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1、第3章 卫星通信系统线路的设计与计算 第3章 卫星通信系统线路的设计与计算 3.1 概述 3.2 卫星通信线路载波功率的计算 3.3 卫星通信线路噪声功率的计算 3.4 卫星通信线路载波功率与噪声功率比 3.5 数字卫星通信线路设计 第3章 卫星通信系统线路的设计与计算 3.1 概 述 设计一条卫星通信链路的主要目的是：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联接手段。为此，发送站发出的信号到达接收站时，必须具有足够高的电平，而且不管对通信质量的总噪声影响如何，都要保证必需的业务质量。 这就是说，接收到的射频载波功率必须远大于噪声功率。链 路的载波和噪声功率比(载噪比，C/N)用d
2、B表示。链路所需的载噪比随特定的系统和该系统的用途不同而异。目前，国际上对各种不同系统均已制订出了各自相应的建议值，而且这些规定有时会有所修订，所以在设计卫星通信系统时要查阅有关的最新文本。 第3章 卫星通信系统线路的设计与计算 众所周知，一条链路质量的优劣，对于模拟信号传输是以解调后的信噪比S/N来表示的，而对数字信号传输则用比特误码率(BER)表示。但不论S/N还是BER都取决于解调前的载波功率与等效噪声温度之比C/T、调制方式和设备的实际性能(解调器和滤波器等)。因此，实际上C/T值的计算是链路估算的主要内容。链路预算主要考虑两方面的问题：(1) 已知通信卫星和地球站的电参数， 计算通信
3、链路的传输能力。(2) 已知卫星的电参数， 根据对传输容量和质量的要求， 确定地球站的设备参数。 第3章 卫星通信系统线路的设计与计算 3.2 卫星通信线路载波功率的计算 1. 天线增益G在卫星通信中，一般使用定向天线，把电磁波能量聚集在某个方向上辐射。设天线开口面积为A，天线效率为, 波长为， 天线直径为D，则天线增益为 (3.1) 第3章 卫星通信系统线路的设计与计算 2. 有效全向辐射功率(EIRP)通常把卫星和地球站发射天线在波束中心轴向上辐射的功率称为发送设备的有效全向辐射功率。它是天线发射功率PT与天线增益GT的乘积，即 EIRP = PTGTW (3.2) 设发射机末级功放输出功
4、率为Po, 馈线损耗为LFT(LFT1), 则上式还可写为 (3.3) 或用分贝表示，即 EIRP=Po+GT-LFTdBW (3.4) 式中，方括号表示取其dB值。 第3章 卫星通信系统线路的设计与计算 3. 载波接收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，记作C，C以dBW (以1W为零电平的分贝)为单位。设发射机的有效全向辐射功率为EIRPdBW，接收天线增益为GRdB，接收馈线损耗为LFRdB，大气损耗为LadB，自由空间损耗为LPdB, 其它损耗为Lr dB, 则接收机输入端的载波接收功率CdBW可以表示为 C=EIRP+GR-La-LP-Lr-LFR =Po-L
5、FT+GT+GR-La-LP -Lr-LFR (3.5) 第3章 卫星通信系统线路的设计与计算 【例 3.1】已知IS-号卫星作点波束 1872 路运用时， 其有效全向辐射功率EIRPS= 34.2 dBW, 接收天线增益GRS=16.7 dB。又知某地球站有效全向辐射功率EIRPE=98.6dBW, 接收天线增益GRE=60.0dB, 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。解 若上行线路工作频率为 6 GHz，下行线路工作频率为 4 GHz，距离d=40 000km, 则利用式(1 3)可求得上行线路传输损耗LU
6、为 LU = 200.04 dB第3章 卫星通信系统线路的设计与计算 下行线路传输损耗LD为 LU = 196.52 dB利用式(3.5)(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 CSEIRPE+GRS-LU =-84.74 dBW 地球站接收机输入端的载波接收功率CE(忽略La和Lr)为 CE =EIRPS+GRE-LD-LFRE= -102.37dBW 第3章 卫星通信系统线路的设计与计算 3.3 卫星通信线路噪声功率的计算地球站接收系统的噪声主要来源于如下几个方面(参阅1.7.3节)：(1) 天线噪声。 天线噪声包括宇宙噪声、 大气噪声、 降雨噪声、太阳噪声、
7、天电噪声、天线损耗噪声、天线罩噪声以及天线从副瓣进入的地面噪声等等。(2) 干扰噪声。干扰噪声主要来源于其它通信系统。 第3章 卫星通信系统线路的设计与计算 (3) 上行链路噪声与转发器互调噪声。这些噪声是伴随信号一起从卫星发送下来的， 包括发射地球站、上行链路、卫星接收系统的热噪声，以及多载波工作时卫星和发射地球站的非线性器件产生的互调噪声等。(4) 无源器件(如馈线、 定向耦合器、 波导开关)的噪声。(5) 接收机的内部噪声。 第3章 卫星通信系统线路的设计与计算 噪声的大小可直接用噪声功率来度量。众所周知，对于具有热噪声性质的噪声，噪声功率可表示为N=KTB (3.6)式中，K=1.38
8、10-23J/K为波尔兹曼常数，B为等效噪声带宽， T为等效噪声温度。 若单边功率谱密度用n0来表示，则n0 =KT， 因此噪声的大小也可以用等效噪声温度T间接来表示。 第3章 卫星通信系统线路的设计与计算 为了便于计算，通常把上述噪声都折算到地球站低噪声接收机的输入端，并分为三部分，即上行链路噪声、转发器互调 噪声和下行链路噪声。因此，整个系统的噪声温度可表示为 Tt=TU+TI+TD=(r+1)TD (3.7) 式中，TU为上行链路噪声，TI为转发器互调噪声温度，TD为下行链路噪声温度， r=(TU+TI)/TD。 第3章 卫星通信系统线路的设计与计算 3.4 卫星通信线路载波功率与噪声功
9、率比 图 3.1 单向空间链路一般示意图 第3章 卫星通信系统线路的设计与计算 1. 上行线路载噪比与卫星接收机性能指数在计算上行线路载噪比时，地球站为发射系统，卫星为接收系统。设地球站有效全向辐射功率为(EIRP)E，上行线路传播损耗为LU，卫星转发器接收天线增益为GRS，卫星转发器接收系统馈线损耗为LFRS，大气损耗为La，则可求得卫星转发器接收机输入端的载噪比为 式中, TS为卫星转发器输入端等效噪声温度；BS为卫星转发器接收机带宽。 (3.8) 第3章 卫星通信系统线路的设计与计算 如果将LFRS计入GRS之内，则称之为有效天线增益；将La计入LU之内，则式(3.8)可写成 由于载噪比
10、C/N是带宽B的函数，因此这种表示方法缺乏一般性，对不同带宽的系统不便于比较。若将噪声改用每赫带宽 的噪声功率(即单边噪声功率谱密度n0)表示， 则 (3.10) (3.11) (3.9) 或 第3章 卫星通信系统线路的设计与计算 即 (3.12) 将式(3.12)代入式(3.9)可得 (3.13) (3.14) 由式(3.9)、 式(3.13)和式(3.14)可以看出，GRS/TS值的大小直接关系到卫星接收性能的好坏，故把它称为卫星接收机性能指数， 也称为卫星接收机的品质因数，通常简写为G/T。G/T值越大， C/N越大，接收性能越好。 第3章 卫星通信系统线路的设计与计算 为了说明上行线路
11、C/TU值与转发器输入信号功率的关系，引入了转发器灵敏度的概念。当使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就是转发器灵敏度， 通 常用功率密度WS表示，即以单位面积上的有效全向辐射功率表示，有 或 (3.16) 第3章 卫星通信系统线路的设计与计算 以上是卫星转发器只放大一个载波的情况。但是在频分多址系统中，一个转发器要同时放大多个载波。为了抑制因互调干扰所引起的噪声， 需要使总输入信号功率从饱和点减 少一定数值，如图 3.2 所示。通常把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称为输出功率退回或输出补偿；而把放大单个载波达到饱和输出时的输入电平
12、与放大多个载波时工作点的总输入电平之差称为输入功率退回或输入补偿。由于进行输入补偿，因此由 各地球站所发射的EIRP总和， 将比单波工作使转发器饱和时地球站所发射的EIRP要小一个输入补偿值。 假设以EIRPES表示转发器在单波工作时地球站的有效全向辐射功率，那么 多波工作时地球站的有效全向辐射功率的总和应为 第3章 卫星通信系统线路的设计与计算 图 3.2 行波管输入、输出特性第3章 卫星通信系统线路的设计与计算 EIRPEM = EIRPES-I (3.17) 式中，BOI为输入补偿值。将式(3.16)代入式(3.17)，得 (3.18) 与之相应的(C/T)U值用(C/T)UM表示，即
13、(3.19) 第3章 卫星通信系统线路的设计与计算 2. 下行线路载噪比与地球站性能指数这时，卫星转发器为发射系统，地球站为接收系统。与上行线路类似，可得其基本关系式为 (3.20) 式中，TE为地球站接收机输入端等效噪声温度；BE为地球站接收机的频带宽度；GRE为地球站接收天线有效天线增益。同样， 可以写成另外两种表达形式，即 (3.21)第3章 卫星通信系统线路的设计与计算 (3.22) 式中，GRE/TE称为地球站性能指数(品质因数)，常用GR/TD表示，其中TD为下行线路噪声温度， 它关系着地球站接收性能的好坏。因此，在国际卫星通信系统中，为了保证一定的通信质量并能有效地利用卫星功率，
14、对标准地球站的性能指数有明确规定。 第3章 卫星通信系统线路的设计与计算 当考虑到卫星转发器要同时放大多个载波时，为了减小互调噪声，行波管放大器进行输入补偿的同时，输出功率也应有一定补偿值。 因此，多载波工作时的有效全向辐射功率为 EIRPSM = EIRPSS-BOO (3.23) 式中，EIRPSS为卫星转发器在单波饱和工作时的EIRP。 将式(3.23)代入式(3.22)，得 (3.24) 第3章 卫星通信系统线路的设计与计算 3. 卫星转发器载波功率与互调噪声功率比当卫星转发器同时放大多个信号载波时，由于行波管的幅度非线性和相位非线性的作用，会产生一系列互调产物。其中 ， 落入信号频带
15、内的那部分就成为互调噪声。如果近似认为互调噪声是均匀分布的话，可采用和热噪声类似的处理办法，求得载波互调噪声比，也可用C/NI、 C/n0I或C/TI来表示，且 (3.25) 第3章 卫星通信系统线路的设计与计算 一般规律是，越远离行波管饱和点(即输入补偿越大)， C/TI越大；越接近饱和点(即输入补偿越小)， C/TI越小。 而C/TU和C/TD情况却相反。例如，当输入补偿越小时， EIRPS要增大，这时可使C/TD得到相应的改善。 可是C/TI会因行波管非线性而降低，如图 3.3 所示。 因此，为了使卫星链路得到最佳的传输特性， 必须适当选择补偿值。显然， 选择最佳工作点的问题， 在卫星通
16、信系统设计中是个极其重要的问题。 第3章 卫星通信系统线路的设计与计算 图 3.3 C/T与BOI的关系 第3章 卫星通信系统线路的设计与计算 4. 卫星通信线路的总载噪比前面研究的上行和下行线路载噪比都是单程线路的载噪比。 所谓单程，就是指地球站到卫星或卫星到地球站。实际上，进行卫星通信是双程的， 即由地球站卫星地球站。因此， 接收地球站收到的总载噪比C/Nt与下行线路的载噪比C/ND是有区别的。整个卫星线路噪声由上行线路噪声、下行线路噪声和互调噪声三部分组成，如图 3.4 所示。 虽然这三部分噪声到达接收站接收机输入端时， 已混合在一起， 但因各部分噪声之间彼此独立， 所以计算噪声功率时， 可以将三部分相加， 即
