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1、通信卫星链路计算,山东大学,内容提要,卫星链路解释及其研究目的卫星链路的分类卫星链路计算的任务影响卫星链路的若干因素卫星链路计算典型卫星通信系统链路计算实例,卫星链路解释及其研究目的,卫星通信的显著特点是通信距离远，电磁波在传播时受到极大的衰减。仅自由空间损耗就达200db，地球站收到的信号通常只有几个微瓦。因此卫星通信中噪声的影响是非常重要的问题。链路计算的目的：尽量有效地在两个地球站之间提供可靠而高效的连接手段，为此，发送站发出的信号到达接受站时，必须具备足够高的电平，而且不管对通信质量的总噪声影响如何，都要保证必须的业务质量。链路所需的载噪比用 表示。是随特定的系统和系统的用途而异。载噪
2、比涉及到发端功率，收发两端天线增益，传输过程中的各种损耗、噪声及干扰、气象条件等因素。,卫星链路的分类,卫星链路通常分为三大类，分别是：固定卫星业务通信链路；移动通信卫星链路；星际卫星链路。,卫星链路计算的任务,卫星通信链路计算通常分为两类，分别是：1，已知转发器及地球站的基本参数，计算地球站能得到的载噪比及其应发射的。系统容量的计算，即一个转发器能容纳多少载波（话路），通常从功率角度和频带角度出发计算，两种结果取最小者。功率角度：一般是按转发器总的 及每个载波要求的；频带角度：按转发器总的带宽及每个载波要求占的带宽。2，已知转发器的基本参数以及根据接收机输出信噪比 或 所提出的对 的要求（或
3、由门限 以及门限备余量 所提出的对 的要求），确定地球站天线尺寸、接收机噪声性能、发射功率等。,影响卫星链路的主要因素,影响卫星链路质量的主要因素有如下几个：自由空间传播损耗；链路中各种噪声；电离层的法拉第效应；降雨损耗；多径和阴影遮蔽效应；多普勒频移；各种交调干扰。,卫星链路计算,发射机,接收机,卫星,上行载噪比,下行载噪比,交调、干扰载噪比,待发送信号,接收信号,国际无线电咨询委员会（CCIR）规定了利用卫星通信系统作为洲际通信的标准链路模型。链路模型：地球站-卫星-地球站,通常总的卫星链路 由三部分合成的：上行链路 计算；下行链路 计算；交调、干扰链路 计算。其中 是真值，而非dB值，计
4、算时一定要注意。下边分别对之进行讨论。,卫星链路计算,几个关键因子介绍,在计算卫星链路之前，先介绍几个必要的因子：天线增益G；,：卫星天线增益,：地面站天线增益,天线增益：,：天线直径,：天线效率,：天线接收的无线电波长,几个关键因子介绍,2，自由空间传输损耗（通信距离方程）在卫星通信中，电波主要是在大气层以外的自由空间传播，大气层只占很小的一部分，因此首先研究的是自由空间传播损耗，在此基础上再考虑大气层及其他损耗。自由空间损耗用下式计算：,d:卫星-地面站距离(m)；：电磁波波长(m),当用d(km)、f(GHz)且用dB(即以10为底的对数)表达时:,f:电磁波频率(Hz)；c:光速。,单
5、位：dB,几个关键因子介绍,3，有效全向辐射功率典型的卫星通信系统组成图如下图所示：,发射机,地球站或通信卫星,接收机,通信卫星或地球站,定义有效全向辐射功率为：写成dB形式为：,接收机输入端的噪声功率,因为接收机使用了高增益天线和低噪声放大器，内部噪声的影响相对很弱。因此外部噪声就成了主要因素了。接收机的外部噪声主要有以下几个方面：天线噪声。包括宇宙噪声、大气噪声、降雨噪声、天线损耗噪声、天电噪声、天线罩噪声及天线副瓣收到的地面噪声等。干扰噪声。主要包括来自其他通信系统的干扰噪声和人为干扰噪声。上行链路噪声和转发器非线性产生的交调噪声。内部噪声主要来自馈线、放大器和下变频器等。因此输入端的噪
6、声功率为,波尔兹曼常数：,等效温度：,等效带宽：,接收机输入端的载噪比,写成dB形式就是：,由于噪声功率N是带宽B的函数，缺乏一般性，对不同带宽的系统不便于比较，实际中经常使用 表达载噪比。,称为品质因子,(1-01),载噪比三个表达式的关系,上行链路 计算,由(1-01)公式的上行链路,地球站有效全向辐射功率卫星天线品质因子上行自由空间损耗,注意：该公式计算的是单载波的情况,通常在计算上行链路载噪比时，会使用到转发器灵敏度的概念。转发器灵敏度是指当卫星转发器达到最大饱和输出时，其输入端所需要的信号功率。用功率密度 表示，即单位面积上的有效全向辐射功率。,或者以dB形式表达为,上行链路 计算,
7、在FDMA系统中，一个转发器通常要同时转发多个载波。为了减小因交调产生的噪声，需要使总的输入信号功率从饱和点减小一定的数值，即进行输入补偿，是转发器工作在线性部分。,用 表示转发器在单载波工作时的数值，则多载波工作时的数值应为，所以，,最后就得到了多载波的载噪比,下行链路 计算,与上行链路计算相似，求得单载波时的载噪比,转发器有效全向辐射功率下行自由传输损耗,地面站天线品质因子,同样在FDMA系统下，转发器输出功率也有一定输出补偿。因此，多载波工作时，转发器的有效全向辐射功率为：,转发器在单载波饱和工作时的有效全向辐射功率,上行、下行链路载噪比计算,上行、下行链路载噪比计算,为使卫星单载波饱和
8、输出所必须的地球站EIRP dB,实际工作点，地球站EIRP总和的 dB,输入补偿；,卫星单载波饱和输出EIRP dB,实际工作点时，卫星总的输出EIRP dB,卫星天线品质因子,地球站天线品质因子,输出补偿,上行、下行链路载噪比计算,对于上行、下行链路载噪比计算公式可总结出如下的统一公式：,T：发端R：收端,交调噪声的,通常用实验的方法或计算机模拟的方法获得载波公率与互调噪声平均功率谱密度比，并用等效噪声温度折算，即,通常，输入补偿值的改变会影响上行、下行、交调干扰载噪比的值，下列图清楚地表示它们地关系,一般通过输入补偿值根据这个图得出交调干扰载噪比。,门限余量,门限载噪比 就是解调器输出的
9、被恢复的基带信号质量的最低要求值。但是，任何卫星通信系统建成之后，它的参数并不是一成不变的，它还会经常地受到气象条件、转发器及地球站设备某些不稳定因素的影响。因此，为了在这些因素变化后仍能正常工作，必须留有一定的余量。,降雨余量,在上行链路时，卫星发射会时刻受到监控站的监控，地球站也将随时得到监控站的指令，对发射功率加以调整。因此，上行链路电波的衰减对上行载噪比的影响较容易得到解决。在下行链路时，特别是地球站使用高增益天线及低噪声放大器时，下行链路本身的噪声在正常工作时已不是很大，而降雨、降雪等气象因素对下行链路就产生了显著影响。故系统设计中的降雨余量备份是针对下行链路 提出的，而认为降雨对上
10、行链路 的影响不予考虑。,降雨余量,降雨余量的含义是：降雨时下行线路的 可容许恶化多少倍（用m倍表示）或说应有多大的余量才能使卫星通信链路总的 仍保持在门限的水平上。降雨备余量为：,门限余量与降雨余量的关系,定义r为折算到地球站接收机输入端的上行、互调干扰噪声功率之和与下行噪声功率之比。,结合门限余量可得,其中,链路计算实例,本节分别给出了国际卫星通信系统的模拟制和数字制两种链路计算实例。模拟制以SCPC-FM-FDM方式为例；数字制以SCPC-PSK-TDMA方式为例。,模拟制,1，模拟制电话链路标准CCIR对卫星通信系统的标准参考链路在传输电话和电视方面。对电话链路，在零相对电平点（即电话
11、通路中试验者信号电平为0 dBm的点）所允许的噪声功率作了如下建议：任一小时的平均噪声功率不超过10000 pw(加权值);在一昼夜的20以上的时间中，每分钟的平均噪声功率不超过l0 000 pw(加权值);在任一个月的0.3以上的时间中，每分钟的平均噪声功率不超过50 000 pw(加权值);在任一年的0.03以上的时间中，积分时间为5ms的噪声功率不超过1 000 000pw(非加权值)。,IS-，IS-,IS-系统噪声分配（pW0p）,以零相对电平点10 000pW0p的噪声功率，换算成噪声电平为,模拟制,模拟制,模拟制卫星链路计算的一般步骤为：根据输出的要求信噪比计算所需的载比；计算门
12、限值；计算卫星链路实际达到的;计算每一载波的 和 值；计算系统可容纳的载波数 n。,IS-卫星链路计算,IS-卫星的参数如下表：,卫星链路噪声取 7500 pW.,IS-卫星链路计算,1,根据卫星噪声功率计算所需的,又知压扩器对信噪比可改善17 dB，则,IS-卫星链路计算,2，计算门限值,IS-卫星链路计算,3，卫星链路实际的,多载波时，卫星输出饱和有效全向辐射功率为：,多载波时，卫星饱和输入的有效全向辐射功率为：,上行、下行、互调载噪比,根据IS-卫星典型 曲线查得,所以，总载噪比为：,IS-卫星链路计算,4，每载波的,因此，地球站可少发25.9（dBW/K）,与此对应的各 均降低25.9
13、(dBW/K).降低后总的载噪比为：,相应门限余量为：,IS-卫星链路计算,5，系统可容纳的载波数,因为,所以该系统可容纳389路电话。,IS-卫星链路计算,数字制,数字制卫星链路计算与模拟制大同小异，只是在第一步计算输出信噪比时，根据误码率归一化信噪比，据此计算出门限载噪比。其他步骤则与模拟制相似。在此就不具体计算了。,参考资料,1吕海寰、蔡剑明等，卫星通信系统，人民邮电出版社，20032张更新、张杭等，卫星移动通信系统，人民邮电出版社，20013王秉钧、王少勇等，现代卫星通信系统，电子工业出版社，20044刘国梁、荣昆璧，卫星通信，西安电子科技出版社，19945Rodger E.Ziemer、Roger L.Peterson，数字通信基础（第二 版），机械工业出版社，2005,
