衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算

1、第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.1 概述概述 3.2 衛(wèi)星通信線路載波功率的計(jì)算衛(wèi)星通信線路載波功率的計(jì)算 3.3 衛(wèi)星通信線路噪聲功率的計(jì)算衛(wèi)星通信線路噪聲功率的計(jì)算 3.4 衛(wèi)星通信線路載波功率與噪聲功率比衛(wèi)星通信線路載波功率與噪聲功率比 3.5 數(shù)字衛(wèi)星通信線路設(shè)計(jì)數(shù)字衛(wèi)星通信線路設(shè)計(jì) 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.1 概概 述述 設(shè)計(jì)一條衛(wèi)星通信鏈路的主要目的是：盡量有效地在地球上兩個(gè)通信點(diǎn)之間提供可靠而又高質(zhì)量的聯(lián)接手段。為此，發(fā)送站發(fā)出的信號(hào)到達(dá)接收站時(shí)，必須具有足夠高的電平，而且不管對(duì)通信質(zhì)量的總噪聲影響如何，都要保證必

2、需的業(yè)務(wù)質(zhì)量。 這就是說，接收到的射頻載波功率必須遠(yuǎn)大于噪聲功率。鏈路的載波和噪聲功率比(載噪比，C/N)用dB表示。鏈路所需的載噪比隨特定的系統(tǒng)和該系統(tǒng)的用途不同而異。目前，國(guó)際上對(duì)各種不同系統(tǒng)均已制訂出了各自相應(yīng)的建議值，而且這些規(guī)定有時(shí)會(huì)有所修訂，所以在設(shè)計(jì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)時(shí)要查閱有關(guān)的最新文本。 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 眾所周知，一條鏈路質(zhì)量的優(yōu)劣，對(duì)于模擬信號(hào)傳輸是以解調(diào)后的信噪比S/N來表示的，而對(duì)數(shù)字信號(hào)傳輸則用比特誤碼率(BER)表示。但不論S/N還是BER都取決于解調(diào)前的載波功率與等效噪聲溫度之比C/T、調(diào)制方式和設(shè)備的實(shí)際性能(解調(diào)器和濾波器等)。因此，實(shí)際上C/

3、T值的計(jì)算是鏈路估算的主要內(nèi)容。 鏈路預(yù)算主要考慮兩方面的問題： (1) 已知通信衛(wèi)星和地球站的電參數(shù)， 計(jì)算通信鏈路的傳輸能力。 (2) 已知衛(wèi)星的電參數(shù)， 根據(jù)對(duì)傳輸容量和質(zhì)量的要求， 確定地球站的設(shè)備參數(shù)。 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.2 衛(wèi)星通信線路載波功率的計(jì)算衛(wèi)星通信線路載波功率的計(jì)算 1. 天線增益天線增益G 在衛(wèi)星通信中，一般使用定向天線，把電磁波能量聚集在某個(gè)方向上輻射。設(shè)天線開口面積為A，天線效率為, 波長(zhǎng)為， 天線直徑為D，則天線增益為 224DAG(3.1) 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 2. 有效全向輻射功率有效全向輻射功率(EIRP) 通常把衛(wèi)

4、星和地球站發(fā)射天線在波束中心軸向上輻射的功率稱為發(fā)送設(shè)備的有效全向輻射功率。它是天線發(fā)射功率PT與天線增益GT的乘積，即 EIRP = PTGTW (3.2) 設(shè)發(fā)射機(jī)末級(jí)功放輸出功率為Po, 饋線損耗為L(zhǎng)FT(LFT1), 則上式還可寫為 WEIRPFTToLGP(3.3) 或用分貝表示，即 EIRP=Po+GT-LFTdBW (3.4) 式中，方括號(hào)表示取其dB值。 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 3. 載波接收功率載波接收功率 衛(wèi)星或地球站接收機(jī)輸入端的載波功率一般稱為載波接收功率，記作C，C以dBW(以1W為零電平的分貝)為單位。 設(shè)發(fā)射機(jī)的有效全向輻射功率為EIRPdBW，接收

5、天線增益為GRdB，接收饋線損耗為L(zhǎng)FRdB，大氣損耗為L(zhǎng)adB，自由空間損耗為L(zhǎng)PdB, 其它損耗為L(zhǎng)r dB, 則接收機(jī)輸入端的載波接收功率CdBW可以表示為 C=EIRP+GR-La-LP-Lr-LFR =Po-LFT+GT+GR-La-LP -Lr-LFR (3.5) 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 【例 3.1】已知IS-號(hào)衛(wèi)星作點(diǎn)波束 1872 路運(yùn)用時(shí)， 其有效全向輻射功率EIRPS= 34.2 dBW, 接收天線增益GRS=16.7 dB。又知某地球站有效全向輻射功率EIRPE=98.6dBW, 接收天線增益GR E=60.0dB, 接收饋線損耗LFRE=0.05dB。試

6、計(jì)算衛(wèi)星接收機(jī)輸入端的載波接收功率CS和地球站接收機(jī)輸入端的載波接收功率CE。 解解 若上行線路工作頻率為 6 GHz，下行線路工作頻率為 4 GHz，距離d=40 000km, 則利用式(13)可求得上行線路傳輸損耗LU為 LU = 200.04 dB第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 下行線路傳輸損耗LD為 LU = 196.52 dB 利用式(3.5)(忽略La、Lr和LFRS)求得衛(wèi)星接收機(jī)輸入端的載波接收功率CS為 CSEIRPE+GRS-LU =-84.74 dBW 地球站接收機(jī)輸入端的載波接收功率CE(忽略La和Lr)為 CE =EIRPS+GRE-LD-LFRE = -102

7、.37dBW 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.3 衛(wèi)星通信線路噪聲功率的計(jì)算衛(wèi)星通信線路噪聲功率的計(jì)算 地球站接收系統(tǒng)的噪聲主要來源于如下幾個(gè)方面(參閱1.7.3節(jié))： (1) 天線噪聲。 天線噪聲包括宇宙噪聲、 大氣噪聲、 降雨噪聲、太陽(yáng)噪聲、天電噪聲、天線損耗噪聲、天線罩噪聲以及天線從副瓣進(jìn)入的地面噪聲等等。 (2) 干擾噪聲。干擾噪聲主要來源于其它通信系統(tǒng)。 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 (3) 上行鏈路噪聲與轉(zhuǎn)發(fā)器互調(diào)噪聲。這些噪聲是伴隨信號(hào)一起從衛(wèi)星發(fā)送下來的， 包括發(fā)射地球站、上行鏈路、衛(wèi)星接收系統(tǒng)的熱噪聲，以及多載波工作時(shí)衛(wèi)星和發(fā)射地球站的非線性器件產(chǎn)生的互調(diào)噪

8、聲等。 (4) 無源器件(如饋線、 定向耦合器、 波導(dǎo)開關(guān))的噪聲。 (5) 接收機(jī)的內(nèi)部噪聲。 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 噪聲的大小可直接用噪聲功率來度量。眾所周知，對(duì)于具有熱噪聲性質(zhì)的噪聲，噪聲功率可表示為N=KTB (3.6)式中，K=1.3810-23J/K為波爾茲曼常數(shù)，B為等效噪聲帶寬， T為等效噪聲溫度。 若單邊功率譜密度用n0來表示，則n0 =KT， 因此噪聲的大小也可以用等效噪聲溫度T間接來表示。 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 為了便于計(jì)算，通常把上述噪聲都折算到地球站低噪聲接收機(jī)的輸入端，并分為三部分，即上行鏈路噪聲、轉(zhuǎn)發(fā)器互調(diào)噪聲和下行鏈路噪聲。因此，

9、整個(gè)系統(tǒng)的噪聲溫度可表示為 Tt=TU+TI+TD=(r+1)TD (3.7) 式中，TU為上行鏈路噪聲，TI為轉(zhuǎn)發(fā)器互調(diào)噪聲溫度，TD為下行鏈路噪聲溫度， r=(TU+TI)/TD。 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.4 衛(wèi)星通信線路載波功率與噪聲功率比衛(wèi)星通信線路載波功率與噪聲功率比 圖 3.1 單向空間鏈路一般示意圖 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 1. 上行線路載噪比與衛(wèi)星接收機(jī)性能指數(shù)上行線路載噪比與衛(wèi)星接收機(jī)性能指數(shù) 在計(jì)算上行線路載噪比時(shí)，地球站為發(fā)射系統(tǒng)，衛(wèi)星為接收系統(tǒng)。設(shè)地球站有效全向輻射功率為(EIRP)E，上行線路傳播損耗為L(zhǎng)U，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收天線增益為GR

10、S，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收系統(tǒng)饋線損耗為L(zhǎng)FRS，大氣損耗為L(zhǎng)a，則可求得衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收機(jī)輸入端的載噪比為 )lg(10EIRPaFRSRSUEUSSBkTLLGLNC式中, TS為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器輸入端等效噪聲溫度；BS為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收機(jī)帶寬。 (3.8) 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 如果將LFRS計(jì)入GRS之內(nèi)，則稱之為有效天線增益；將La計(jì)入LU之內(nèi)，則式(3.8)可寫成 )lg(10EIRPRSUEUSSBkTGLNC 由于載噪比C/N是帶寬B的函數(shù)，因此這種表示方法缺乏一般性，對(duì)不同帶寬的系統(tǒng)不便于比較。若將噪聲改用每赫帶寬的噪聲功率(即單邊噪聲功率譜密度n0)表示， 則 knCTCkT

11、CnC00(3.10) (3.11) (3.9) 或 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 即 )lg(10lg100kBTCBnCNC(3.12) 將式(3.12)代入式(3.9)可得 sRSUEUsRSUEU0EIRPlg10EIRPTGLTCTGkLnC(3.13) (3.14) 由式(3.9)、 式(3.13)和式(3.14)可以看出，GRS/TS值的大小直接關(guān)系到衛(wèi)星接收性能的好壞，故把它稱為衛(wèi)星接收機(jī)性能指數(shù)， 也稱為衛(wèi)星接收機(jī)的品質(zhì)因數(shù)，通常簡(jiǎn)寫為G/T。G/T值越大， C/N越大，接收性能越好。 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 為了說明上行線路C/TU值與轉(zhuǎn)發(fā)器輸入信號(hào)功

12、率的關(guān)系，引入了轉(zhuǎn)發(fā)器靈敏度的概念。當(dāng)使衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器達(dá)到最大飽和輸出時(shí)，其輸入端所需要的信號(hào)功率就是轉(zhuǎn)發(fā)器靈敏度， 通常用功率密度WS表示，即以單位面積上的有效全向輻射功率表示，有 2UES22ES2ESS4)EIRP(44)EIRP(4)EIRP(LddW或 2UESS4lg10)EIRP(LW(3.16) 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 以上是衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器只放大一個(gè)載波的情況。但是在頻分多址系統(tǒng)中，一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器要同時(shí)放大多個(gè)載波。為了抑制因互調(diào)干擾所引起的噪聲， 需要使總輸入信號(hào)功率從飽和點(diǎn)減少一定數(shù)值，如圖 3.2 所示。通常把行波管放大單個(gè)載波時(shí)的飽和輸出電平與放大多個(gè)載波時(shí)工作點(diǎn)的總

13、輸出電平之差稱為輸出功率退回或輸出補(bǔ)償；而把放大單個(gè)載波達(dá)到飽和輸出時(shí)的輸入電平與放大多個(gè)載波時(shí)工作點(diǎn)的總輸入電平之差稱為輸入功率退回或輸入補(bǔ)償。由于進(jìn)行輸入補(bǔ)償，因此由各地球站所發(fā)射的EIRP總和， 將比單波工作使轉(zhuǎn)發(fā)器飽和時(shí)地球站所發(fā)射的EIRP要小一個(gè)輸入補(bǔ)償值。 假設(shè)以EIRPES表示轉(zhuǎn)發(fā)器在單波工作時(shí)地球站的有效全向輻射功率，那么多波工作時(shí)地球站的有效全向輻射功率的總和應(yīng)為 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 輸入補(bǔ)償多波輸入單波輸入04輸出補(bǔ)償01.51.9多波輸入飽和電平單波輸入飽和電平總輸入功率相對(duì)電平 / dB總輸出功率相對(duì)電平 / dB圖 3.2 行波管輸入、輸出特性第3

14、章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 EIRPEM = EIRPES-I (3.17) 式中，BOI為輸入補(bǔ)償值。 將式(3.16)代入式(3.17)，得 2UISEM4lg10EIRPLBOW(3.18) 與之相應(yīng)的(C/T)U值用(C/T)UM表示，即 2SRSISRSUEMUM4lg10EIRPTGBOWTGLTCS(3.19) 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 2. 下行線路載噪比與地球站性能指數(shù)下行線路載噪比與地球站性能指數(shù) 這時(shí)，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器為發(fā)射系統(tǒng)，地球站為接收系統(tǒng)。與上行線路類似，可得其基本關(guān)系式為 )lg(10EIRPEEREDSDBkTGLNC(3.20) 式中，TE為地球

15、站接收機(jī)輸入端等效噪聲溫度；BE為地球站接收機(jī)的頻帶寬度；GRE為地球站接收天線有效天線增益。同樣， 可以寫成另外兩種表達(dá)形式，即 6 .228EIRPREDSD0ETGLnC(3.21)第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 EREDSDEIRPTGLTC(3.22) 式中，GRE/TE稱為地球站性能指數(shù)(品質(zhì)因數(shù))，常用GR/TD表示，其中TD為下行線路噪聲溫度， 它關(guān)系著地球站接收性能的好壞。因此，在國(guó)際衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，為了保證一定的通信質(zhì)量并能有效地利用衛(wèi)星功率，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地球站的性能指數(shù)有明確規(guī)定。 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 當(dāng)考慮到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器要同時(shí)放大多個(gè)載波時(shí)，為了減小互調(diào)

16、噪聲，行波管放大器進(jìn)行輸入補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，輸出功率也應(yīng)有一定補(bǔ)償值。 因此，多載波工作時(shí)的有效全向輻射功率為 EIRPSM = EIRPSS-BOO (3.23) 式中，EIRPSS為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器在單波飽和工作時(shí)的EIRP。 將式(3.23)代入式(3.22)，得 DRDODMEIRPTGLBOTCSS(3.24) 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 3. 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器載波功率與互調(diào)噪聲功率比衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器載波功率與互調(diào)噪聲功率比 當(dāng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器同時(shí)放大多個(gè)信號(hào)載波時(shí)，由于行波管的幅度非線性和相位非線性的作用，會(huì)產(chǎn)生一系列互調(diào)產(chǎn)物。其中， 落入信號(hào)頻帶內(nèi)的那部分就成為互調(diào)噪聲。 如果近似認(rèn)為互調(diào)噪聲是均勻

17、分布的話，可采用和熱噪聲類似的處理辦法，求得載波互調(diào)噪聲比，也可用C/NI、 C/n0I或C/TI來表示，且 BNCTClg106 .228II(3.25) 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 一般規(guī)律是，越遠(yuǎn)離行波管飽和點(diǎn)(即輸入補(bǔ)償越大)， C/TI越大；越接近飽和點(diǎn)(即輸入補(bǔ)償越小)， C/TI越小。 而C/TU和C/TD情況卻相反。例如，當(dāng)輸入補(bǔ)償越小時(shí)， EIRPS要增大，這時(shí)可使C/TD得到相應(yīng)的改善。 可是C/TI會(huì)因行波管非線性而降低，如圖 3.3 所示。 因此，為了使衛(wèi)星鏈路得到最佳的傳輸特性， 必須適當(dāng)選擇補(bǔ)償值。顯然， 選擇最佳工作點(diǎn)的問題， 在衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是個(gè)極

18、其重要的問題。 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 圖 3.3 C/T與BOI的關(guān)系 10020150140130C/TIC/TUC/TD工作點(diǎn)C/Tt衛(wèi)星線路總載噪比BOI / dBC/T / (dBW/K)第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 4. 衛(wèi)星通信線路的總載噪比衛(wèi)星通信線路的總載噪比 前面研究的上行和下行線路載噪比都是單程線路的載噪比。 所謂單程，就是指地球站到衛(wèi)星或衛(wèi)星到地球站。實(shí)際上，進(jìn)行衛(wèi)星通信是雙程的， 即由地球站衛(wèi)星地球站。因此， 接收地球站收到的總載噪比C/Nt與下行線路的載噪比C/ND是有區(qū)別的。 整個(gè)衛(wèi)星線路噪聲由上行線路噪聲、下行線路噪聲和互調(diào)噪聲三部分組成，

19、如圖 3.4 所示。 雖然這三部分噪聲到達(dá)接收站接收機(jī)輸入端時(shí)， 已混合在一起， 但因各部分噪聲之間彼此獨(dú)立， 所以計(jì)算噪聲功率時(shí)， 可以將三部分相加， 即 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 Nt = NU+NI+ND= k(TU+TI+TD)B = kTtB (3.26)Tt = TU+TI+TD )(DUITTTr(3.27)式中，NU、NI、ND和TU、TI、TD分別代表上行線路、轉(zhuǎn)發(fā)器、 下行線路的噪聲功率和噪聲溫度。于是可以寫出整個(gè)衛(wèi)星線路的總載噪比為 DRDStRDSt1)(EIRP)lg(10EIRPTrGBkLBkTGLNC(3.28)第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算

20、DRDSt) 1(EIRPTrGLTC(3.29)因此 DRDSt) 1(EIRPTrGLTC或 10/10/10/t101010lg10DIUTCTCTCTC(3.30)(3.31)第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 圖 3.4 衛(wèi)星通信線路的噪聲及C/T值理想轉(zhuǎn)發(fā)器B站A站衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器tUTTC1UTTCTDDUTTTCTC1tA站B站下行熱噪聲上行熱噪聲UT1T第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 5. 門限余量和降雨余量門限余量和降雨余量 在FM中存在門限效應(yīng)，即當(dāng)鑒頻器的輸入信噪比Si/Ni大于門限值(S/N)th時(shí)，其輸出信噪比會(huì)得到改善。反之，當(dāng)Si/Ni (S/N)th時(shí)，其輸

21、出信噪比會(huì)急劇惡化。對(duì)于不同的調(diào)制指數(shù)FM, 門限值大致在(S/N)th=811dB，且與調(diào)制信號(hào)類型幾乎無關(guān)。因此，通常取(S/N)th=10dB。為了更一般化起見，如果對(duì)通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量提出了一定的要求，則可以規(guī)定滿足該質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求所容許的最小S/N或C/T值稱為門限，設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)必須使C/T值大于C/Tth值。 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 但是，任何一條線路建立后， 其參數(shù)不可能始終不變。而且會(huì)經(jīng)常受到氣象條件、轉(zhuǎn)發(fā)器和地球站設(shè)備某些不穩(wěn)定因素及天線指向誤差等方面的影響。 為了在這些因素變化后仍能使質(zhì)量滿足要求，它必須留有一定的余量(儲(chǔ)備量)， 這個(gè)余量叫“門限余量”。 在氣象

22、條件變化中，特別是雨雪引起的線路質(zhì)量下降，在線路設(shè)計(jì)時(shí)必須留有一定的余量，以保證降雨時(shí)仍能滿足對(duì)線路質(zhì)量的要求， 這個(gè)余量叫“降雨余量”。 降雨主要對(duì)下行線路影響顯著。 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 已知不降雨時(shí) Tt = TU+TI+TD =(1+r) TD)(DUITTTr此時(shí)有 D)1 (TrCTCt(3.32) 用分貝表示，有 )1lg(10DrTCTC(3.33) 假設(shè)由于降雨影響，使下行線路噪聲增加到原有噪聲的m倍， 地球站接收系統(tǒng)(C/T)值正好降到門限值， 則 Tt = TU+TI+mTD =(1+r) TD(3.34) 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 Dth)(

23、TmrCTC(3.35) 用分貝表示，有 rmrrTCmrTCTC1lg10)1lg(10)lg(10DDth(3.36) 式(3.36)說明，降雨影響使總噪聲比不降雨時(shí)降低 。 因此，為了保證通信可靠、質(zhì)量符合要求，設(shè)計(jì)通信線路時(shí)， 應(yīng)留有門限余量E： dB1lg10rmrth1lg10TCTCrmrE(3.37) 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 E代表正常氣候條件下C/T超過門限值的分貝數(shù)，m為降雨余量。 用分貝表示時(shí)，寫為M = 10 lg m dB在衛(wèi)星通信中，一般取 M=46 dB。 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.5 數(shù)字衛(wèi)星通信線路設(shè)計(jì)數(shù)字衛(wèi)星通信線路設(shè)計(jì) 3.5

24、.1 SCPC系統(tǒng)線路的計(jì)算系統(tǒng)線路的計(jì)算 1 . 線路計(jì)算的一般公式線路計(jì)算的一般公式 所謂SCPC系統(tǒng)的通信容量，是指每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器所能提供的信道數(shù)。它是衛(wèi)星通信系統(tǒng)工程的一個(gè)重要問題。 對(duì)每一條具體的衛(wèi)星通信線路來說，它所能提供的容量取決于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的體制和參數(shù)，例如，對(duì)通信質(zhì)量的要求，工作頻段，衛(wèi)星功率和天線尺寸，地球站設(shè)備的性能， 傳播的環(huán)境條件，調(diào)制制度， 多址方式等。第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 對(duì)于給定的SCPC衛(wèi)星通信系統(tǒng)，從轉(zhuǎn)發(fā)器功率分配的角度出發(fā)，其通信容量可用下式估算： 1)/()/(ttMTCTCn (3.38) 式中，(C/T)t1是按照Pe或S/N所要求的一

25、個(gè)載波功率與線路總噪聲溫度之比；(C/T)tM則是在同一接收點(diǎn)將系統(tǒng)內(nèi)所有載波功率相加而得到的總載波功率與同一線路總噪聲溫度之比。為區(qū)分這兩個(gè)(C/T)t中的載波功率C，在腳標(biāo)中增加“1”和“M”來加以注明， 多載波工作時(shí)， (C/T)tM是由下式?jīng)Q定的： IMUMDMtM)/(1)/(1)/(11TCTCTCTC(3.39) 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 式中， (C/T)DM、(C/T)UM、 (C/T)IM分別為下行、上行總載波功率對(duì)噪聲溫度比和總載波功率對(duì)互調(diào)等效噪聲溫度比(這里沒有考慮鄰道干擾等其它干擾)。 其中， (C/T)DM用分貝表示為 DDRSMDMEIRPLTGTC

26、(3.40) 式中，EIRPSM=EIRPSS-BOO。若(C/T)UM用分貝表示， 則有 SRSI2SUM4lg10TGBOWTC(3.41) 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 關(guān)于SCPC系統(tǒng)的C/TI1(一個(gè)載波功率與互調(diào)噪聲溫度之比)，CCIR固定業(yè)務(wù)衛(wèi)星手冊(cè)(1985)對(duì)于典型的TWTA給出如下公式： BOO = 0.82(BOI-4.5) dB (3.42) KBOnTC/dBW 2lg10150O1I(3.43) 式中，n為有效的載波數(shù)目，所以 OI2150BOTC(3.44) 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 再看(C/T)t1, 在數(shù)字制情況下有 eth0IEkRnE

27、TCbb(3.45) 式中，Eb/n0th為比特能量噪聲密度比門限值；Rb為比特速率； k為波耳茲曼常數(shù)；Ee是設(shè)備的備余量；在模擬制(FM)情況下有 2 .153lg20CHt1rWfNSTC第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 傳輸一路SCPC所占用的衛(wèi)星功率和地球站的功率分別為 EIRPS1 = EIRPSM-n (3.47) EIRPSRSUUM1EnTGLTC(3.48) 應(yīng)指出，在上述關(guān)于n、EIRPS1、EIRPE1的公式中， 實(shí)際應(yīng)用時(shí)， 都應(yīng)留下適當(dāng)?shù)挠嗔俊?第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 2. PCM/PSK/SCPC線路的計(jì)算線路的計(jì)算 【例3.2】 假定衛(wèi)星與地球

28、站的主要參數(shù)有：上行頻率為 6 GHz, 下行頻率為4 GHz；衛(wèi)星行波管單載波飽和輸出功率為 10 W；衛(wèi)星天線增益GS收、發(fā)均為 26dB(含饋線損耗)； GR/TD為-4.5dB/K；衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器匹配條件下的功率增益GPS為 105dB；轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬為 36MHz；地球站G/TE為 23 dB/K。系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)給定為：誤比特率Pe為10-4；信道調(diào)制方式為QPSK；信道帶寬為 38 kHz；數(shù)據(jù)速率Rb為 64 kb/s。要求估算系統(tǒng)的通信容量及每載波需用衛(wèi)星與地球站的EIRP。 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 解解 (1) C/TtM的計(jì)算。根據(jù)式(3.40)知 DRDOSSDDRS

29、MDMEIRPEIRPTGLBOLTGTC一般地，選取若干個(gè)BOI值來進(jìn)行計(jì)算，最后以C/TDM最大的BOI做為工作點(diǎn)。為避免繁瑣，這里僅代入一個(gè)BOI值進(jìn)行計(jì)算。取BOI =7.5dB, 由式(3.42)得到， BOO=2.5dB, 而LD=197dB，則有 dBW/K5 .140231975 . 22610EIRPDRDOSSSDMTGLBOGTC第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 根據(jù)式(3.41)，則有 dBW/K1335 . 45 . 710526104lg10DRSI2SUMTGBOWTC由式(3.43)并考慮信道濾波器對(duì)互調(diào)噪聲有約 0.6dB的改善，可得 dBW/K4 .14

30、46 . 05 . 22150IMTC將以上求得的 IMTCDMTCUMTC、 、 化為真值，代入式(3.39) 得 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 W/K1045. 21010101)/(1)/(1)/(111544.143 .1305.14IMUMDMtMTCTCTCTC化為分貝值， 則有 dBW/K1 .146tMTC第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 (2) 的計(jì)算。取Ee=2.6 dB, Eb/n0th=8.4dB(Pe=10-4), 而Rb=64kb/s, 故有Rb=10lg64103 = 48.1 dB, 由式(3.45)可得 t1TCdBW/K5 .1696 . 21

31、.486 .2284 . 8kbt10bt1eERnETC應(yīng)指出，這是一個(gè)功率受限系統(tǒng)， 帶寬是寬裕的， 因而載波間隔較大， 鄰道干擾可以忽略， 故上述計(jì)算對(duì)此未考慮。 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 (3) 通信容量的計(jì)算。在實(shí)際計(jì)算中，考慮到降雨的影響， 要留有一定的門限余量E； 此外，由于使用了話音激活， 在功率方面，可有a分貝的好處，故轉(zhuǎn)發(fā)器通信容量用分貝表示時(shí)，由式(3.38)得 t1tMaETCTCn(3.49) 式中，取a為4 dB，E為4dB，故有 n = -146.1+169.5-4+4 = 23.4 dB (即218)若按 36 MHz帶寬計(jì)算，當(dāng)信道間隔為 45kH

32、z時(shí)，有 8001045103636n第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 (4) 每信道所需的衛(wèi)星及地球站的EIRP。在求每信道所需的EIRPS1時(shí)，考慮功率分配給同時(shí)工作的話路的載波， 故有 EIRPS1 =EIRPSM-(n-a) =EIRPSS-BOO-n+a =36-2.5-23.4+4 = 14.1dBW 又每信道所需的地球站EIRPE1為 EIRPE1 = EIRPEM-n+a+ET 式中，ET為發(fā)射功率備余量，取 ET=3dB。又因?yàn)?SRSEMTGLTCEIRPUUM第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 在 6GHz時(shí)，自由空間損耗為 200dB, 考慮到極化誤差損耗， 天線

33、指向損耗和大氣損耗，共約 1.4dB, 即 LU = 200+1.4 = 201.4 dB 故有 dBW5 .56344 .23)5 . 4(4 .201133EIRPTSRSUUM1EEanTGLTC第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 【例3.3】 已知工作頻率為 6/4 GHz, 利用IS-號(hào)衛(wèi)星， EIRPSS=22.5 dBW, WS=-68.5 dBW/m2，較標(biāo)稱值-67dBW/m2 低 1.5 dB。選取BOI=11 dB, BOO=4.9dB, 衛(wèi)星G/TS=-17.6 dB/K。地球站品質(zhì)因數(shù)G/TE=40.7 dB/K。上行鏈路損耗LU=200.6dB，下行鏈路損耗LD=

34、196.7 dB， 對(duì)于大容量系統(tǒng)， 話音激活因子為 0.4，對(duì)于 800 個(gè)單向通路的網(wǎng)絡(luò)， 同時(shí)通話路數(shù) n=0.4800=320 路。 試計(jì)算IS-號(hào)衛(wèi)星PCM-PSK-SCPC數(shù)字線路的主要通信參數(shù)。 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 解解 (1) 確定上行鏈路載噪比。 設(shè)轉(zhuǎn)發(fā)器功率均分給每個(gè)載波， 故每路上行鏈路的C/TU 值為參閱式(3.19) dBW/K1 .15925376 .17115 .68lg104lg102SISUnTGBOWTC (2) 確定下行鏈路載噪比。根據(jù)式(3.24)，考慮到每路功率均分，故每路下行鏈路C/TD值為 dBW/K4 .163257 .1969

35、 . 45 .22lg10EIRPEDOSSDnTGLBOTC第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 (3) 確定載波功率對(duì)互調(diào)及鄰道干擾比。對(duì)于IS-號(hào)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，實(shí)測(cè)輸出補(bǔ)償及載波互調(diào)干擾比與輸入補(bǔ)償?shù)年P(guān)系如圖 3.5 所示。這是對(duì) 800 個(gè)間隔為 45kHz的通路而言的。實(shí)際上， 由于存在話音激活， 經(jīng)常同時(shí)工作的不過 320 路，這樣有A=10 lg(800/320)=3.5 dB的好處。由于有些互調(diào)分量落到帶外，還存在F=0.6 dB的好處。實(shí)際信道的等效噪聲帶寬為 38 kHz，故實(shí)際載波功率與互調(diào)噪聲溫度比為 dBW/K9 .1626 .2288 .456 . 05 . 38 .

36、15CCIkBFANCTC第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 此外，SCPC系統(tǒng)還存在鄰道干擾， 它的設(shè)計(jì)指標(biāo)是載波功率與鄰道干擾功率比C/NA不超過 26 dB, 于是 dBW/K8 .1566 .2288 .4526AAkBNCTC第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 圖 3.5 IS-衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器輸出補(bǔ)償及載波互調(diào)干擾比與輸入補(bǔ)償?shù)年P(guān)系2018161412108614 12 108642086420C/TCCBOO單載波多載波BOI / dBC/NCC / dB第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 (4) 確定總載噪比。根據(jù)式(3.30)，有 1A111D1U1tTCTCTCTCTC于是

37、得 dBW/K34.167tTC第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 (5) 確定滿足傳輸速率要求和誤碼率要求所需的C/Tth值。PCM-SCPC系統(tǒng)的傳輸速率為Rb=64 kb/s, 當(dāng)要求Pe10-4時(shí)，對(duì)于BPSK或QPSK，Eb/n08.4 dB，設(shè)取Eb/n0=10.7 dB, 則 dBW/K8 .169)1064lg(106 .2287 .10lg10lg103b0tRknETCb第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 (6) 門限余量 dB4 . 28 .16934.167thtTCTCE此E值合適。 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 (7) 確定地球站每路應(yīng)發(fā)的有效全向輻射功

38、率。 dBW4 .6225376 .200115 .65lg104lg10EIRP2UIEnLBOWS此處的WS較標(biāo)稱值-67dB高1.5 dB，為的是考慮最壞情況。 從以上實(shí)例，可以推算到其它派生體制的性能。 如M-SCPC系統(tǒng)，只要將相應(yīng)的等效噪聲帶寬和誤碼率要求加以改變即可。 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 3. DM/PSK/SCPC線路的計(jì)算線路的計(jì)算 【例 3.4】 假定衛(wèi)星和地球站參數(shù)與例 3.3(PCM/PSK/SCPC)相同。系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)為：誤比特率Pe=10-3(門限值)，信道調(diào)制方式為QPSK; 信道帶寬為 19.2kHz(即 42.8 dB)；數(shù)據(jù)速率為 32 k

39、b/s (即 45.05dB)。當(dāng)Pe=10-3時(shí)，QPSK的Eb/n0為 6.8 dB。 要求估算系統(tǒng)的通信容量。 解解 依照例 3.2，可求得 dBW/K15.174t1TC第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 當(dāng)不考慮鄰道干擾影響，利用上例所求得的BOO=2.5 dB時(shí)，有 dBW/K1 .146tMTC最后求得 n = 28.05dB (即 638) 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.5.2 PSK數(shù)字衛(wèi)星通信線路的設(shè)計(jì)數(shù)字衛(wèi)星通信線路的設(shè)計(jì) 1. 數(shù)字衛(wèi)星通信線路標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)數(shù)字衛(wèi)星通信線路標(biāo)準(zhǔn)參數(shù) 誤碼率 Pe=10-4 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 2. 主要通信參數(shù)

40、的確定主要通信參數(shù)的確定 (1) 歸一化信噪比Eb/n0。接收數(shù)字信號(hào)時(shí)，載波接收功率與噪聲功率之比C/N可以寫成 BnRMEBnREBnRENCbsb000t)b1(3.50) 式中，Eb為每單位比特信息能量；Es為每個(gè)數(shù)字波形能量，對(duì)于M進(jìn)制，則Es=Eb lbM; R為碼元傳輸速率(波特速率)；R為比特傳輸速率，且R=RlbM; B為接收系統(tǒng)等效帶寬；n0為單位頻帶噪聲功率(單邊噪聲功率譜密度)。 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 (2) 誤碼率與歸一化信噪比的關(guān)系(對(duì)于2PSK或QPSK): 0eerf121nEPb(3.51) 當(dāng)Pe=10-4時(shí)，得歸一化理想門限信噪比為 dB4

41、 . 8th0nEb(3.52) 當(dāng)取理想帶寬(B=R)時(shí)，則由式(3.50)可求得2PSK時(shí)理想門限載波接收功率與噪聲功率比C/Nth2為 dB4 . 8lg10th0bth2BRnENC第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 而QPSK時(shí)，C/Nth4為 dB4 .11)4b1 (lg10th0bth4BRnENC第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 (3) 門限余量。當(dāng)僅考慮熱噪聲影響時(shí)，為保證誤碼率Pe=10-4，必需的理想門限歸一化信噪比為 8.4 dB，則門限余量E可由下式確定: dB4 . 80th00thtnEnEnENCNCEbbb(3.53) 門限余量是為了考慮TDMA地球站

42、接收系統(tǒng)和衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器等設(shè)備特性不完善所引起的惡化而采取的保證措施。 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 (4) 接收系統(tǒng)最佳頻帶寬度B的確定。接收系統(tǒng)的頻帶特性是根據(jù)誤碼率最小的原則確定的。根據(jù)奈奎斯特速率準(zhǔn)則，在頻帶寬度為B的理想信道中，無碼間串?dāng)_時(shí)，碼字的極限傳輸速率為 2B波特。由于PSK信號(hào)具有對(duì)稱的兩個(gè)邊帶，其頻帶寬度為基帶信號(hào)頻帶寬度的 2 倍, 因此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)PSK信號(hào)的理想解調(diào)，系統(tǒng)理想帶寬應(yīng)等于波形傳輸速率(波特速率)R。但從減小碼間干擾的角度考慮，一般要求選取較大的頻帶寬度。因此， 取最佳帶寬為 MRRBb1)25. 105. 1 ()25. 105. 1 (3.54)

43、 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 (5) 地球站接收系統(tǒng)載波接收功率與系統(tǒng)總噪聲溫度比(C/T)t的確定。將式(3.50)中(C/N)t用(C/T)t表示， 則可寫成 kRnEkBNCTCbtt0(3.55) 用分貝表示 KdBWRknETCb/lg10lg100t(3.56) 當(dāng)采用TDMA方式時(shí)，接收系統(tǒng)總噪聲為上行線路熱噪聲和下行線路熱噪聲之和。當(dāng)采用FDMA方式時(shí)，則接收系統(tǒng)總噪聲為上行線路熱噪聲、下行線路熱噪聲和衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器互調(diào)噪聲之和。下行線路本身的(C/T)D可由式(3.22)決定，即第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 KdBWTGLTGLTCR/EIRPEIRPDDSDD

44、SD(3.57) 因?yàn)橛墒?3.29)可得 DDSt)1lg(10EIRPTGrLTCR(3.58) 所以比較式(3.57)和式(3.58)， 可得 )1 (lg10tDrTCTC(3.59) 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 )1lg(10lg10lg100DrRknETCb將式(3.56)代入式(3.59)得 (3.60) 式中，r為決定噪聲分配的量。采用FDMA時(shí)，有 DIUNNNr采用TDMA時(shí)，有 DUNNr 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 將式(3.53)代入式(3.60)得 dBW/K2 .220)1lg(10lg10)1lg(10lg10lg104 . 8DrRErRkETC第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 (6) 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器有效全向輻射功率的確定。根據(jù)式(3.22)可求得 DRTGLTCEIRPDDS(3.62) 將式(3.61)代入式(3.62)，求得衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器必需的有效全向輻射功率為 dBW2 .220)1lg(10lg10E