衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計與計算

1、第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計與計算 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計與計算 3.1 概述概述 3.2 衛(wèi)星通信線路載波功率的計算衛(wèi)星通信線路載波功率的計算 3.3 衛(wèi)星通信線路噪聲功率的計算衛(wèi)星通信線路噪聲功率的計算 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)計數(shù)字衛(wèi)星通信線路設(shè)計 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計與計算 3.1 概概 述述 設(shè)計一條衛(wèi)星通信鏈路的主要目的是：盡量有效地在地球上兩個通信點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)出的信號到達接收站時，必須具有足夠高的電平，而且不管對通信質(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，國際上對各種不同系統(tǒng)均已制訂出了各自相應(yīng)的建議值，而且這些規(guī)定有時會有所修訂，所以在設(shè)計衛(wèi)星通信系統(tǒng)時要查閱有關(guān)的最新文本。 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計與計算 眾所周知，一條鏈路質(zhì)量的優(yōu)劣，對于模擬信號傳輸是以解調(diào)后的信噪比S/N來表示的，而對數(shù)字信號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)備的實際性能(解調(diào)器和濾波器等)。因此，實際上C/

3、T值的計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)計與計算 3.2 衛(wèi)星通信線路載波功率的計算衛(wèi)星通信線路載波功率的計算 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方向上輻射。設(shè)天線開口面積為A，天線效率為, 波長為， 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)計與計算 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)射機末級功放輸出功率為Po, 饋線損耗為LFT(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，方括號表示取其dB值。 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計與計算 3. 載波接收功率載波接收功率 衛(wèi)星或地球站接收機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LFRdB，大氣損耗為LadB，自由空間損耗為LPdB, 其它損耗為Lr dB, 則接收機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)計與計算 【例 3.1】已知IS-號衛(wèi)星作點波束 1872 路運用時， 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、計算衛(wèi)星接收機輸入端的載波接收功率CS和地球站接收機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)計與計算 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)星接收機輸入端的載波接收功率CS為 CSEIRPE+GRS-LU =-84.74 dBW 地球站接收機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)計與計算 3.3 衛(wèi)星通信線路噪聲功率的計算衛(wèi)星通信線路噪聲功率的計算 地球站接收系統(tǒng)的噪聲主要來源于如下幾個方面(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)計與計算 (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、 波導開關(guān))的噪聲。 (5) 接收機的內(nèi)部噪聲。 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計與計算 噪聲的大小可直接用噪聲功率來度量。眾所周知，對于具有熱噪聲性質(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)計與計算 為了便于計算，通常把上述噪聲都折算到地球站低噪聲接收機的輸入端，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)計與計算 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)計與計算 1. 上行線路載噪比與衛(wèi)星接收機性能指數(shù)上行線路載噪比與衛(wèi)星接收機性能指數(shù) 在計算上行線路載噪比時，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LU，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LFRS，大氣損耗為La，則可求得衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收機輸入端的載噪比為 )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)器接收機帶寬。 (3.8) 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計與計算 如果將LFRS計入GRS之內(nèi)，則稱之為有效天線增益；將La計入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)計與計算 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)星接收機性能指數(shù)， 也稱為衛(wèi)星接收機的品質(zhì)因數(shù)，通常簡寫為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)計與計算 為了說明上行線路C/TU值與轉(zhuǎn)發(fā)器輸入信號功

12、率的關(guān)系，引入了轉(zhuǎn)發(fā)器靈敏度的概念。當使衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器達到最大飽和輸出時，其輸入端所需要的信號功率就是轉(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)計與計算 以上是衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器只放大一個載波的情況。但是在頻分多址系統(tǒng)中，一個轉(zhuǎn)發(fā)器要同時放大多個載波。為了抑制因互調(diào)干擾所引起的噪聲， 需要使總輸入信號功率從飽和點減少一定數(shù)值，如圖 3.2 所示。通常把行波管放大單個載波時的飽和輸出電平與放大多個載波時工作點的總

13、輸出電平之差稱為輸出功率退回或輸出補償；而把放大單個載波達到飽和輸出時的輸入電平與放大多個載波時工作點的總輸入電平之差稱為輸入功率退回或輸入補償。由于進行輸入補償，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)器飽和時地球站所發(fā)射的EIRP要小一個輸入補償值。 假設(shè)以EIRPES表示轉(zhuǎn)發(fā)器在單波工作時地球站的有效全向輻射功率，那么多波工作時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)計與計算 輸入補償多波輸入單波輸入04輸出補償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電平 / dB總輸出功率相對電平 / 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)計與計算 EIRPEM = EIRPES-I (3.17) 式中，BOI為輸入補償值。 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)計與計算 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，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、站接收機輸入端等效噪聲溫度；BE為地球站接收機的頻帶寬度；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形式，即 6 .228EIRPREDSD0ETGLnC(3.21)第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計與計算 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，對標準地球站的性能指數(shù)有明確規(guī)定。 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計與計算 當考慮到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器要同時放大多個載波時，為了減小互調(diào)

16、噪聲，行波管放大器進行輸入補償?shù)耐瑫r，輸出功率也應(yīng)有一定補償值。 因此，多載波工作時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)計與計算 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 當衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器同時放大多個信號載波時，由于行波管的幅度非線性和相位非線性的作用，會產(chǎn)生一系列互調(diào)產(chǎn)物。其中， 落入信號頻帶內(nèi)的那部分就成為互調(diào)噪聲。 如果近似認為互調(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)計與計算 一般規(guī)律是，越遠離行波管飽和點(即輸入補償越大)， C/TI越大；越接近飽和點(即輸入補償越小)， C/TI越小。 而C/TU和C/TD情況卻相反。例如，當輸入補償越小時， EIRPS要增大，這時可使C/TD得到相應(yīng)的改善。 可是C/TI會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， 必須適當選擇補償值。顯然， 選擇最佳工作點的問題， 在衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計中是個極

18、其重要的問題。 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計與計算 圖 3.3 C/T與BOI的關(guān)系 10020150140130C/TIC/TUC/TD工作點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)計與計算 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。實際上，進行衛(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接收站接收機輸入端時， 已混合在一起， 但因各部分噪聲之間彼此獨立， 所以計算噪聲功率時， 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)計與計算 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)計與計算

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)計與計算 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)計與計算 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)，即當鑒頻器的輸入信噪比Si/Ni大于門限值(S/N)th時，其輸出信噪比會得到改善。反之，當Si/Ni (S/N)th時，其輸

21、出信噪比會急劇惡化。對于不同的調(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)量標準要求所容許的最小S/N或C/T值稱為門限，設(shè)計系統(tǒng)時必須使C/T值大于C/Tth值。 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計與計算 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(儲備量)， 這個余量叫“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)計時必須留有一定的余量，以保證降雨時仍能滿足對線路質(zhì)量的要求， 這個余量叫“降雨余量”。 降雨主要對下行線路影響顯著。 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計與計算 已知不降雨時 Tt = TU+TI+TD =(1+r) TD)(DUITTTr此時有 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)計與計算 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降低 。 因此，為了保證通信可靠、質(zhì)量符合要求，設(shè)計通信線路時， 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)計與計算 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，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)計與計算 3.5 數(shù)字衛(wèi)星通信線路設(shè)計數(shù)字衛(wèi)星通信線路設(shè)計 3.5

24、.1 SCPC系統(tǒng)線路的計算系統(tǒng)線路的計算 1 . 線路計算的一般公式線路計算的一般公式 所謂SCPC系統(tǒng)的通信容量，是指每個轉(zhuǎn)發(fā)器所能提供的信道數(shù)。它是衛(wèi)星通信系統(tǒng)工程的一個重要問題。 對每一條具體的衛(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)計與計算 對于給定的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(C/T)t中的載波功率C，在腳標中增加“1”和“M”來加以注明， 多載波工作時， (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)計與計算 式中， (C/T)DM、(C/T)UM、 (C/T)IM分別為下行、上行總載波功率對噪聲溫度比和總載波功率對互調(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)計與計算 關(guān)于SCPC系統(tǒng)的C/TI1(一個載波功率與互調(diào)噪聲溫度之比)，CCIR固定業(yè)務(wù)衛(wèi)星手冊(1985)對于典型的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)計與計算 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)計與計算 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， 實際應(yīng)用時， 都應(yīng)留下適當?shù)挠嗔俊?第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計與計算 2. PCM/PSK/SCPC線路的計算線路的計算 【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)計指標給定為：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)計與計算 解解 (1) C/TtM的計算。根據(jù)式(3.40)知 DRDOSSDDRS

29、MDMEIRPEIRPTGLBOLTGTC一般地，選取若干個BOI值來進行計算，最后以C/TDM最大的BOI做為工作點。為避免繁瑣，這里僅代入一個BOI值進行計算。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)計與計算 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)計與計算 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)計與計算 (2) 的計算。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， 故上述計算對此未考慮。 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計與計算 (3) 通信容量的計算。在實際計算中，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，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帶寬計算，當信道間隔為 45kH

32、z時，有 8001045103636n第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計與計算 (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，考慮功率分配給同時工作的話路的載波， 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。又因為 SRSEMTGLTCEIRPUUM第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計與計算 在 6GHz時，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)計與計算 【例3.3】 已知工作頻率為 6/4 GHz, 利用IS-號衛(wèi)星， EIRPSS=22.5 dBW, WS=-68.5 dBW/m2，較標稱值-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， 對于大容量系統(tǒng)， 話音激活因子為 0.4，對于 800 個單向通路的網(wǎng)絡(luò)， 同時通話路數(shù) n=0.4800=320 路。 試計算IS-號衛(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)計與計算 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)計與計算 (3) 確定載波功率對互調(diào)及鄰道干擾比。對于IS-號衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，實測輸出補償及載波互調(diào)干擾比與輸入補償?shù)年P(guān)系如圖 3.5 所示。這是對 800 個間隔為 45kHz的通路而言的。實際上， 由于存在話音激活， 經(jīng)常同時工作的不過 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。實際信道的等效噪聲帶寬為 38 kHz，故實際載波功率與互調(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)計與計算 此外，SCPC系統(tǒng)還存在鄰道干擾， 它的設(shè)計指標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)計與計算 圖 3.5 IS-衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器輸出補償及載波互調(diào)干擾比與輸入補償?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)計與計算 (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)計與計算 (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, 當要求Pe10-4時，對于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)計與計算 (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)計與計算 (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較標稱值-67dB高1.5 dB，為的是考慮最壞情況。 從以上實例，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)計與計算 3. DM/PSK/SCPC線路的計算線路的計算 【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)計指標為：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Pe=10-3時，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)計與計算 當不考慮鄰道干擾影響，利用上例所求得的BOO=2.5 dB時，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)計與計算 3.5.2 PSK數(shù)字衛(wèi)星通信線路的設(shè)計數(shù)字衛(wèi)星通信線路的設(shè)計 1. 數(shù)字衛(wèi)星通信線路標準參數(shù)數(shù)字衛(wèi)星通信線路標準參數(shù) 誤碼率 Pe=10-4 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計與計算 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)字信號時，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為每個數(shù)字波形能量，對于M進制，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)計與計算 (2) 誤碼率與歸一化信噪比的關(guān)系(對于2PSK或QPSK): 0eerf121nEPb(3.51) 當Pe=10-4時，得歸一化理想門限信噪比為 dB4

41、 . 8th0nEb(3.52) 當取理想帶寬(B=R)時，則由式(3.50)可求得2PSK時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)計與計算 而QPSK時，C/Nth4為 dB4 .11)4b1 (lg10th0bth4BRnENC第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計與計算 (3) 門限余量。當僅考慮熱噪聲影響時，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)計與計算 (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)奈奎斯特速率準則，在頻帶寬度為B的理想信道中，無碼間串擾時，碼字的極限傳輸速率為 2B波特。由于PSK信號具有對稱的兩個邊帶，其頻帶寬度為基帶信號頻帶寬度的 2 倍, 因此，為了實現(xiàn)對PSK信號的理想解調(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)計與計算 (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) 當采用TDMA方式時，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。當采用FDMA方式時，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)計與計算 KdBWTGLTGLTCR/EIRPEIRPDDSDD

44、SD(3.57) 因為由式(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)計與計算 )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，有 DIUNNNr采用TDMA時，有 DUNNr 第3章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計與計算 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)計與計算 (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