第三章衛(wèi)星鏈路設(shè)計

第三章衛(wèi)星鏈路設(shè)計第一頁，共41頁。2傳輸方程基本衛(wèi)星鏈路分析衛(wèi)星鏈路干擾分析下行鏈路設(shè)計上行鏈路設(shè)計結(jié)合衛(wèi)星鏈路中的C/N和C/I進(jìn)行的鏈路設(shè)計主要內(nèi)容第二頁，共41頁。為什么要進(jìn)行衛(wèi)星鏈路設(shè)計？衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)一般由多個地球站通過一個或多個衛(wèi)星組成。用于互聯(lián)的無線電鏈路要求：使得傳遞到目的地的信息必須具有允許的保真度。3.1概述傳遞信息的質(zhì)量、數(shù)量和實際限制，如經(jīng)濟(jì)和技術(shù)狀態(tài)之間，要經(jīng)過多次綜合平衡。如要求以很高質(zhì)量傳遞大量信息，可能會出現(xiàn)無法接受的高價格。鏈路設(shè)計需要考慮：工作頻率、傳播效應(yīng)、可以接受的衛(wèi)星/地面終端的復(fù)雜性（影響到價格）、噪聲影響、規(guī)章要求等。3第三頁，共41頁。4衛(wèi)星鏈路的組成？圖3-1繪出與鏈路設(shè)計有影響的、網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分，由信號的始發(fā)站到終點站，從無線電鏈路設(shè)計的目標(biāo)來看，可以劃分為三部分：地球站-衛(wèi)星鏈路(或上行鏈路)衛(wèi)星衛(wèi)星-地球站(或下行鏈路)

3.1概述圖3-1完整衛(wèi)星鏈路鏈路中各部分都有它本身的特性。例如，當(dāng)終點地球站是移動終端時，接收天線很小，導(dǎo)致接收載波電平很低。因此，在這種應(yīng)用中，移動終端-衛(wèi)星的鏈路設(shè)計是關(guān)鍵部位。系統(tǒng)設(shè)計人員要考慮鏈路各部件的特性，使得鏈路總體性能最佳。第四頁，共41頁。5影響衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計的因素天線是限制通信系統(tǒng)容量和性能的一個重要因素天線影響衛(wèi)星的總尺寸總尺寸受運載工具的制約(天線孔徑最大不超過3.5m)衛(wèi)星重量的限制——衛(wèi)星越重，成本越高

其質(zhì)量由兩個因素決定：轉(zhuǎn)發(fā)器的數(shù)量和輸出功率：電能電池

燃料（用于站點保持的能量）：占總重量的1/2

3.1概述第五頁，共41頁。影響衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計的因素頻段的選擇標(biāo)稱頻率6/4GHz,14/11GHz,30/20GHz，另：見衛(wèi)星常用頻段表當(dāng)前6/4GHz和14/11GHz的GEO衛(wèi)星間隔是2°，也是GEO衛(wèi)星避免地面站上行鏈路干擾的最小間隔，因而，新設(shè)計的衛(wèi)星只能采用30/20GHz頻段。大氣傳播：降雨產(chǎn)生的衰減同頻率有關(guān)。

降雨衰減一般隨頻率的平方增加，當(dāng)工作頻率大于10GHz時，雨衰非常明顯多址技術(shù)、調(diào)制、編碼的選擇3.1概述6第六頁，共41頁。鏈路設(shè)計指標(biāo)：衛(wèi)星鏈路：上行鏈路、下行鏈路性能指標(biāo)：數(shù)字鏈路：BER(比特誤碼率)模擬鏈路：S/N（信噪比）

BER或S/N是由接收機(jī)解調(diào)器輸入端C/N決定的一般要求C/N>6dB若C/N小于10dB，有必要糾錯編碼，模擬鏈路則需要寬帶調(diào)制（如FM）C/N估算3.1概述7第七頁，共41頁。LEO（低地球軌道）與MEO（中地球軌道）衛(wèi)星系統(tǒng)的制約因素制約因素與GEO（靜止軌道）衛(wèi)星系統(tǒng)相似需要更多的衛(wèi)星覆蓋服務(wù)區(qū)地面終端采用低增益全向天線

所以LEO、MEO衛(wèi)星可能會采用多波束天線移動衛(wèi)星鏈路設(shè)計移動終端采用低增益天線，并且天線的RF頻率盡可能低（衛(wèi)星與主要地面站之間的通信鏈路一般是固定鏈路）。3.1概述8第八頁，共41頁。

3.1概述9第九頁，共41頁。綜上所述，衛(wèi)星鏈路設(shè)計需要考慮上、下行鏈路所要達(dá)到的性能指標(biāo)C/N，噪聲由接收機(jī)輸入端收到的RF噪聲與接收機(jī)自身產(chǎn)生的噪聲而合成地面站總C/N同上、下鏈路都有關(guān)系內(nèi)容具體包括：電波傳播特性（基本傳輸理論）各地面站所采用頻段上的降雨衰減情況衛(wèi)星和地面站的特性參數(shù)（噪聲溫度、G/T等）多址方式3.1概述10第十頁，共41頁。3.2基本傳輸理論傳輸方程傳輸方程是設(shè)計無線電鏈路的基礎(chǔ)。這個方程描述發(fā)送地球站發(fā)送的射頻功率，與接收地球站收到的射頻信號功率、傳輸頻率、和發(fā)射機(jī)到接收機(jī)之間距離的關(guān)系。11第十一頁，共41頁。12若采用有效孔徑面積為Aem2的天線，實際天線的接收功率為:3.2基本傳輸理論（1）通量密度假設(shè)自由空間中有一個各向同性發(fā)射源，在距離為R米處穿過球面的通量密度為第十二頁，共41頁。（2）鏈路方程（計算無線電鏈路接收功率的關(guān)鍵表達(dá)式）接收天線增益和面積的關(guān)系：可得：天線的接收功率：自由空間路徑損耗Lp——鏈路方程分貝表達(dá)式：3.2基本傳輸理論可得：13第十三頁，共41頁。dB的概念衛(wèi)星通信所用的放大倍數(shù)和傳輸損耗等的數(shù)值都很大，不便于比較采用對數(shù)，可以將乘除運算簡化為加減運算以分貝形式表示的計算單位增益或損耗單位dB，功率單位dBW或dBm，

1W=0dBW，1mW=0dBm，0dBW=30dBm帶寬單位dBHz，1kHz=30dBHz，1MHz=60dBHz天線增益單位dBi、溫度單位dBk等14第十四頁，共41頁。

上式表示的是一種理想情況。實際中需考慮附加損耗。通常將鏈路方程表示為具有系統(tǒng)裕量的更一般的形式：(冰、雨、雪、水蒸氣、氧氣等)(饋線、指向)(饋線、指向)3.2基本傳輸理論鏈路方程：15第十五頁，共41頁。路徑損耗自由空間的傳輸損耗傳輸損耗與距離的平方成正比傳輸損耗與信號頻率的平方成正比當(dāng)傳輸距離為3萬6千公里時：信號頻率為4GHz的自由空間傳輸損耗約為195.6dB信號頻率為6GHz的自由空間傳輸損耗約為199.1dB信號頻率為12GHz的自由空間傳輸損耗約為205.2dB信號頻率為14GHz的自由空間傳輸損耗約為206.5dB16第十六頁，共41頁。轉(zhuǎn)發(fā)器的主要參數(shù)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的三個主要參數(shù)：G/T：品質(zhì)因數(shù)SFD：飽和通量密度EIRP：有效全向輻射功率17第十七頁，共41頁。轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)：G/T

figureofmerit，即接收系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)接收天線增益G與接收系統(tǒng)噪聲溫度T之比值分貝單位為dB/k計算公式為G/T=GR

–TSGR為衛(wèi)星天線的接收增益TS為衛(wèi)星接收系統(tǒng)的噪聲溫度18第十八頁，共41頁。轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)：SFD

飽和通量密度(Saturable

FluxDensity,SFD

)上行載波將轉(zhuǎn)發(fā)器推到飽和時,在接收天線口面所達(dá)到的通量密度；換句話說，就是為使衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器單載波飽和工作，在其接收天線的單位有效面積應(yīng)輸入的功率。分貝單位為dBW/m219第十九頁，共41頁。轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)：等效全向輻射功率EIRPEIRP

(EffectiveIsotropicRadiatedPower,)＝PtGt地球站或衛(wèi)星的天線發(fā)射的功率Pt與該天線增益Gt的乘積。表明了定向天線在最大輻射方向?qū)嶋H所輻射的功率。分貝單位為dBW，為天線增益與功放輸出功率之對數(shù)和。20第二十頁，共41頁。3.3系統(tǒng)噪聲溫度和G/T載噪比（C/N）就一定的信息比特率而言，欲達(dá)到要求的信息傳輸質(zhì)量，需要在信號調(diào)制類型和衛(wèi)星鏈路的載噪比之間加以折衷。衛(wèi)星鏈路的載噪比是本章討論的重點。衛(wèi)星離地面距離很遠(yuǎn)，所以信號強(qiáng)度一般很低，為了達(dá)到指定的載噪比，必須采用低噪聲放大器+降低中頻帶寬。常用GaAsFET管放大器噪聲溫度大約在30K-200K之間。21第二十一頁，共41頁。223.3系統(tǒng)噪聲溫度和G/T3.3.1噪聲溫度（T）(1)意義將噪聲系數(shù)折合為電阻元件在相當(dāng)于某溫度下的熱噪聲，溫度以絕對溫度K計。等于一個電阻在與這個噪聲源相同的帶寬內(nèi)，給出相同功率時，所具有的絕對溫度。利用噪聲溫度（T）可以確定接收系統(tǒng)中由有源和無源器件產(chǎn)生的熱噪聲的功率。(2)熱噪聲的功率譜密度熱噪聲由大量自由電子在導(dǎo)體內(nèi)部的熱能隨機(jī)運動產(chǎn)生。在很寬的頻帶內(nèi)功率譜密度恒定，電阻及其得到的熱噪聲平均功率譜密度為

k=1.39×10-23J/K=-228.6dB/K/Hz，玻爾茲曼常數(shù)；

Tp=物理溫度，單位為熱力學(xué)溫度開爾文（K）（T(K)=ToC+273）第二十二頁，共41頁。3.3系統(tǒng)噪聲溫度和G/T3.3.1噪聲溫度(3)噪聲功率的表示通過帶寬Bn后，噪聲功率為

(4)元件等效噪聲溫度Tn注：降低噪聲功率的一些常用方法：降低接收機(jī)等效帶寬（如：通過調(diào)整中頻放大器的級數(shù)，提高選擇性）選用低噪聲元器件降低工作溫度等低噪聲元件=等效噪聲溫度為Tn的噪聲源+與元器件增益相同的無噪聲放大器噪聲功率:低噪聲功率對衛(wèi)星通信尤為重要。Bn：噪聲帶寬，單位為Hz23第二十三頁，共41頁。3.3.2系統(tǒng)噪聲溫度的計算一、地面站接收機(jī)的簡化圖——超外差接收超外差接收機(jī)有三個主要的子系統(tǒng)：前端（RF放大器、混頻器和本地振蕩器）中頻放大器（IF放大器和濾波器）調(diào)制器和基帶部分Pno有噪聲器件單元=等效無噪聲單元+輸入端噪聲發(fā)生器圖接收機(jī)的等效電路圖超外差接收機(jī)的結(jié)構(gòu)

24第二十四頁，共41頁。二、地面站接收機(jī)的噪聲分析——系統(tǒng)噪聲溫度接收機(jī)的噪聲模型天線輸出端噪聲溫度IF放大器輸出端總噪聲功率Pno系統(tǒng)噪聲解調(diào)器輸入端噪聲功率Pno25第二十五頁，共41頁。二、地面站接收機(jī)的噪聲分析——系統(tǒng)噪聲溫度(續(xù))PnoPno無噪接收機(jī)輸入端的噪聲溫度26第二十六頁，共41頁。二、地面站接收機(jī)的噪聲分析——系統(tǒng)噪聲溫度(續(xù))分析：系統(tǒng)噪聲溫度前端對系統(tǒng)噪聲溫度影響很大；當(dāng)接收機(jī)前端RF放大器的增益很高時，IF放大器和后續(xù)各級所產(chǎn)生的噪聲可以忽略。系統(tǒng)噪聲溫度可簡化為天線噪聲溫度和LNA噪聲溫度之和，即Pno上述分析僅考慮所有噪聲來自天線輸出和接收機(jī)內(nèi)部，除此之外，還有其他的噪聲來源——有損介質(zhì)（有損波導(dǎo)和降雨等）27第二十七頁，共41頁。3.3系統(tǒng)噪聲溫度和G/T3.3.3噪聲系數(shù)及其與噪聲溫度的關(guān)系噪聲系數(shù)

表示器件內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲大?。涸肼曄禂?shù)與噪聲溫度的關(guān)系如何將噪聲系數(shù)轉(zhuǎn)換為噪聲溫度？設(shè)在標(biāo)準(zhǔn)噪聲參考溫度To情況下：Td為器件內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲溫度；To是計算標(biāo)準(zhǔn)噪聲系數(shù)的參考溫度，通常取290K。28第二十八頁，共41頁。3.3系統(tǒng)噪聲溫度和G/T

3.3.4地面站G/T

根據(jù)鏈路方程，接收機(jī)輸入端信號功率接收機(jī)輸出端信號功率29第二十九頁，共41頁。3.3系統(tǒng)噪聲溫度和G/T系統(tǒng)性能--C/N解調(diào)器輸入端的載噪比為3.3.4地面站G/T

因為接收機(jī)增益Grx相互抵消，接收機(jī)終端的C/N其實在接收機(jī)輸入端就可以計算，并且與Ts有關(guān)。30第三十頁，共41頁。3.3系統(tǒng)噪聲溫度和G/T3.3.4地面站G/T

利用鏈路方程，C/N可表示為：分析：

C/N∝Gr/Ts。提高Gr/Ts可以提高接收信噪比C/N，Gr/Ts簡記為G/T?？衫肎/T表示地面接收站或衛(wèi)星接收機(jī)的性能。31第三十一頁，共41頁。3.4下行鏈路設(shè)計設(shè)計目標(biāo)在規(guī)定的時間比例內(nèi)達(dá)到最小的載噪比

一年內(nèi)鏈路中斷總時間達(dá)到0.5~0.01%——鏈路裕量。以最小的成本獲得最大的業(yè)務(wù)收入下行鏈路的限制→優(yōu)秀的系統(tǒng)設(shè)計是用最少的成本使系統(tǒng)各部分達(dá)到最好的結(jié)合。如：克服降雨衰減與地面接收天線的直徑的關(guān)系。降雨衰減對衛(wèi)星通信鏈路造成不良影響頻率越高影響越嚴(yán)重；解決方法——鏈路裕量。各頻段與降雨衰減、可靠性、鏈路中斷與業(yè)務(wù)類型頻段降雨衰減可靠性鏈路中斷業(yè)務(wù)類型C(6/4GHz)1/2dB（雨衰少）99.99%52min/年適合語音信號Ku(14/11GHz)雨衰適中99.5~99.9%8~40h/年適合電視直播Ka(30/20GHz)10~20dB（雨衰大）<<99.99%中斷時間長適合互聯(lián)網(wǎng)接入等非實時業(yè)務(wù)32第三十二頁，共41頁。3.4.1鏈路預(yù)算鏈路預(yù)算簡化C/N的計算，將各種與衛(wèi)星有關(guān)的參量都采用dB表示，信號與噪聲功率只要加減計算即可。鏈路設(shè)計是一個反復(fù)過程，一旦建立鏈路預(yù)算，任何參數(shù)變化都很容易計算出來。鏈路預(yù)算常計算的是最差的情況，即鏈路C/N最小的情況。引起鏈路情況變差的因素有：地面站位于衛(wèi)星覆蓋區(qū)域邊緣，接收信號功率比覆蓋區(qū)中心低3dB衛(wèi)星與地面站距離最遠(yuǎn)地面站仰角很低，大氣衰減最大鏈路上產(chǎn)生最大降雨衰減天線指向誤差、天線極化失諧、天線老化接收信號載波功率(天線輸出端)為位于天線輸出端的噪聲功率Pn為3.4下行鏈路設(shè)計33第三十三頁，共41頁。3.5上行鏈路設(shè)計大多數(shù)情況下，上行鏈路設(shè)計較下行鏈路要簡單些地面站可使用大功率發(fā)射機(jī)但存在其它問題：VSAT小型天線地面站發(fā)射功率?。?lt;5W），因此C/N通常也很低；衛(wèi)星移動電話上行鏈路的C/N通常是最低的（衛(wèi)星電話手機(jī)發(fā)射功率嚴(yán)格限制在1W）；衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器是一種準(zhǔn)線性放大器，其接收功率高低會直接決定輸出功率的大小為避免FDMA互調(diào)干擾或非線性調(diào)制發(fā)生PM-AM轉(zhuǎn)換，地面站發(fā)射功率要精確控制。地面站發(fā)射功率:根據(jù)規(guī)定的轉(zhuǎn)發(fā)器輸入功率來設(shè)定利用鏈路方程計算轉(zhuǎn)發(fā)器輸入端功率→地面站發(fā)射功率。34第三十四頁，共41頁。（1）利用鏈路方程計算轉(zhuǎn)發(fā)器輸入端功率→地面站發(fā)射功率

假設(shè)轉(zhuǎn)發(fā)器規(guī)定的C/N為(C/N)up轉(zhuǎn)發(fā)器輸入端的噪聲功率為:其中，Bn為噪聲帶寬，Txp(dBK)為轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)噪聲溫度其中，Gr(dB)為衛(wèi)星天線在上行鏈路方向上的增益；Lp(dB)是路徑損耗；Lup(dB)表除路徑損耗以外的全部上行鏈路損耗?！鶕?jù)所確定的(C/N)up以及噪聲功率Nxp，求出輸入端接收功率Prxp，再求出地面發(fā)射機(jī)的輸出功率Pt。

轉(zhuǎn)發(fā)器的輸入端的接收功率Prxp為衛(wèi)星接收機(jī)LNA輸入端的(C/N)up值為3.5上行鏈路設(shè)計35第三十五頁，共41頁。（2）上行鏈路對鄰近衛(wèi)星的干擾GEO衛(wèi)星密集，小型化上行天線波束寬，對相鄰衛(wèi)星造成干擾。上行鏈路干擾是決定衛(wèi)星間隔和對地靜止軌道在各頻段上容量的關(guān)鍵問題。1983年FCC新規(guī)范：對6GHz地面站天線傳輸特性曲線提出嚴(yán)格控制，將衛(wèi)星間隔減小到2o。3.5上行鏈路設(shè)計圖上行鏈路天線旁瓣要求36第三十六頁，共41頁。（3）上行鏈路功率控制(UPC)降雨的影響：雨衰引起轉(zhuǎn)發(fā)器上行C/N降低利用上行鏈路功率控制(UPC)來解決，保持降雨時的C/N不便利用地面站對衛(wèi)星的反饋信號進(jìn)行監(jiān)控，并觀察下行鏈路上降雨衰減所產(chǎn)生的功率損失；例如閉環(huán)控制。上、下行鏈路采用不同頻率，估計上行鏈路衰減時應(yīng)該對下行鏈路衰減進(jìn)行適當(dāng)放大：3.5上行鏈路設(shè)計37第三十七頁，共41頁。3.7結(jié)合衛(wèi)星鏈路中的C/N和C/I進(jìn)行的鏈路設(shè)計典型雙工衛(wèi)星通信鏈路由四條獨立的路徑組成：第一終端到衛(wèi)星的發(fā)射上行鏈路及衛(wèi)星到第二終端的發(fā)射下行鏈路第二終端到衛(wèi)星的發(fā)射上行鏈路及衛(wèi)星到第一終端的發(fā)射下行鏈路一條完整的衛(wèi)星鏈路的性能由地面站解調(diào)器輸入端的C/N決定。噪聲或干擾來自于：接收機(jī)本身接收天線天電噪聲衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器采用相同頻段的鄰近衛(wèi)星和地面發(fā)射機(jī)38第三十八頁，共41頁。鏈路總載噪比(