《衛(wèi)星通信與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)》課件-第4章

第4章衛(wèi)星鏈路預(yù)算4.1基本傳輸理論4.2系統(tǒng)噪聲4.3衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的特性4.4-衛(wèi)星鏈路性能4.5本章小結(jié)

鏈路預(yù)算的主要任務(wù)通常有兩類:

一是在選定衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和地球站設(shè)備的情況下,驗(yàn)證系統(tǒng)能否滿足用戶的使用要求;

二是在已知空間站或地球站部分參數(shù)的條件下,根據(jù)實(shí)

際應(yīng)用的技術(shù)要求,確定對(duì)設(shè)備另一部分指標(biāo)的要求,如地球站天線尺寸、接收機(jī)噪聲性能等。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)從發(fā)端地球站到收端地球站的信息傳輸過程中,要經(jīng)過上行鏈路、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和下行鏈路。圖4-1所示為衛(wèi)星通信基本鏈路圖。

圖4-1衛(wèi)星通信基本鏈路圖

上行鏈路的信號(hào)質(zhì)量(如誤碼性能)取決于衛(wèi)星收到的信號(hào)功率電平和衛(wèi)星接收系統(tǒng)的噪聲功率電平。下行鏈路信號(hào)的質(zhì)量取決于收端地球站接收到的信號(hào)功率電平和地球站接

收系統(tǒng)的噪聲功率電平。

4.1基本傳輸理論

4.1.1功率通量密度功率通量密度(PFD,PowerFluxDensity)是指在單位面積上通過的功率。假設(shè)在自由空間中有一總功率為Pt的發(fā)射源,從源點(diǎn)開始傳播,電磁波在空間是等方向性的,因此發(fā)射源按照球形向四周輻射。在距離發(fā)射源R處穿過球面的功率通量密度可表示為

如圖4-2所示,假設(shè)發(fā)射機(jī)輸出功率為Pt,采用無損天線,天線的增益為Gt,則天線視軸方向上距離R處的功率通量密度為

圖4-2功率通量密度

4.1.2天線增益

天線增益是指在給定方向上天線每單位立體角的輻射功率與全向天線在每單位立體角的平均輻射功率的比值。衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,實(shí)際應(yīng)用的天線一般都是定向天線,在某方向上發(fā)射或者接收電磁波特別強(qiáng),此輻射功率最大的方向稱為天線的視軸方向,天線增益便是在視軸方向的增益值。

實(shí)際的物理天線,在入射到天線孔徑上的能量中,一部分能量會(huì)被反射到自由空間,另一部分能量會(huì)被有損耗元件(如饋源、支撐組件、副反射器等)吸收。綜合考慮以上因素,假設(shè)天線是物理直徑為D、孔徑面積為A的理想天線,利用有效孔徑Ae來說明效率降低的程度,則

天線理論中,天線增益與面積之間有一基本關(guān)系式,其天線增益表示為

式中,λ是工作頻率對(duì)應(yīng)的波長,單位為m;ηA為天線效率,天線效率是指天線實(shí)際接收功率和輸入到天線的功率之比。

不同的天線其ηA值不同,一般的拋物面反射天線的天線效率通常為50%~75%,小型天線的ηA

略小一些,大型卡賽格倫天線的ηA

略大一些,喇叭天線的ηA

則接近90%。因此結(jié)合圖4-2,假設(shè)接收機(jī)的接收天線增益為Gr、接收面積為A、有效孔徑面積為Ae,則地面站接收機(jī)的接收功率Pr可表示為

4.1.3有效全向輻射功率

通常把地球發(fā)射天線或衛(wèi)星天線在視軸方向上輻射的功率稱為有效全向輻射功率(EIRP,EffectiveIsotropicRadiatedPower),它是天線發(fā)射功率Pt與天線增益Gt的乘積,具體表示如下:

若考慮發(fā)射機(jī)與天線之間連接時(shí)在波導(dǎo)、濾波器和耦合器上產(chǎn)生的饋線損耗,發(fā)射端的饋線損耗用Lta表示,則式(4-6)可表示為

EIRP是衛(wèi)星通信鏈路發(fā)射端唯一的品質(zhì)因數(shù)指標(biāo)。

4.1.4-自由空間路徑損耗

發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)時(shí),信號(hào)由電磁波在自由空間無方向性地輻射,經(jīng)過一定距離的傳播,接收功率會(huì)因?yàn)檩椛涠艿綋p耗,這種損耗稱為路徑損耗。路徑損耗定義為有效發(fā)射功率與接收功率之間的比值,用Lp來表示。綜上所述,系統(tǒng)的接收功率便可表述如下:

在通信系統(tǒng)中,通常用分貝來簡化表達(dá)式,因此式(4-5)變?yōu)?/p>

式中,各項(xiàng)用分貝表示為

4.1.5鏈路功率預(yù)算方程

式(4-9)是衛(wèi)星通信鏈路的基本鏈路傳輸方程,此方程表示理想情況下的接收功率。然而在實(shí)際傳輸鏈路中還有其他附加損耗,包括大氣損耗、饋線損耗和天線指向損耗等。大氣損耗是電磁波在大氣層中傳輸時(shí),受到電離層自由電子和離子的吸收,對(duì)流層中氧氣、水蒸氣以及雨、雪等的吸收和散射,從而形成的損耗,用La來表示。發(fā)射端的饋線損耗用Lra表示,接收端的饋線損耗用Lra表示。綜合考慮通信鏈路中的各種損耗,鏈路功率預(yù)算方程可表示為

通常大多數(shù)衛(wèi)星鏈路采用模擬傳輸中的頻率調(diào)制方式,或者采用數(shù)字調(diào)制中的相位調(diào)制方式。這兩種調(diào)制方式都不會(huì)影響系統(tǒng)中載波的幅度,因此利用式(4-5)計(jì)算出來的

收功率Pr等于載波功率C。

4.2系統(tǒng)噪聲

4.2.1噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)可以用來衡量通信系統(tǒng)或者器件內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲水平。噪聲系數(shù)NF的定義是系統(tǒng)輸入信號(hào)的信噪比與系統(tǒng)輸出信號(hào)的信噪比的比值,具體表達(dá)式如下:其單位通常用分貝(dB)表示。

4.2.2噪聲溫度

噪聲溫度是通信接收機(jī)中的一個(gè)非常重要的概念。在射頻頻段,噪聲主要源于接收機(jī)中各種器件的電子隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng),我們通過噪聲溫度來確定每個(gè)器件引入的熱噪聲的多少,因此,噪聲溫度也是另一種量化噪聲的方法。

一個(gè)熱噪聲源得到的可用噪聲功率表示為

其中,k=1.38×10-23J/K=-228.6dBW/(K·Hz),為玻耳茲曼常數(shù);Tp為熱噪聲源的物理溫度,單位是K;Bn為噪聲帶寬,單位是Hz;Pn是可測噪聲功率,單位為W,只有當(dāng)負(fù)載與噪聲源的阻抗匹配時(shí)它才會(huì)傳送到負(fù)載端;kTp表示噪聲的功率譜密度,單位為W/Hz。

噪聲系數(shù)與噪聲溫度的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下:

式中,T0是計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)噪聲的參考溫度,通常取290K。若噪聲系數(shù)單位為分貝,則計(jì)算時(shí)需先進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換。表4-1給出衛(wèi)星通信鏈路中常用的噪聲系數(shù)與噪聲溫度的對(duì)照。

4.2.3系統(tǒng)噪聲溫度的計(jì)算

衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,信號(hào)傳輸路徑上每個(gè)器件都會(huì)產(chǎn)生噪聲,這些噪聲的總和就是系統(tǒng)噪聲溫度,用來評(píng)估鏈路的整體性能。圖4-3所示是帶有RF(RadioFrequency)放大器和單一頻率轉(zhuǎn)換器的接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖。下面以圖4-3為例來分析一組級(jí)聯(lián)部件的噪聲溫度合并的過程。

圖4-3接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

為了便于分析系統(tǒng)噪聲,只研究從RF輸入端到IF輸出端,利用與原器件有相同增益的等效無噪聲單元加上一個(gè)位于單元輸入端的噪聲源表示接收機(jī)的各個(gè)噪聲器件,替代后的輸出噪聲與原器件的輸出噪聲相同,具體等效電路如圖4-4所示。

圖4-4-接收機(jī)等效噪聲模型

整個(gè)接收機(jī)簡化為一個(gè)增益與原接收機(jī)相同的等效無噪聲單元。在單元的輸入端,Tin是天線輸出端的噪聲溫度,TRF、Tm和TIF分別是RF放大器、混頻器和IF放大器的噪聲溫度,GRF、Gm和GIF分別為三個(gè)器件的增益。由此,我們可以把IF放大器輸出端的總噪聲功率表示為

由式(4-14)可以得出,等效系統(tǒng)的噪聲溫度Ts的表達(dá)式為

根據(jù)式(4-14)和式(4-15)的結(jié)果,可以對(duì)圖4-4的等效系統(tǒng)進(jìn)行簡化,簡化后的模型如圖4-5所示。圖中,系統(tǒng)的噪聲溫度Ts作為一個(gè)總的噪聲源加在增益為GRF·Gm·GIF的無噪接收機(jī)的前端,兩個(gè)模型輸出端的噪聲功率相同。

圖4-5接收機(jī)簡化噪聲模型

系統(tǒng)噪聲溫度Ts表示的是接收機(jī)系統(tǒng)中幾個(gè)主要噪聲器件的噪聲溫度和,其他器件對(duì)系統(tǒng)噪聲溫度的影響很小,可以忽略。如果接收機(jī)前端RF放大器的增益很高,則系統(tǒng)的噪聲溫度可以簡化為天線噪聲溫度和LNA噪聲溫度之和,即Ts=Tin+TRF。

4.2.4-接收系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)

接收系統(tǒng)的G/T是接收天線增益與接收系統(tǒng)噪聲溫度的比值,稱為接收系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)G/T。G/T是通信鏈路預(yù)算的重要參數(shù),它能反映傳輸鏈路及接收系統(tǒng)的性能,G/T的計(jì)算必須準(zhǔn)確。

綜合前幾節(jié)內(nèi)容,地面站接收系統(tǒng)載噪比C/N與Pr/Pn等價(jià),具體表示為

由式(4-16)可知,C/N和Gr/Ts成正比。

4.3衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的特性

4.3.1單載波飽和通量密度單載波飽和通量密度(SFD,SaturationFluxDensity)的定義是:單載波模式下,轉(zhuǎn)發(fā)器要達(dá)到最大飽和輸出功率,需要衛(wèi)星接收天線端達(dá)到的功率通量密度,用ψs表示。ψs的表達(dá)式如下:用分貝可表示為

4.3.2輸入/輸出回退

衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器是一種準(zhǔn)線性放大器,它的性能是決定上行鏈路功率通量密度的關(guān)鍵要素。通常轉(zhuǎn)發(fā)器采用行波管放大器(TWTA,TravellingWaveTubeAmplifier)或固態(tài)功率放大器(SSPA,SolidStatePowerAmplifier)。圖4-6給出了功率放大器的輸入、輸出特性曲線。單載波情況下的特性曲線定義了飽和輸出工作點(diǎn),即獲得最大輸出功率Pout要求的最小輸入功率Pin。

圖4-6功率放大器的輸入/輸出特性曲線

4.4-衛(wèi)星鏈路性能

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的上行鏈路以地球站為發(fā)射系統(tǒng),以衛(wèi)星為接收系統(tǒng)。由式(4-10)可以得出衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器輸入端的接收功率Pr為其中,Lup表示除路徑損耗以外的全部上行鏈路損耗。

4.4.2下行鏈路載噪比

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的下行鏈路泛指衛(wèi)星發(fā)送信號(hào),而地面站接收信號(hào)的鏈路。與上行鏈路類似,可以得到下行鏈路的載噪比的表達(dá)式為

式中,EIRPs為載波需要的衛(wèi)星全向有效輻射功率,Gre為地球站接收天線的有效天線增益,Ldn包括下行鏈路路徑損耗和下行鏈路的其他所有損耗,Te是地球站接收機(jī)輸入端的等效噪聲溫度,Be是地球站接收機(jī)的頻帶寬度。同樣,式(4-27)可以用載溫比表達(dá)為

當(dāng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器處于多載波工作時(shí),考慮輸出功率回退BOo,故式(4-28)可表示為

對(duì)于下行鏈路,地球站接收機(jī)是終端點(diǎn),信號(hào)不需要使得某一功率放大器處于飽和狀態(tài),因此,無需知道地球站接收機(jī)的飽和通量密度,其下行載噪比大小是由衛(wèi)星全向有效輻射功率EIRPs與地面接收系統(tǒng)的G/T值所決定的。

4.4.3交調(diào)噪聲

衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和地面站設(shè)備中的功率放大器均為非線性放大器,當(dāng)它以接近飽和功率放大多個(gè)載波時(shí),載波之間會(huì)產(chǎn)生一系列交調(diào)產(chǎn)物。這些交調(diào)產(chǎn)物落在相鄰的載波頻率上,就會(huì)產(chǎn)生交調(diào)噪聲,從而降低輸出信號(hào)的載噪比。

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,除交調(diào)噪聲外還存在其他干擾,主要有上下行鄰星干擾和交叉極化干擾。工程設(shè)計(jì)中為了簡化設(shè)計(jì)過程,可以將所有干擾對(duì)系統(tǒng)載噪比的影響統(tǒng)一考慮,即交

調(diào)干擾、鄰星干擾、交叉極化干擾以及其他干擾成分對(duì)系統(tǒng)的總干擾為3~5dB。

4.4.4-鏈路總載噪比

4.4.5鏈路余量

通信系統(tǒng)中,任何一條鏈路建立后,其參數(shù)不可能始終不變。在實(shí)際的鏈路預(yù)算時(shí),除了要考慮各種噪聲及干擾外,還要考慮氣象條件、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。若要保證信號(hào)在這些因素變化后仍能達(dá)到系統(tǒng)要求的傳輸質(zhì)量,鏈路的門限載噪比(C/N)th是傳輸鏈路必須確保的最低載噪比,因此在選擇系統(tǒng)的總載噪比(C/N)o時(shí),必須留有一定的余量,即門限余量,記為Mth,可表