卫星通信 chapter4_2011_链路预算_更新

Pr

PtGt Ae 4R 2
W
与卫星的EIRP、地面站天线的有效面积和距离R有关
Wireless Signal Processing & Network Lab (WSPN), BUPT
Page 23
基本传输理论（1）
假设自由空间中有一个各向同性发射源，在距离为R米处穿过球面的
• 需要提供的降雨衰减余量： – C波段，上行：1dB，下行：0.5dB – Ku波段：北京为4.5dB，广州为6.2dB – Ka波段：14~17dB
Wireless Signal Processing & Network Lab (WSPN), BUPT
Page 12
链路可用度的选择： 指链路在长期运行时能保证规定质量的时间百分比。 不可用的原因：主要受降雨衰减的影响；较小程度上有日凌中断 现象，还有卫星转发器故障在内的硬件故障等。 如果一年中的时间百分比p中，误码率超出Pb门限值，则链路中断 。链路可用概率为： PAL 1 p%
Wireless Signal Processing & Network Lab (WSPN), BUPT
Page 21
基本传输理论（2）
若采用接收面积为A m2的理想天线，接收功率Pr为
Pr F A W
接收功率的损失：反射、吸收等
有效孔径面积 Ae AA
孔径效率 A
实际天线的接收功率为
4 f 2 A C2
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)。 反射和吸收造成:抛物线反射天线50－75%
Wireless Signal Processing & Network Lab (WSPN), BUPT
Page 15
概述 天线增益 信道衰落与接收信号功率 噪声与干扰 链路预算
Wireless Signal Processing & Network Lab (WSPN), BUPT
Page 14
例1：计算频率为6GHz时，口径3m的抛物面天线的增益。 （天线效率为0.55）
解：根据 G
Wireless Signal Processing & Network Lab (WSPN), BUPT
C/N=Pr / N
Page 7
无线链路
信道编 调制
多址
多天线
Source
码技术
Channel
技术
技术
技术
Pt
Modu/Spread Access/Duplex Multiple Ante
code
噪声与干扰 链路预算
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。
Wireless Signal Processing & Network Lab (WSPN), BUPT
Page 17
概述 天线增益 信道衰落与接收信号功率
长期衰落： • 自由空间传播损耗 • 链路附加损耗（第八章）
Wireless Signal Processing & Network Lab (WSPN), BUPT
Page 11
信道对链路设计的影响： 工作频率---关系到路径损耗和链路余量 调制和编码特性---控制着要求的载噪比 系统之间的噪声---影响着系统噪声预算 传播特性---控制着链路余量和调制与编码方案的选择
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
EIRP=P·G，或 EIRP(dBW)= P(dBW)+G(dB)
噪声温度（T）
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（T）与噪声系 数(NF）的关系为： NF=10lg(1+T/290)dB
第4章
卫星链路设计
《卫星通信》
Wireless Signal Processing & Network Lab (WSPN), BUPT
Page 1
概述
制造和发射GEO的费用十分昂贵: 25000$ / 公斤 影响GEO卫星系统设计的因素：
质量： • 转发器的数量和输出功率:电能－>电池 • 燃料（用于站点保持）：占总质量的1/2
code
…
Source decode
MMCCmmoodduulalatitoionn CChhaannnneel leestsitmimaatitoionn CChhaannnneel lpprereddicictitoionn
SSyynncchhroronnizizaatitoionn
OOFFDDMM-C-CDDMMAA, , OOFFDDMMAA, , TTDDDD
SSppaacceeddivieversristiyty //mmuultlitpiplelexx
Channel decode
Demodu /Despread
Access/Duplex Multiple Ante
Radio 无线信 channel 道
慢衰落
10 20 30 d (m)
…
信道译 码技术
– 大气吸收损耗 – 雨、云、雪、雾等造成的吸收和散射损耗 – 大气折射的影响 – 电离层闪烁和多径 • 阴影衰落
短期衰落 噪声与干扰 链路预算
Wireless Signal Processing & Network Lab (WSPN), BUPT
G

4 A 2
C/N=Pr / N
描述功率绝对值的单位。
相对于 1mw功率电平的绝对值。 相对于 1w功率电平的绝对值。
dBm=10lg(功率值/1mw)
dBw=10lg(功率值/1w)
1mw=0 dBm 20mw=13 dBm 40mw=16 dBm
1w=0 dBw=30dBm 2w=3 dBw=33dBm 40w=16 dBw=46dBm
Page 8
卫星链路设计思路
链路设计主要工作有 选择使用的频段 计算并合理分配噪声 确定用户载波占用的卫星功率、带宽及占用比 地球站天线的尺寸和功率的大小，站址的选择 通信参数的选择： • 多址、调制方式的选择 • 信道编码方式的选择 • 信道数和速率的选择 • 网络结构
Wireless Signal Processing & Network Lab (WSPN), BUPT
Wireless Signal Processing & Network Lab (WSPN), BUPT
Page 20
dBi（分贝增益）：描述与全方向性天线相对增益的单位。
dBd（分贝增益）：描述与偶极子天线相对增益的单位。
一般Leabharlann Baidu为，表示同一个增益时，用dBi表示比用dBd表示要大 2.15。
即： 0dBd=2.15 dBi 例如： GSM900天线增益可以为13dBd（15dBi），GSM1800天线增益可 以为15dBd（17dBi）。
必须得到的最低载噪比。
混频滤波
基带处理
Wireless Signal Processing & Network Lab (WSPN), BUPT
C/N
S/N
BER
Page 5
卫星通信系统的主要技术参数
等效全向辐射功率(EIRP-Equivalent Isotropically Radiated Power)
Page 4
链路设计指标
性能目标：
数字系统：误比特误码率（BER）
模拟系统：信噪比（S/N)
BER或S/N都是由接收机解调器输入端的载噪比（C/N)决定的
一般要求C/N大于6dB
若C/N小于10dB：纠错编码技术
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
规定的链路可用度：
通信 电视
C波段 99.99% 99.95%
Ku波段 99.9% 99.5%
Wireless Signal Processing & Network Lab (WSPN), BUPT
Page 13
天线增益公式
天线增益可以按下式进行计算：
G

4 A 2

4 2
Ae
总尺寸： • 受运载工具的制约 • 天线孔径最大不超过3.5m
频段： 6/4 GHz; 14/11GHz; 30/20GHz 大气传播:降雨产生的衰减 多址技术、调制、编码的选择
Wireless Signal Processing & Network Lab (WSPN), BUPT
举例：海事卫星系统 C波段：卫星与中心站 间通信
L波段：卫星与移动终 端间
固定卫 星业务 C波段
静止 卫星
下行上线行路4线Gh路z6Ghz
日本
北京
地面站30米碟型天线
美国
上下行行线线路路1.61G.5hGzhz
水移动卫星 业务 L波段
2米碟型天线
Wireless Signal Processing & Network Lab (WSPN), BUPT
Wireless Signal Processing & Network Lab (WSPN), BUPT
Page 10
卫星对链路设计的影响： 卫星的位置---关系到覆盖区和地球站视角 接收天线增益和辐射方向性图---关系到覆 盖面积 转 发 器 增 益 和 噪 声 特 性 --- 关 系 到 卫 星 的 EIRP和G/T值 交调噪声---影响到地球站接收机上总的载 波对噪声功率比 转发器类型（透明或再生型） ---影响到系 统的噪声预算 发射功率---关系到卫星发射的EIRP
Wireless Signal Processing & Network Lab (WSPN), BUPT
d (m)
Page 18
与dB相关的单位
dB（分贝）：描述（功率）相对比值的单位。 dB=10lg(功率比) dB是相对单位，不能表示功率的绝对电平值。
dBm（分贝毫瓦）：
dBw（分贝瓦）：
描述功率绝对值的单位。
Page 3
概述 天线增益 信道衰落与接收信号功率 噪声与干扰 链路预算
Wireless Signal Processing & Network Lab (WSPN), BUPT
Page 2
概述
LEO和MEO的制约因素
与GEO的类似
需要更多的卫星覆盖 服务区
移动卫星终端使用低 增益全向天线
Page 16
概述
天线增益
信道衰落与接收信号功率
长期衰落：
• 自由空间传播损耗
• 链路附加损耗（第八章）
– 大气吸收损耗
– 雨、云、雪、雾等造成的吸收和散射损耗
– 大气折射的影响
– 电离层闪烁和多径 • 阴影衰落
短期衰落
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。
解调 技术
多址干扰 抑制技术
S/N
C/N 信道估计与均衡
时间/频率同步
Wireless Signal Processing & Network Lab (WSPN), BUPT
Page 6
中星9号直播星EIRP等值线
Wireless Signal Processing & Network Lab (WSPN), BUPT
Page 9
卫星链路设计的影响因素
地球站对链路设计的影响： 地理位置--- 关系到降雨衰减的估计，卫星视角，地球站方 向卫星的EIRP，地球站卫星路径损耗 地球站EIRP --- 关系到发送天线增益，发送功率 接收天线增益 系统噪声温度 交调噪声--- 关系到总的载噪比 设备特性（解调器实现的余量、正交极化鉴别度、滤波器 特性）规定的附加链路余量。
Page 19
星地传输链路
卫星
Pr (dBm)
-20
上行地球站
下行地球站
长期衰落
-40
衰减：Pr正比于1/d^n 阴影：障碍物遮挡 -60
短期衰落 长期衰落
短期衰落（卫星移动通信系统） 10
20
30
在很小的距离间隔和时间间隔上，信号强度快速变化
移动产生Doppler频移
多径效应

4 A 2

4 f 2 C2
A
G
4 6 109
3108 2
2


3 2
2

0 .5 5
G 1 0 lg G 4 2 .9 (d B )
Wireless Signal Processing & Network Lab (WSPN), BUPT