衛(wèi)星通信 第3章

1、1 1 第3章 衛(wèi)星通信鏈路設計 3.1 接收機輸入端的載噪比接收機輸入端的載噪比 3.2 衛(wèi)星通信鏈路的衛(wèi)星通信鏈路的C/T值值 3.3 數(shù)字衛(wèi)星鏈路的計算數(shù)字衛(wèi)星鏈路的計算 習題習題 2 2 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)星轉發(fā)器和下行鏈路。上行 鏈路的信號質量(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。 3 3 衛(wèi)星通信鏈路設計的主要目的就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量的連接手段，而衡 量衛(wèi)星

2、通信鏈路傳輸質量最主要的指標是衛(wèi)星通信鏈路中 接收機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，在進行衛(wèi)星通信鏈路的設計或分析時， 為了滿足一定的通信容量和傳輸質量，需要對接收機輸入 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。此外，由于存在某些不穩(wěn)定因素(如降雨等)，因此載噪 比的設計還要留有一定的余量。 4 4 3.1.1 接收機輸入端的載波功率接收機輸入端的載波功率 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，記做C，C以 dBW(

3、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)射機的有效全向輻射功率 (dBW)。 3.1 接收機輸入端的載噪比接收機輸入端的載噪比 5 5 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耗LFR(dB)、大氣損耗La(dB)、 其它損耗Lr(dB)，則接收機輸入端的實際載波接收功率 C(dBW)可以表示為 C=PTLFTGTGR LPLFRLaLr (3-3) 6 6 例例3-1 已

4、知IS-號衛(wèi)星作點波束1872路運用時，其 有效全向輻射功率EIRPS34.2 dBW，接收天線的增益 GRS16.7 dBi。又知某地球站有效全向輻射功率 EIRPE98.6 dBW，接收天線的增益GRE60.0 dBi。 接收饋線損耗LFRE0.5 dB。試計算衛(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：若上行鏈路工作頻率為6 GHz，下行鏈路工作頻 率為4 GHz，距離d40000 km，則利用式(1-8)可求得上行 鏈路自由空間傳播損耗LPU為 7 7 LPU200.04 dB 下行鏈路自由空間傳播損耗LPD為 LPD196.52 dB 利用

5、式(3-3)(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 CSEIRPEGRSLPU84.74 dBW 地球站接收機輸入端的載波接收功率CE(忽略 La和Lr)為 CEEIRPSGRELPDLFRE 102.82 dBW 8 8 3.1.2 接收機輸入端的噪聲功率接收機輸入端的噪聲功率 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，使接收機內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同時予 以考慮。 地球站接收機的噪聲來源如圖3-1所示，可分為外部噪 聲和內部噪聲兩大類

6、。 9 9 圖3-1 地球站接收機的噪聲源 10 10 外部噪聲主要有如下幾種： (1)宇宙噪聲。宇宙噪聲主要包括銀河系輻射噪聲，太 陽射電輻射噪聲，月球、行星及射電點源的射電輻射噪聲。 衛(wèi)星工作頻率在1 GHz以下時，銀河系輻射噪聲影響較大， 故一般就將銀河系噪聲稱為宇宙噪聲。 (2)大氣噪聲。大氣除了產(chǎn)生吸收現(xiàn)象外，還同時產(chǎn)生 噪聲。通常天線波束內的大氣，將在天線輸出上產(chǎn)生隨入 射角而變化的大氣噪聲。這種影響在入射角小時，將急劇 增加。 11 11 (3)降雨噪聲。降雨除了會引起無線電波的損耗外，同 時也會產(chǎn)生噪聲。實踐證明，衛(wèi)星工作頻率在4 GHz時，噪 聲溫度的上升最大可達100 K。

7、國際衛(wèi)星通信組織設計4 GHz接收系統(tǒng)時，為了避免暴雨的影響，考慮到天線口徑 通常都小于10 m，其降雨噪聲余量通常取12 dB。 (4)干擾噪聲。這是來自其它地面通信系統(tǒng)的干擾電波 引起的噪聲。按CCIR的規(guī)定，任意1h內干擾噪聲的平均值 應該在1000 pW以下。 12 12 (5)地面噪聲。在天線副瓣較大的情況下，會混進來一 些直接由地面溫度引起的噪聲以及由地面反射的大氣噪聲， 這些噪聲叫做地面噪聲。通過天線設計，可以把此噪聲溫 度控制在320 K。 (6)上行鏈路噪聲和轉發(fā)器交調噪聲。上行鏈路噪聲主 要由轉發(fā)器接收系統(tǒng)產(chǎn)生，其大小取決于衛(wèi)星天線增益和 接收機噪聲溫度。轉發(fā)器交調噪聲主要

8、是由于行波管放大 器同時放大多個載波，因非線性特性而產(chǎn)生的。這些噪聲 將隨信號一起，經(jīng)下行鏈路而進入接收系統(tǒng)。 此外，還有天電噪聲、太陽噪聲、天線罩噪聲等。 13 13 接收系統(tǒng)內部的噪聲，主要來自饋線、放大器和變頻 器等部分。 由電子線路分析可知，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，進入接收系統(tǒng) 的噪聲功率應為 N=kTtB(3-4) 式中，N為進入接收系統(tǒng)的噪聲功率；Tt為天線的等效 噪聲溫度；k=1.381023J/K為波爾茲曼常數(shù)；B為接收系 統(tǒng)的等效噪聲帶寬。 14 14 3.1.3 接收機輸入端的載噪比與地球站性能因數(shù)接收機輸入端的載噪比與地球站性能因

9、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。衛(wèi)星通 信也是這樣。由于在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，其接收機收到的不 是調頻信號就是數(shù)字鍵控信號，因此接收機收到的信號功 率可以用其載波功率C來表示。對于調頻信號，載波功率等 于調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。 15 15 根據(jù)前面已經(jīng)求出的接收機輸入端的載波功率和噪聲 功率，可以直接列出接收機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=PT GT。 BkTL GGP N C tP RTT 1

10、BkTGL N C tRP lg10EIRP 16 16 1.衛(wèi)星轉發(fā)器接收機輸入端的衛(wèi)星轉發(fā)器接收機輸入端的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)星轉發(fā)器接收天線的增益為GRS，衛(wèi) 星轉發(fā)器接收系統(tǒng)的饋線損耗為LFRS，大氣損耗為La， 則衛(wèi)星轉發(fā)器接收機輸入端的載噪比C/NS為 (3-7) 式中，TS為衛(wèi)星轉發(fā)器輸入端的等效噪聲溫度；BS為 衛(wèi)星轉發(fā)器接收機的帶寬。 SSaFRSRSPUE S lg10EIRPBkTLLGL N C 17 17 若GRS中計入了LFRS，則該GRS稱為有效天線

11、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) SSRSUE S lg10EIRPBkTGL N C 18 18 2.地球站接收機輸入端的地球站接收機輸入端的C/NE 對于下行鏈路，衛(wèi)星轉發(fā)器為發(fā)射系統(tǒng)，地球站為接 收系統(tǒng)。設衛(wèi)星轉發(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，則地球站接收機輸入端的載噪比C/NE為 (3-9) 式中，Tt為地球站接收機輸入端等效噪聲溫度，B為地 球站接收機的頻帶寬度。 BkTGL N C t lg10EIRP REDS E 19 19 式(3

12、-9)是整個衛(wèi)星鏈路計算的綜合效果。應該指出， 折算到地球站接收系統(tǒng)輸入端的噪聲Nt不僅包括了地球接收 系統(tǒng)本身的噪聲ND，還包括了上行鏈路噪聲NU和轉發(fā)器的 交調噪聲NI。雖然這三部分噪聲到達接收機輸入端時已經(jīng) 混合在一起，但因各部分噪聲之間彼此是獨立的，所以計 算噪聲功率時，可以將三部分相加，即 Nt=NUNIND=k(TUTITD)B=kTtB(3-10) 則有 Tt=TUTITD(3-11) 式中，TU、TI和TD分別表示上行鏈路、衛(wèi)星轉發(fā)器和下 行鏈路的噪聲溫度。 2020 令 (3-12) 則 Tt=(1r)TD(3-13) 將式(3-13)代入式(3-9)，得 (3-14) D

13、IU T TT r BTrkGL N C DREDS E 1lg10EIRP 21 21 當只計下行鏈路本身的噪聲時，則得 (3-15) 所以，不難得出C/ND與C/NE的關系為 (3-16) 式(3-16)表明，當計入上行鏈路噪聲和轉發(fā)器交調噪聲 后，C/NE的值有所下降。 r N C N C 1lg10 ED BkTGL N C DREDS D lg10EIRP 2222 3.地球站性能因數(shù)地球站性能因數(shù)G/T 當轉發(fā)器設計好了之后，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，則接收機輸入端載波噪聲比C/N將取決于地球站的 性能因數(shù)GRE/T

14、D，通常簡寫為G/T。顯然G/T的值越大，C/N 的值越高，表明接收系統(tǒng)的性能就越好。 2323 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量等方面的指標已經(jīng)確定， 那么接收機輸入端要達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)星通信鏈路的衛(wèi)星通信鏈路的C/T值值 2424 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

15、關了，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以及轉發(fā)器的交調噪聲TI。 下面將分別進行討論。 Bk N C T C 2525 3.2.1 熱噪聲的熱噪聲的C/T值值 1.上行鏈路的上行鏈路的C/TU值值 根據(jù)式(3-17)得C/TU的值為 (3-18) 將式(3-8)代入式(3-18)得 (3-19) kB N C T C lg10 S SU S RS UE U EIRP T G L T C 2626 由式(3-19)可以看出，GRS/TS值的大小直接關系到衛(wèi)星 接收性能的好

16、壞，故將它稱為衛(wèi)星接收機的性能因數(shù)(或品 質因數(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值與轉發(fā)器輸入信號功率 的關系，在此引入轉發(fā)器靈敏度的概念。當衛(wèi)星轉發(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 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 2727 (3-20) 或以分貝表示為 (3-21) 以上討論的是衛(wèi)星轉發(fā)器只放大一個載波的情況。而 在頻分多址(FDMA)系統(tǒng)中，一個轉發(fā)器要同時放大多個載 波。為了抑制因交調所引起的噪聲，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。 2

17、U E 22 E 2 E S 4EIRP4 4 EIRP 4 EIRP L d d W 2 UES 4 lg10 LEIRPW 2828 圖3-2 行波管的輸入、輸出特性 2929 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，因而由各地球 站所發(fā)射的EIRP總和，將比單載波工作使轉發(fā)器飽和 時地球站所發(fā)射的EIRP小一個輸入補償BOI。假設 以EIRPES表示轉發(fā)器在單載波工作時地球站的有效全 向輻

18、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 3030 EIRPEM應為 (3-22) 所以，將式(3-21)代入式(3-22)可得 (3-23) 與之相對應的C/TU值用C/TUM表示，即 I ESEM BOEIRPEIRP 2 ISEM 4 lg10BOEIRP F LW 31 31 (3-24) 很顯然，C/TUM是WS、BOI和GRS/TS 的函數(shù)。如果保持BOI和GRS/TS不變，降低轉發(fā)器 的靈敏度，就意味著要使轉發(fā)器達到同樣大的輸出，應該 加大WS，或加大地球站發(fā)射功率。當然，這時C/TUM也 要相應地提高。 2 S RS IS S RS UEM UM 4 lg10

19、EIRP T G BOW T G L T C 3232 為此，在衛(wèi)星轉發(fā)器(如IS-和IS-)上一般都裝有可 由地面控制的衰減器，以便可以調節(jié)它的輸入，使C/T UM與地球站的EIRPE得到合理的數(shù)值。 應該強調指出，當衛(wèi)星上的行波管進行多載波放大時， 用C/TUM表示與各載波的總功率相對應的C/T值，以區(qū) 別于某一載波的C/TU。 3333 2.下行鏈路的下行鏈路的C/TD值值 在下行鏈路中，衛(wèi)星轉發(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。 D RE DS D EIRP T G L T C 3434

20、 當考慮到衛(wèi)星轉發(fā)器要同時放大多個載波時，為了減 少交調噪聲，行波管放大器進行輸入補償時，輸出功率也 應有一定的補償值。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)星轉發(fā)器在單載波飽和工作時 的EIRP；BOO為輸出補償值。 O SSSM BOEIRPEIRP 3535 由式(3-25)和式(3-26)可得 (3-27) IS-衛(wèi)星輸入、輸出補償?shù)臉藴手等缦拢?對于全波束，BOO4.8 dB，BOI11 dB； 對于點波束，BOO8.8 dB，BOI16 dB。 D R DOSS DM BOEIRP T G L T C 3636 3.2.2 交調噪聲的交調噪聲

21、的C/T值值 衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用FDMA方式，由于在轉發(fā)器中輸出 行波管放大器的非線性，因此會在同時放大多個不同頻率 的載波時產(chǎn)生交調噪聲，并像熱噪聲那樣會影響到信息的 傳輸質量。而交調噪聲的大小則取決于行波管放大器的工 作狀態(tài)。 當各載波均受調制時，頻譜的分布很廣。如果近似認 為衛(wèi)星通信的交調噪聲是均勻分布的，則可以采用與熱噪 聲類似的處理方法，求得載波互調噪聲比。也可以用C/N I或C/TI來表示為 3737 (3-28) 它的大小取決于行波管的非線性特性、工作狀態(tài)、被 同時放大的各載波的頻譜、各載波的位置以及傳輸帶寬等 因素。當同時考慮這些因素的時候，問題的分析是非常復 雜的。 B N C

22、 Bk N C T C 6 .228lg10lg10 III 3838 一般情況下，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的情況卻相反。例如，當輸 入補償減小時，EIRPS會增大，這時可使C/TD得到 相應的改善，然而C/TI會因行波管的非線性而降低，如 圖3-3所示。因此，為了使衛(wèi)星通信鏈路得到最佳的傳輸特 性，必須適當選擇補償值的大小。顯然，選擇最佳工作點 的問題，在衛(wèi)星通信鏈路設計中是個極其重要的問題。 3939 圖3-3 C/TUM、C/TDM、C/TIM及C/TtM與BOI的關 系 4040 3.2.

23、3 衛(wèi)星鏈路的衛(wèi)星鏈路的C/T值值 由式(3-9)可推得整個衛(wèi)星鏈路的C/T為 (3-29) 當求出上行鏈路、下行鏈路和交調噪聲的C/T值之后， 便可求得整個衛(wèi)星鏈路的C/T值。即由式(3-11)可以推得 (3-30) D RE REDS t )1 ( EIRP Tr G GL T C DIUt 1111 T C T C T C T C 41 41 或 (3-31) 不難看出，輸入補償?shù)淖兓坏珪笴/TU和C/TI變化， 同時還要影響到C/TD和C/Tt也發(fā)生變化。由圖3-3中的曲線 可看出，圖中曲線是根據(jù)IS-衛(wèi)星轉發(fā)器同時放大多個載 波時的情況畫出的。若以某一WS作為標準值，均勻改變地

24、球站的EIRPE和轉發(fā)器的輸入補償BOI，不但C/T UM、C/TIM、C/TDM都隨著變化， 1 D 1 I 1 U 1 t T C T C T C T C 4242 求出的C/TtM也將隨著變化。如圖3-3中曲線所示，由于 C/TIM隨BOI的變化和C/TDM相反，因此當BO I改變時，會使C/TtM出現(xiàn)一個最佳值。在IS-衛(wèi)星系統(tǒng) 中，C/TtM等于最佳值時，BOI11 dB。這是IS- 轉發(fā)器選擇工作點時的一個重要依據(jù)。當然，在實際工作 中衛(wèi)星轉發(fā)器工作點的選擇，還應考慮增益的調節(jié)以及其 它因素的影響。 4343 3.2.4 門限余量和降雨余量門限余量和降雨余量 以上討論的只是如何計算

25、衛(wèi)星鏈路的C/T值問題。如果 對傳輸質量已提出了一定要求，便可求出滿足該質量指標 要求的C/T值。通常把容許的最低C/T值稱為門限，用C/T th表示。在進行衛(wèi)星鏈路設計時，則應合理地選擇系統(tǒng)中各 部分電路的組成，以便使實際可能達到的C/T值超過門 限值C/Tth。 4444 但是，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、轉發(fā)器和地球站設備的 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

26、貝值。 th th T C T C M 4545 在各種氣象條件變化中，影響最大的是雨、雪等引起 的傳播損耗和噪聲的增加，而且吸收體在常溫條件下，每 0.1 dB的衰減將會產(chǎn)生大約7 K的噪聲。特別是在地球站接 收系統(tǒng)使用高增益天線和低噪聲放大器的情況下，下行鏈 路本身的噪聲在正常工作時已不很大，因而降雨使信號的 衰減和熱噪聲的增加，將對下行鏈路參數(shù)產(chǎn)生顯著的影響。 降雨余量就是針對這一情況而留取的。 4646 降雨使噪聲增加的結果是使C/TD減小。假定降雨 使下行鏈路噪聲增加到原來噪聲的MR倍，而其它C/T值(即 C/TU和C/TI)保持不變，即下行噪聲溫度由TD增加 到TDMRTD，顯然T

27、D應為 因此，降雨余量應為 (3-33) 若用分貝表示，降雨余量為MR=10 lgMR。 )( IUthD TTTT 1 D 1 I 1 U 1 th D D R / / TC TCTCTC T T M 4747 將式(3-12)代入式(3-33)，可得出門限余量Mth與降雨余 量MR之間的關系為 (3-34) 另外，對于上行鏈路，在實際系統(tǒng)中由于衛(wèi)星發(fā)射功 率會時刻受到監(jiān)控站的監(jiān)視，地球站也將隨時得到監(jiān)控站 的指令，要對發(fā)射的功率加以調整。因此，上行鏈路電波 的衰減對C/TU的影響比較容易解決。 r rM M 1 R th 4848 3.3.1 主要通信參數(shù)的計算方法主要通信參數(shù)的計算方法

28、目前國際衛(wèi)星通信組織規(guī)定以數(shù)字衛(wèi)星系統(tǒng)傳輸質量 可靠性指標的誤碼率Pe作為鏈路標準，比如傳輸話音的鏈 路標準取誤碼率Pe104。由于在數(shù)字衛(wèi)星通信中大多采 用PSK調制方式，通常為2PSK或QPSK，因此下面以PSK調 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)星鏈路的計算數(shù)字衛(wèi)星鏈路的計算 4949 1.歸一化信噪比歸一化信噪比Eb/n0 當接收數(shù)字信號時，載波接收功率與噪聲功率之比C/N 可以寫成 (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=

29、RSlbM；B為接收系統(tǒng)等效 帶寬；n0為單邊噪聲功率譜密度。 Bn RME Bn RE Bn RE N C 0 S2b 0 SS 0 bb t log 5050 2.誤碼率與歸一化信噪比的關系誤碼率與歸一化信噪比的關系 對于2PSK或QPSK，有如下關系： (3-36) 當Pe=104時，歸一化理想門限信噪比為 (3-37) (3-38) 0 b e cerf1 2 1 n E P dB4 . 8 th 0 b n E b 0 b th lg10lg10Rk n E T C 51 51 3.門限余量門限余量 當僅考慮熱噪聲時，為保證誤碼率Pe=104，必須的理 想門限歸一化信噪比為8.4 d

30、B，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)星轉發(fā)器等設備特 性不完善所引起的性能惡化，必須采取門限余量作為保障 措施。 4 . 8 0 b TH 0 b 0 b tht th n E n E n E N C N C M 5252 4.接收系統(tǒng)最佳頻帶寬度接收系統(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)奈奎斯特速率準則，在頻帶寬度(簡稱帶寬)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 帶寬度的兩倍。因此，為了實現(xiàn)對PSK信號的理想解調，系 統(tǒng)理想

31、帶寬應等于波形傳輸速率(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) M R RB 2 b S log 25. 105. 1 25. 105. 1 5353 5.C/T值值 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) b 0 b tt Rk n E Bk N C T C b 0 b t lg10lg10Rk n E T C 5454 3.3.2 PSK/TDMA方式方式 1.數(shù)字鏈路參數(shù)的計算數(shù)字鏈路參數(shù)的計算 例例3-3 已知工作頻率為6/4 GHz，利用IS-衛(wèi)星，衛(wèi)星 轉發(fā)器G/TS18.6 d

32、B/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。考慮到衛(wèi)星行波管存在AM/AM和 AM/PM轉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、輸出補償，取BOI6 dB，BO O2 dB。又知標準地球站GRE/TD40.7 dB/K，鏈路標 準取誤碼率Pe104，d40000 km，Rb60 Mb/s。試計算 QPSK-TDMA數(shù)字鏈路的參數(shù)。 5555 解：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。 5 .375 .31 2 6025. 105. 1 B 5

33、656 (2)確定滿足傳輸速率和誤碼率要求所需的C/Tth值。 當要求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 4 .1408 .776 .2284 .10lg10lg10 b 0 b th Rk n E T C 5757 (3)計算衛(wèi)星鏈路實際達到的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 dBW EIRPS23.5221.5 dBW 5858 求C/T值： 利用(3-26)式和(3-27)式，得 C/TU85.6200.618.61

34、33.6 dBW/K C/TD21.5196.740.7134.5 dBW/K 因為TDMA方式不存在多載波工作產(chǎn)生的交調干擾， 所以可利用式(3-31)得 dBW/K1 .1371010lg10 45.1336.13 t T C 5959 (4)計算門限余量Mth。 dB3 . 3)4 .140(1 .137 tht th T C T C M 6060 2.信息速率的計算信息速率的計算 1)功率受限下的信息速率 在衛(wèi)星轉發(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) 或寫成 )lg(10EIRP REDS 0 b MkTBG

35、L n E 61 61 (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。 lg10EIRP D RE 0 DSP Mk T G n E LR b 6262 例例3-4 已知EIRPSS23.5 dBW，工作頻率為6/4 GHz，LD196.7 dB(f4 GHz)。當采用QPSK調制時， 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：解：取M7.5 dB，因10 lgk228.6，由式(3- 44)得RP23.5196.78.41.540.7(228.6) 7.578.

36、7 dB 即 RP60 Mb/s 6363 2)頻帶受限下的信息速率 在衛(wèi)星頻帶受限的情況下，轉發(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) m R B M R B k b S 2 b S WR log 6464 式中，BS為衛(wèi)星轉發(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系，mlbM。 對于QPSK調制(M4)，m2； kWR一般取1.2。 6565 例例3-5 已知IS-系統(tǒng)的一個轉發(fā)器帶寬BS36 MHz， kWR1.2。試計算該系統(tǒng)的信息傳輸速率。 解：解：將已知數(shù)據(jù)代入式(3-46)，可得 Rb=

37、10 lg3610610 lg210 lg1.278.2 dB 即 Rb60 Mb/s 6666 3.系統(tǒng)容量的確定系統(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)星轉發(fā)器的功率尚有余量，可以采 用MPSK調制。 6767 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)星鏈路一幀內傳輸?shù)谋忍財?shù)一幀內n路話音編碼后 傳送的比特

38、數(shù)一幀內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表示每一分幀內報 頭所含的比特數(shù)，以Rch表示每一話路編碼后的比特速率， 以Tf表示幀周期，nf表示一幀內的分幀數(shù)(站數(shù))，則上式可 表示為 RTf=nRchnfP(3-47) 6868 經(jīng)整理后，可以得出系統(tǒng)容量為 (3-48) 例例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。 f f T Pn R R n ch 1 6969 解：解：根據(jù)式(3-48)得 如第2章所述，當系統(tǒng)采用數(shù)

39、字話音內插技術時，可 使容量達到1800個單向話路。 )(900 10750 15010 1060 1064 1 6 6 3 單向話路 n 7070 3.3.3 SCPC/PSK/FDMA方式方式 SCPC衛(wèi)星通信方式主要適用于那些地址數(shù)較多，但業(yè) 務量很小的地球站。如SCPC/PSK方式，它以一個載波只傳 輸一路數(shù)字電話或相當于一路數(shù)字電話的數(shù)據(jù)。如果信道 采用預分配方式，與SPADE(即SCPC/PCM/DA/FDMA)方式 相比，由于它不使用計算機或交換機等按呼叫分配鏈路的 設備，因而系統(tǒng)簡單，成本低。例如在IS-和IS-系統(tǒng)中， 將一個帶寬為36 MHz的轉發(fā)器用于傳輸SCPC/PSK

40、信號， 載波間隔定為45 kHz，則大約可安排800個通路(載波)。 71 71 例例3-7 在IS-系統(tǒng)中，設工作頻率為6/4 GHz，在一個 帶寬為36 MHz的轉發(fā)器內，共安排了800個載波傳輸電話信 號(采用語音激活)。轉發(fā)器飽和輸入功率密度WS 72 dBW/m2，上行傳播衰減為200.6 dB，下行傳播衰減為 196.7 dB，轉發(fā)器的性能因數(shù)GRS/TS11.6 dB/K，天 線口徑為8 m，地球站的性能因數(shù)GRE/TD30 dB/K，衛(wèi) 星發(fā)射功率為29 dBW。為了減小交調分量的影響，行波管 的輸入、輸出補償分別為BOI10 dB和BOO4 dB(C/NI按16 dB計算)。

41、若計入鄰道干擾的影響，取 C/NIA=26 dB。試計算衛(wèi)星鏈路的C/T值和門限值C/T th以及地球站的有效全向輻射功率EIRPEI和傳輸帶寬B。 7272 解：解：(1)求衛(wèi)星鏈路的C/T值。 上行鏈路。衛(wèi)星轉發(fā)器工作在多載波狀態(tài)時，按式 (3-24)可以計算出C/TUM。對于SCPC方式，因為每一通 路的C/T值是相等的，故均為 (3-49) 式中，n為通路數(shù)?？紤]到系統(tǒng)中采用了話音激活，只 有當有話音時才發(fā)射載波，若取激活因數(shù)為0.4，則實際工 作的載波數(shù)為8000.4=320，即取n=320。因此 n T G BOW T C lg10 4 lg10 2 S RS IS U 7373

42、dBW/K6 .155320lg10376 .111072 U T C 7474 下行鏈路。與上行鏈路類似，下行鏈路每一載波的 C/T值為 (3-50) 則 n T G LBO T C lg10EIRP D RE PDOSS D dBW/K7 .16625307 .196429 D T C 7575 交調噪聲載噪比C/TI。當衛(wèi)星轉發(fā)器同時放大的 多個載波的間隔為45 kHz時，交調分量在轉發(fā)器頻帶中心 處最大，兩側較小?？紤]到一部分交調分量會落在工作頻 帶之外，因而實際上會因為采用話音激活使交調失真的影 響有所減小，使C/TI有所提高(大約可以提高4 dB)。根 據(jù)式(3-28)，可以得到

43、4lg10lg10 II Bk N C T C 7676 若取C/TI16 dB，取中頻帶寬為38 kHz，得 C/TI162.8 dBW/K。 根據(jù)題意C/NIA26 dB，再由式(3-28)可求得C/T IA151.8 dBW/K。 由以上各個C/T值，根據(jù)式(3-31)可求得C/Tt 168.2 dBW/K。 7777 (2)求門限值C/Tth。 對于QPSK調制，當取誤碼率Pe=104時，Eb/n0 8.4 dB。考慮到譯碼器的影響，會使誤碼率有所增大，因而 取Eb/n010.4 dB。按傳送一路話音信號計算，傳送速 率R64 kb/s，即R48.1 dB。由式(3-38)可得 這樣，

44、衛(wèi)星鏈路實際達到的C/T值與門限值C/T th相比，還有1.9 dB的門限余量。 dBW/K1 .1701 .486 .2284 .10 th T C 7878 (3)求地球站的有效全向輻射功率EIRPE。 因為衛(wèi)星轉發(fā)器為多載波工作，且每一載波的發(fā)射功 率相等，故均為 (3-51) 則 EIRPEI7210200.6372556.6 dBW 若保留2.4 dBW的余量，則EIRPEI56.62.4 59 dBW。 nLBOWlg10 4 lg10EIRP 2 PUISEI 7979 (4)求傳輸帶寬B。 因為采用的是QPSK調制，按每一碼元傳輸2 bit信息計 算，當傳輸速率為R( b/s)

45、時，帶寬應為R/2( Hz)。若一路數(shù) 字話音信號的傳輸速率R為64 kb/s，則信號帶寬可取為32 kHz。 在發(fā)端站，為了不因頻帶受限引起較大的波形失真而 使誤碼率增大，發(fā)送帶寬應盡量取得寬一些。同時，通常 規(guī)定載波兩邊22.5 kHz處的信號電平要比中心頻率處至少低 26 dB或更多一些。為此，發(fā)信濾波器的帶寬大約為42 kHz， 一般取45 kHz。 8080 在接收端，為了使C/T值盡量高一些，總希望接收濾波 器帶寬取得窄一些。當然，也不能太窄，否則也會因波形 失真而使誤碼率增大。一般來說，接收濾波器帶寬BR按R/2 的1.11.4倍計算。當取R/2的1.19倍計算時，可以求得 kH

46、z3864 2 1 19. 1 2 1 19. 1 R RB 81 81 3.3.4 衛(wèi)星通信系統(tǒng)總體設計的一般程序衛(wèi)星通信系統(tǒng)總體設計的一般程序 假定使用的通信衛(wèi)星、工作頻段、通信業(yè)務類別、容 量及站址等已確定，則衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設計程序如下： (1)確定傳送信號質量。 (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， 轉發(fā)器利用率就高，頻帶就寬，地球站的建設費用也高； 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、質量要求高的站，天 線的尺寸相應要大；對于邊遠地區(qū)，通信量較小，從經(jīng)濟 角度考慮，采用小型

47、天線能保證正常的通信即可。 8282 (4)根據(jù)電話、電視等業(yè)務的要求，確定系統(tǒng)配置，包 括各類附屬設備、專用設備以及地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)設備等。在 此基礎上確定相應的土建工藝要求，并向土建設計師提出。 (5)按照相應規(guī)范要求，確定總體系統(tǒng)指標，并對各分 系統(tǒng)提出分指標要求。 (6)對各分系統(tǒng)設備進行設計。 8383 作為地球站設計工程師，對于上行鏈路應特別注意發(fā) 射機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整范圍。下行鏈 路設計對地球站有著十分重要的作用，低噪聲接收機要盡 量靠近饋源，提高G/T值，防止外部干擾信號進入，系統(tǒng)增 益分配要合理，系統(tǒng)匹配要良

48、好，以提高通信質量指標。 從某種意義上來說，地球站實際上是圍繞下行鏈路設計的。 8484 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 GHz； (4)30 GHz/20 GHz。 習習 題題 8585 2設某衛(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)

49、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)星轉發(fā)器上的載波交調噪聲比為24 dB。 問總的載波噪聲比為多少？ 5設某地球站發(fā)射機末級輸出功率為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。 8686 6設某地球站發(fā)射天線增益為63 dBi，損耗為3 dB， 有效全向輻射功率為87.7 dBW。試求出發(fā)射機輸出功率。 7設發(fā)射機輸出功率為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)星接收機輸入端信號功 率為多少 dBW。 8787 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)星接收機輸入端的載噪比C/N 和C/T。 9設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)星的EI