通信卫星链路计算

E
C T t
CT th
h
23
降雨余量
在上行链路时，卫星发射会时刻受到监控站的监控，地球站也将随时得 到监控站的指令，对发射功率加以调整。因此，上行链路电波的衰减对上行 载噪比的影响较容易得到解决。
在下行链路时，特别是地球站使用高增益天线及低噪声放大器时，下行 链路本身的噪声在正常工作时已不是很大，而降雨、降雪等气象因素对下行 链路就产生了显著影
响。故系统设计中的降雨余量备份是针对下行链路 提
出的，而认为降雨对上行链路 的影响不予考虑。
C
T
U
h
C
T
D
24
降雨余量
降雨余量的含义是：降雨时下行线路的 或说应有多大的余量才能使卫星
C 可容许恶化 多T D 少 倍（用m倍表示）
通信链路总的 仍保 C 持 在门限的水平上。 降雨备余量为： T t
2，自由空间传输损耗（通信距离方程）
在卫星通信中，电波主要是在大气层以外的自由空间传播，大气层只占 很小的一部分，因此首先研究的是自由空间传播损耗，在此基础上再考虑大 气层及其他损耗。自由空间损耗用下式计算：
Lf
4d2 4cdf
2
d:卫星-地面站距离(m)；
：电磁波波长(m)
f:电磁波频率(Hz) ；c: 光速。
表示 。是随特定的系统和系统的用途而异。 载噪比涉及到发端功率，收发两端天线增益，传输过程中的 各种损耗、噪声及干扰、气象条件等因素。
C T
h
3
卫星链路的分类
卫星链路通常分为三大类，分别是： 1. 固定卫星业务通信链路； 2. 移动通信卫星链路； 3. 星际卫星链路。
h
4
卫星链路计算的任务
卫星通信链路计算通常分为两类，分别是：
h
6
卫星链路计算
国际无线电咨询委员会（CCIR）规定了利用卫星通信系统作为洲际通信的标准 链路模型。
链路模型：地球站-卫星-地球站
交调、干扰载噪 比
卫星
上行载噪比
发射机 待发送信号
h
下行载噪比
接收机 接收信号
7
卫星链路计算
通常总的卫星链路 C T 由三部分合成的： t
1. 上行链路 C TU 计算；
➢干扰噪声。主要包括来自其他通信系统的干扰噪声和人为干扰噪声。
➢上行链路噪声和转发器非线性产生的交调噪声。
内部噪声主要来自馈线、放大器和下变频器等。
因此输入端的噪声功率为 N kTt B
波尔兹曼常数：k1.381023J/K 等效温度： T t 等效带宽： B
h
12
接收机输入端的载噪比
C PTGTGR 1
不超过1 000 000pw(h非加权值)。
28
模拟制
IS-Ⅱ ，IS-Ⅱ , IS-Ⅳ 系统噪声分配（pW0p）
项目 上行链路噪声
IS-2 1 500
IS-3 1 410
卫星转发器内互调噪声
1 600
2 340
下行链路噪声
6 400
4 250
地球站设备内部噪声
500
1 000
来自其他系统的噪声
-
(1-01)
G T
称为品质因子
h
13
载噪比三个表达式的关系
C N
C
n
0
B
C T
k
B
h
14
上行链路C TU 计算
由(1-01)公式的上行链路
C TU
TC UEIRPE TG sastLfU
EIRPE
Gs Tsat
地球站有效全向辐射功率 卫星天线品质因子
注意：该公式计算的是单载波的情况 L fU 上行自由空间损耗
1. 天线增益G；
定 向 天 线 辐 射 时 ， 接 受 点 收 到 的 最 大 功 率 G 全 向 天 线 辐 射 时 ， 接 受 点 收 到 的 最 大 功 率
G s ：卫星天线增益
天线增益：
G
2D2 2
h
G E ：地面站天线增益
D ：天线直径
：天线效率
：天线接收的无线电波长 9
几个关键因子介绍
通常在计算上行链路载噪比时，会使用到转发器灵敏度的概念。转发器灵敏度是 指当卫星转发器达到最大饱和输出时，其输入端所需要的信号功率。用功率密度 表示，即单位面积上的有效全向辐射功率。
Ws
W sE 4 IR d P 2 E4 E Id R P E24 2hE L IR P U P E4 2
或者以dB形式表达为
地球站天线品质因子
19
上行、下行链路载噪比计算
对于上行、下行链路载噪比计算公式可总结出如下的统一公式：
C T EIRPT Lf TR G T T
T：发端 R：收端
h
20
C
交调噪声的
T
I
通常用实验的方法或计算机模拟的方法获得载波
公率与互调噪声平均功率谱密度比 并用等效噪声温度折算，即
1，已知转发器及地球站的基本参数，计算地球站能得到的载噪比及
其应发射的 EIRP 。
系统容量的计算，即一个转发器能容纳多少载波（话路），通常
从功率角度和频带角度出发计算，两种结果取最小者。功率角度：
一般是按转发器总的EIRPs.m
及每个载波要求的EIRP s
；频
带角度：按转发器总的带宽及每个载波要求占的带宽。
定向天线辐射时接受点收到的最大功率全向天线辐射时接受点收到的最大功率2自由空间传输损耗通信距离方程在卫星通信中电波主要是在大气层以外的自由空间传播大气层只占徆小的一部分因此首先研究的是自由空间传播损耗在此基础上再考虑大气层及其他损耗
通信卫星链路计算
山东大学
h
1
内容提要
➢ 卫星链路解释及其研究目的 ➢ 卫星链路的分类 ➢ 卫星链路计算的任务 ➢ 影响卫星链路的若干因素 ➢ 卫星链路计算 ➢ 典型卫星通信系统链路计算实例
15
上行链路 计
算
C TU
W sE IR P E L fU 1 0lg4 2
在FDMA系统中，一个转发器通常要同时转发多个载波。为了减 小因交调产生的噪声，需要使总的输入信号功率从饱和点减小一 定的数值，即进行输入补偿，是转发器工作在线性部分。
用 EIRP表示转发器在单载波工作时的数值，则多载波工作时的 Es
T C D M E I R P S M L fD G T D R E I R P S S B O o L fD G T D R
EIRPSS 转发器在单载波饱和工作时的有效全向辐射功率
h
17
上行、下行链路载噪比计算
h
18
上行、下行链路载噪比计算
h
2
卫星链路解释及其研究目的
卫星通信的显著特点是通信距离远，电磁波在传播时受到 极大的衰减。仅自由空间损耗就达200db，地球站收到的信 号通常只有几个微瓦。因此卫星通信中噪声的影响是非常重 要的问题。
链路计算的目的：尽量有效地在两个地球站之间提供可 靠而高效的连接手段，为此，发送站发出的信号到达接受站 时，必须具备足够高的电平，而且不管对通信质量的总噪声 影响如何，都要保证必须的业务质量。链路所需的载噪比用
1) 任一小时的平均噪声功率不超过10000 pw(加权值);
2) 在一昼夜的20％以上的时间中，每分钟的平均噪声功率不超过 l0 000 pw(加权值);
3) 在任一个月的0.3％以上的时间中，每分钟的平均噪声功率不超 过50 000 pw(加权值);
4) 在任一年的0.03％以上的时间中，积分时间为5ms的噪声功率
N
Lf
kTt B
写成dB形式就是：
C N P T G T G R L f 1 0lgkT tB
E IR P G R L f 1 0 lg k T tB
由于噪声功率N是带宽B的函数，缺乏一般性，对不同带宽
的
C
系统不C T便 于比EI较RP ，实际G T中经常L 使f 用
T 表 达载噪比。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
M
10lg
C T
1
th
C T
1
t
1
C TD
1
C
TD
h
25
门限余量与降雨余量的关系
定义r为折算到地球站接收机输入端的上行、互调干扰噪声功率之和与下行 噪声功率之比。
r TU TI TD
Tt TD TD
C T
1
t
C TD
C 1
1
TD
结合门限余量可得
E mr 1 r
G T s
W s
BO I
BO o
-17.6dBW -67.5dBW/m平方 11 dB 4.9 dB
当用d(km)、f(GHz)且用dB(即以10为底的对数)表达时:
L f 9 2 .4 5 2 h0 lg d 2 0 lgf
单位：dB
10
几个关键因子介绍
3，有效全向辐射功率 典型的卫星通信系统组成图如下图所示：
PT
GT
发射机
GR
PR C
接收机
地球站或通信卫星
通信卫星或地球站
PRPTGTGR4d2PTG LTfGR
2. 下行链路 C TD 计算； 3. 交调、干扰链路 C TI 计算。
C T t 1 C T U 1 C T D 1 C T I 1
其中 C T 是真值，而非dB值，计算时一定要注意。
下边分别对之进行讨论。
h
8
几个关键因子介绍
在计算卫星链路之前，先介绍几个必要的因子：
h
其中 m10M/10
26
链路计算实例
本节分别给出了国际卫星通信系统的模拟制和数字制两种链路计算实例。 ➢模拟制以SCPC-FM-FDM方式为例； ➢数字制以SCPC-PSK-TDMA方式为例。
h
27
模拟制
1，模拟制电话链路标准
CCIR对卫星通信系统的标准参考链路在传输电话和电视方面。对 电话链路，在零相对电平点（即电话通路中试验者信号电平为 0 dBm的点）所允许的噪声功率作了如下建议：
定义有效全向辐射功率为： 写成dB形式为：
EIRPPTGT
E IR P P T G T
h
11
接收机输入端的噪声功率
因为接收机使用了高增益天线和低噪声放大器，内部噪声的影响相 对很弱。因此外部噪声就成了主要因素了。接收机的外部噪声主要有以 下几个方面：
➢天线噪声。包括宇宙噪声、大气噪声、降雨噪声、天线损耗噪声、天 电噪声、天线罩噪声及天线副瓣收到的地面噪声等。
1 000
总计
10 000
10 000
以零相对电平点10 000pW0p的噪声功率，换算成噪声电平为
10000pw
10log
50dBm0p
1m p h
29
IS-4 1 130 2 160 4 210 1 500 1 000 10 000
模拟制
模拟制卫星链路计算的一般步骤为：
1) 根据输出的要求信噪比计算所需的载比 ；
数值应为 E IR P E M E IR ，P 所E s 以 ，B O i
E IR P E M W s B O i L fU 1 0lg42 最后就得到了多载波的载噪比
T C U M E I R P E M G sT s ha t L fU W s B O i16 G sT s a t 1 0 lg 4 2
2) 计算门限值 ； C
3) 计算卫星链路实际 T 达 t到h 的 ; 4) 计算每一载波的 和 值；
5) 计算系统可容纳的载波数 n。
EIRP
C T t
C T t
C T t
h
30
IS-Ⅳ卫星链路计算
IS-Ⅳ卫星的参数如下表：
工作频率 6/4 GHz
EIRP ss
22.5 dBW
， C
n
0I
C C
TI
n0I
228.6
通常，输入补偿值的改变会影响上行、下行、交调干扰载噪比的值，下列图 清楚地表示它们地关系
h
21
一般通过输入补偿值根据这个图得出交调干扰载噪比。
h
22
门限余量
门限载噪比 就是解 CT 调 t h器输出的被恢复的基带信号质量的最低要求值。 但是，任何卫星通信系统建成之后，它的参数并不是一成不变的，它还 会经常地受到气象条件、转发器及地球站设备某些不稳定因素的影响。因 此，为了在这些因素变化后仍能正常工作，必须留有一定的余量。
EIRPES 为使卫星单载波饱和输出所必须的地球站EIRP dB EIRPEM 实际工作点，地球站EIRP总和的 dB
BOi
输入补偿；
B O o 输出补偿
EIRPSS 卫星单载波饱和输出EIRP dB
EIRPSM 实际工作点时，卫星总的输出EIRP dB
G T
S
卫星天线品质因子
h
G T E
2，已知转发器的基本参数以及根据接收机输出信噪比 S N 或Eb n0
所提出的对 C
N t
的要求（或由门限C
N th
以及门限备余量 E
所提出的对C
N
t
的要求），确定地球站天线尺寸、接收机噪声
性能、发射功率等。
h
5
影响卫星链路的主要因素
影响卫星链路质量的主要因素有如下几个： 1. 自由空间传播损耗； 2. 链路中各种噪声； 3. 电离层的法拉第效应； 4. 降雨损耗； 5. 多径和阴影遮蔽效应； 6. 多普勒频移； 7. 各种交调干扰。
C
下行链路
T
D
计算
与上行链路计算相似，求得单载波时的载噪比
TCDEIRPsLfDG TD R
EIRPs
转发器有效全 向辐射功率
L fD 下行自由传输
损耗
GR TD
地面站天线 品质因子
同样在FDMA系统下，转发器输出功率也有一定输出补偿。因此， 多载波工作时，转发器的有效全向辐射功率为：