帶發(fā)射，對(duì)使用6GHz頻段接收的地面微波系統(tǒng)產(chǎn)生干擾w 地球站和地面微波系統(tǒng)間的相互干擾量是載波功率、載波譜密度和兩載波間頻率差值的函數(shù)衛(wèi)星通信中常見(jiàn)的其他干擾地面微波系統(tǒng)的干擾：w 國(guó)際上規(guī)定： 對(duì)于地面微波通信系統(tǒng)，要求在衛(wèi)星載波40kHz的帶

13、寬內(nèi)，其功率譜密度低于地球站接收功率譜密度25dB 進(jìn)入地面微波系統(tǒng)的干擾功率基準(zhǔn)為-154dBw/4kHz，并且干擾功率達(dá)到這個(gè)值的時(shí)間不許超過(guò)20%；或干擾功率基準(zhǔn)為-131dBw/4kHz，且達(dá)到這個(gè)值的時(shí)間不超過(guò)0.01%衛(wèi)星通信中常見(jiàn)的其他干擾正交極化干擾：w 由于極化的不完全正交造成的干擾稱(chēng)為交叉極化干擾(CPI)，即能量從一種極化狀態(tài)耦合到另一種極化狀態(tài)引起的干擾w 正交極化鑒別度的定義為對(duì)同一入射信號(hào)，收到的主極化功率對(duì)正交極化功率的比值w 衛(wèi)星線路的凈正交極化鑒別度，是地球站天線和衛(wèi)星天線在上行和下行線的組合效果。最小凈線路正交極化鑒別度： 111min)(21SeXXX衛(wèi)星

14、通信中常見(jiàn)的其他干擾鄰道干擾：w 鄰道干擾(ACI)是一種來(lái)自相鄰或相近信道的干擾。產(chǎn)生鄰道干擾的主要原因： 相鄰信道間隔太小和濾波不完全 其它站的寄生發(fā)射衛(wèi)星通信中常見(jiàn)的其他干擾共信道干擾：w 為了充分利用衛(wèi)星的頻率資源，現(xiàn)代衛(wèi)星通信系統(tǒng)很多采用頻率復(fù)用技術(shù)，即把已有頻段再使用一次 這種復(fù)用技術(shù)采用波束隔離的方法，即分別指向不同區(qū)域的兩個(gè)波束傳遞各自的信息，但使用相同的頻帶w 由于天線方向圖的旁瓣效應(yīng)，兩個(gè)波束之間不可能完全隔離，因此會(huì)相互產(chǎn)生干擾衛(wèi)星通信中常見(jiàn)的干擾碼間串?dāng)_：w 不是來(lái)自外部源，而是信道內(nèi)部產(chǎn)生的。w 對(duì)于FDMA方式，存在交調(diào)干擾w 對(duì)于CDMA方式，存在多址干擾 衛(wèi)星鏈

15、路設(shè)計(jì)第四節(jié) 大氣損耗和降雨衰減：w 晴天的大氣損耗w 降雨衰減w 解決降雨衰減的方法大氣損耗和降雨衰減晴天的大氣損耗：w 電離層吸收損耗。頻率越低越嚴(yán)重。頻率高于0.3GHz時(shí)可忽略w 對(duì)流層對(duì)衛(wèi)星通信的影響。在頻率低于10GHz，仰角在5以上時(shí)影響可忽略3210.30.51.02345 （cm）0.010.11.010損耗（dB/km）圖 6-11 水蒸汽和氧氣的吸收損耗1：水蒸汽，10g/m3（在18時(shí)的相對(duì)濕度66）；2：氧，壓強(qiáng)為15cm水銀柱3：總的吸收損耗 0.01 0.1 0.5 頻率(GHZ) 電離層吸收損耗/dB 100 10 1 0.1 大氣損耗和降雨衰減降雨衰減：w 降

16、雨衰減與兩個(gè)基本參量有關(guān)：降雨強(qiáng)度Rp(mm/h)，出現(xiàn)的時(shí)間概率(P%)w 根據(jù)多年的降雨統(tǒng)計(jì)資料，將全球劃分為極區(qū)、溫帶、熱帶、大陸性、海洋性、潮濕、干燥等8類(lèi)地區(qū)，即A、B、C、H等w 由于世界各地降雨量、降雨概率差別很大，后來(lái)ITU又進(jìn)行了雨區(qū)劃分，將全球分為A、B、C、Q等15個(gè)區(qū)域。我國(guó)各地屬于C、E、F、K、N五個(gè)區(qū)大氣損耗和降雨衰減降雨衰減：w 中國(guó)0.01%時(shí)間百分比與降雨強(qiáng)度分布等值線圖大氣損耗和降雨衰減降雨衰減：w 影響降雨衰減Lr(dB)的因素： 降雨區(qū)垂直高度H，仰角E或D（表面投影線長(zhǎng)度） 雨量大小或工作頻率。w ITU推薦的降雨衰減計(jì)算公式為： ：雨區(qū)單位長(zhǎng)度衰減

17、（dB/km） a、b：與工作頻率、雨點(diǎn)大小、極化方式等有關(guān) Le：通過(guò)雨區(qū)的有效長(zhǎng)度(km)。與降雨云層厚度、降雨區(qū)范圍、地球站天線仰角等數(shù)值有關(guān)。ebPrLaRL bpaR大氣損耗和降雨衰減降雨衰減：w 對(duì)系統(tǒng)噪聲溫度的影響w 降雨對(duì)C/N、C/I的影響w 降雨衰減引起的極化效應(yīng) 大氣損耗和降雨衰減降雨衰減對(duì)系統(tǒng)噪聲溫度的影響：w 大大增加天線的噪聲溫度w 令Tr表示雨點(diǎn)溫度，Lr表示降雨衰減，那么帶寬B內(nèi)的有效噪聲功率就是kTrBw 通過(guò)衰減因子為L(zhǎng)r的雨區(qū)后，噪聲功率為kTrB/Lr。雨吸收的功率為kTrB(1-1/Lr)，因此由衰減因子Lr引起的噪聲溫度為w 由降雨引起的噪聲溫度的增

18、大并不會(huì)影響衛(wèi)星的系統(tǒng)噪聲溫度，因?yàn)樗奶炀€總是對(duì)著290K的熱地球 )11 (rrLTT大氣損耗和降雨衰減降雨對(duì)C/N、C/I的影響：w 上行區(qū)下雨：衰減Lr,uw 下行區(qū)降雨：衰減Lr,d；G/T變?yōu)镚/(T+T)大氣損耗和降雨衰減降雨衰減引起的去極化效應(yīng)：w 如果如射無(wú)線電波的極化面與雨滴長(zhǎng)軸方向重合，則產(chǎn)生的相移與衰減最大w 如果與雨滴短軸方向重合，則產(chǎn)生的相移與衰減最小w 當(dāng)一個(gè)線性極化波以?shī)A角入射到此扁平的雨滴，通過(guò)雨滴后的電波就不再是線性極化而是變成有一定傾角的橢圓極化波了w 電波通過(guò)雨滴不僅損耗能量、并且產(chǎn)生交叉極化分量，導(dǎo)致XPD降低，進(jìn)而C/I降低。大氣損耗和降雨衰減解決降

19、雨衰減的方法：w 途徑分集w 上行功率控制w 加信道編碼糾錯(cuò)衛(wèi)星鏈路設(shè)計(jì)衛(wèi)星系統(tǒng)的可用度和實(shí)例：w 衛(wèi)星系統(tǒng)的可用度w 衛(wèi)星鏈路設(shè)計(jì)思路w 鏈路設(shè)計(jì)實(shí)例衛(wèi)星系統(tǒng)的可用度和實(shí)例衛(wèi)星系統(tǒng)的可用度：w 如果一年中的時(shí)間百分比p中，誤碼率超出Pb門(mén)限值，則鏈路中斷。鏈路可用概率為：w 衛(wèi)星系統(tǒng)的可用度：從發(fā)送地球站經(jīng)過(guò)衛(wèi)星，再到接收地球站的整個(gè)系統(tǒng)的可用度。 PA1：發(fā)送地球站的可用度 PA2：接收地球站的可用度 PAL：鏈路可用度 PAS：衛(wèi)星可用度w 通常用一年中有多少時(shí)間百分比衛(wèi)星鏈路處于正常工作狀態(tài)來(lái)表示它的可用度PAL，也采用它來(lái)表示衛(wèi)星系統(tǒng)可用度PA%1pPALASALAAAPPPPP21

20、衛(wèi)星系統(tǒng)的可用度和實(shí)例衛(wèi)星鏈路設(shè)計(jì)思路：w 鏈路設(shè)計(jì)主要工作w 地球站對(duì)鏈路設(shè)計(jì)的影響w 衛(wèi)星對(duì)鏈路設(shè)計(jì)的影響w 信道對(duì)鏈路設(shè)計(jì)的影響w 鏈路可用度的選擇w 參數(shù)的選擇衛(wèi)星鏈路設(shè)計(jì)思路 鏈路設(shè)計(jì)主要工作有：w 選擇使用的頻段w 計(jì)算并合理分配噪聲w 確定用戶載波占用的衛(wèi)星功率、帶寬及占用比w 用戶載波占用的地球站功率w 地球站天線的尺寸和功率的大小 衛(wèi)星鏈路設(shè)計(jì)思路地球站對(duì)鏈路設(shè)計(jì)的影響：w 地理位置提供：降雨衰減的估計(jì)，衛(wèi)星視角，地球站方向衛(wèi)星的EIRP，地球站衛(wèi)星路徑損耗w 地球站EIRP提供：發(fā)送天線增益，發(fā)送功率w 接收天線增益與地球站的靈敏度有關(guān)w 系統(tǒng)噪聲溫度也與地球站的靈敏度有關(guān)

21、w 交調(diào)噪聲影響總的載噪比w 設(shè)備特性（解調(diào)器實(shí)現(xiàn)的余量、正交極化鑒別度、濾波器特性）規(guī)定的附加鏈路余量。衛(wèi)星鏈路設(shè)計(jì)思路衛(wèi)星對(duì)鏈路設(shè)計(jì)的影響：w 衛(wèi)星的位置關(guān)系到覆蓋區(qū)和地球站視角w 接收天線增益和輻射方向性圖關(guān)系到靈敏度和覆蓋面積w 轉(zhuǎn)發(fā)器增益和噪聲特性關(guān)系到衛(wèi)星的EIRPs和Gu/Tu值w 交調(diào)噪聲影響到地球站接收機(jī)上總的載波對(duì)噪聲功率比w 轉(zhuǎn)發(fā)器類(lèi)型（透明或再生型）影響到系統(tǒng)的噪聲預(yù)算w 發(fā)射功率關(guān)系到衛(wèi)星發(fā)射的EIRP衛(wèi)星鏈路設(shè)計(jì)思路信道對(duì)鏈路設(shè)計(jì)的影響：w 工作頻率關(guān)系到路徑損耗和鏈路余量w 調(diào)制和編碼特性控制著要求的載噪比w 系統(tǒng)之間的噪聲影響著系統(tǒng)噪聲預(yù)算w 傳播特性控制著鏈路余量和調(diào)制與編碼方案的選擇衛(wèi)星鏈路設(shè)計(jì)思路鏈路可用度的選擇：w 指鏈路在長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)能保證規(guī)定質(zhì)量的時(shí)間百分比。它主要受降雨衰減的影響。其他原因，較小程度上有日凌中斷現(xiàn)象，還有衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器故障在內(nèi)的硬件故障等。w 規(guī)定的鏈路可用度： 通信：99.7% 電視：99.3% 衛(wèi)星鏈路設(shè)計(jì)思路鏈路可用度的選擇：w 需要提供的降雨衰減余量： C波段，上行：1dB，下行：0.5dB