通信衛(wèi)星鏈路計(jì)算

通信衛(wèi)星鏈路計(jì)算山東大學(xué)1h內(nèi)容提要衛(wèi)星鏈路解釋及其研究目的衛(wèi)星鏈路的分類衛(wèi)星鏈路計(jì)算的任務(wù)影響衛(wèi)星鏈路的若干因素衛(wèi)星鏈路計(jì)算典型衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈路計(jì)算實(shí)例2h衛(wèi)星鏈路解釋及其研究目的

衛(wèi)星通信的顯著特點(diǎn)是通信距離遠(yuǎn)，電磁波在傳播時(shí)受到極大的衰減。僅自由空間損耗就達(dá)200db，地球站收到的信號(hào)通常只有幾個(gè)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(jì)算的目的：盡量有效地在兩個(gè)地球站之間提供可靠而高效的連接手段，為此，發(fā)送站發(fā)出的信號(hào)到達(dá)接受站時(shí)，必須具備足夠高的電平，而且不管對(duì)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。3h衛(wèi)星鏈路的分類衛(wèi)星鏈路通常分為三大類，分別是：固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)通信鏈路；移動(dòng)通信衛(wèi)星鏈路；星際衛(wèi)星鏈路。4h衛(wèi)星鏈路計(jì)算的任務(wù)衛(wèi)星通信鏈路計(jì)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(jì)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(jì)算，即一個(gè)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發(fā)計(jì)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(gè)載波要求的；頻帶角度：按轉(zhuǎn)發(fā)器總的帶寬及每個(gè)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(jī)輸出信噪比或所提出的對(duì)的要求（或由門限以及門限備余量所提出的對(duì)的要求），確定地球站天線尺寸、接收機(jī)噪聲性能、發(fā)射功率等。

5h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(gè)：自由空間傳播損耗；鏈路中各種噪聲；電離層的法拉第效應(yīng)；降雨損耗；多徑和陰影遮蔽效應(yīng)；多普勒頻移；各種交調(diào)干擾。6h衛(wèi)星鏈路計(jì)算發(fā)射機(jī)接收機(jī)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(hào)接收信號(hào)國(guó)際無線電咨詢委員會(huì)（CCIR）規(guī)定了利用衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為洲際通信的標(biāo)準(zhǔn)鏈路模型。鏈路模型：地球站-衛(wèi)星-地球站7h通常總的衛(wèi)星鏈路由三部分合成的：上行鏈路計(jì)算；下行鏈路計(jì)算；交調(diào)、干擾鏈路計(jì)算。其中是真值，而非dB值，計(jì)算時(shí)一定要注意。下邊分別對(duì)之進(jìn)行討論。衛(wèi)星鏈路計(jì)算8h幾個(gè)關(guān)鍵因子介紹在計(jì)算衛(wèi)星鏈路之前，先介紹幾個(gè)必要的因子：天線增益G；

：衛(wèi)星天線增益：地面站天線增益天線增益：：天線直徑：天線效率：天線接收的無線電波長(zhǎng)9h幾個(gè)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(jì)算：d:衛(wèi)星-地面站距離(m)；：電磁波波長(zhǎng)(m)當(dāng)用d(km)、f(GHz)且用dB(即以10為底的對(duì)數(shù))表達(dá)時(shí):f:電磁波頻率(Hz)；c:光速。單位：dB10h幾個(gè)關(guān)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(jī)地球站或通信衛(wèi)星接收機(jī)通信衛(wèi)星或地球站定義有效全向輻射功率為：寫成dB形式為：11h接收機(jī)輸入端的噪聲功率因?yàn)榻邮諜C(jī)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(duì)很弱。因此外部噪聲就成了主要因素了。接收機(jī)的外部噪聲主要有以下幾個(gè)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波爾茲曼常數(shù)：等效溫度：等效帶寬：12h接收機(jī)輸入端的載噪比寫成dB形式就是：由于噪聲功率N是帶寬B的函數(shù)，缺乏一般性，對(duì)不同帶寬的系統(tǒng)不便于比較，實(shí)際中經(jīng)常使用表達(dá)載噪比。稱為品質(zhì)因子(1-01)13h載噪比三個(gè)表達(dá)式的關(guān)系14h上行鏈路計(jì)算由(1-01)公式的上行鏈路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(jì)算的是單載波的情況通常在計(jì)算上行鏈路載噪比時(shí)，會(huì)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(dāng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器達(dá)到最大飽和輸出時(shí)，其輸入端所需要的信號(hào)功率。用功率密度表示，即單位面積上的有效全向輻射功率。或者以dB形式表達(dá)為15h上行鏈路計(jì)算在FDMA系統(tǒng)中，一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器通常要同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)多個(gè)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(hào)功率從飽和點(diǎn)減小一定的數(shù)值，即進(jìn)行輸入補(bǔ)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(shí)的數(shù)值，則多載波工作時(shí)的數(shù)值應(yīng)為，所以，最后就得到了多載波的載噪比16h下行鏈路計(jì)算與上行鏈路計(jì)算相似，求得單載波時(shí)的載噪比轉(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(bǔ)償。因此，多載波工作時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)器的有效全向輻射功率為：轉(zhuǎn)發(fā)器在單載波飽和工作時(shí)的有效全向輻射功率17h上行、下行鏈路載噪比計(jì)算18h上行、下行鏈路載噪比計(jì)算為使衛(wèi)星單載波飽和輸出所必須的地球站EIRPdB實(shí)際工作點(diǎn)，地球站EIRP總和的dB輸入補(bǔ)償；衛(wèi)星單載波飽和輸出EIRPdB實(shí)際工作點(diǎn)時(shí)，衛(wèi)星總的輸出EIRPdB衛(wèi)星天線品質(zhì)因子地球站天線品質(zhì)因子輸出補(bǔ)償19h上行、下行鏈路載噪比計(jì)算對(duì)于上行、下行鏈路載噪比計(jì)算公式可總結(jié)出如下的統(tǒng)一公式：T：發(fā)端R：收端20h交調(diào)噪聲的通常用實(shí)驗(yàn)的方法或計(jì)算機(jī)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，即通常，輸入補(bǔ)償值的改變會(huì)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21h一般通過輸入補(bǔ)償值根據(jù)這個(gè)圖得出交調(diào)干擾載噪比。22h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(hào)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(huì)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。23h降雨余量在上行鏈路時(shí)，衛(wèi)星發(fā)射會(huì)時(shí)刻受到監(jiān)控站的監(jiān)控，地球站也將隨時(shí)得到監(jiān)控站的指令，對(duì)發(fā)射功率加以調(diào)整。因此，上行鏈路電波的衰減對(duì)上行載噪比的影響較容易得到解決。在下行鏈路時(shí)，特別是地球站使用高增益天線及低噪聲放大器時(shí)，下行鏈路本身的噪聲在正常工作時(shí)已不是很大，而降雨、降雪等氣象因素對(duì)下行鏈路就產(chǎn)生了顯著影響。故系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的降雨余量備份是針對(duì)下行鏈路提出的，而認(rèn)為降雨對(duì)上行鏈路的影響不予考慮。24h降雨余量降雨余量的含義是：降雨時(shí)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：25h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(jī)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。結(jié)合門限余量可得其中26h鏈路計(jì)算實(shí)例本節(jié)分別給出了國(guó)際衛(wèi)星通信系統(tǒng)的模擬制和數(shù)字制兩種鏈路計(jì)算實(shí)例。模擬制以SCPC-FM-FDM方式為例；數(shù)字制以SCPC-PSK-TDMA方式為例。27h模擬制1，模擬制電話鏈路標(biāo)準(zhǔn)CCIR對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)參考鏈路在傳輸電話和電視方面。對(duì)電話鏈路，在零相對(duì)電平點(diǎn)（即電話通路中試驗(yàn)者信號(hào)電平為0dBm的點(diǎn)）所允許的噪聲功率作了如下建議：任一小時(shí)的平均噪聲功率不超過10000pw(加權(quán)值);在一晝夜的20％以上的時(shí)間中，每分鐘的平均噪聲功率不超過l0000pw(加權(quán)值);在任一個(gè)月的0.3％以上的時(shí)間中，每分鐘的平均噪聲功率不超過50000pw(加權(quán)值);在任一年的0.03％以上的時(shí)間中，積分時(shí)間為5ms的噪聲功率不超過1000000pw(非加權(quán)值)。28h項(xiàng)目IS-2IS-3IS-4上行鏈路噪聲150014101130衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器內(nèi)互調(diào)噪聲160023402160下行鏈路噪聲640042504210地球站設(shè)備內(nèi)部噪聲50010001500來自其他系統(tǒng)的噪聲-10001000總計(jì)100001000010000IS-Ⅱ，IS-Ⅱ,IS-Ⅳ

系統(tǒng)噪聲分配（pW0p）以零相對(duì)電平點(diǎn)10000pW0p的噪聲功率，換算成噪聲電平為模擬制29h模擬制模擬制衛(wèi)星鏈路計(jì)算的一般步驟為：根據(jù)輸出的要求信噪比計(jì)算所需的載比；計(jì)算門限值；計(jì)算衛(wèi)星鏈路實(shí)際達(dá)到的;計(jì)算每一載波的和值；計(jì)算系統(tǒng)可容納的載波數(shù)n。30hIS-Ⅳ衛(wèi)星鏈路計(jì)算IS-Ⅳ衛(wèi)星的參數(shù)如下表：工作頻率6/4GHz30dB/K22.5dBW3400Hz-17.6dBW300Hz-67.5dBW/m平方1000Hz11dB4800Hz4.9dB

2700Hz衛(wèi)星鏈路噪聲取7500pW.31hIS-Ⅳ衛(wèi)星鏈路計(jì)算1,根據(jù)衛(wèi)星噪聲功率計(jì)算所需的又知壓擴(kuò)器對(duì)信噪比可改善17dB，則32hIS-Ⅳ衛(wèi)星鏈路計(jì)算2，計(jì)算門限值33hIS-Ⅳ衛(wèi)星鏈路計(jì)算3，衛(wèi)星鏈路實(shí)際的多載波時(shí)，衛(wèi)星輸出飽和有效全向輻射功率為：多載波時(shí)，衛(wèi)星飽和輸入的有效全向輻射功率為：34h上行、下行、互調(diào)載噪比根據(jù)IS-Ⅳ衛(wèi)星典型曲線查得所以，總載噪比為：IS-Ⅳ衛(wèi)星鏈路計(jì)算35h4，每載波的因此，地球站可少發(fā)25.9（dBW/K）,與此對(duì)應(yīng)的各均降低25.9(dBW/K).降低后總的載噪比為：相應(yīng)門限余量為：IS-Ⅳ衛(wèi)星鏈路計(jì)算36h5，系統(tǒng)可容納的載波數(shù)因?yàn)樗栽撓到y(tǒng)可容納389路電話。IS-Ⅳ衛(wèi)星鏈路計(jì)算37h數(shù)字制數(shù)字制衛(wèi)星鏈路計(jì)算與模擬制大同小異，只是在第一步計(jì)算輸出信噪比時(shí)，根據(jù)誤碼率歸一化信噪比，據(jù)此計(jì)算出門限載噪比