卫星通信第四章

C EIRP G / T L 228 .6 n0
载波功率与等效噪声温度之比C/T： C/N=C/T+228.6-B(dB)
C EIRP G /T L T
基本链路分析
总载噪比计算：
设卫星上接收到的载噪比为(C/N)u，它被通信卫星 转发，重新发回地球。由卫星天线转发后的EIRP为 EIRPs，载噪比为：C/N=(C/N)u，噪声功率为 ：
伴随的下行噪声功率：
N Pr EIRPs Gr C 1
(C / N )u
L N u
下行附加噪声功率:Nd=kTB
在接收地球站，总的噪声功率为：
N
EIRPs
Gr
C
1
kTB
L N u
基本链路分析
总载噪比计算：
整个卫星线路的载噪比：
C
EIRPs Gr / L
N EIRPs G (C / N )u1 / L kTB
基本链路分析
例：
工作在C波段（6/4GHz）波段的卫星系统，它以FDMA方式工作，
采用QPSK调制，系统参量如下：根据这些参数，计算载噪比。 载波调制参数：
比特率：64kbps 噪声带宽：40kHz 比特持续时间带宽积:0.625
卫星参数：
天线增益噪声温度比：-7dB/K；卫星饱和EIRP：36dBw TWTA输入回退量：11dB；TWTA输出回退量：6dB 载波数：200；转发器饱和功率通量密度：-80dBw/m2
基本链路分析
总载噪比计算： C
卫星线路的基本方程：N
C N
1 u
C N
1
1
d
如果(C/N)u>>(C/N)d，则C/N≈(C/N)d，卫星线路是下
行线受限制，这是卫星通信的常见情况
(C/N)u<<(C/N)d，则C/N≈(C/N)u，则认为卫星线路是 上行线受限制
其他损耗： 10 BOi和BOo 天线指向损耗 大气层吸收损耗 1.0
(C / I )d EIRPs (dBw) EIRPs(dBw) G(dB) (29 25 lg )
邻近卫星引起的总载波干扰比：
C
C
1
C
1
1
I I u I d
干扰分析
卫星通信中常见的其他干扰：
地面微波系统的干扰 正交极化干扰 邻道干扰 共信道干扰 码间串扰
卫星通信中常见的其他干扰
Pt 4d 2
2 4
Pt
4d
2
L
Pr
4d
2
4df
2
Pt c
传输方程
自由空间传播损耗：
当距离d以km为单位，频率f以GHz为单位时：
L(dB) 92.45 20lg d(km) 20lg f (GHz)
当距离d以km为单位，频率f以MHz为单位时：
L(dB) 32.45 20lg d(km) 20lg f (MHz)
0.1
损耗（dB/km）
基本链路分析
3 1

2
0.01
0.3
0.5
1.0
2
3
45
λ（cm）
水蒸汽和氧气的吸收损耗
1：水蒸汽，10g/m3（在18℃时的相对湿度66％）；2：氧，压强为15cm水银柱 3：总的吸收损耗
基本链路分析
例：
某Ku波段（14/12GHz）的卫星系统，它以TDMA方式工作，采用QPSK 调制，系统参量如下：根据这些参数，计算载噪比。 载波调制参数：
传输方程
功率通量密度：
表示发射功率经过空间传播到达接收点后，在单位 面积内的功率。
Pfd=PtGt/(4d2)=EIRP/(4d2) （W/m2） Pfd=EIRP（dBW)-10lg(4d2) (dBW/m2) 卫星转发器饱和通量密度：为使卫星转发器单载波 饱和工作，在其接收天线的单位面积上应输入的功 率。它反映了卫星转发器的灵敏程度。
地球站参数
发射天线增益：47dB；接收天线增益：44.5dB; 天线增益噪声温度比：22dB/K；最大的上行和下行距离：37506km
基本链路分析
门限载噪比：
为保证用户接收到的话音、图像和数据有必要的质 量，接收机所必须得到的最低载噪比。 对于模拟制信号通常用信噪比(S/N)表示传输质量的 好坏 对于数字通信，用误码率表示传输质量。与所要求 的误码率相对应的Eb/n0也称门限电平，用(Eb/n0)th表 示
C/n0=Eb/n0+R C/N=Eb/n0+R-B
基本链路分析
再生型转发器计算：
很强的信号处理能力，发展方向。 链路的各个部分是彼此独立的。因此误比特率为
Pe Peu (1 Ped ) Ped (1 Peu ) Peu Ped
卫星链路设计
第三节 干扰分析：
载波噪声干扰比 邻星干扰 卫星通信中常见的其他干扰
N EIRPs
接收地球站收到的载波加噪(声C /为N )Cu (t)+N(t)+Nd(t)
C(t)：上行载波功率经卫星转发后的功率 N(t)：上行噪声功率经卫星转发后的功率 Nd(t)：附加的均值为零的下行加性白噪声
基本链路分析
总载噪比计算；
地球站的接收功率：
Pr
Pt
Gt Gr L
EIRPs Gr L
干扰分析
载波噪声干扰比：
载波噪声干扰比：C/(N+I)=C/N´
C N
C N
1
C I
1
1
总的载波噪声干扰比：
C N
C 1 N
C
1
1
I
C 1
N
u
C N
1 d
1
所有的干扰都是高斯型的，且是彼此无关的广义平 稳随机过程
邻星干扰：
A
干扰分析
B
θ
A2
系统 A
干扰分析
邻星干扰：
从地球站A2到卫星A的上行载波干扰比：
C
用dB表示： I
u
EIRP EIRP
Gu Gu
du du
fu fu
EIRP EIRP
Gu Gu
C / I u EIRP(dBw) EIRP(dBw) Gu (dB) Gu (dB)
用功率通量 CI密u度 P SfSdFF表DD示 GG：uu
交极化鉴别度： X min
1 2
(
X
1 e
X
1 S
)
1
卫星通信中常见的其他干扰
邻道干扰：
邻道干扰(ACI)是一种来自相邻或相近信道的干扰。 产生邻道干扰的主要原因：
相邻信道间隔太小和滤波不完全 其它站的寄生发射
卫星通信中常见的其他干扰
共信道干扰：
为了充分利用卫星的频率资源，现代卫星通信系统 很多采用频率复用技术，即把已有频段再使用一次 这种复用技术采用波束隔离的方法，即分别指向不 同区域的两个波束传递各自的信息，但使用相同的 频带
卫星通信中常见的其他干扰
正交极化干扰：
由于极化的不完全正交造成的干扰称为交叉极化干 扰(CPI)，即能量从一种极化状态耦合到另一种极化 状态引起的干扰
正交极化鉴别度的定义为对同一入射信号，收到的 主极化功率对正交极化功率的比值
卫星线路的净正交极化鉴别度，是地球站天线和卫
星天线在上行和下行线的组合效果。最小净线路正
第四章 卫星链路设计
卫星链路设计
传输方程 基本链路分析 干扰分析 大气损耗和降雨衰减 卫星通信系统的可用度
第一节 传输方程：
卫星链路 自由空间传播损耗 功率通量密度 接收信号功率
卫星链路设计
卫星链路：
传输方程
上行链路
卫星
下行链路
上行地球站
下行地球站
自由空间传播损耗：
Pr Pr
Pt
传输方程
Pr
损耗（dB/km）
晴天的大气损耗： 10
电离层吸收损耗。频率越 低越严重。频率高于 0.3GHz时可忽略
对流层对卫星通信的影响。1.0 在频率低于10GHz，仰角 在5°以上时影响可忽略
3
电 100 离 层 吸 收 10 损 耗
1
1 0.1
/dB
0.1 0.01 0.1
0.5 频率(GHZ)
由于天线方向图的旁瓣效应，两个波束之间不可能 完全隔离，因此会相互产生干扰
卫星通信中常见的干扰
码间串扰：
不是来自外部源，而是信道内部产生的。 对于FDMA方式，存在交调干扰 对于CDMA方式，存在多址干扰
卫星链路设计
第四节 大气损耗和降雨衰减：
晴天的大气损耗 降雨衰减 解决降雨衰减的方法
大气损耗和降雨衰减
C (dB) EIRP G / T L B 228.6 N
基本链路分析
上行载噪比计算：
功率通量密度：Pfd
EIRP 4d 2
EIRP 4d 2
4 2
用dB表示：Pfd
EIRP L 10lg
4 2
载噪比：
C N
Pfd
G/T
B 10lg
4 2
228.6
基本链路分析
上行载噪比计算：
载波功率与等效功率谱密度的比值(C/no)： C/N=C/n0-B(dB)
虽然卫星链路对频率变化是不敏感的，但是另一些 因素也会影响使用频率的选择
基本链路分析：
上行载噪比计算 总载噪比计算 其他损耗 门限载噪比 再生型转发器计算
卫星链路设计
上行载噪比计算：
基本链路分析
C Pt Gt Gr 1 EIRP Gr 1 EIRP G 1
N
L kTB
L kTB L T kB
C / I u EIRP(dBw) EIRP*(dBw) Gi (dB) (29 25 lg ) Gu (dB) Gu (dB)
(C / I)u Pfd (dBw/ m2) Pfd*(dBw/ m2) Gi (dB) (29 25lg) Gu Gu
干扰分析
邻星干扰：
从卫星A到地球站A1的下行载波干扰比：
卫星通信中常见的其他干扰
地面微波系统的干扰：
国际上规定：
对于地面微波通信系统，要求在卫星载波40kHz的带宽内， 其功率谱密度低于地球站接收功率谱密度25dB 进入地面微波系统的干扰功率基准为-154dBw/4kHz，并且 干扰功率达到这个值的时间不许超过20%；或干扰功率基 准为-131dBw/4kHz，且达到这个值的时间不超过0.01%
2d AdB
r
dB
卫星 A
卫星 B
干扰分析
邻星干扰：
上行干扰功率：
Iu EIRPGu
c 4du
fu
2
EIRP´：干扰信号在被干扰卫星A方向的EIRP
fu´：上行干扰频率
du´：被干扰卫星A和干扰地球站B1之间的上行距离
Gu´：被干扰卫星A的天线在地球站B1方向的增益
fu´≈fu， du´≈du
(C / I )u Pfd (dBw/ m2) Pfd (dBw/ m2) Gu Gu
干扰分析
邻星干扰：
EIRP(dBw) EIRP *(dBw) Gi (dB) 29 25 lg (dB) Pfd (dBw/ m2) Pfd*(dBw/ m2) Gi (dB) 29 25lg (dB)
传输方程
分析：
天线增益G随着频率的增加而增大，但是传播损耗 也增大，所以接收的功率通量密度和功率不变。结 论：卫星链路对频率的变化是不敏感的
从技术和经济因素，只对一定的频率范围感兴趣。 例如卫星直播电视(DTH)，希望地球站的价格尽可 能低，使用小口径天线。高频率卫星上能得到高的 EIRP；同时地面上也能使用小口径高增益天线
A1
θ B1 系统 B B2
干扰分析
邻星干扰：
国际上的有关章程规定，相对峰值归一化(1或0dB)
的副瓣包络电平：
29 25lg
d2
d
2 A
d
2 B
2d AdB
cos
θ
d 2 2r 2 2r 2 cos 2r 2 (1 cos )
dA
β
arc
c
os
d
2 A
d
2 B
2r2 (1 cos )
接收信号功率：
传输方程
Pr
Pt Gt Gr L
Pt
Gt
Gr
4d
2
传输方程
传输方程
例：
一颗卫星在4GHz时通过一副18dB增益天线，发射 25W功率。网络中一个地球站，用一副直径为12m 的天线(η=65%)来接收，试确定：
(1) 地球站的接收天线增益； (2)假定从卫星到地球站的距离为40000km，求传播损耗 (3) 求这个地球站的功率通量密度； (4) 在地球站天线输出处收到的功率。 (5) 如工作频率改为11.5GHz，重复上述计算，并比较结果。
地面微波系统的干扰：
分配给卫星通信的6/4GHz同时用于地面微波线路 地球站接收4GHz频带的信号，它对来自地面传输的 4GHz微波干扰也很敏感 地球站以6GHz频带发射，对使用6GHz频段接收的 地面微波系统产生干扰
地球站和地面微波系统间的相互干扰量是载波功率、 载波谱密度和两载波间频率差值的函数
比特率：60Mbps 噪声带宽：36MHz 比特持续时间带宽积:0.6
卫星参数：
天线增益噪声温度比：1.6dB/K；卫星饱和EIRP：44dBw TWTA输入回退量：0dB；TWTA输出回退量：0dB
地球站参数
天线直径：7m; 发射天线增益(14GHz)：57.6dB 接收天线增益(12GHz)：56.3dB; 进入天线的载波功率：174W 最大的上行和下行距离：37506km 跟踪损耗：1.2dB（上行）和0.9dB（下行） 系统噪声温度：160k