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1、第四章 卫星链路设计 本章节内容 基本传输理论 系统噪声温度和G/T 下行链路设计 小型地面站卫星系统 上行链路设计 总体C/N的链路设计 系统设计实例 链路设计的重要性 在尽可能小的发射功率、接收天线尺寸下获得 相应的通信可靠性（指定的BER值、S/N值） 为RF系统关键性器件如HPA、LNA提供设计依 据，为天线系统提出设计目标 考虑各种情况下链路的衰减情况，给出合理的 链路余量 需要对通信系统的各个方面知识有较多了解！ 基本传输理论 理想化信号源：各向同性源、物理上无法实现 距离R处穿过球面通量密度为： 有向天线的增益G() P()：天线每单位立体角的辐射功率 P0：天线总辐射功率 G(
2、)：天线在角方向上的增益 立体角定义：球面某一区域面积/半径2，整个球面角为4 Pt：发射机功率 等效全向辐射功率（EIRP） 设天线在最大辐射方向的角度为=0（角的基准，天 线视轴） =则天线增益=G()=G(0) 发射机输出功率为Pt，天线损耗为0，天线增益为Gt 天线视轴方向上距离R处通量密度 Pt Gt：等效全向辐射功率 Equivalent Isotropically Radiated Power （EIRP） EIRP 如果采用孔径面积为A m2的理想接收天线，则接收功 率为： 入射通量密度F = Pt/4R2 W/m2， 接收功率Pr = FA=PtA/4R2 W 天线口径效率A
3、 实际天线是有损耗的，有效孔径 系统噪声温度Ts Ts：将接收机等效为无噪声接收机后，在输入端口增加的噪声 源的噪声温度，包括放大器噪声、天线噪声 设接收机RF输入端到解调器输入端总增益为Grx，最窄带宽为 Bn Hz，则解调器输入端噪声为：Pno= kTsBnGrx (W) 系统载噪比： 由Ts、C/N=接收功率Pr，可以方便后续链路的计算 C/N与接收机增益无关 超外差接收机噪声温度 超外差接收机结构： 特点：改变频率方便，滤波器结构易实现，选择性好 超外差接收机噪声温度 接收机等效噪声模型 超外差接收机噪声温度 若满足： 则： 若LNA增益很高则噪声贡献主要来源于 ： Ts=天线+LNA
4、=Tin+TRF 注意:式中所有量为比值不是dB! 超外差接收机噪声温度 等效无噪声接收机模型 有损器件噪声模型 有损器件噪声模型可以用来表示降雨衰减等过程，雨衰的同 时会引入一定噪声，可以将噪声放置在天线输入端口处 注意:Tp是器件物理温度，式中Gl为比值不是dB! 计算实例 例2：有一4GHz接收机增益与噪声温度值如下： Tin = 25K，GRF = 23dB，TRF = 50K，GIF = 30dB，TIF = 1000K， Tm = 500K 设混频器Gm= 0dB，计算系统噪声温度： 设混频器Gm= -10dB，计算噪声温度： 若采用50dB增益的LNA，计算噪声温度： 采用高增益
5、LNA可以有效降低系统噪声温度！ 如果例子2中LNA增益50dB。若天线与接收机之间有一段2dB损 耗的波导，求系统噪声温度，波导温度300K。 波导2dB衰减=1.58=Gl=1/1.58=0.631 波导对天线输出噪声进行衰减： 接收机噪声温度： 天线输出端口噪声温度： 计算实例 例题中的结论： 提高LNA增益可以降低系统噪声温度 天线端口与接收机之间插入导波器件会显著恶化系统性能 改良方法： 提高LNA增益，Ku波段一般在2030dB，C波段更高 将接收机LNA与天线尽可能的靠近 Ku波段直播电视一般将LNA，BPF，Mixer，IFA与天线馈源 集成在一起，叫做LNB（Low Nois
6、e Block） 计算实例 噪声系数与噪声温度 噪声系数定义： 噪声系数与噪声温度的关系： T0：计算标准噪声系数的参考温度，通常290K，NF是比值！不 是dB 噪声温度K020406080100120150200290 噪声系数（ dB） 00.290.560.821.061.291.501.812.283.0 噪声温度K400600800100015002000 3000500010000 噪声系数（ dB） 3.84.95.86.57.99.010.512.615.5 地面站G/T 计算噪声的链路方程表示为： 给定卫星下：C/N正比于Gr/Ts，Gr/Ts简记为G/T，单位dB/K 例
7、子3：地面站天线直径30m，效率68%，接收信号频率为 4150MHz，Ts=79K，天线指向卫星仰角28，求G/T，若雨衰使 得Ts=88K，重新计算G/T 下行链路设计 设计目标：少投入、多业务量 大型天线设计制造昂贵，C/N留有太多裕量是一种浪 费，若Ku波段裕量20dB，则天线尺寸是按3dB的链路 裕量天线尺寸的7倍 对于一定的可靠性合理选择链路裕量 C波段雨衰少，可靠性达99.99%(12dB)，适合语音信号 Ku波段雨衰适中,可靠性0.1%-0.5%(1020dB)，电视直播 Ka波段雨衰大，中断时间长，适合互联网业务等非实时信 道 链路预算 链路预算简化C/N计算，将各种与卫星有
8、关的参量都采用分贝 表示，信号与噪声功率只要加减计算即可，链路设计是一个反 复过程，一旦建立链路预算，任何参数变化都很容易计算出来 卫星参数： 转发器饱和输出功率：20W 天线中心轴方向增益：20dB 转发器带宽：36MHz 下行链路频带：3.7GHz4.2GHz 信号：FM-TV模拟信号 FM-TV信号带宽：30MHz 接收机允许最小C/N：9.5dB 晴天C波段GEO卫星（全球波束） C波段地面站： 下行链路频率：4GHz 天线中心轴方向增益：49.7dB 接收机IF带宽：27MHz 接收系统噪声温度：75K 下行链路功率预算： Pt = 卫星转发器输出功率，20W，13.0dBW Bo
9、= 转发器输出补偿，-2.0dB Gt = 卫星天线沿中心轴方向的增益，20dB Gr = 地面站天线增益，49.7dB Lp = 4GHz时自由空间路径损耗，-196.5dB Lant = 卫星天线波束损耗上界，-3.0dB La = 晴天大气损耗，-0.2dB Lm = 其他损耗，-0.5dB Pr = 地面站接收功率，-119.5dBW 下行链路噪声功率预算 k = 波尔兹曼常数，-228.6dBW/K/Hz Ts = 系统噪声温度，75K，18.8dBK Bn = 噪声带宽，27MHz，74.3dBHz N = 接收机噪声功率，-135.5dBW C/N = Pr(dB)-N(dB)=
10、-119.5dBW-(-135.5dBW) = 16.0dB 雨天C频段下行链路预算 Prea = 晴天时地面站的接收功率 -119.5dBW A = 降雨衰减 -1.0dB Prain = 雨天时地面站接收功率 -120.5dBW Nca = 晴天时接收机的噪声功率 -135.5dBW Nrain = 降雨时造成的噪声温度增量 2.3dB Nrain = 降雨时接收机的噪声功率 -133.2dBW 雨天C/N = Prain Nrain = -120dBW- (-133.2dBW) = 12.7dB 链路预算 链路预算实例，C波段GEO卫星 天线增益计算：全球波束覆盖，3dB波束宽度17 增
11、益G = 33000/172 = 114.2 = 20.6 dB，约为20dB 注意，中心区域高于边缘区域 3dB! 边缘区域距离也更远，需单 独计算 转发器饱和功率，20W = 13dBW，由于输出存在各种波导接头 具有一定损耗，记转发器补偿为2dB，则实际发射功率为 11dBW。EIRP = 11+dB天线增益= 11 + 20 = 31dBW 发射信号带宽30MHz，接收27MHz（模拟FM-TV信号） 地面站天线直径9m，4GHz增益为49.7dB，天线效率？ 接收系统噪声温度75K，G/T = 49.7-10lg75 = 30.9 dB/K GEO卫星最长路径为40000km，如何得
12、到的？ 路径损耗：20lg(4R/)=196.5 dB 额外的路径损耗晴天/斜入射：0.2dB 其他损耗：0.5dB，如极化失配、天线指向偏差 最低C/N为9.5dB（FM解调门限），根据前面表格得到 C/N=16.0dB，裕量6.5dB，雨天裕量较小 4GHz雨衰1dB，加上晴天损耗0.2dB，总损耗1.2dB（1.32） 利用有耗噪声模型得到天电噪声： 晴天0.2dB损耗对应天电噪声13K，雨衰增加了66-13=53K， 系统噪声75K，雨衰53K，雨衰将噪声提高到75+53=128K，即 2.3dB，加上雨衰1dB，则有了前面的雨衰噪声链路预算 链路预算实例，C波段GEO卫星 上例中最坏
13、情况链路裕量3.2dB，进一步优化减小为2dB，多出 来1.2dB可以用来将地面站天线尺寸减小：1.2dB=1.32，天线尺 寸缩小 倍即9m天线减小到7.8m 如果采用QPSK数字调制，27MHz带宽可以传输54Mbps，但是 C/N下限14.6dB。雨天裕量-1.9dB，需要增加天线尺寸，但是数 字调制MPEG可以传输多路TV增加容量 如果是部分地区覆盖，发射天线增益提高+12dB，接收天线增 益可以降低-12dB=直径减小4倍（2.25m） 链路预算优化 直接广播电视（DBS-TV） DBS-TV工作与Ku波段，下行12.2GHz-12.7GHz 发射功率大：100W-200W 用户天线
14、直径小于1m 降雨裕量较小 3dB 8dB 牺牲可靠性换取小天线终端 接收天线波束宽、易受其他卫星干扰 =不同卫星频率间隔必须宽 DBS-TV链路预算实例 DBS-TV终端接收的信号功率： 转发器输出功率，160W，22.0 dBW 天线波束中心增益，（5.52.5）34.3 dB 12.2GHz，路径长度38000km时的路径损耗， -205.7dB 接收天线中心增益，33.5dB 波束边缘损耗，-3.0dB 晴天大气损耗，-0.4dB 其他损耗，-0.4dB 接收功率，C，-119.7dBW DBS-TV终端接收时噪声功率： 波尔兹曼常数，k，-228.6dBW/K/Hz 晴天系统噪声温度
15、，145K，21.6dBK 接收机噪声带宽，20MHz，73.0dBHz 噪声功率，N，-134.0dBW DBS-TV终端C/N： 晴天C/N 14.3dB 8.6dB门限以上链路预算 5.7dB 可靠性99.7% DBS-TV链路预算实例 雨衰时的系统噪声温度与C/N 总的附加路径损耗A：=Aca+Arain dB Tsky=270（1-10-A/10）K，假定降雨时介质温度为270K 实际并非所有噪声能量进入天线，引入耦合系数c： TA= cTsky K， c一般为90%95% 假设LNA增益足够大，Ts rain=TLNA+TA K 假设LNA与天线馈源集成在一起，则Nrain为： T
16、sca是晴天时系统的噪声温度 降雨时载波功率Crain为：Crain=Cca-AraindB 降雨时C/N为： (C/N)dn rain = (C/N)dn ca-Arain-Nrain dB 雨衰时的系统噪声温度与C/N 链路裕量如何被降雨抵消 设DBS-TV预算实例中有3dB雨衰 加上晴天损耗0.4dB，一共3.4dB，雨天电噪声为 晴天天电噪声 天线噪声来源：固定噪声，温度可变噪声 雨衰=Ts rain 上升=N上升，同时C下降 C/N下降雨衰 dB 不能简单的将雨衰从链路裕量中扣除！ 实际情况中需反复计算才能得到对应雨衰的链 路裕量减小值。 链路裕量如何被降雨抵消 上行链路设计 地面站发射功率可变,设计简单 小型地面站功率小,特别是移动
