第3章衛(wèi)星通信鏈路設(shè)計..ppt

1、,第3章 衛(wèi)星通信鏈路設(shè)計,3.1 接收機(jī)輸入端的載噪比 3.2 衛(wèi)星通信鏈路的C/T值 3.3 數(shù)字衛(wèi)星鏈路的計算 習(xí)題,鏈路傳播特性 星際鏈路：只考慮自由空間傳播損耗 星-地鏈路：由自由空間傳播損耗和近 地大氣的各種影響所確定,衛(wèi)星通信的電波要經(jīng)過對流層（含云層和雨層）、平流層、電離層和外層空間，跨越距離大，影響電波傳播的因素很多。,熱層（熱電離層）（Thermosphere） 80 - 500 km,中間層（Mesosphere）50 - 80 km,平流層（Stratosphere） 16 - 50 km,對流層（Troposphere） 7- 16 km,外逸層（Exosphere）

2、 500 - 64,374 km,衛(wèi)星通信系統(tǒng)的傳播問題,1、6 衛(wèi)星通信工作頻段及電波傳播特點(diǎn) 1.6.1 工作頻段的選擇 工作頻段主要考慮電離層的反射、吸收；對流層的吸收、散射損耗等因數(shù)與頻率的關(guān)系。,一般工作頻段選擇在1G10G；最理想的頻率在46G。,1.6.2 電波傳播的特點(diǎn) 1、自由空間的傳播損耗 衛(wèi)星通信中電波的損耗主要有自由空間的傳播損耗和大氣損耗。由于衛(wèi)星一般位于34萬千米的太空，所以主要考慮自由空間傳播的損耗。 在自由空間傳播過程中，接收信號的功率為：,PT 為天線發(fā)射功率； G T 為發(fā)射天線增益； A R為接收天線開口面積； G R 為接收天線增益。,自由空間傳播損耗為

3、：,以分貝為單位表示為：,式中d為地球站到靜止衛(wèi)星的距離，可以取d=40000km,電磁波在傳播過程中除了與距離的平方呈反比衰減外，還要受大氣因數(shù)（如水分、電離層等）的影響，而衰減。 各種因數(shù)的影響見下圖：,下圖為 雨、霧、云引起的損耗：,衛(wèi)星通信系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù),等效全向輻射功率（EIRP） 定義：地球站或衛(wèi)星的天線發(fā)射功率P與該天線增益G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。 EIRP=PG，或 EIRP(dBW)= P(dBW)+G(dB) 噪聲溫度（Te） 定義：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。噪聲溫度（Te）與噪聲系數(shù)(NF

4、）的關(guān)系為：NF=10lg(1+Te/290)dB 品質(zhì)因素（G/Te） 定義：天線增益與噪聲溫度的比值。 G/Te=G(dB)-10lgTe(dB/K),天線增益的計算公式 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中的天線增益可以按下式進(jìn)行計算：,(2-3)式中，A是天線口面的有效面積(m2)，是工作波長（m），為天線效率，Ae為接收天線有效面積。 其中=c/f，c為光速，取值為3*108(m/s)。(2-3)式作變換，則,例一 計算頻率為6GHz時，口徑3m的拋物面天線的增益。（天線效率為0.55）,解：根據(jù),一、星-地鏈路傳播特性,衛(wèi)星通信的電波在傳播中要受到損耗，其中最主要的是自由空間傳播損耗，它占總損耗的大

5、部分。其它損耗還有大氣、雨、云、雪、霧等造成的吸收和散射損耗等。衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)還會因為受到某種陰影遮蔽(例如樹木、建筑物的遮擋等)而增加額外的損耗，固定業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)則可通過適當(dāng)選址避免這一額外的損耗。,自由空間傳播損耗 自由空間電波傳播是無線電波最基本、最簡單的傳播方式。自由空間是一個理想化的概念，為人們研究電波傳播提供了一個簡化的計算環(huán)境。,圖2-1 以確定的天線面積在不同距離上接收輻射能量,自由空間傳播損耗計算公式,電波從點(diǎn)源全向天線發(fā)出后在自由空間傳播，能量將擴(kuò)散到一個球面上。如用定向天線，電波將向某一方向會聚，在此方向上獲得增益，那么到達(dá)接收點(diǎn)的信號功率為：,其中：PT為發(fā)射功率

6、;GT為發(fā)射天線增益;GR為接收天線增益；Lf為自由 空間傳播損耗。,d為傳播距離，為工作波長，C為光速，f為工作頻率。 Lf通常用分貝表示，當(dāng)d用km、f用GHz表示時，又可以表示為,例二 衛(wèi)星和地面站之間的距離為42,000km。計算6GHz時的自由空間損耗。,解：根據(jù)公式（2-8），,Lf=92.44+20lg42000+20lg6=200.46 (dB),功率密度的計算公式,功率密度（功率通量密度）是指發(fā)射功率經(jīng)過空間傳播到達(dá)接收點(diǎn)后，在單位面積內(nèi)的功率?？梢员硎緸椋?-1）式。,（2-2）式中，PT為天線的發(fā)射功率（W），GT為發(fā)射天線的增益，d為自由空間傳播距離。,例三 衛(wèi)星的EI

7、RP值為49.4dBW，計算衛(wèi)星離地面距離為40000km時，地面站的功率密度。,解：根據(jù)式（2-1），,地面站的功率密度為,接收信號功率的計算公式,若接收信號的有效接收面積為A，則接收到的功率為：,若用接收天線增益（式2-3）來表示，上式可以改寫為：,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。上行鏈路的信號質(zhì)量(如誤碼性能)取決于衛(wèi)星收到的信號功率電平和衛(wèi)星接收系統(tǒng)的噪聲功率電平大小。下行鏈路信號的質(zhì)量取決于收端地球站接收到的信號功率電平和地球站接收系統(tǒng)的噪聲功率電平的大小。,圖2-2 自由空間損耗與傳播路徑長度的關(guān)系,衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的設(shè)計

8、與計算 1）、衛(wèi)星通信系統(tǒng)線路的要求：保證通信質(zhì)量，使接收到的射頻載波功率必須遠(yuǎn)大于噪聲功率。 2）設(shè)計的主要內(nèi)容：通過對解調(diào)前載波功率與等效噪聲溫度之比 C/T 的計算，設(shè)計通信鏈路。,4.1 傳輸方程,圖4-1繪出與鏈路設(shè)計有影響的、一個網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分。由信號的始發(fā)站到終點(diǎn)站，從無線電鏈路設(shè)計的目標(biāo)來看，可以劃分為：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) 三部分。,圖4-1 用于端對端鏈路設(shè)計的、 從信號始發(fā)站到終點(diǎn)站的無線電鏈路劃分,4.1.2 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

9、、傳輸頻率、和發(fā)射機(jī)到接收機(jī)之間距離的關(guān)系。,傳輸方程為： C = PT GT GR (/ 4d)2,用分貝形式表示有： C (dBW) = PT (dBW) + GT (dB) + GR (dB) 20 lg (4 d/),單向空間鏈路示意圖,3.4衛(wèi)星通信線路載波功率與噪聲功率比的計算,1、載波功率計算 上行載波功率 CS （即衛(wèi)星接收端輸入率） 載波功率 C 下行載波功率 CE （即地球接收端輸入率） 載波功率與發(fā)射功率PT、發(fā)射天線增益GT、接收天線增益GR成正比，與各種損耗L成反比。 用分貝功率表示為： C = EIRP + GR - L （dBW） 式中EIRP = PT GT（W

10、）或 EIRP = PT + GT （dBW） EIRP稱為有效全向輻射功率，是指衛(wèi)星和地球站發(fā)射天線在波束中心軸向上輻射的功率。,3.1.1 接收機(jī)輸入端的載波功率衛(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，記做C，C以 dBW(以1瓦為零電平的分貝)為單位，由式(1-6)可得C=EIRPGRLP(3-1)其中，GR為接收天線的增益(dBi)，LP為自由空間損耗(dB)，EIRP為發(fā)射機(jī)的有效全向輻射功率(dBW)。,3.1 接收機(jī)輸入端的載噪比,若考慮發(fā)射饋線損耗LFT(dB)，由式(1-9(b)，則有效全向輻射功率EIRP為EIRP=PTLFTGT(3-2)若再考慮接收饋線損

11、耗LFR(dB)、大氣損耗La(dB)、其它損耗Lr(dB)，則接收機(jī)輸入端的實際載波接收功率C(dBW)可以表示為C=PTLFTGTGRLPLFRLaLr(3-3),例31 已知ISW號衛(wèi)星作點(diǎn)波束1872路運(yùn)用時，其有效全向輻射功率EIRPS342dBW，接收天線增益GRS167dB。又知某地球站有效全向輻射功率EIRPE986dBW，接收天線增益GRE60.0 dB，接收饋線損耗LFRE0.05dB。試計算衛(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 ： 若上行線路工作頻率為6GHz，下行線路工作頻率為4GHz，距離d=40000 km，則利用(1. 3

12、)式可求得上行線路傳輸損耗Lu為： Lu= 92.44+20lg40000+20lg6=20004（dB） 下行線路傳輸損耗LD為: LD92.44+20lg40000+20lg4= 19652（dB）,利用(35)式(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： Csl=EIRPE十GRS一Lu一84. 74dBW 地球站接收機(jī)輸入端的載波接收功率CE(忽略La和Lr)為： CEEIRPs十GRE一LD 一LFRS-10237dBW,3.1.2 接收機(jī)輸入端的噪聲功率在衛(wèi)星通信鏈路中，地球站接收到的信號是極其微弱的。特別是在地球站中，由于使用了高增益天線和低噪聲放大器

13、，使接收機(jī)內(nèi)部的噪聲影響相對減弱。因此外部噪聲的影響已不可以忽略，即其它各種外部噪聲也應(yīng)同時予以考慮。地球站接收機(jī)的噪聲來源如圖3-1所示，可分為外部噪聲和內(nèi)部噪聲兩大類。,圖3-1 地球站接收機(jī)的噪聲源,2、噪聲功率的計算 1）、 噪聲功率 如果接收系統(tǒng)輸入端匹配，則各種外部噪聲和天線損耗噪聲綜合在一起，進(jìn)入接收系統(tǒng)的噪聲功率應(yīng)為 Na = kTaB 式中， Na為進(jìn)入接收系統(tǒng)的噪聲功率；Ta為天線的等效噪聲溫度；B為接收系統(tǒng)的等效噪聲帶寬；k為波爾茲曼常數(shù) 2）、等效噪聲溫度 將環(huán)境溫度為T0時放大器內(nèi)部噪聲在輸出端產(chǎn)生的噪聲功率折算到輸入端熱噪聲在輸出端產(chǎn)生同樣大小的噪聲功率時所對應(yīng)的絕

14、對溫度Te，叫做等效噪聲溫度。,3.1.3 接收機(jī)輸入端的載噪比與地球站性能因數(shù)模擬通信系統(tǒng)的輸出信噪比，數(shù)字通信系統(tǒng)中的傳輸速率和誤碼率，均與接收系統(tǒng)的輸入信噪比有關(guān)。衛(wèi)星通信也是這樣。由于在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，其接收機(jī)收到的不是調(diào)頻信號就是數(shù)字鍵控信號，因此接收機(jī)收到的信號功率可以用其載波功率C來表示。對于調(diào)頻信號，載波功率等于調(diào)頻信號各個頻譜分量的功率之和；而對于數(shù)字鍵控信號，載波功率就是其平均功率。,根據(jù)前面已經(jīng)求出的接收機(jī)輸入端的載波功率和噪聲功率，可以直接列出接收機(jī)輸入端的載波噪聲功率比為(3-5)以分貝(dB)表示為(3-6)式中，有效全向輻射功率EIRP=PTGT=PTGT。,1.

15、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收機(jī)輸入端的C/NS對于上行鏈路，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EIRPE，上行鏈路自由空間傳輸損耗為LPU，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收天線的增益為GRS，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收系統(tǒng)的饋線損耗為LFRS，大氣損耗為La，則衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收機(jī)輸入端的載噪比C/NS為(3-7)式中，TS為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器輸入端的等效噪聲溫度；BS為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收機(jī)的帶寬。,若GRS中計入了LFRS，則該GRS稱為有效天線增益；若將La和LPU合并為LU(稱為上行鏈路傳輸損耗或上行鏈路傳播衰減)，則式(3-7)可寫為(3-8),2.地球站接收機(jī)輸入端的C/NE 對于下行鏈路，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器為發(fā)射系統(tǒng)，地球

16、站為接收系統(tǒng)。設(shè)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的有效全向輻射功率為EIRPS，下行鏈路傳輸損耗為LD，地球站接收天線有效天線增益為GRE，則地球站接收機(jī)輸入端的載噪比C/NE為(3-9)式中，Tt為地球站接收機(jī)輸入端等效噪聲溫度，B為地球站接收機(jī)的頻帶寬度。,4）、衛(wèi)星通信線路的總載噪比 地球站接收端總的載噪比是衛(wèi)星通信線路載噪比的總和，它是地球站 衛(wèi)星 地球站整個線路的載噪比。,3.地球站性能因數(shù)G/T當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)器設(shè)計好了之后，EIRPS的值就確定了。如果地球站的工作頻率和通信容量均已確定，LD和B的值也是確定的，則接收機(jī)輸入端載波噪聲比C/N將取決于地球站的性能因數(shù)GRE/TD，通常簡寫為G/T。顯然G/T的值越

17、大，C/N的值越高，表明接收系統(tǒng)的性能就越好。,無論模擬通信系統(tǒng)要保證話路輸出端信噪比S/N為一定值，還是數(shù)字通信系統(tǒng)滿足一定的傳輸速率與誤碼率要求，都需要接收系統(tǒng)輸入端載噪比C/N達(dá)到一定的數(shù)值。如果衛(wèi)星通信鏈路的通信容量和傳輸質(zhì)量等方面的指標(biāo)已經(jīng)確定，那么接收機(jī)輸入端要達(dá)到的載噪比也就確定了。在3.1節(jié)，我們已經(jīng)得出了載噪比C/N的公式，不過，由于它是帶寬B的函數(shù)，因此缺乏一般性，對不同帶寬的系統(tǒng)不便于比較。,3.2 衛(wèi)星通信鏈路的C/T值,若改用載波功率與等效噪聲溫度之比C/T值表示，這就與帶寬B無關(guān)了，即(3-17) 因此，通常都把C/T值作為衛(wèi)星通信鏈路的一個重要參數(shù)。若Tt是接收系

18、統(tǒng)的等效噪聲溫度，則它包括上行鏈路的熱噪聲TU、下行鏈路的熱噪聲TD以及轉(zhuǎn)發(fā)器的交調(diào)噪聲TI。下面將分別進(jìn)行討論。,3.2.1 熱噪聲的C/T值1.上行鏈路的C/TU值根據(jù)式(3-17)得C/TU的值為 (3-18) (3-8)將式(3-8)代入式(3-18)得 (3-19),由式(3-19)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，故將它稱為衛(wèi)星接收機(jī)的性能因數(shù)(或品質(zhì)因數(shù))，通常簡寫為G/T。G/T值越大，C/T值越大，接收性能就越好。為了說明上行鏈路C/TU值與轉(zhuǎn)發(fā)器輸入信號功率的關(guān)系，在此引入轉(zhuǎn)發(fā)器靈敏度的概念。當(dāng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器達(dá)到最大飽和輸出時，其輸入端所需要的信號功率

19、，就是轉(zhuǎn)發(fā)器靈敏度，通常用功率密度WS來表示，即單位面積上的有效全向輻射功率,(3-20)或以分貝表示為(3-21) 以上討論的是衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器只放大一個載波的情況。而在頻分多址(FDMA)系統(tǒng)中，一個轉(zhuǎn)發(fā)器要同時放大多個載波。為了抑制因交調(diào)所引起的噪聲，需要使總輸入信號功率從飽和點(diǎn)減少一定數(shù)值，如圖3-2所示。,圖3-2 行波管的輸入、輸出特性,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(diǎn)的總輸出電平之差，稱為輸出功率退回或輸出補(bǔ)償；而把放大單個載波達(dá)到飽和輸出時的輸入電平與放大多個載波時工作點(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，因而由各地球站所發(fā)射

20、的EIRP總和，將比單載波工作使轉(zhuǎn)發(fā)器飽和時地球站所發(fā)射的EIRP小一個輸入補(bǔ)償BOI。假設(shè)以EIRPES表示轉(zhuǎn)發(fā)器在單載波工作時地球站的有效全向輻射功率，那么多載波工作時地球站的有效全向輻射功率的總和,EIRPEM應(yīng)為(3-22) 所以，將式(3-21)代入式(3-22)可得(3-23)與之相對應(yīng)的C/TU值用C/TUM表示，即,(3-24),2.下行鏈路的C/TD值在下行鏈路中，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器為發(fā)射系統(tǒng)，地球站為接收系統(tǒng)。用上述同樣的方法可以求得(3-25)式中，GRE/TD稱為地球站性能因數(shù)，常用GR/TD表示。,當(dāng)考慮到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器要同時放大多個載波時，為了減少交調(diào)噪聲，行波管放大器進(jìn)行輸入

21、補(bǔ)償時，輸出功率也應(yīng)有一定的補(bǔ)償值。因此，多載波工作時的有效全向輻射功率為(3-26)式中，EIRPSS是衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器在單載波飽和工作時的EIRP；BOO為輸出補(bǔ)償值。,由式(3-25)和式(3-26)可得(3-27) IS-衛(wèi)星輸入、輸出補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)值如下：對于全波束，BOO4.8 dB，BOI11 dB；對于點(diǎn)波束，BOO8.8 dB，BOI16 dB。,3、衛(wèi)星通信載波功率與噪聲功率比(小結(jié)) 1）、上行線路載噪比,式中等式右端第三項稱為衛(wèi)星接收機(jī)性能指數(shù)，表示接收性能的好壞。 2）、下行線路載噪比,式中等式右端第三項稱為地球站性能指數(shù)（品質(zhì)因數(shù)），表示地球站接收性能的好壞。,3）、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)

22、器載波功率與互調(diào)噪聲功率比 互調(diào)噪聲當(dāng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器同時放大多個信號載波時（頻分多址方式），由于“行波管放大器”的非線性使信號產(chǎn)生高次諧波而互相影響的互調(diào)產(chǎn)物，對其影響的頻帶來看就成為互調(diào)噪聲。,由于影響互調(diào)噪聲的因素較多，一般不能估算。,衛(wèi)星通信鏈路設(shè)計的主要目的就是盡量有效地在地球上兩個通信點(diǎn)之間提供可靠而又高質(zhì)量的連接手段，而衡量衛(wèi)星通信鏈路傳輸質(zhì)量最主要的指標(biāo)是衛(wèi)星通信鏈路中接收機(jī)輸入端的載波功率與噪聲的比值，即載噪比(簡記為C/N或CNR)。因此，在進(jìn)行衛(wèi)星通信鏈路的設(shè)計或分析時，為了滿足一定的通信容量和傳輸質(zhì)量，需要對接收機(jī)輸入端的載噪比提出一定的要求，而載噪比又與發(fā)射端的發(fā)射功率、天

23、線增益，傳輸過程中的各種損耗及引入的各種噪聲和干擾，以及接收系統(tǒng)的天線增益、噪聲性能等因素有關(guān)。此外，由于存在某些不穩(wěn)定因素(如降雨等)，因此載噪比的設(shè)計還要留有一定的余量。,5）、門限余量和降雨余量 考慮到實際衛(wèi)星通信線路上各種不穩(wěn)定因素影響，在設(shè)計通信線路時要留有一定的載噪比余量門限余量。 調(diào)頻鑒頻器門限余量 門限余量 降雨余量,調(diào)頻鑒頻器門限余量： （S/N）th= 10 dB 降雨余量： m 10 lg m = 4 dB 6 dB 在設(shè)計衛(wèi)星通信線路時應(yīng)留有門限余量為： E = C/T C/Tth,任何一條衛(wèi)星鏈路建立后，其參數(shù)值不可能始終不變，它經(jīng)常會受到氣象條件、轉(zhuǎn)發(fā)器和地球站設(shè)備

24、的某些不穩(wěn)定因素以及天線指向誤差等方面的影響。為了保證在這些因素變化后仍能使其通信質(zhì)量滿足要求，則必須留有一定的余量，這就是門限余量，以Mth表示，即(3-32) 上式說明Mth代表正常氣候條件下C/T超過門限值的分貝值。,3.3.1 主要通信參數(shù)的計算方法目前國際衛(wèi)星通信組織規(guī)定以數(shù)字衛(wèi)星系統(tǒng)傳輸質(zhì)量可靠性指標(biāo)的誤碼率Pe作為鏈路標(biāo)準(zhǔn)，比如傳輸話音的鏈路標(biāo)準(zhǔn)取誤碼率Pe104。由于在數(shù)字衛(wèi)星通信中大多采用PSK調(diào)制方式，通常為2PSK或QPSK，因此下面以PSK調(diào)制方式為例，介紹數(shù)字衛(wèi)星通信鏈路中主要通信參數(shù)的確定。,3.3 數(shù)字衛(wèi)星鏈路的計算,1.歸一化信噪比Eb/n0當(dāng)接收數(shù)字信號時，載

25、波接收功率與噪聲功率之比C/N可以寫成(3-35)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(jìn)制，則有ES=EblbM；RS為碼元傳輸速率(波特速率)；Rb為比特速率，且Rb=RSlbM；B為接收系統(tǒng)等效帶寬；n0為單邊噪聲功率譜密度。,2.誤碼率與歸一化信噪比的關(guān)系對于2PSK或QPSK，有如下關(guān)系：(3-36)當(dāng)Pe=104時，歸一化理想門限信噪比為(3-37)(3-38),3.門限余量當(dāng)僅考慮熱噪聲時，為保證誤碼率Pe=104，必須的理想門限歸一化信噪比為8.4 dB，則門限余量Mth可由下式來確定：(3-39) 考慮到TDMA地球站接收系統(tǒng)和衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器等設(shè)備特性不完

26、善所引起的性能惡化，必須采取門限余量作為保障措施。,4.接收系統(tǒng)最佳頻帶寬度B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(簡稱帶寬)為B的理想信道中，無碼間串?dāng)_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兩倍。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)RS。但為了減小碼間干擾，一般要求選取較大的頻帶寬度。通常取最佳帶寬為(3-40),5.C/T值滿足傳輸速率和誤碼率要求所需的C/T值為(3-41)用分貝表示為(3-42),3.3.2 PSK/TDMA方式1.數(shù)字鏈路參

27、數(shù)的計算例3-3 已知工作頻率為6/4 GHz，利用IS-衛(wèi)星，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器G/TS18.6 dB/K，WS72 dBW/m2，EIRPSS23.5 dBW，上行傳播衰減為200.6 dB，下行傳播衰減為196.7 dB?？紤]到衛(wèi)星行波管存在AM/AM和AM/PM轉(zhuǎn)換等非線性特性的影響會使誤碼率變壞，為此采取一些必要的輸入、輸出補(bǔ)償，取BOI6 dB，BOO2 dB。又知標(biāo)準(zhǔn)地球站GRE/TD40.7 dB/K，鏈路標(biāo)準(zhǔn)取誤碼率Pe104，d40000 km，Rb60 Mb/s。試計算QPSK-TDMA數(shù)字鏈路的參數(shù)。,解：(1)求接收系統(tǒng)的最佳帶寬B。根據(jù)式(3-40)，可得則取B35 MHz

28、。,(2)確定滿足傳輸速率和誤碼率要求所需的C/Tth值。當(dāng)要求Pe104時，有Eb/n08.4 dB?？紤]到差分譯碼引起的誤碼，取Eb/n010.4 dB，由式(3-38)得, (3)計算衛(wèi)星鏈路實際達(dá)到的C/T值。求地球站和衛(wèi)星有效全向輻射功率：由式(3-23)和式(3-26)分別求得EIRPE726200.63785.6 dBWEIRPS23.5221.5 dBW, 求C/T值：利用(3-26)式和(3-27)式，得C/TU85.6200.618.6133.6 dBW/KC/TD21.5196.740.7134.5 dBW/K 因為TDMA方式不存在多載波工作產(chǎn)生的交調(diào)干擾，所以可利用式

29、(3-31)得, (4)計算門限余量Mth。,2.信息速率的計算1)功率受限下的信息速率在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器功率受限的情況下，說明衛(wèi)星的有效全向輻射功率EIRPS是固定不變的。根據(jù)下行鏈路方程可以得到(3-43)或?qū)懗?(3-44)式中，RP為衛(wèi)星鏈路在功率受限條件下的信息傳輸速率；M為系統(tǒng)余量。,例3-4 已知EIRPSS23.5 dBW，工作頻率為6/4 GHz，LD196.7 dB(f4 GHz)。當(dāng)采用QPSK調(diào)制時，Eb/n08.4 dB，收端地球站性能因數(shù)GRE/TD40.7 dB/K，其它衰減Lr1.5 dB。試計算衛(wèi)星鏈路的信息傳輸速率。解：取M7.5 dB，因10 lgk228.6，

30、由式(3-44)得RP23.5196.78.41.540.7(228.6)7.578.7 dB即RP60 Mb/s,2)頻帶受限下的信息速率在衛(wèi)星頻帶受限的情況下，轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬與碼元速率之比可近似地表示為(3-45)或表示為Rb=BSlbM kWR(3-46),式中，BS為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬；Rb為帶寬受限條件下的信息速率；m為信息速率與碼元速率之間的關(guān)系，mlbM。對于QPSK調(diào)制(M4)，m2； kWR一般取1.2。,例3-5 已知IS-系統(tǒng)的一個轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬BS36 MHz， kWR1.2。試計算該系統(tǒng)的信息傳輸速率。解：將已知數(shù)據(jù)代入式(3-46)，可得Rb=10 lg3610610 lg21

31、0 lg1.278.2 dB即Rb60 Mb/s,3.系統(tǒng)容量的確定對于信息速率的計算，在功率受限和頻帶受限的情況下，所求的RP與Rb相差不多，都接近于60 Mb/s。這說明，若按照60 Mb/s確定系統(tǒng)容量，既可滿足功率受限條件的要求，又可滿足頻帶受限條件的要求。若計算結(jié)果出現(xiàn)RPRb的情況，而確定系統(tǒng)傳輸速率為Rb時，則表明衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功率尚有余量，可以采用MPSK調(diào)制。,在求得衛(wèi)星鏈路信息速率之后，便可根據(jù)幀周期、分幀數(shù)目等求出系統(tǒng)通路容量。衛(wèi)星鏈路一幀內(nèi)傳輸?shù)谋忍財?shù)一幀內(nèi)n路話音編碼后傳送的比特數(shù)一幀內(nèi)各分幀報頭所含的比特數(shù)若以R表示衛(wèi)星鏈路的比特數(shù)，以P表示每一分幀內(nèi)報頭所含的比特數(shù)

32、，以Rch表示每一話路編碼后的比特速率，以Tf表示幀周期，nf表示一幀內(nèi)的分幀數(shù)(站數(shù))，則上式可表示為 RTf=nRchnfP(3-47),經(jīng)整理后，可以得出系統(tǒng)容量為(3-48) 例3-6 以IS-系統(tǒng)參數(shù)為例，若取R=60 Mb/s，采用PCM編碼后，每話路的比特數(shù)為Rch=64 kb/s。已知共有10個站，P=150 bit，Tf=750 ms。試計算其系統(tǒng)容量。,解：根據(jù)式(3-48)得 如第2章所述，當(dāng)系統(tǒng)采用數(shù)字話音內(nèi)插技術(shù)時，可使容量達(dá)到1800個單向話路。,3.3.4 衛(wèi)星通信系統(tǒng)總體設(shè)計的一般程序假定使用的通信衛(wèi)星、工作頻段、通信業(yè)務(wù)類別、容量及站址等已確定，則衛(wèi)星通信系統(tǒng)

33、的設(shè)計程序如下：(1)確定傳送信號質(zhì)量。(2)根據(jù)總通信量確定使用的多址方式。(3)決定地球站天線直徑。天線直徑大，地球站G/T值高，轉(zhuǎn)發(fā)器利用率就高，頻帶就寬，地球站的建設(shè)費(fèi)用也高；相反，天線直徑小，地球站G/T值低，地球站成本也低。因此，對于中央大站，或者通信量大、質(zhì)量要求高的站，天線的尺寸相應(yīng)要大；對于邊遠(yuǎn)地區(qū)，通信量較小，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，采用小型天線能保證正常的通信即可。,(4)根據(jù)電話、電視等業(yè)務(wù)的要求，確定系統(tǒng)配置，包括各類附屬設(shè)備、專用設(shè)備以及地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)設(shè)備等。在此基礎(chǔ)上確定相應(yīng)的土建工藝要求，并向土建設(shè)計師提出。(5)按照相應(yīng)規(guī)范要求，確定總體系統(tǒng)指標(biāo)，并對各分系統(tǒng)提出分指標(biāo)

34、要求。(6)對各分系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行設(shè)計。,作為地球站設(shè)計工程師，對于上行鏈路應(yīng)特別注意發(fā)射機(jī)功率放大器位置的確定，以盡量減小傳輸線上的損耗；同時也要考慮功率放大器有較大的功率調(diào)整范圍。下行鏈路設(shè)計對地球站有著十分重要的作用，低噪聲接收機(jī)要盡量靠近饋源，提高G/T值，防止外部干擾信號進(jìn)入，系統(tǒng)增益分配要合理，系統(tǒng)匹配要良好，以提高通信質(zhì)量指標(biāo)。從某種意義上來說，地球站實際上是圍繞下行鏈路設(shè)計的。,1對地靜止衛(wèi)星采用L、C、Ku和Ka頻段，距離地面站的距離為38500 km。試求以下頻率的路徑損耗：(1)1.6 GHz/1.5 GHz；(2)6.2 GHz/4.0 GHz；(3)14.2 GHz/12

35、 GHz；(4)30 GHz/20 GHz。,習(xí) 題,2設(shè)某衛(wèi)星EIRPS32 dBW，下行頻率為4 GHz，d40000 km，地球站接收天線直徑D25 m，效率為0.7。試計算地球站接收信號的功率。3有哪幾種噪聲在衛(wèi)星通信中必須考慮？它們產(chǎn)生的原因是什么？4已知某衛(wèi)星鏈路上行載波噪聲比為23 dB，下行載波噪聲比為20 dB，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器上的載波交調(diào)噪聲比為24 dB。問總的載波噪聲比為多少？5設(shè)某地球站發(fā)射機(jī)末級輸出功率為2 kW，天線直徑為15 m，發(fā)射頻率為14 GHz，天線效率為0.7，饋線損耗為0.5 dB。試計算EIRP。,6設(shè)某地球站發(fā)射天線增益為63 dBi，損耗為3 dB，

36、有效全向輻射功率為87.7 dBW。試求出發(fā)射機(jī)輸出功率。7設(shè)發(fā)射機(jī)輸出功率為3 kW，發(fā)射饋線損耗為0.5 dB，發(fā)射天線直徑為25 m，天線效率為0.7，上行頻率為6 GHz，d40000 km，衛(wèi)星接收天線增益為5 dBi，接收饋線損耗為1 dB。若忽略大氣損耗，試計算衛(wèi)星接收機(jī)輸入端信號功率為多少 dBW。,8已知地球站EIRPE33 dBW，天線增益為64 dBi，工作頻率為14 GHz，接收系統(tǒng)G/T5.3 dB/K。若忽略其他損耗，試求衛(wèi)星接收機(jī)輸入端的載噪比C/N和C/T。9設(shè)某地球站接收天線直徑為30 m，天線效率為0.7，下行頻率為4 GHz，下行鏈路損耗為200 dB，衛(wèi)

37、星的EIRPS26 dBW，折算到地球站低噪聲放大器輸入端的系統(tǒng)噪聲溫度為50 K，接收機(jī)的等效噪聲帶寬為329 MHz。若不考慮接收饋線系統(tǒng)的損耗，試問低噪聲放大器輸入端的載噪比C/N為多少 dB？,10設(shè)某地球站天線直徑D30 m，效率為60，頻率為6 GHz，天線饋線損耗為1.3 dB，衛(wèi)星的G/TS17.6 dB/K，WS67 dBW/m2，設(shè)BOI5 dB。試計算EIRPEM和C/TUM。11設(shè)某地球站工作頻率為4 GHz，接收天線直徑D30 m，效率為70，天線噪聲溫度(仰角5時)TA47 K，饋線損耗LFR1 dB，冷參放大器噪聲溫度為20 K，衛(wèi)星的EIRPSS13.9 dBW。試求C/TDM(d=40000 km)。,12已知IS-衛(wèi)星系統(tǒng)，其工作頻