第3章 卫星通信链路设计

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图3-1 地球站接收机的噪声源
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外部噪声



宇宙噪声：宇宙噪声主要包括银河系辐射噪声，太阳射电 辐射噪声，月球、行星及射电点源的射电辐射噪声。卫星 工作频率在1 GHz以下时，银河系辐射噪声影响较大，故 一般就将银河系噪声称为宇宙噪声。 大气噪声：大气除了产生吸收现象外，还同时产生噪声。 通常天线波束内的大气，将在天线输出上产生随入射角而 变化的大气噪声。这种影响在入射角小时，将急剧增加。 降雨噪声：降雨除了会引起无线电波的损耗外，同时也会 产生噪声。实践证明，卫星工作频率在4 GHz时，噪声温 度的上升最大可达100 K。国际卫星通信组织设计4 GHz接 收系统时，为了避免暴雨的影响，考虑到天线口径通常都 小于10 m，其降雨噪声余量通常取1～2 dB。
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3.1.1 接收机输入端的载波功率
同时考虑接收馈线损耗［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］
EIRP
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3.1.1 接收机输入端的载波功率
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外部噪声


干扰噪声：这是来自其它地面通信系统的干扰电波引 起的噪声。 地面噪声：在天线副瓣较大的情况下，会混进来一些 直接由地面温度引起的噪声以及由地面反射的大气噪 声，这些噪声叫做地面噪声。通过天线设计，可以把 此噪声温度控制在3～20 K。
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外部噪声


上行链路噪声和转发器交调噪声:上行链路噪声主要由 转发器接收系统产生，其大小取决于卫星天线增益和 接收机噪声温度。转发器交调噪声主要是由于行波管 放大器同时放大多个载波，因非线性特性而产生的。 这些噪声将随信号一起，经下行链路而进入接收系统。 天电噪声、太阳噪声、天线罩噪声等。 接收系统内部的噪声，主要来自馈线、放大器和变频 器等部分。
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地球站接收机输入端的［C/N］E
TU TI 令：r ，则有：Tt (1 r )TD TD C EIRP S LD GRE 10 lg k 1 r TD B N E 当只计算下行链路本身的噪声时，则 C EIRP S LD GRE 10 lg kTD B N D C C 10 lg 1 r N D N E
WS EIRPE EIRPE 4 π EIRPE 4 π 2 2 2 2 LU 4πd 4πd
4π WS EIRPE LU 10 lg 2
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上行链路的C/TU值
图3-2 行波管的输入、输出特性
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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。 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可分为外部噪声和内部噪声两 大类。
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卫星转发器接收机输入端的［C/N］S
若GRS中计入了LFRS，则该GRS称为有效天线增益； 若将La和LPU合并为LU(称为上行链路传输损耗或上行链 路传播衰减)，则卫星转发器接收机输入端的［C/N］S 可写为：
C N EIRPE LU GRS 10lgkTS BS S
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地球站接收机输入端的［C/N］E
设卫星转发器的有效全向辐射功率为［EIRP］S，下 行链路传输损耗为LD，地球站接收天线有效天线增益为 GRE，则地球站接收机输入端的载噪比［C/N］E为
C EIRPS LD GRE 10lg kTt B N E

根据接收机输入端的载波功率和噪声功率，可得接收机 输入端的载波噪声功率比为：
C PT GT GR 1 N LP kTt B

以分贝(dB)表示为
C N EIRP LP GR 1 0lgkTt B

式中，有效全向辐射功率 ［EIRP］=［PT· GT］=［PT］＋［GT］。
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3.2 卫星通信链路的C/T值



无论模拟通信系统要保证话路输出端信噪比S/N为一定值， 还是数字通信系统满足一定的传输速率与误码率要求，都 需要接收系统输入端载噪比C/N达到一定的数值。 如果卫星通信链路的通信容量和传输质量等方面的指标已 经确定，那么接收机输入端要达到的载噪比也就确定了。 载噪比C/N的公式是带宽B的函数，故缺乏一般性，对不同 带宽的系统不便于比较。
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卫星转发器接收机输入端的［C/N］S
卫星转发器接收机输入端的载噪比［C/N］S为
C N EIRPE LPU GRS LFRS La 10lgkTS BS S
［EIRP］E：地球站有效全向辐射功率为； LPU：上行 链路自由空间传输损耗； GRS：卫星转发器接收天线 的增益； LFRS：卫星转发器接收系统的馈线损耗；大 气损耗为［La］；TS为卫星转发器输入端的等效噪声 温度；BS为卫星转发器接收机的带宽。
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上行链路的C/TU值



输出功率退回或输出补偿：行波管放大单个载波时的饱和 输出电平与放大多个载波时工作点的总输出电平之差。 输入功率退回或输入补偿：放大单个载波达到饱和输出时 的输入电平与放大多个载波时工作点的总输入电平之差。 由于进行输入补偿，因而由各地球站所发射的［EIRP］总 和，将比单载波工作使转发器饱和时地球站所发射的 ［EIRP］小一个输入补偿［BO］I。
第3章 卫星通信链路设计

3.1 接收机输入端的载噪比 3.2 卫星通信链路的C/T值 3.3 数字卫星链路的计算
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3.1 接收机输入端的载噪比



3.1.1 接收机输入端的载波功率 3.1.2 接收机输入端的噪声功率 3.1.3 接收机输入端的载噪比与地球站性能因数
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3.1.1 接收机输入端的载波功率
卫星通信
第3章 卫星通信链路设计
第3章 卫星通信链路设计



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(uplink)、卫星转发器(transponder) 和下行链路(downlink) 。 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。
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接收系统的噪声功率
由电子线路分析可知，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 N=kTtB 式中：N为进入接收系统的噪声功率； Tt为天线的等效噪声温度； k=1.38×10－23J/K为波尔兹曼常数； B为接收系统的等效噪声带宽。
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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
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3.2 卫星通信链路的C/T值



3.2.1 热噪声的C/T值 3.2.2 交调噪声的C/T值 3.2.3 卫星链路的C/T值
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上行链路的C/TU值

根据以上分析可得
C C T N BS 10 lg k U S

即：
GRS C EIRP L U E T T U S
例3-1 已知IS-Ⅳ号卫星作点波束1872路运用时，其有效 全向辐射功率［EIRP］S＝34.2 dBW，接收天线的增益 ［GRS］＝16.7 dBi。又知某地球站有效全向辐射功率 ［EIRP］E＝98.6 dBW，接收天线的增益［GRE］＝60.0 dBi。接收馈线损耗［LFRE］＝0.5 dB。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］。 上行链路工作频率为6GHz，下行链路工作频率为 4GHz，距离为40000km。
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地球站性能因数G/T
当转发器设计好了之后，［EIRP］S的值 就确定了。如果地球站的工作频率和通信容量 均已确定，LD和B的值也是确定的，则接收机 输入端载波噪声比C/N将取决于地球站的性能 因数GRE/TD，通常简写为G/T。显然G/T的值越 大，C/N的值越高，表明接收系统的性能就越 好。
2 2


有效全向发射功率：
EIRP P T GT
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3.1.1 接收机输入端的载波功率

载波接收功率C： ［C］=［EIRP］＋［GR］－［LP］ ［GR］：接收天线的增益（dBi） ［LP］：自由空间损耗(dB) ［EIRP］发射机的有效全向辐射功率(dBW)

考虑发射馈线损耗［LFT］(dB)，则［EIRP］为 ［EIRP］=［PT］－［LFT］＋［GT］
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第3章 卫星通信链路设计





卫星通信链路设计的主要目的 尽量有效地在地球上两个通信点之间提供可靠而又高质量 的连接手段。 而衡量卫星通信链路传输质量最主要的指标 卫星通信链路中接收机输入端的载波功率与噪声的比值， 即载噪比(简记为C/N或CNR)。 在进行卫星通信链路的设计或分析时，为了满足一定的通信 容量和传输质量，需要对接收机输入端的载噪比提出一定的 要求。 载噪比又与发射端的发射功率、天线增益，传输过程中的各 种损耗及引入的各种噪声和干扰，以及接收系统的天线增益、 噪声性能等因素有关。 由于存在某些不稳定因素(如降雨等)，因此载噪比的设计还 3 要留有一定的余量。
式中，Tt为地球站接收机输入端等效噪声温度，B为地球 站接收机的频带宽度。
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地球站接收机输入端的［C/N］E
地球站接收系统输入端的噪声Nt包括了地球接收系统本 身的噪声ND、上行链路噪声NU和转发器的交调噪声NI。虽 然这三部分噪声到达接收机输入端时已经混合在一起，但 因各部分噪声之间彼此是独立的，所以计算噪声功率时， 可以将三部分相加，即 Nt=NU＋NI＋ND=k(TU＋TI＋TD)B=kTtB 则有 Tt=TU＋TI＋TD 式中，TU、TI和TD分别表示上行链路、卫星转发器和下行 链路的噪声温度。

GRS/TS值的大小直接关系到卫星接收性能的好坏，故将 它称为卫星接收机的性能因数(或品质因数)，通常简写 为G/T。G/T值越大，C/T值越大，接收性能就越好。
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转发器灵敏度


转发器灵敏度：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。 通常用功率密度WS来表示，即单位面积上的有效全向 辐射功率：
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3.2 卫星通信链路的C/T值

若改用载波功率与等效噪声温度之比C/T值表示，则与带 宽B无关，即
C C k B T N

因此，通常都把C/T值作为卫星通信链路的一个重要参数。 若Tt是接收系统的等效噪声温度，则它包括上行链路的 热噪声TU、下行链路的热噪声TD以及转发器的交调噪声 TI。下面将分别进行讨论。
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上行链路的C/TU值

假设以［EIRP］ES表示转发器在单载波工作时地球站 的有效全向辐射功率，那么多载波工作时地球站的有 效全向辐射功率的总和
EIRPEM WS BOI LU 10 lg

天线增益： 4 AR 4 f 2 G 2 AR 2 c 接收功率：
PG C T T2 AR PT GT GR 4πd 4πd PG G EIRP GR T T R LP Lp
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自由空间传播损耗：
4 π d 4 df LP c