第4章1卫星通信系统
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星-地链路传播特性
• 卫星通信的电波在传播中要受到损耗，其中 最主要的是自由空间传播损耗，它占总损耗 的大部分。其它损耗还有大气、雨、云、雪、 雾等造成的吸收和散射损耗等。卫星移动通 信系统还会因为受到某种阴影遮蔽(例如树木、 建筑物的遮挡等)而增加额外的损耗，固定业 务卫星通信系统则可通过适当选址避免这一 额外的损耗。
Equivalent Isotropic Radiated Power
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(3) 馈线损耗(L)
– 实际的发射装置中，发射机和天线之间有一 段来自百度文库线，馈线损耗定义为其输入端功率Pin与 输出端功率Pout的比值。 L=Pin/Pout
– 通常用dB为单位，表示为 [L](dB)=[Pin](dBW)-[Pout](dBW)
• 假设网络内部产生噪声为N，如果一个输入 匹配电阻在温度Te时产生的噪声功率刚好等 于N，则Te即为该网络的等效噪声温度。
N kTeB
• Te是一个等效温度，不等于环境的物理温度。
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• 除等效噪声温度外，通常噪声系数也被用来 表示系统的噪声性能。噪声系数定义为：室 温(290K)条件下，网络的输入信噪比和输出 信噪比的比值
14
(4) 传输损耗(L)
– 卫星通信中，电波在上行或下行链路中传输 时，会受到各种因素的影响而产生损耗。最 主要的是自由空间传播损耗，此外，还应考 虑大气损耗、天线跟踪误差、极化方向误差 等所产生的损耗。
– 通常用dB为单位。
15
(5) 等效噪声温度（Te）和噪声系数(NF) • 噪声温度是通信接收机中的一个重要概念，
通信卫星的分类
➢按轨道分：赤道轨道，极轨道，倾斜轨道，同步 卫星，移动卫星，GEO，MEO，LEO； ➢按通信范围分类：国际通信卫星，区域性通信卫 星，国内通信卫星； ➢按用途分类：综合业务通信卫星，军事通信卫星， 海事通信卫星，电视直播卫星，气象卫星等； ➢按转发能力分类：无星上处理能力，有星上处理 能力；
❖ A•也称为天线的有效接收面积Ae。
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(2) 等效全向辐射功率（EIRP）
❖ 定义：地球站或卫星的天线发射的功率P与该天 线增益G的乘积。表明了定向天线 在最大辐射 方向实际所辐射的功率。可表示为 EIRP=P·G 或 [EIRP](dBW)= [P](dBW)+[G](dB)
❖ 上行链路功率辐射能力通常用等效全向辐射功 率（EIRP）来衡量。
NF
Si So
/ Ni / No
• 噪声温度(Te)与噪声系数(NF)的关系为
[NF]=10lg(1+Te/290)dB
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(6) 品质因数（G/T ）
❖ 下行接收系统的性能主要通过品质因数G/T来 体现。
❖ 定义：接收天线增益与接收系统总的等效噪 声温度的比值。
[G/T]=[G](dB)-10lgT (dB/K)
下图是静止卫星与地球相对位置的示意图。由此可见， 只需三颗等间隔配置静止卫星就可以实现全球通信。
卫星系统的结构
卫星的主要设备包括下列 七大系统
➢位置与姿态控制系统 ； ➢天线系统 ； ➢转发器系统 ； ➢遥测指令系统 ； ➢电源系统 ； ➢温控系统 ； ➢入轨和推进系统。
推进系统的自旋控制
链路传输工程
按频段分类
•0.1-0.3（GHz），VHF，移动、导航业务； •0.3-1.0，UHF，移动、导航业务； •1.0-2.0，L，移动业务、指令传输； •2.0-4.0，S，移动业务、指令传输； •4.0-8.0 (4/6)，C，固定业务； •8..0-12.0，X； •12.0-18.0 (12/14)，Ku，固定业务； •18.0-24.0，K ；24.0-30.0，Ka； •33.0-50.0，Q ； 50.0-75.0，V。
利用它可以衡量接收系统中产生的热噪声 大小。 • 噪声功率为
N n0B kTB
❖ 其中，k为波耳兹曼常数，1.38×10-23J/K； T为噪声源的噪声温度，单位为K。B为系 统带宽为B，单位Hz。
16
• 在实际卫星通信中，其内部总是会产生热噪 声或其他噪声。为了链路分析和设计的方便， 把这些噪声统统等效成热噪声来处理，因而 引入等效噪声温度Te的概念。
21
• 虽然电波在自由空间里传播不受阻挡，不 产生反射、折射、绕射、散射和吸收，但 是，当电波经过一段路径传播之后，能量 仍会受到衰减，这是由辐射能量的扩散而 引起的。
• 电波在传播过程中，能量将随传输距离的 增大而扩散，由此引起的传播损耗称为链 路的自由空间传播损耗。
中间层50 - 80 km 平流层
16 - 50 km
对流层
7- 16 km
10
卫星通信系统的主要技术参数
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(1)天线增益G
• 卫星通信中所使用的喇叭天线、抛物面天线 等面天线的增益可按下式计算：
G
4A 2
❖ 其中，A为天线口面面积，为波长，为天 线效率，现代卡塞格伦天线的可达 0.75(f=4GHz)或0.65(f=6GHz)左右。
• 概述 • 星地链路传播特性 • 卫星通信全链路质量
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概述
• 星际链路：
– 只考虑自由空间传播损耗。
• 星-地链路：
– 由自由空间传播损耗和近地大气层的各种影响所 确定；
– 卫星通信的电波要经过对流层（含云层和雨层）、 平流层、电离层和外层空间，跨越距离大，影响 电波传播的因素很多。
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热层（电离层） 外逸层500 - 64,374 km 80 - 500 km
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1 自由空间传播损耗
• 自由空间传播，是指天线周围为无限大真空 时的电波传播，它是理想传播条件。 电波在 自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所 吸收，也不会产生反射或散射。
• 自由空间电波传播是无线电波最基本、最简 单的传播方式。自由空间是一个理想化的概 念，为人们研究电波传播提供了一个简化的 计算环境。
按重量分类
➢大型卫星，Large，>1000kg，>1亿美元； ➢小卫星，Small，500-1000kg，0.5-1亿美元； ➢微小卫星，Mini，100-500kg，500-2000万美元； ➢微卫星，Micro，10-100kg，200-300万美元； ➢纳卫星，Nano，<10kg，<100万美元； ➢皮卫星，Pico ，<1kg。
星-地链路传播特性
• 卫星通信的电波在传播中要受到损耗，其中 最主要的是自由空间传播损耗，它占总损耗 的大部分。其它损耗还有大气、雨、云、雪、 雾等造成的吸收和散射损耗等。卫星移动通 信系统还会因为受到某种阴影遮蔽(例如树木、 建筑物的遮挡等)而增加额外的损耗，固定业 务卫星通信系统则可通过适当选址避免这一 额外的损耗。
Equivalent Isotropic Radiated Power
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(3) 馈线损耗(L)
– 实际的发射装置中，发射机和天线之间有一 段来自百度文库线，馈线损耗定义为其输入端功率Pin与 输出端功率Pout的比值。 L=Pin/Pout
– 通常用dB为单位，表示为 [L](dB)=[Pin](dBW)-[Pout](dBW)
• 假设网络内部产生噪声为N，如果一个输入 匹配电阻在温度Te时产生的噪声功率刚好等 于N，则Te即为该网络的等效噪声温度。
N kTeB
• Te是一个等效温度，不等于环境的物理温度。
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• 除等效噪声温度外，通常噪声系数也被用来 表示系统的噪声性能。噪声系数定义为：室 温(290K)条件下，网络的输入信噪比和输出 信噪比的比值
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(4) 传输损耗(L)
– 卫星通信中，电波在上行或下行链路中传输 时，会受到各种因素的影响而产生损耗。最 主要的是自由空间传播损耗，此外，还应考 虑大气损耗、天线跟踪误差、极化方向误差 等所产生的损耗。
– 通常用dB为单位。
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(5) 等效噪声温度（Te）和噪声系数(NF) • 噪声温度是通信接收机中的一个重要概念，
通信卫星的分类
➢按轨道分：赤道轨道，极轨道，倾斜轨道，同步 卫星，移动卫星，GEO，MEO，LEO； ➢按通信范围分类：国际通信卫星，区域性通信卫 星，国内通信卫星； ➢按用途分类：综合业务通信卫星，军事通信卫星， 海事通信卫星，电视直播卫星，气象卫星等； ➢按转发能力分类：无星上处理能力，有星上处理 能力；
❖ A•也称为天线的有效接收面积Ae。
12
(2) 等效全向辐射功率（EIRP）
❖ 定义：地球站或卫星的天线发射的功率P与该天 线增益G的乘积。表明了定向天线 在最大辐射 方向实际所辐射的功率。可表示为 EIRP=P·G 或 [EIRP](dBW)= [P](dBW)+[G](dB)
❖ 上行链路功率辐射能力通常用等效全向辐射功 率（EIRP）来衡量。
NF
Si So
/ Ni / No
• 噪声温度(Te)与噪声系数(NF)的关系为
[NF]=10lg(1+Te/290)dB
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(6) 品质因数（G/T ）
❖ 下行接收系统的性能主要通过品质因数G/T来 体现。
❖ 定义：接收天线增益与接收系统总的等效噪 声温度的比值。
[G/T]=[G](dB)-10lgT (dB/K)
下图是静止卫星与地球相对位置的示意图。由此可见， 只需三颗等间隔配置静止卫星就可以实现全球通信。
卫星系统的结构
卫星的主要设备包括下列 七大系统
➢位置与姿态控制系统 ； ➢天线系统 ； ➢转发器系统 ； ➢遥测指令系统 ； ➢电源系统 ； ➢温控系统 ； ➢入轨和推进系统。
推进系统的自旋控制
链路传输工程
按频段分类
•0.1-0.3（GHz），VHF，移动、导航业务； •0.3-1.0，UHF，移动、导航业务； •1.0-2.0，L，移动业务、指令传输； •2.0-4.0，S，移动业务、指令传输； •4.0-8.0 (4/6)，C，固定业务； •8..0-12.0，X； •12.0-18.0 (12/14)，Ku，固定业务； •18.0-24.0，K ；24.0-30.0，Ka； •33.0-50.0，Q ； 50.0-75.0，V。
利用它可以衡量接收系统中产生的热噪声 大小。 • 噪声功率为
N n0B kTB
❖ 其中，k为波耳兹曼常数，1.38×10-23J/K； T为噪声源的噪声温度，单位为K。B为系 统带宽为B，单位Hz。
16
• 在实际卫星通信中，其内部总是会产生热噪 声或其他噪声。为了链路分析和设计的方便， 把这些噪声统统等效成热噪声来处理，因而 引入等效噪声温度Te的概念。
21
• 虽然电波在自由空间里传播不受阻挡，不 产生反射、折射、绕射、散射和吸收，但 是，当电波经过一段路径传播之后，能量 仍会受到衰减，这是由辐射能量的扩散而 引起的。
• 电波在传播过程中，能量将随传输距离的 增大而扩散，由此引起的传播损耗称为链 路的自由空间传播损耗。
中间层50 - 80 km 平流层
16 - 50 km
对流层
7- 16 km
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卫星通信系统的主要技术参数
11
(1)天线增益G
• 卫星通信中所使用的喇叭天线、抛物面天线 等面天线的增益可按下式计算：
G
4A 2
❖ 其中，A为天线口面面积，为波长，为天 线效率，现代卡塞格伦天线的可达 0.75(f=4GHz)或0.65(f=6GHz)左右。
• 概述 • 星地链路传播特性 • 卫星通信全链路质量
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概述
• 星际链路：
– 只考虑自由空间传播损耗。
• 星-地链路：
– 由自由空间传播损耗和近地大气层的各种影响所 确定；
– 卫星通信的电波要经过对流层（含云层和雨层）、 平流层、电离层和外层空间，跨越距离大，影响 电波传播的因素很多。
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热层（电离层） 外逸层500 - 64,374 km 80 - 500 km
20
1 自由空间传播损耗
• 自由空间传播，是指天线周围为无限大真空 时的电波传播，它是理想传播条件。 电波在 自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所 吸收，也不会产生反射或散射。
• 自由空间电波传播是无线电波最基本、最简 单的传播方式。自由空间是一个理想化的概 念，为人们研究电波传播提供了一个简化的 计算环境。
按重量分类
➢大型卫星，Large，>1000kg，>1亿美元； ➢小卫星，Small，500-1000kg，0.5-1亿美元； ➢微小卫星，Mini，100-500kg，500-2000万美元； ➢微卫星，Micro，10-100kg，200-300万美元； ➢纳卫星，Nano，<10kg，<100万美元； ➢皮卫星，Pico ，<1kg。