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1、第六章 卫星传输的基本理论,内容提要卫星通信概述 卫星传输线路卫星通信的多址连接卫星传输系统的应用,6.1 卫星通信概述,6.1.1卫星通信的基本概念 1.卫星通信?,卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站，转发无线电信号，在多个地球站（卫星接收站）之间进行的通信。,2.通信卫星的作用?,相当于离地面很高的微波中继站。,卫星通信的示意图,A、B、C、D、E分别为地球站。并且他们都能同时看到卫星，那么，他们之间可经过卫星转发信号进行时实通信。,3.立即转发式卫星通信？,在只用一颗卫星工作的情况下,只有那些(如A、B两地球站)能同时“看”到卫星的地球站方可利用卫星相互转发无线电信号进行实时通信.
2、称为立即转发式卫星通信。4.延迟转发式卫星通信？当两个地球站，若不能能同时“看”到卫星,又要利用卫星进行通信时, 只能采用延迟转发式.,5.同步(静止)卫星全球通信系统,用三颗静止卫星的等间隔配置在地球赤道平面内,这样三颗卫星就可覆盖整个地球表面,只有南北极附近存在盲区.这三颗卫星运行周期为24小时, 运行轨道在赤道所决定的平面内，定点高度约为35800Km，卫星与地球作切线,其夹角17.340的卫星组成。,图7.2. 静止卫星覆盖区,6.1.2卫星通信的特点,1.卫星通信的优点 (1)通信距离远，覆盖区域大(2)可进行多址通信(3)通信频带宽，传输容量大。由于卫星通信使用的是微波频段（300
3、MHz以上），因而可用频带宽、传输容量大，目前，卫星通信的传输带宽可达500MHz，可传送10万路以上的电话信号。 (4)机动灵活(5)通信线路稳定可靠，传输质量高,（1）静止卫星的发射与控制技术比较复杂。受太阳能电池的寿命和控制用燃料重量等的限制，卫星的工作寿命仅约为7年。 (2)地球高纬度地区的通信效果不好，两极地区为通信盲区。(3)存在日凌中断和星蚀现象(4)卫星通信传输距离太长，因而信号传输的时延较大。,2. 静止卫星通信的不足之处,6.1.3 卫星通信的使用频段,卫星通信的使用频段虽然也属于微波频段（300MHz300GHz），但由于卫星通信电波传播的中继距离远：要受到对流层中的氧、
4、水和雨、雾的吸收和散射衰减影响；受到宇宙噪声的影响。,卫星通信工作频段的选择是一个很重要的问题，它将影响到系统的传输容量，地球站与转发器的发射功率，天线口径尺寸的大小和设备的复杂程度以及成本的高低等。,大气中各种吸收衰减,宇宙噪声与频率的关系,频率（GHz）,在0.310GHz范围内大气吸收衰减最小，因此称此频段为“无线电窗口”，在卫星传输中应用最多。在 30GHz附近也有一个衰减的低谷，常称为“半透明无线电窗口”。选择工作频段时，应选在这些“窗口”附近。天线接收的外界噪声要小：从降低接收系统噪声的角度来考虑，工作频段最好选在l10GHz之间工作。综述两方面考虑，卫星通信的工作频段一般选在l1
5、0GHz范围内较为适宜，而且最理想的频段是在46GHz附近，该频段带宽较宽，便于利用成熟的地面微波中继传输技术，天线尺寸相对来讲也比较小。,由图看出，频率选择主要受大气层及外界噪声的影响：,国际电联给卫星通信的频段分配为1-300GHZ,1.特高频 （UHF）波段 400200GHz2.L波段 1.61.5GHz;3.C波段 64GHz;4.X波段 87GHz;5.Ku波段 1411GHz，1412GHz6.Ka波段 3020GHz,上述工作频段也不是绝对的，随着通信业务的增长，人们正在探索应用更高的频段，直至光波频段。,波段使用,1.早期使用C波段（4/6 GHz）:目前大部分民用通信卫星，
6、尤其是商用卫星使用 46 GHz频段，上行为 5.9256.425 GHz，下行为3.7 4.2GHz，转发器带宽为500 MHz。 许多国家的政府和军事卫星使用78GHz，上行为7.98.4 GHz，下行为7.257.75 GHz。2.近期扩展的Ku波段（1114GHz）:上行采用1414.5 GHz，下行采用11.7122 GHz，或10.9511.2 GHz，3.实验使用Ka波段（2030GHz）：上行为27.531GHz，下行为17.7212 GHz。,6.2 卫星传输线路,A、B两个地球站通过卫星进行通信的卫星传输线路是由收发端地球站，上、下行无线传输线路、卫星转发器。,若地球站A所
7、属用户要和B地球站所属用户通话：A站用户 卫星，上行频率f1卫星 B站用户，下行频率f2B站的用户要与A站的用户通话时，与上述过程相似。不过B站的上行频率要用f3，而且 ；下行频率用f4，而且 ，以避免工作中的相互干扰。此情况下，任意两个地球站进行双向通信必须占用4个频道。,6.2.1 卫星传输系统中存在的噪声和干扰,接收机系统内、外噪声的来源,卫星传输系统中存在的噪声和干扰： 1太阳系噪声 2宇宙噪声和大气噪声3降雨噪声 4地面噪声 5干扰噪声,天线接收到噪声的大小可以用天线的等效噪声温度Ta表示。,6.2.2 接收机的载噪比C/N与地球站性能因素G/T值,1.接收机输入端的信号功率,接收点
8、的信号功率为 ：,自由空间传播损耗（GT、GR为1时）:,也可进一步写为,2.接收机输入端的噪声功率N 由电子线路分析可知，当接收机阻抗匹配时，外部噪声折算到接收机输入端的噪声功率为：,接收端匹配时的热噪声功率为 N=k T B 式中:k=1.3810-23JK为波尔兹曼常数，T为接收系统的等效噪声温度，B为等效噪声带宽.,3.接收机输入载噪比C/N和地球站性能品质因数GT值,（1）接收机输入端的信号载波功率，线路噪声之比为载噪比：, C/N=PT+GT+GR-Lp -kTB C/N=EIRP+GR-LP-kTB式中:EIRP=PT+GT=10lg(PTGT)称为有效全向辐射功率。,（2）上行
9、线路CNU,C/Nu=EIRPg +GRS-LPU-kTsatBsat式中：EIRPg为地球站有效全向辐射功率， GRS为卫星接收天线增益， LPU 为上行传播衰减；Tsat为卫星接收系统的噪声温度；Bsat为卫星接收系统的带宽。,（3）下行线路CND,C/ND=EIRPs+GR-LpD -kTtB式中：EIPRS为卫星转发器的有效全向辐射功率，LPD为下行传播衰减，GR为地球站天线接收增益，Tt为地球站接收系统的噪声温度；B为地球站接收系统带宽。,由上式可以看出，当设计好卫星转发器的有效全向辐射功率EIRPs之后，若地球站的工作频率、接收系统带宽以及下行线路传输衰减 数值一定，则接收系统输入
10、端载噪比 将由 决定,因而称 为地球站性能因素，简写 。 值越大， 值也越大，表现出地球站接收系统性能越好。,地球站性能因素G/T值,例如，国际卫星组织规定，A型标准地球站在4GHz，仰角5时的G/T40.7dB/K，而对其他频率工作下的性能因素做出的规定为：G/T40.720lgf/4式中，工作频率f的单位是GHz。,若考虑整个卫星线路时，C/N中噪声温度扩展为地球站输入端的噪声三部分之和 T=Tu+Ti+TD 或以噪声功率方式可表示为： N=kTB=k(Tu+ TD+Ti)B 式中: Tu: 上行线路噪声温度; Ti: 卫星转发器的交调噪声温度;TD: 下行线路噪声温度.,(4)整个卫星线
11、路的C/N,6.2.3卫星通信的 （接收系统的品质因素）,模拟通信系统强调信噪比SN，数字通信系统强调载噪比CN,它们的值是带宽函数。缺乏一般性,对不同带宽的系统不便比较，改用CT(与带宽无关)值表示。C/T= C/NkBT是接收系统的等效噪声温度，包括TU，TD，Ti 。,1.热噪声对上下行线路CT的影响,(1) 上行线路CTU值 为了说明上行线路C/TU值与转发器输入信号功率的关系，引入 转发器的灵敏度：当卫星转发器达到最大输出（饱和）时，其输入端所需要的最小单位信号功率，即单位面积上的有效全向辐射功率，以功率密度Ws表示：,Ws=EIRPg -LpU+4/2（1）单载波情况 CTU =C
12、/NU+ k+Bsat CTU =EIRPg - LpU +GRS/Tsat,因,EIRPgM= EIRPgs-BOi 式中: EIRPgs表示转发器在单波工作时的值; EIRPgM表示在多载波工作时的值; BOi 输入补偿.与之对应的CTU和CT Um 表示:,（1）多载波情况,2.下行线路的(CT)D值,单载波情况 CTD=EIRPs-LpD+GRTD 多载波情况EIRP sM= EIRPss-BO0 式中: EIRPs表示转发器在单波工作时的值;EIRP sM表示在多载波工作时的值;BO0 输出补偿.CTDM=EIRPSS-BO0-LPDGRTD,6.2.3.2交调噪声对CT值的影响,在
13、采用FDMA方式的卫星通信系统中，若转发器中输出波管工作在大信号的非线性区时，将会在放大多个不同频率的载波时产生交调噪声 CTi=C/Ni+10lg(1.3810-23)+B CTi =C/N i-228.6+ B,当输出补偿减小时，卫星的EIRPsM要增大，这可使C/TD得到改善，但将会因行波管的非线性使C/TI降低（这是因内部噪声增大，使行波管的等效噪声温度增大，而使C/T降低）。因此，为了使卫星线路得到最佳的传输特性，必须选择适当大小的补偿值。,CTDM=EIRP S S-BO0-LPD +GRTD,应适当选择补偿值大小，例如,3.卫星线路的CT值,Nt=NU+Ni+ND=K(TU+Ti
14、+TD)B=KTtB 三部分噪声总和的CT值：,当输入补偿BOi改变时，会使C/TUM C/TIM、C/TDM和C/TIM都变化，可以通过改变BOi值，使系统C/TtM达到一个最佳值。在ISIV卫星系统中，当BOi11dB时，可使系统的 C/TtM达到最佳值时。,4.门限余量Mth 在实际工作时的CT值应超过门限CTth。为使卫星线路参数满足通信质量要求，必须留有一定的 “门限余量” Mth=C/T实际-C/Tth,例：已知条件如下图所示，设卫星转发器工作在单载波状态，分别求出卫星线路的上行 和下行 的值。,解：（1）卫星上行线路的,由题设条件知： 4363106dBW， 200.6dB，,17.5dB， 10lg50=17dBK,106200.617.51794.1（dB/K）,（2）卫星下行线路的,由题设条件知：,22dBW,32.4420lg2000020lg4000 32.448672190.4（dB）,59.4dB,10lg4016dBK,22116.4445.449.04（dB/K）,
