卫星接收系统的工程设计(地球站)资料

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1、第五章 卫星接收系统的工程设计与调试 卫星链路的计算方法 数字卫星链路的传输质量 链路方程：上行链路，下行链路，总链路 卫星接收站的工程设计 卫星接收天线的几何参数 卫星接收机的输入电平 接收系统的噪声温度 工程设计实例 5.1 卫星链路的计算方法 1、卫星链路的计算，就是对信号传输质量与各项技 术参数之间的关系进行定量分析。 2、在诸多技术参数中起着举足轻重作用的是 （1）广播卫星的等效全向辐射功率EIRP （2）卫星接收天线的口径。 3、卫星链路可分为上行链路和下行链路两部分，两 个链路的性能指标串接之后就决定了整个卫星链路 的质量，在实际工程问题中，由于上行链路的性能 一般要优于下行链路

2、的性能，因此整个卫星链路的 传输质量在很大程度上由下行链路来确定。 512 数字卫星链路的传输质量 1、在数字卫星链路中，由于存在着各种 噪声和干扰的影响，因此在卫星接收机 的解码过程中就会出现误码，于是误码 率(误码数与总码数之比)就成为了传输 质量的判断依据。误码率越小，则系统 的性能就越好。 2、误码率是Eb/N0的函数，数字卫星链路 的传输质量是由系统的Eb/N0所决定的 。 在DVB-S系统中，误比特率与Eb/N0 门限之 间的关系在表51中给出，该表是数字卫 星链路的计算依据。 内码码率 Rc RS译码后达到BER=10-10 10-11， 维特比译码后BER=210-4所需的Eb

3、 / N0（dB） 1/24.5 2/35.0 3/45.5 5/66.0 7/86.4 513 链路方程 卫星链路分为上行链路和下行链路两种，由 于两种链路的已知参数是不同的，因此上行 链路方程和下行链路方程的形式略有区别。 一、上行链路 1、已知参数 已知参数为：卫星转发器单载波饱和通量 密度s，卫星转发器的品质因素GT、 卫星转发器的输入补偿B0i。 发射天线的增益，固态功放的输出功率 513 链路方程 2、卫星转发器单载波饱和通量密度 是指，当卫星转发器中的行波管放大器处于刚 刚饱和状态时，上行信号电磁波在卫星所在地 点的功率通量密度，单位为dBwm2。目前， 卫星转发器单载波饱和通量

4、密度的典型值在 -70-80dBwm2的范围内。 513 链路方程 3、卫星转发器的输入补偿B0i 卫星转发器的输入补偿与传送节目的方式有关。 （1）在转发MCPC方式的数字卫星信号时，由于在转发 器的工作带宽之内只有一个载波，故不存在交调干扰 ，为了充分利用功率，转发器的输出功率接近饱和状 态，也就是说，B0i0。 （2）在转发SCPC方式的数字卫星信号时，在转发器的 工作带宽之内存在多个载波，此时就会出现交调干扰 ，为了减少交调干扰的影响，转发器的输出功率要比 饱和时低几个分贝；另外每一路载波都是转发器的激 励信号，而转发器的输入功率为各个输入载波的功率 之和，因此每一路载波的强度也要比单

5、载波激励时小 一些。考虑到上述的两个原因，工作在单路单载波方 式 SCPC时，卫星转发器的输入补偿大约在10dB左右。 行波管的非线性 行波管的非线性（续） 饱和点：输出功率最大的点。 线性区：从低端的热噪声极限至1dB压缩 点所限定的区域。 1dB压缩点：实际的功率转移曲线比外插 的直线低1dB的点。 非线性效应 多载波情况下，将产生互调/交调干扰。 单载波情况下，包络起伏将造成相位调制。 输入补偿 多载波工作时，对任何载波，饱和点附近 的功率输出小于单载波饱和点的值。 为了降低互调/交调失真，行波管的工作点 必须靠近曲线的线性部分。如图。 输入补偿：任何载波的工作点输入电平与 单载波饱和点

6、输入电平的dB差。 输出补偿：输出功率相应的下降值。 输入补偿（续） 输出补偿 输出补偿与输入补偿的关系不是线性的 。 考虑输出补偿值的经验方法如图所示。 在线性区，输入补偿与输出补偿的dB变化 比例是1：1。 所以输出补偿比输入补偿小5dB，即 BOo= BOi 5dB。 例：BOi=11dB时， BOo=6dB。 也有 “7/11”经验法则： 即BOi=11dB时，BOo=7dB。 输出补偿（续） 24 广播卫星的电参数 241 等效全向辐射功率（EIRP） 反映了卫星的辐射能力，仅与卫星本身有关，与其 他参数无关。 表达式：EIRP=10lgPTWTA-Lt+Gt（单位：dBW） 其中：

7、PTWTA：行波管的输出功率（行波管和一般 晶体管类似，只是其工作在微波频率波段上，输 出功率较大。） Lt：行波管至星载天线的功率损耗。 Gt：卫星星载天线的增益，是一相对值。 C波段EIRP ：3040dBW； Ku波段EIRP ：4060dBW *数字卫星广播14 24 广播卫星的电参数 242 波束图： 将地面各点的EIRP标注到地图上，称为波束图。 一颗广播卫星的等效全向辐射功率是随着接收地 点而改变的，在工程上为了便于使用，通常将卫 星的等效全向辐射功率标注在地图上，称为卫星 的波束图或称为卫星的覆盖区域。在进行卫星线 路工程设计的过程中，波束图很重要，根据波束 图能够确定接收地点

8、的等效全向辐射功率，然后 才可以进行以后的工程设计工作。 *数字卫星广播15 24 广播卫星的电参数 243 品质因素：（G/T） 1、定义： 品质因素是衡量卫星转发器本身质量的一项特 性参数，反映了卫星转发器接收弱信号的能力 。 2、表达式： G/T=G-10lg（Ta+Tt） （单位：dB/K） 其中G：卫星星载天线在上行工作频率（6或 14GHz）时的增益（dB） Ta：星载天线的噪声温度（K） Tt：卫星转发器的等效噪声温度（K） 数字卫星广播 24 广播卫星的电参数 244 功率通量密度：（） 1、定义： 卫星发射出的电磁波达到地面时的功率通量密 度。 反映了卫星信号到达地面时的强度

9、。 2、表达式 =EIRP-20lgd-10lg（4）-L（单位： dBW/m2） 其中d：卫星至地面的距离（m） L：附加损耗又称大气衰减（dB） 数字卫星广播 2.6.2 功率传输公式 卫星链路计算的基本出发点就是弗里斯(Friis) 功率传输公式。 Pr：接收天线输送给匹配负载的功率 Pt：发射天线的输入功率 Pr Pt 513 链路方程 4、上行地球站的等效全向辐射功率EIRPE与卫 星转发器单载波饱和通量密度的关系为 dU:上行地球站与卫星之间的距离，单位为m 5、噪声功率Pn的表达式： k：玻尔兹曼常数；B：信道带宽 513 链路方程 6、模拟上行链路的载噪比: :卫星上行信号的波

10、长，单位为m 7、数字卫星上行链路的Eb/N0表达式： Rb：数字信号的码率，单位：bit/s 8、C/N与 Eb/N0 513 链路方程 推导过程 513 链路方程 卫星链路分为上行链路和下行链路两种，由 于两种链路的已知参数是不同的，因此上行 链路方程和下行链路方程的形式略有区别。 二、下行链路 1、已知参数 已知参数为：卫星转发器的等效全向辐射 功率EIRP，接收点与卫星转发器间的距离 d，卫星接收天线的增益G，卫星接收系 统的等效噪声温度T。 接收链路分析主要公式 1、下行链路自由空间传播损耗L0,D 式中：d 星站距离，m； 工作波长，m。 接收链路分析主要公式（续） 2、数字卫星下

11、行链路的Eb/N0，即下行链路方 程 接收链路分析主要公式（续） 式中： EIRPS转发器饱和等效全向辐射功率，dBW； BOo,S 转发器输出补偿，称为功率回退，dB； m 转发器载波数； LD 下行链路附加损耗，主要由降雨引起。 单位：dB； L0 电波的扩散损耗，dB； k玻尔兹曼常数，k=1.3810-23J/K， 10lgk=-228.6dBJ/K 5.2 卫星接收站的工程设计 在卫星接收站的工程设计过程中，主要的工 作是要根据卫星的等效全向辐射功率相对接 收信号质量的要求，（1）确定接收天线的 直 径；（2）计算卫星接收天线的几何参数： 仰 角、方位角、极化角（3）卫星接收机的输

12、入 电平（4）整个卫星接收系统的等效噪声温 度。 521 卫星接收天线的几何参数 卫星接收天线的几何参数有天线的仰角 EL、方位角AZ和极化角p，以及接收地点 与广播卫星之间的距离d。 可以通过公式计算，也可以通过查曲线 求得。工程上通常用查曲线的方法。 521 卫星接收天线的几何参数 （1）、卫星接收天线的仰角EL 位置矢量R与地平面的夹角就是接收天线的仰角EL ，（113页，式5-18，或114页，图5-2） （2）、卫星接收天线的方位角AZ 位置矢量R在地平面上的投影与接收点正南方向的 夹角，（114页，式5-19，或114页，图5-2） 26卫星广播中的电波传播问题 261 极化 1、

13、 极化方式： 电磁波通过交变的磁场和电场向前传输， 其中以电场方向表示极化方向。 1）、线极化 定义: 当时间变化时，若电场矢量的方向始终平 行于某一直线，这样的电波就称为线极 化波(线极化)。 数字卫星广播 261 极化 应用： 广播和通信领域中，大量地使用着线极化波 发射和接收线极化波的天线就称为线极化天线。 分类：线极化又可以根据极化方向分为： 垂直极化和水平极化两种方式。 通常是以地平面为参考面，垂直于地面的线极化 称为垂直极化，而平行于地面的线极化则称为水 平极化。水平极化普遍应用于短波广播、电视 广播、调频广播等领域，而垂直极化则普遍应用 于中波广播、移动通信等领域。 26卫星广播

14、中的电波传播问题 261 极化 1、 极化方式： 2）、圆极化 定义：沿着电波传播的方向看，圆极化波中电场矢 量端点的运动轨迹为一个圆。 分类：圆极化波也可以分为左旋圆极化和右旋圆极 化两种方式。 顺着波的传播方向看去，若电场矢量顺时针旋 转，就称为右旋极化波；若电场矢量逆时针旋转， 就称为左旋极化波。 数字卫星广播 24 广播卫星的电参数 247 频率复用 1、目的 充分利用宝贵的频谱资源 2、在两种线极化波之间存在着所谓的“极化隔 离”：具体说就是，水平线极化天线接收水平 线极化波，而不接收垂直线极化波；反之，垂 直线极化天线接收垂直线极化波，而不接收水 平线极化波。这样在同一频率范围之内

15、，我们 同时使用水平线极化波和垂直线极化波来传送 两路信号，两者之间互相不干扰。 数字卫星广播 24 广播卫星的电参数 247 频率复用 区域性的卫星广播普遍采用线极化方式，其优点 是设备相对简单，而缺点是接收天线调整赂微复 杂一些。 两种圆极化波之间也存在极化隔离，故我们可同 时使用右旋圆极化波和左旋回极化波来传送两路 信号。洲际性的卫星广播普遍采用圆极化方式， 其优点是接收天线调整相对简单，而缺点是设备 复杂一些。 数字卫星广播 （3）、卫星接收天线的极化角p 接收点地平面与水平极化波电场平面之间的夹角。 （4）查曲线法确定仰角、方位角和 极化角 给出的3个计算公式都比较复杂。而在工程设计

16、 过程之中，往往采用查曲线的方法来求出天线的 仰角、方位角和极化角，这样做的好处是计算方 便、简单易行，同时精度也足以满足工程上的需 要。 图52为接收天线仰角和方位角的曲线，其中横 坐标为接收地点与卫星经度差的绝对值，而纵坐 标为接收地点的纬度，由这两个参数就可以根据 图52来估算出天线仰角和方位角的数值，其误 差不超过2.5度。 方位角 仰角 接收地点 的纬度 接收地点与卫星经度差的绝对值 查表的具体步骤如下： 根据(5-16)式求出接收地点与卫星的经度 差。注意： 0，表示卫星在接收地 点的西南方向上； =0 ，表示卫星在接 收地点的正南方向上： 0 ，表示卫星 在接收地点的东南方。 在图5-2上找到代表接收地点纬度的横线 ，并根据经度差的绝对值在该线上标出相 应卫星的位置如亚洲二号在图52中的 “1”点，亚太IA