衛(wèi)星通信鏈路計算過程

1、衛(wèi)星通信鏈路計算過程星通信載波的鏈路計算方法為， 先分別計算上行和下行鏈路的載波功率與等效噪聲溫度比 C/T 或者載波與噪聲功率比 C/N、以及載波與干擾功率比 C/I ，再求出考慮干擾因素的系統(tǒng)載噪比 C/(N+I) 和載波的系統(tǒng)余量。上下行 C/T上行和下行 C/T 的計算公式分別為C/TU= EIRPE Loss U + G/T SatC/TD = EIRP S Loss D + G/T E/S式中的 EIRP 和 EIRPS 分別為載波的上行和下行EIRP，LossU和 LossD 分別為總的上行和下行傳輸衰耗， G/TSat 和 G/TE/S 分別為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和地球站的接收系統(tǒng)品質(zhì)因

2、數(shù)。上式中的數(shù)據(jù)均為對數(shù)形式。C/N 與 C/T 的關(guān)系C/N 與 C/T 的關(guān)系式為C/N = C/T k BWN = C/T + 228.6 BWN式中的 k 為波茲曼常數(shù)， BWN 為載波噪聲帶寬。式中的數(shù)據(jù)均為對數(shù)形式。C/I 與 C/IM衛(wèi)星通信載波需要考慮的干擾因素主要有，上行和下行反極化干擾C/I XP_U和C/I XP_D 、以及上行和下行鄰星干擾 C/I AS_U和 C/I AS_D。此外，還需考慮轉(zhuǎn)發(fā)器在多載波工作條件下的交調(diào)干擾 C/IM 。C/N 與 C/I 的合成由多項 C/N 和 C/I 求取總的 C/N、C/I 、以及 C/(N+I) 的算式為(C/N Total

3、)-1= (C/NU) -1+ (C/N D) 1(C/I Total)-1= (C/IXP_U )-1 + (C/IAS_U )1+ (C/IM) -1 + (C/I XP_D ) -1 + (C/I AS_D ) -1(C/(N+I)-1= (C/NTotal) -1 + (C/ITotal)1上述三個算式中的數(shù)據(jù)均為真數(shù)形式。由多項 C/N 和 C/I 求取總的 C/(N+I) 的步驟也可為(C/(N+I) U ) -1(C/(N+I) D ) -1= (C/N U ) -1= (C/N D ) -1+ (C/IXP_U )1 + (C/IAS_U ) 1+ (C/IXP_D )-1 +

4、 (C/IAS_D ) -1 + (C/IM)-1(C/(N+I)-1= (C/(N+I)U )-1 + (C/(N+I)D ) 1上述兩種不同計算步驟所得到的結(jié)果是相同的。系統(tǒng)所需的 Eb/N0 與 C/N數(shù)字載波解調(diào)器對載波的每 bit 能量與噪聲密度之比 Eb/N0 通常有一個最低要求，由此數(shù)據(jù)可以求出系統(tǒng)所需要的最低 C/N。C/N = Eb/N + 20log(RData)BW0N上式中的 RData 為真數(shù)形式的載波數(shù)據(jù)速率或信息速率，其余的數(shù)據(jù)均為對數(shù)形式。系統(tǒng)余量系統(tǒng)余量為系統(tǒng)的C/(N+I) 與系統(tǒng)所需最低C/N 之差值。數(shù)字載波的鏈路預算設(shè)計衛(wèi)星通信線路時， 通常先選定通信

5、衛(wèi)星和工作頻段， 根據(jù)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的性能參數(shù)和用戶需求， 選擇系統(tǒng)所用的天線口徑、 調(diào)制和編碼方式， 然后通過鏈路計算，驗證所設(shè)計線路的可行性與合理性。 合理的設(shè)計應(yīng)保證系統(tǒng)略有余量， 同時使系統(tǒng)所占用的轉(zhuǎn)發(fā)器功率資源與帶寬資源相平衡。 如果鏈路預算結(jié)果表明， 在功率與帶寬相平衡時所得的系統(tǒng)余量過大或不足，可以改變天線口徑，或調(diào)制、編碼參數(shù)，對系統(tǒng)進行優(yōu)化?？紤]到目前的話音、 數(shù)據(jù)通信和電視廣播的主流是數(shù)字化， 這里只介紹數(shù)字載波的鏈路預算表 。表中列舉了幾種不同類型的業(yè)務(wù)，它們共用一個 36MHz帶寬的 C 波段轉(zhuǎn)發(fā)器。載波帶寬計算載波帶寬時， 通常按下式先從被傳輸?shù)男畔⑺俾省?糾錯碼率和調(diào)制

6、方式， 求出符號速率。符號速率 = （信息速率 / FEC 編碼率 / R-S編碼率） * 調(diào)制因子如果有報頭的話，應(yīng)將其計入信息速率中。前向糾錯 (FEC)編碼率通常為 1/2 、 2/3 、 3/4 、5/6 和 7/8 ，Reed-Solomon 編碼率常用 188/204 。BPSK、QPSK、8PSK和 16QAM的調(diào)制因子分別為 1、1/2 、 1/3 和 1/4 。載波噪聲帶寬和占用帶寬的取值應(yīng)分別為符號速率的商強調(diào)其調(diào)制波的占用帶寬可壓縮到符號速率的1.35被衛(wèi)星操作者所接受。1.2 倍和 1.4 倍。部分設(shè)備倍甚至 1.3 倍，但通常不在鏈路預算中，載波噪聲帶寬將被用于計算

7、C/T、C/N 和 Eb/N 0 之間的關(guān)系，占用帶寬將被用于決定載波工作頻率，以及計算載波的輸出和輸入回退量。輸出和輸入回退通信轉(zhuǎn)發(fā)器的功放級多采用行波管放大器 (TWTA)或固態(tài)功率放大器 (SSPA)。這兩種放大器在最大輸出功率點附近的輸出 / 輸入關(guān)系曲線為非線性。多載波工作于同一個轉(zhuǎn)發(fā)器時，為了避免非線性放大器產(chǎn)生的交調(diào)干擾，必須 使使放大器工作在線性狀態(tài)。這時，整個轉(zhuǎn)發(fā)器的輸出功率遠低于最大功率。采用 TWTA的轉(zhuǎn)發(fā)器在線性工作狀態(tài)時的輸出功率，通常比最大功率低 4.5dB。也就是說，整個轉(zhuǎn)發(fā)器的輸出線性回退約為 4.5dB 。轉(zhuǎn)發(fā)器的輸入回退量可根據(jù)輸出回退量，在放大器輸出 /

8、輸入關(guān)系曲線 中查得。對于采用 TWTA的轉(zhuǎn)發(fā)器，輸入回退量一般比輸出回退大6dB 上下。對應(yīng)于 4.5dB的輸出線性回退，轉(zhuǎn)發(fā)器的輸入線性回退約為10.5dB。在鏈路預算中，載波輸出回退和輸入回退將分別被用于計算載波的下行和上行EIRP。用戶載波的功率分配功率和帶寬同為轉(zhuǎn)發(fā)器的重要資源。 用戶所能占用的轉(zhuǎn)發(fā)器功率應(yīng)與他向衛(wèi)星公司租用的轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬相平衡。 在一般情況下， 用戶載波所占用的轉(zhuǎn)發(fā)器功率與轉(zhuǎn)發(fā)器總功率的比值，應(yīng)該和用戶租用帶寬占轉(zhuǎn)發(fā)器總帶寬的比例大致相等。載波功率的輸出回退值與轉(zhuǎn)發(fā)器線性回退之差值，即為載波占用轉(zhuǎn)發(fā)器功率的比例。當載波在轉(zhuǎn)發(fā)器中的功率占用率與帶寬占用率相平衡時，OBO

9、 C = OBO Xpd + 10 lg (BW Xpd / BW C)式中， OBOC為載波的輸出回退值， OBOXpd 為轉(zhuǎn)發(fā)器的線性輸出回退值， BWXpd 和 BWC 分別為轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬和載波租用帶寬。 上式表明，轉(zhuǎn)發(fā)器的線性 輸出回退值越低，或者載波帶寬越寬， 載波所分配到的功率就越高； 轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬越寬， 載波所分配到的功率就越低。SFD與上行 EIRP轉(zhuǎn)發(fā)器的飽和通量密度 SFD反映衛(wèi)星信道的接收靈敏度。 接收靈敏度越高， 所要求的上行功率就越低。不過， 一味提高 SFD并不是好事。因為降低上行功率的同時，也將相應(yīng)降低上行載噪比和上行抗干擾能力。值得一提的是，通過調(diào)整轉(zhuǎn)發(fā)器信道單元中

10、的可變衰耗器， 可以改變 SFD的數(shù)值。因此，在轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)表中，一般會注明 SFD是某個衰減檔的對應(yīng)值。在取用 SFD 參數(shù)時，應(yīng) 該根據(jù)參數(shù)表中的參考衰減檔與轉(zhuǎn)發(fā)器當前所用衰減檔的差值，對參數(shù)表中的 SFD數(shù)值加以修正。上行載波的 EIRP 可按下式求得，EIRPE = SFD -載波輸入回退 - G 0 + 上行傳輸損耗式中的 G0 為單位面積的標準天線增益。載波的上行 EIRP 用于計算上行 G/T 與上行站的天線發(fā)送增益和功放輸出功率。上行和下行 C/TC/T 為載波功率與等效噪聲溫度之比，上行與下行C/T 的計算公式均為，C/T = EIRP -傳輸損耗 + G/T計算上行 C/T

11、時，上式中的 EIRP 為載波的上行 EIRP，傳輸損耗為上行損耗， G/T 為轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù) 。計算下行 C/T 時，上式中的 EIRP 為載波的下行 EIRP，傳輸損耗為下行損耗， G/T 為地面接收系統(tǒng)的參數(shù)。鏈路預算的對象也可以是C/N，它與 C/T 的關(guān)系為，C/N = C/T - BWN - k式中， BWN為載波噪聲帶寬， k 為波茲曼常數(shù)。三項干擾因素的估算在鏈路預算中， 除了上行與下行的 C/T 或 C/N 外，通常還需考慮反極化干擾、 鄰星干擾和交調(diào)干擾等因素。 這三項干擾因素的計算， 因數(shù)據(jù)不足而很難得到準確的結(jié)果。由于它們對鏈路預算結(jié)果的影響很有限， 為此，通常只采用簡化的

12、估算方法。反極化干擾應(yīng)考慮被干擾信號與反極化干擾信號的功率譜密度之比， 以及地面天線和衛(wèi)星收發(fā)天線的極化隔離度的綜合影響。 假設(shè)兩個極化的轉(zhuǎn)發(fā)器的工作狀態(tài)相同，兩個極化的載波都只占用轉(zhuǎn)發(fā)器平均功率， 反極化干擾的載波干擾比 C/I 即可簡化為天線極化隔離度的綜合影響。一般而言，在鄰星干擾中， 下行干擾起決定作用。 鄰星干擾的 C/I 大致由雙方載波在接收站點的下行 EIRP 譜密度之比與接收天線的偏軸增益差 （地面天線指向所用衛(wèi)星的最大接收增益與指向鄰星的偏軸接收增益之差值）決定。衛(wèi)星操作者通常都要求用戶為發(fā)送多載波的上行站功放預留足夠的線性回退。 因此，交調(diào)干擾可以只考慮由轉(zhuǎn)發(fā)器引起的部分。

13、 交調(diào)干擾的 C/I 大致由轉(zhuǎn)發(fā)器的線性回退量和相鄰載波與被計算載波的功率譜密度之比決定。鏈路載噪比與系統(tǒng)余量鏈路預算需要綜合考慮上行 C/N 與下行 C/N、以及各種干擾所產(chǎn)生的C/I ，最后求得相關(guān)載波鏈路的系統(tǒng) C/N。相關(guān)算式為-1= (C/(N+I)-1-1(C/N) TotalUp+ (C/(N+I) Dn= (C/N)-1+ (C/I)-1-1)-1+-1+UpXpdUp+ (C/I) AdjUp+ (C/N) Dn(C/I) XpdDn-1+ (C/I)-1)(C/I) AdjDnIM上式中， (C/(N+I)Up 和 (C/(N+I)Dn 分別為上行和下行的載波與噪聲干擾比，

14、(C/I) XpdUp 和 (C/I) XpdDn 分別為上行和下行的載波與反極化干擾比，(C/I) AdjUp和(C/I) AdjDn分別為上行和下行的載波與鄰星干擾比， (C/I) IM 為下行載波與交調(diào)干擾比。上式中，所有的原為對數(shù)形式的載波噪聲比和載波干擾比， 都需在換算為真數(shù)后，再進行倒數(shù)求和計算。由此得到的系統(tǒng) C/N，還得再次換算為常用的對數(shù)形式，單位為 dB。采用不同的調(diào)制和編碼方式的數(shù)字載波，都對應(yīng)有一個最低要求的 Eb /N0 值。通過換算，可以求得相關(guān)載波所需的最低 C/N 值。載波鏈路的系統(tǒng) C/N 估算值與載波所需的最低 C/N 值之差 ，為相關(guān)載波的系統(tǒng)余量。在不考

15、慮降雨衰耗時，系統(tǒng)余量以 1 到 2dB較為合適。余量太低時，系統(tǒng)工作將不夠穩(wěn)定；余量過高時，將增加不必要的設(shè)備成本。干擾估算的簡化處理上一節(jié)中，系統(tǒng) C/N 也可通過綜合上下行 C/N 與上下行 C/I 求得。算式可以相應(yīng)變化為-1= (C/N)-1-1(C/N) TotalUp&Dn + (C/I)Up&Dn= (C/N)-1-1) +(C/I)-1-1+(C/I)-1+Up+ (C/N) DnXpdUp+ (C/I) AdjUpXpdDn(C/I)-1+ (C/I)-1)AdjDnIM一般說來，載波噪聲比 (C/N) Up&Dn的估算結(jié)果較為準確，而載波干擾比(C/I)Up&Dn的估算結(jié)果較為粗糙。實踐中發(fā)現(xiàn)，當 C頻段的接收天線口徑不小于 3 米時， (C/N)與(C/N)Total的差Up&Dn值通常為 0.5 到 1dB；當 Ku 頻段的接收天線口徑不小于 1.2米時， (C/N) Up&Dn與(C/N) Total 的差值通常為1 到 2dB。為此，在上述接收天線口徑條件下，可以省略本來就有些自欺欺人的載波干擾比估算。鏈路估算 時，可以只計算上下行鏈