卫星通信链路

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利用(3.5)式(忽略La、Lr和LFRS)求得卫星接收机输入端 的载波接收功率Cs为:
[Csl=[EIRP]E十[GRS]一[Lu]=一84. 74dBW 地球站接收机输入端的载波接收功率CE(忽略La和Lr)为:
[CE]=[EIRP]s十[GRE]一[LD] 一[LFRS]=-102.37dBW
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3.1.2 接收机输入端的噪声功率
在卫星通信链路中,地球站接收到的信号是极其微弱 的。特别是在地球站中,由于使用了高增益天线和低噪声 放大器,使接收机内部的噪声影响相对减弱。因此外部噪 声的影响已不可以忽略,即其它各种外部噪声也应同时予 以考虑。
地球站接收机的噪声来源如图3-1所示,可分为外部噪 声和内部噪声两大类。
折射和大气多径 信号闪烁
反射多径和阻塞 传播延迟、变化
大气气体 对流层和电离层折射扰动
地球表面及表面上物体 对流层和电离层
低仰角跟踪和通信 对流层:低仰角和10GHz
以上频率 电离层:10GHz以下频率
卫星移动业务
精确的定时、定位
3
1、6 卫星通信工作频段及电波传播特点
1.6.1 工作频段的选择 工作频段主要考虑电离层的反射、吸收;对流层的吸
(dBW)。
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若考虑发射馈线损耗[LFT](dB),由式(1-9(b)),则有 效全向辐射功率[EIRP]为
[EIRP]=[PT]-[LFT]+[GT] (3-2)
若再考虑接收馈线损耗[LFR](dB)、大气损耗[La](dB)、 其它损耗[Lr](dB),则接收机输入端的实际载波接收功率 [C](dBW)可以表示为
[C]=[PT]-[LFT]+[GT]+[GR]- [LP]-[LFR]-[La]-[Lr]
(3-3)
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例3.1 已知IS—W号卫星作点波束1872路运用时,其有 效全向辐射功率[EIRP]S=34.2dBW,接收天线增益GRS =16.7dB。又知某地球站有效全向辐射功率[EIRP]E= 98.6dBW,接收天线增益GRE=60.0 dB,接收馈线损耗 LFRE=0.05dB。试计算卫星接收机输入端的载波接收功率 Cs和地球站接收机输入端的载波接收功率CE。
GR
4 A 2
4 2
Ae
(2-3)
PR
GT
PT
GR
4 d
2
(2-4)
21
卫星通信系统从发端地球站到收端地球站的信息传输 过程中,要经过上行链路、卫星转发器和下行链路。上行 链路的信号质量(如误码性能)取决于卫星收到的信号功率电 平和卫星接收系统的噪声功率电平大小。下行链路信号的 质量取决于收端地球站接收到的信号功率电平和地球站接 收系统的噪声功率电平的大小。
4.1.2 传输方程
传输方程是设计无线电链路的基础。这个方程描述发送地球站发送的 射频功率,与接收地球站收到的射频信号功率、传输频率、和发射 机到接收机之间距离的关系。
27
传输方程为: C = PT GT GR (λ/ 4πd)2 用分贝形式表示有: C (dBW) = PT (dBW) + GT (dB) + GR (dB) – 20 lg (4π d/λ)
Pr''
Gt Pt
4 d 2
(W/m2 )
(2-2)
(2-2)式中,PT为天线的发射功率(W),GT为发射天线 的增益,d为自由空间传播距离。
19
例三
卫星的EIRP值为49.4dBW,计算卫星离地面距离为40000km时,地面站的 功率密度。
解:根据式(2-1),
Pr''
Gt Pt
4 d 2
(W/m2 )
为0.55)
解:根据
G
4 A 2
4 f 2
c2
A
4 6109
G
3108 2
2
3 2
2
0.55
G 10 lg G 42.9 (dB)
14
一、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
(2-1)
地面站的功率密度为
Pr''
GT PT
4 d 2
104.94
4 3.1416 40000 10002
4.33
(pW/m2 )
20
接收信号功率的计算公式
若接收信号的有效接收面积为A·,则接收到的功率为:
PR
Pr''
A
GT PT
4 d 2
A
若用接收天线增益(式2-3)来表示,上式可以改写为:
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3.1.3 接收机输入端的载噪比与地球站性能因数
模拟通信系统的输出信噪比,数字通信系统中的传输 速率和误码率,均与接收系统的输入信噪比有关。卫星通 信也是这样。由于在卫星通信系统中,其接收机收到的不 是调频信号就是数字键控信号,因此接收机收到的信号功 率可以用其载波功率C来表示。对于调频信号,载波功率等 于调频信号各个频谱分量的功率之和;而对于数字键控信 号,载波功率就是其平均功率。
定义:将噪声系数折合为电阻元件在相当于某温度下的热噪声,温度 以绝对温度K计。噪声温度(Te)与噪声系数(NF)的关系为: NF=10lg(1+Te/290)dB
品质因素(G/Te)
定义:天线增益与噪声温度的比值。 G/Te=G(dB)-10lgTe(dB/K)
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天线增益的计算公式
卫星移动通信系统中的天线增益可以按下式进行计算:
解 : 若上行线路工作频率为6GHz,下行线路工作频率为 4GHz,距离d=40000 km,则利用(1. 3)式可求得上行线路 传输损耗Lu为:
[Lu]= 92.44+20lg40000+20lg6=200.04(dB)
下行线路传输损耗LD为:
[LD]=92.44+20lg40000+20lg4= 196.52(dB)
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图2-2 自由空间损耗与传播路径长度的关系
Lf 92.44 20 lg d 20 lg f (dB) (2-8)
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卫星通信系统线路的设计与计算 1)、卫星通信系统线路的要求:保证通信质量, 使接收到的射频载波功率必须远大于噪声功率。 2)设计的主要内容:通过对解调前载波功率与 等效噪声温度之比 C/T 的计算,设计通信链 路。
PR
PT GT GR Lf
其中:PT为发射功率;GT为发射天线增益;GR为接收天线增益;Lf为自由 空间传播损耗。
Lf
4 d
2
4 df
c
2
(2-5)
d为传播距离,为工作波长,C为光速,f为工作频率。 Lf通常用分
贝表示,当d用km、f用GHz表示时,又可以表示为
Lf 92.44 20 lg d 20 lg f (dB) (2-8)
G
4 A 2
4 2
Ae
(2-3)
(2-3)式中,A是天线口面的有效面积(m2),是工作波 长(m),为天线效率,Ae为接收天线有效面积。
其中=c/f,c为光速,取值为3*108(m/s)。(2-3)式作变换, 则
G
4 A 2
4 f
c2
2
A
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例一 计算频率为6GHz时,口径3m的抛物面天线的增益。(天线效率
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根据前面已经求出的接收机输入端的载波功率和噪声 功率,可以直接列出接收机输入端的载波噪声功率比为
C PTGTGR 1
Nwenku.baidu.com
LP kTt B
以分贝(dB)表示为
C N
EIRP
LP
GR
10
lg
kTt
B
用分贝功率表示为:
[ C ] = [ EIRP ] + [ GR ] - [ L ] (dBW)
式中EIRP = PT GT(W)或[ EIRP ]=[ PT ] + [ GT ](dBW)
EIRP称为有效全向辐射功率,是指卫星和地球站发射 天线在波束中心轴向上辐射的功率。
30
3.1 接收机输入端的载噪比
28
3.4卫星通信线路载波功率与噪声功率比的计算
GRS , TU





LU




PT, GT
PS , GS LD
GR, TD
29
1、载波功率计算 上行载波功率 CS (即卫星接收端输入率)
载波功率 C 下行载波功率 CE (即地球接收端输入率)
载波功率与发射功率PT、发射天线增益GT、接收天线增 益GR成正比,与各种损耗L成反比。
链路传播特性
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
地大气的各种影响所确定
1
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。外逸层(Exosphere) 500 - 64,374 km
热层(热电离层)(Thermosphere) 80 - 500 km
统则可通过适当选址避免这一额外的损耗。
自由空间传播损耗 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。
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图2-1 以确定的天线面积在不同距离上接收辐射能量
Pr
'
Pt
4 d
2
16
(2-1)
自由空间传播损耗计算公式
电波从点源全向天线发出后在自由空间传播,能量将扩散到一个球面上。如用定向天线 ,电波将向某一方向会聚,在此方向上获得增益,那么到达接收点的信号功率为:
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例二 卫星和地面站之间的距离为42,000km。计算6GHz时的自 由空间损耗。 解:根据公式(2-8),
Lf 92.44 20 lg d 20 lg f (dB) (2-8)
Lf=92.44+20lg42000+20lg6=200.46 (dB)
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功率密度的计算公式
功率密度(功率通量密度)是指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。可以表示为(2-1)式。
3.1.1 接收机输入端的载波功率
卫星或地球站接收机输入端的载波功率一般称为载波
接收功率,记做C,[C]以 dBW(以1瓦为零电平的分贝)
为单位,由式(1-6)可得
[C]=[EIRP]+[GR]-[LP]
(3-1)
其中,[GR]为接收天线的增益(dBi),[LP]为自由
空间损耗(dB),[EIRP]为发射机的有效全向辐射功率
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4.1 传输方程
图4-1绘出与链路设计有影响的、一个网络的主要组成部分。由信号 的始发站到终点站,从无线电链路设计的目标来看,可以划分为: 地球站 ~ 卫星链路 (或上行链路);卫星;卫星 ~ 地球站 (或下行链路
) 三部分。
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图4-1 用于端对端链路设计的、 从信号始发站到终点2站6 的无线电链路划分
各种因数的影响见下图:
10
下图为 雨、雾、云引起的损耗:
卫星通信系统的主要技术参数
等效全向辐射功率(EIRP)
定义:地球站或卫星的天线发射功率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。 EIRP=P·G,或 EIRP(dBW)= P(dBW)+G(dB)
噪声温度(Te)
收、散射损耗等因数与频率的关系。
4
5
6
一般工作频段选择在1G~10G;最理想的频率在4~6G。
1.6.2 电波传播的特点 1、自由空间的传播损耗
卫星通信中电波的损耗主要有自由空间的传播损耗和
大气损耗。由于卫星一般位于3~4万千米的太空,所以主 要考虑自由空间传播的损耗。
在自由空间传播过程中,接收信号的功率为:
35
图3-1 地球站接收机的噪声源
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2、噪声功率的计算 1)、 噪声功率
如果接收系统输入端匹配,则各种外部噪声和天线损耗 噪声综合在一起,进入接收系统的噪声功率应为
Na = kTaB 式中, Na为进入接收系统的噪声功率;Ta为天线的等 效噪声温度;B为接收系统的等效噪声带宽;k为波尔兹曼 常数 2)、等效噪声温度 将环境温度为T0时放大器内部噪声在输出端产生的噪声 功率折算到输入端热噪声在输出端产生同样大小的噪声功率 时所对应的绝对温度Te,叫做等效噪声温度。
中间层(Mesosphere)
50 - 80 km
平流层(Stratosphere)
16 - 50 km
对流层(Troposphere)
7- 16 km
2
卫星通信系统的传播问题
传播问题
物理原因
主要影响
衰减和天空噪声增加 信号去极化
大气气体、云、雨 雨、冰结晶体
大约10GHz以上频率 C和Ku频段的双极化系统
PT 为天线发射功率; A R为接收天线开口面积;
自由空间传播损耗为:
G T 为发射天线增益; G R 为接收天线增益。
8
以分贝为单位表示为:
式中d为地球站到静止卫星的距离,可以取d=40000km
电磁波在传播过程中除了与距离的平方呈反比衰减 外,还要受大气因数(如水分、电离层等)的影响,而 衰减。
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